Techniques d’imagerie cérébrale

L’électroencéphalographie EEG

Fournit un enregistrement continu de l’activité globale du cerveau.

nombreuses implications cliniques

Mais technique limitée pour les renseignements apportés sur les processus cognitifs.

acquisition des potentiels évoqués (ERPs)

La présentation multiple des stimuli permet d’atténuer, grâce à un moyennage des valeurs de l’EEG obtenues pour chaque présentation, les variations de l’activité électrique cérébrale qui sont dépourvues de liens avec la stimulation.

La particularité des réponses évoquées est la précision temporelle témoignant de de l’activité neuronale sous-jacente. En revanche, le problème de la localisation des structures est beaucoup plus difficile, et d’autant plus pour les ondes tardives où diverses sources sont impliquées.

Ainsi, les potentiels évoqués conviennent mieux à l’étude du décours temporel des processus cognitifs qu’à l’identification des structures cérébrales.

Développement de méthodes de modélisation.

Une modélisation mathématique localisationniste peut être faite, par simplification des propriétés physiques du cerveau et des tissus de la tête ainsi que des caractéristiques électriques des neurones actifs.

Les générateurs sont modélisés sous la forme de dipôles électriques.

+ -

Dans la plupart des cas, il est nécessaire d’utiliser plus d’un dipôle pour obtenir un ajustement satisfaisant. Les potentiels résultent de l’activation, l’interaction de plus d’une aire cérébrale.

Il devient difficile de trouver une solution unique.

La magnétoencéphalographie MEG

Observe la distribution des champs magnétiques à la surface du crâne. Comme pour les potentiels évoqués, des champs évoqués (ERFs) peuvent être calculés synchronisés sur un événement.

Cette technique dispose de la même résolution temporelle que celle des potentiels évoqués.

Avantage supplémentaire = possède de meilleures capacités de localisation de source du signal.

Les champs magnétiques ne subissent aucune distorsion en passant à travers le cerveau, le crâne et le cuir chevelu.

De la sorte, il est possible de réaliser une modélisation moins « lourde » des générateurs.

Inconvénients de la MEG:

Détection uniquement des sources de champs orientés parallèlement à la surface du crâne.

Matériel onéreux = un appareil « tête entière » de 120 capteurs peut coûter plusieurs millions de dollars.

La TEP et l’IRMf ne détectent pas directement les phénomènes nerveux mais les changements métaboliques corrélés avec l’activité nerveuse.

L’énergie est apportée aux neurones par le glucose et l’oxygène circulant par le système sanguin.

Cependant, le flux sanguin est le même en périodes de repos et d’activité. Le cerveau doit donc se réguler lui-même. Lorsqu’une aire cérébrale est active, le flux sanguin lui apporte davantage d’oxygène et de glucose.

Elles permettent ainsi d’identifier les régions du cerveau qui sont activées durant ces tâches et de tester les hypothèses de localisation proposées à partir des ERPs ou ERFs.

Les progrès méthodologiques sont venus des nouvelles techniques d’imagerie identifiant les corrélats anatomiques des processus cognitifs.

= la TEP et l’IRMf.

Ces méthodes détectent les changements du métabolisme ou du débit sanguin cérébral au cours de tâches cognitives exécutées par le sujet.

La tomographie par émission de positons TEP

Mesure les variations locales du débit sanguin cérébral corrélées avec l’activité mentale par introduction d’un traceur dans la circulation.

= élément radioactif ou isotope

Ce traceur possède un état instable qui lui permet de se désintégrer rapidement en émettant un positon de leur noyau. Quand ce positon rencontre un électron, la collision s’accompagne de la formation de deux photons ou rayons gamma.

Ces deux photons, émis en directions opposées, se déplacent à la vitesse de la lumière dans les tissus qu’ils traversent sans dommage.

Un scanner est alors utilisé pour repérer les photons permettant ainsi de déterminer l’emplacement de la collision.

L’isotope le plus communément utilisé est l’15O. Cet isotope est injecté sous la forme H20 dans le sang pendant l’exécution de la tâche.

On peut aussi injecter du glucose radioactif.

Certes, toutes les parties du corps vont absorber une certaine quantité de cet oxygène radioactif mais la TEP considère comme hypothèse fondamentale qu’il y a un accroissement du débit sanguin dans les régions du cerveau dont l’activité neuronale augmente.

Dans ces conditions, les études d’activation utilisant la TEP ne mesurent pas l’activité métabolique absolue, mais une activité relative.

Au cours d’une expérience de TEP, il est nécessaire de faire au moins 2 injections de l’isotope = la première durant la condition de « contrôle » et la seconde durant la condition « test ».

Comme les traceurs circulent dans le sang, on peut en reconstruisant une image de toutes les collisions ayant eu lieu dans un plan donné, connaître la distribution du flux sanguin.

Plus les radiations sont intenses, plus le débit sanguin est élevé.

Avec la génération la plus récente de scanners, les sujets peuvent recevoir jusqu’à 12 injections, chacune d’un niveau de radioactivité faible de sorte que l’exposition totale aux radiations équivaut à celle de 2 radiographies pulmonaires classiques.

