4 Awesome Brain Imaging Techniques
La science du cerveau a fait d’énormes progrès au cours des dernières décennies, et notre compréhension du cerveau, loin d’être complète, a énormément augmenté. Ces avancées ont été rendues possibles grâce aux différentes techniques d’imagerie cérébrale découvertes au cours de ce dernier siècle. Dans ce billet, nous allons passer en revue les 4 plus impressionnantes de ces techniques
Electroencéphalographie (EEG)
L’EEG pourrait être considéré comme le père des techniques de neuro-imagerie, car c’est la première technique utilisée pour mesurer l’activité (électrique) du cerveau vivant. Hans Berger a enregistré le premier EEG d’un humain en 1924. Les appareils d’EEG ont beaucoup progressé depuis, les rendant plus fiables, plus portables, avec plus d’électrodes et même sans fil. Les techniques d’interprétation et d’analyse des données EEG ont également beaucoup progressé. Des techniques complexes d’analyse des données d’EEG ont été développées (vous en trouverez un bref aperçu ici), comme l’EEG-tomographie. Avec cette technique, nous pouvons réaliser une carte en 3D de l’intérieur du cerveau, simplement en mesurant les potentiels électriques dans le cuir chevelu du cerveau.
L’EEG est bon marché, non invasive, relativement facile à mettre en place et la résolution temporelle est excellente : jusqu’à moins de 1 ms ou, en d’autres termes, inférieure au temps nécessaire pour avoir un potentiel d’action. D’autre part, la résolution spatiale de l’EEG est supérieure à celle des autres techniques d’imagerie cérébrale (environ 1 à 2 cm).
Imagerie par résonance magnétique (IRM)
Elle représente le Saint Graal des techniques d’imagerie cérébrale ainsi que de l’imagerie médicale en général. L’IRM est une technique relativement récente (la première image IRM a été publiée en 1973). Paul Lauterbur et Peter Mansfield, pionniers des techniques d’IRM, ont reçu le prix Nobel de médecine en 2003. Très brièvement, l’IRM utilise des champs magnétiques puissants et des impulsions électromagnétiques pour exciter des protons qui génèrent ensuite un photon avant de se désintégrer à leur état normal. Ces photons sont ensuite mesurés par l’IRM et une carte d’un tissu vivant peut être générée. L’IRM a une grande résolution spatiale (2-3 mm), ce qui la rend très adaptée à la recherche et aux applications cliniques. L’inconvénient est la résolution temporelle, qui est assez faible (supérieure à 1 seconde). De plus, l’équipement IRM est très cher, encombrant et donc non portable et peu adapté à une utilisation hors laboratoire.
Spectroscopie dans le proche infrarouge (NIRS)
C’est une technique relativement récente : les applications médicales et physiologiques n’ont été développées qu’au cours des dernières décennies. L’idée est de fixer une source de lumière NIR sur le cuir chevelu et un détecteur de lumière NIR. On peut ainsi obtenir le taux de transmission et d’absorption de la lumière NIR dans les tissus humains, qui contient des informations sur les changements de la concentration en hémoglobine. En effet, lorsqu’une zone particulière du cerveau est active, sa demande en oxygène augmente et la concentration d’hémoglobine augmente également. Le NIRS ne peut obtenir des informations qu’à partir des tissus corticaux, car la lumière NIR est entièrement absorbée dans les régions plus profondes du cerveau. De plus, la résolution temporelle de la NIRS est similaire à celle de l’IRM, puisque nous obtenons des informations similaires, à savoir les modifications du flux sanguin. Les avantages du NIRS sont la portabilité, la facilité d’utilisation et le fait qu’il soit bon marché. Pour ces raisons, le NIRS a été appliqué dans de nombreuses applications d’interfaces cerveau-ordinateur (ICN).
Tomographie par émission de positons (TEP)
C’est une technique très cool dans laquelle plusieurs concepts physiques sont appliqués afin d’extraire des informations du cerveau : de la physique des particules à la physique quantique. En bref, on injecte au sujet étudié un marqueur radioactif qui contient des isotopes qui vont se désintégrer en particules de plus basse énergie, et dans ce processus vont créer des positrons qui vont entrer en collision avec des électrons puis se transformer en photons qui peuvent être détectés par la TEP. Néanmoins, cette technique d’imagerie cérébrale est invasive (le sujet se voit injecter une substance radioactive), coûteuse (pour créer l’isotope radioactif, un sincrotron est nécessaire) et non portable (la TEP est assez volumineuse). D’un autre côté, la qualité des images TEP est assez élevée et est largement utilisée pour la détection des tumeurs cérébrales, entre autres applications (cliniques).
Il existe d’autres techniques de neuro-imagerie intéressantes, mais pour que ce post soit suffisamment court, je vais les énumérer brièvement :
- Électrocorticogramme (EcoG) : nécessite d’ouvrir le crâne et de placer un réseau d’électrodes à la surface du cortex. Il enregistre des signaux électriques, mais de meilleure qualité que l’EEG.
- Magnétoencéphalogramme (MEG) : Comme l’EEG, mais dans ce cas, il enregistre les champs magnétiques produits par les neurones lorsqu’ils tirent.
- Tomographie assistée par ordinateur (TAO) : De nombreuses radiographies sont réalisées sous de nombreux angles différents. Avec ces informations, une image en 3D du cerveau peut être produite. Attention : L’exposition à la radioactivité des patients est considérable.
- Réseaux de micro-électrodes (MEA) : Utilisés pour les cultures de neurones in-vitro, ils permettent de mesurer les potentiels d’action individuels, en ayant accès aux mécanismes de communication les plus basiques entre les neurones.