Comment mesurer l’activité cérébrale des personnes

Le cerveau est difficile à étudier non seulement en raison de sa complexité inhérente ; les milliards de neurones, les centaines ou milliers de types de neurones, les trillions de connexions. Le cerveau fonctionne également à un certain nombre d’échelles différentes, tant au sens physique que dans le domaine temporel.

Pour comprendre l’activité électrique du cerveau à ces échelles, aucune technologie ne suffit. Par conséquent, les neuroscientifiques disposent d’une série d’outils. Certains d’entre eux, comme l’IRMf et l’EEG, peuvent être utilisés chez l’homme car ils sont non invasifs ; ils fonctionnent en regardant dans le crâne.

Mais ces outils souffrent d’un manque de détails. Pour obtenir une image plus microscopique de l’activité des neurones, les chercheurs se tournent vers les modèles animaux. Cela permet d’analyser le comportement de neurones individuels, ou de petits groupes de neurones, de manière beaucoup plus détaillée.

Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ou IRMf, est peut-être la technologie la plus connue pour enregistrer l’activité des neurones, mais elle n’enregistre pas réellement l’activité des neurones – au lieu de cela, les images multicolores que vous voyez de régions particulières du cerveau qui s’illuminent reflètent le flux sanguin dans le cerveau. Plus précisément, le signal que vous voyez reflète la présence relative de sang oxygéné par rapport au sang désoxygéné ; les régions actives ont besoin de plus de sang oxygéné, et donc, malgré son caractère indirect, l’IRMf permet aux scientifiques de déduire les schémas d’activité des neurones.

L’IRMf est devenue un élément de base de la recherche moderne en neurosciences car elle permet de corréler l’anatomie du cerveau (obtenue à partir d’une IRM structurelle, plutôt que fonctionnelle) et sa fonction chez l’homme. Mais elle a des limites. Les résolutions spatiale (~1 mm3, relative à la localisation) et temporelle (~1-2 sec, relative au temps) sont toutes deux médiocres par rapport à ce que nous souhaiterions ; un millimètre cube contient environ 60 000 neurones – assez pour soutenir la vie entière d’une mouche à fruits ou d’un homard – et les décisions perceptives complexes ne prennent que des centaines de millisecondes, mais l’IRMf ne donne aucun accès à ces informations.

Néanmoins, l’IRMf permet un regard inégalé sur l’endroit et la mesure dans laquelle différentes fonctions peuvent être localisées dans le cerveau humain, et les chercheurs continuent de concevoir des moyens d’améliorer sa résolution spatiale et temporelle, par exemple en rendant la technique sensible aux changements neuronaux plutôt qu’aux changements de flux sanguin. Aucune technique actuelle n’égale l’IRMf pour sa capacité à « cartographier », ou à déterminer la source probable, de la fonction cognitive dans le cerveau humain.

Électroencéphalographie (EEG)

L’électroencéphalographie, ou EEG, est probablement la deuxième meilleure technique connue pour enregistrer l’activité neuronale. Alors que l’IRMf enregistre le flux sanguin, un proxy de l’activation des neurones, l’EEG enregistre directement l’activité électrique du cerveau via des électrodes placées sur le cuir chevelu du sujet.

Cependant, l’EEG n’enregistre pas les potentiels d’action, les événements électriques que les neurones utilisent pour communiquer entre eux. Au lieu de cela, il étudie l’activité cumulée de centaines de milliers ou de millions de neurones sous la forme d’une activité oscillatoire. Contrairement aux potentiels d’action, on ne sait pas quelles informations ces oscillations transportent réellement, mais différentes fréquences d’oscillation sont corrélées à différents états comportementaux.

L’EEG a une « résolution temporelle » bien supérieure à l’IRMf (~1 ms contre 1 sec). Pour cette raison, l’EEG peut être utilisé pour suivre plus précisément la dynamique neuronale chez les humains éveillés, et est souvent utilisé pour déterminer la réponse électrique du cerveau à un stimulus ou à une condition.

La principale limite de l’EEG est sa faible résolution spatiale, beaucoup plus faible que pour l’IRMf. Bien que l’on sache que les signaux EEG proviennent uniquement du cortex cérébral, il reste extrêmement difficile de savoir précisément où, dans le cortex, les signaux prennent naissance.

De plus, son biais cortical signifie que nous ne pouvons pas l’utiliser pour mesurer ce qui se passe dans l’hippocampe, où de nombreux souvenirs sont créés et stockés, ou dans la substantia nigra ou le striatum, régions affectées par la maladie de Parkinson. Ainsi, contrairement à l’IRMf, la cartographie de l’activité n’est pas vraiment possible avec l’EEG.

Electrocorticographie (ECoG)

L’électrocorticographie est similaire à l’EEG en ce qu’elle mesure l’activité combinée de millions de neurones, souvent sous forme d’ondes oscillatoires. Mais il existe deux différences majeures. Tout d’abord, l’ECoG nécessite l’insertion d’un réseau d’électrodes sous le cuir chevelu, et donc une intervention chirurgicale. Pour cette raison, l’ECoG ne convient qu’aux patients déjà programmés pour une chirurgie médicale qui implique une ouverture du cuir chevelu.

Deuxièmement, l’ECoG permet une localisation nettement améliorée de la source d’activité, ainsi que l’enregistrement d’une activité électrique de plus haute fréquence. Ces deux caractéristiques aident pendant la chirurgie de l’épilepsie, mais à des fins de recherche pure, la technique est trop invasive pour être utilisée chez les humains qui ne nécessitent pas déjà une chirurgie du cerveau.

Résumé

Les neuroscientifiques sont à juste titre limités dans le type d’approches qu’ils peuvent utiliser pour étudier l’activité cérébrale humaine. Cependant, il n’existe à ce jour aucune technologie permettant d’enregistrer l’activité détaillée des neurones à travers le crâne humain, ce qui signifie que les mesures que nous pouvons prendre donnent des informations assez grossières sur le fonctionnement de notre cerveau. Ces limites de résolution spatiale et temporelle seront sans doute améliorées dans un avenir proche, ce qui permettra des mesures plus précises et une meilleure compréhension de l’activité cérébrale humaine. En outre, des approches complémentaires permettant de perturber temporairement le traitement neuronal nous aideront à comprendre quels types de dysfonctionnement cérébral régional pourraient conduire aux déficits cognitifs associés aux troubles mentaux.

Laboratoires QBI utilisant l’IRMf

• Professeur Jason Mattingley
• Professeur associé Ross Cunnington
• Professeur Tianzi. Jiang

Laboratoires QBI utilisant l’EEG

• Professeur Jason Mattingley
• Professeur associé Ross Cunnington

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