Connectivité fonctionnelle à l’échelle du cerveau liée aux signaux de flux sanguin à basses fréquences non neuronales augmentés dans le temps (SLFO) basés sur des scans d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle

Dans le domaine des neurosciences, une question centrale est de savoir comment les connexions cérébrales se reconfigurent au fil du temps pour soutenir les changements dans les fonctions adaptatives. Ces changements neuronaux dynamiques au fil du temps peuvent être mesurés chez l’homme par l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) en estimant la connectivité fonctionnelle (CF). La CF quantifie le degré de coordination de l’activité neuronale entre différentes régions du cerveau, reflétant ainsi la force des connexions neuronales.

La capacité à mesurer précisément la CF et ses variations temporelles dépend de la fiabilité, de l’efficacité et de la spécificité des signaux BOLD (dépendant du niveau d’oxygène dans le sang) basés sur l’IRMf, qui sont les entrées fondamentales pour quantifier l’activité neuronale. Cette étude montre que les estimations de la connectivité fonctionnelle du cerveau basées sur l’IRMf sont artificiellement amplifiées à des taux spatialement hétérogènes pendant les scans en état de repos et basés sur des tâches. Cela entraîne des variations de la force de connexion faussement positives et des distorsions spatiales dans les cartes de connexion cérébrale. Les données démontrent que cet artefact est provoqué par l’extension temporelle des signaux de flux sanguin SLFO dans les scans IRMf, et que le processus de débruitage standard ne peut pas le résoudre. Nous fournissons des preuves montrant que l’extension SLFO reflète les perturbations du flux sanguin cérébral causées par les variations de la respiration et de la fréquence cardiaque pendant les scans, bien que les mécanismes de cette voie ne soient pas encore clairs. Enfin, nous montrons que l’ajout d’un processus de débruitage SLFO dédié dans la chaîne de traitement IRMf peut atténuer l’amplification artificielle de la connectivité fonctionnelle, améliorant ainsi l’efficacité des découvertes IRMf et la fiabilité intra-scan.

Reçu : 13 septembre 2023
Accepté : 3 mai 2024
Publié en ligne : Anonyme
Mise à jour

Cet article provient d’une collaboration entre des scientifiques de la Harvard Medical School Department of Psychiatry, du McLean Hospital Brain Imaging Center, du National Institute on Drug Abuse Neuroimaging Research Branch, et du National Institutes of Health. Il a été dirigé conjointement par Cole Korponay, Amy C. Janes et Blaise B. Frederick. Cette recherche propose une méthode pour éliminer le problème inhérent d’amplification des signaux non neuronaux dans les évaluations de connectivité fonctionnelle issues de l’IRMf.

1. Aperçu du processus de recherche : En étudiant les variations temporelles de la CF entre l’insula et le striatum pendant les scans en état de repos et basés sur des tâches, les auteurs ont découvert que les interférences du flux sanguin résultant des variations de la respiration et de la fréquence cardiaque des individus étaient la cause des artefacts. Une analyse globale du cerveau a confirmé que ces augmentations temporelles de la CF sont un phénomène structurel non lié aux tâches à l’échelle du cerveau. Des tests supplémentaires sur des échantillons indépendants ont validé la généralité de cette conclusion.

2. Principaux résultats de la recherche : Les résultats montrent que le signal SLFO augmente de manière spatialement inégale avec le temps de scan. Ce phénomène est présent dans tous les ensembles de données IRMf humaines et est lié à une diminution du niveau d’éveil des individus pendant le scan, sans nécessairement provoquer de changement d’état de sommeil.

3. Conclusions et significations de la recherche : La recherche conclut que les signaux SLFO non neuronaux sont la cause directe de l’amplification de la CF et de la GMS. L’élimination des signaux SLFO peut considérablement réduire le phénomène d’amplification de la CF. En comparant l’efficacité de différentes chaînes de débruitage, la chaîne de débruitage Riptide s’est avérée capable de stabiliser la CF moyenne à l’échelle du cerveau, éliminant complètement l’amplification de la CF.

4. Points forts de la recherche : Cette étude aborde la question de l’évaluation de la fiabilité de l’IRMf en état de repos sous un angle innovant, à savoir la croissance temporelle des signaux physiologiques non neuronaux. Le programme de débruitage SLFO développé dans cette recherche offre un outil puissant pour améliorer le débruitage des données IRMf et la mesure précise des variations dynamiques de la CF.

Cette recherche est publiée dans “Nature Human Behaviour” et a été menée par la Harvard University, le McLean Hospital et le National Institute on Drug Abuse. Elle apportera de nouvelles perspectives sur la compréhension des variations dynamiques de la CF et sur la manière dont le cerveau coordonne les activités de différentes régions en état de repos ou lors de l’exécution de tâches. En outre, les résultats de cette recherche aideront à appliquer plus précisément la technologie IRMf dans les études sur l’organisation fonctionnelle du cerveau et les maladies, offrant ainsi une base scientifique pour l’élaboration de stratégies de diagnostic et de traitement clinique pertinentes.