Cette technique révèle les changements d’activité métabolique des aires cérébrales en fonction de la manipulation expérimentale.

Il n’est pas nécessaire que la condition de contrôle soit une simple condition de repos (ou de fixation) = ce peut être une seconde tâche expérimentale.

L’image des différences montre alors les aires qui sont plus actives au cours de la seconde tâche par rapport à la première et inversement.

La TEP est une technique puissante pour la localisation des changements métaboliques. Les méthodes actuelles permettent une résolution de 5 à 10 mm.

Coupe sagittale en TEP durant la tâche d’imitation avec la main droite: l’activité principale a lieu dans le cortex visuel et l’activité secondaire dans le cervelet (coordination motrice).

Les clichés montrent un déplacement de l’activation du cortex visuel quand la position du stimulus passe d’un endroit adjacent au point de fixation à des emplacements plus excentrés.

Débit sanguin quand le sujet fixe un point central.

Débit sanguin quand le sujet fixe un point central sur

lequel vient se surimposer un

damier.

Débit sanguin quand le sujet fixe un point central à

côté duquel un damier est projeté

en position excentrée.

Débit sanguin quand le sujet fixe un point central à

côté duquel un damier est légèrement excentré.

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle IRMf

Comme la TEP, l’IRMf exploite le fait que le débit sanguin cérébral augmente dans les régions actives.

La technique est identique à celle de l’IRM classique = des atomes sont mis en oscillation par des ondes radio et l’on détecte les champs magnétiques locaux accompagnant leur retour à une orientation imposée par un champ magnétique externe.

Résonance magnétique fonctionnelle d’une femme de 24 ans durant une tâche de génération de mots.

(Source : Dept. Neurology and Radiology, Münster)

IRMfIRM

Ce sont donc des changements très faibles mais l’on peut faire varier le signal magnétique en choisissant soigneusement ces conditions expérimentales.

L’IRMf présente l’avantage de permettre de tester deux conditions en continu de manière alternée, alors qu’avec la TEP il était presque toujours nécessaire d’intercaler une pause entre les conditions afin d’assurer l’élimination du traceur radioactif.

L’IRMf se fonde sur les propriétés magnétiques de l’hémoglobine (possède un atome de fer), qui se combine avec l’oxygène sous la forme d’oxyhémoglobine pour le transporter dans le sang.

Quand l’oxygène est absorbé par la cellule, elle se transforme en désoxyhémoglobine qui a des propriétés magnétiques plus marquées que l’oxyhémoglobine.

Les détecteurs d’IRMf mesurent alors le rapport dans lequel se trouve ces deux molécules, puis construit une carte des changements du débit sanguin local couplé à l’activité neuronique locale.

Avantages de l’IRMf:

- L’appareillage moins coûteux que la TEP.

Moyennant quelques modifications mineures, les scanners utilisés dans la plupart des hôpitaux peuvent être adaptés pour des travaux d’imagerie fonctionnelle. En remplaçant les aimants par d’autres plus puissants, passant ainsi de 1,5 tesla à 2-4 teslas, on augmente la résolution spatiale de la machine.

- En TEP, les algorithmes utilisés pour moyenner les données les reportent sur un cerveau « standardisé ». Avec l’IRMf, il est possible d’obtenir des images anatomiques à haute résolution sans modifier la position du sujet, permettant une localisation précise des événements métaboliques.

Les derniers scanners d’IRMf peuvent produire quatre photos par seconde du cerveau. Leur résolution est de l’ordre du millimètre.

- Avec l’IRM, la même machine peut fournir à la fois une image structurelle et fonctionnelle du même cerveau, facilitant ainsi les correspondances anatomo-fonctionnelles

Si l’on découvre que l’activité métabolique d’une aire cérébrale est corrélée avec une variation expérimentale, il n’est pas toujours possible de faire des inférences quant à la contribution fonctionnelle de cette aire.

corrélation ne signifie pas cause.

Une aire peut être activée durant une tâche alors qu’elle ne joue aucun rôle essentiel dans son exécution. Elle peut simplement faire « écho » à d’autres aires cérébrales exécutant les calculs essentiels.

De ce point de vue, les travaux d’imagerie cérébrale sont souvent guidés par d’autres méthodologies. Le fait d’obtenir des données convergentes avec des méthodes différentes donne aux conclusions que l’on tire leurs bases les plus solides.

Couplage de la résolution temporelle des potentiels évoqués avec la résolution spatiale de la TEP ou de l’IRMf pour obtenir un tableau plus précis de l’anatomie et de la physiologie des processus cognitifs.

TEP et IRMf sont toutes les deux « handicapées » par leur faible résolution temporelle.

La TEP est fonction de la vitesse de désintégration de l’élément radioactif. Même les plus rapides des isotopes, comme l’15O, demande que l’on prenne des mesures pendant une durée de 40 secondes si l’on veut obtenir un nombre stable de désintégrations.

Avec l’IRMf, les opérations sont plus rapides, mais la synchronisation entre les changements cérébraux induits par la stimulation et ce que reflète le signal mesuré est encore loin d’être parfaite. Ceci tient aussi au fait que les modifications du débit sanguin ne se font pas instantanément mais surviennent quelques secondes après la stimulation.