Observation du cerveau par imagerie fonctionnelle

Nous disons souvent que le cerveau fonctionne « grâce à des flux électriques ». La réalité est bien sûr plutôt biochimique, mais il est vrai que l’activité cérébrale génère aussi une activité électrique qui donne des indications essentielles sur son fonctionnement.

Mesurer cette activité, visuelle ou auditive par exemple, permet de localiser quelle partie du cerveau en est le siège. Comme le cerveau est organisé en aires spécifiques (aires du langage, aires liées à la perception des formes ou du mouvement, ou encore à la préparation d’un mouvement), cette information – précise à quelques fractions de centimètre – est des plus précieuses.

Bien plus important encore, cela permet d’observer la dynamique de cette activité, par exemple les rythmes qui reflètent les états de vigilance ou les éventuelles pathologies, comme le déclenchement d’une crise d’épilepsie. Plus un traitement est complexe, plus il prend de temps : observer les délais permet d’avoir une mesure directe de cette complexité. Les relations temporelles entre les aires corticales, mesurées ici à la précision de la milliseconde, offrent une vue d’ensemble de cette dynamique.

L’électro-encéphalogramme est un dispositif d’exploration de l’activité corticale par la mesure du potentiel électrique sur des électrodes posées sur le crâne. L’interprétation de ces mesures est extrêmement délicate et met en œuvre des méthodes mathématiques et informatiques en provenance directe des équipes de recherche.

Distinguer et interpréter les signaux grâce à la modélisation

La première difficulté est la faiblesse du signal électrique, quelques dizaines de microvolts seulement. Il est de ce fait très délicat de distinguer le signal d’un bruit de fond important. Ce sont les connaissances accumulées sur l’activité électromagnétique du cortex, que sont les rythmes de cette activité ou les formes des signaux, qui permettent d’injecter des informations a priori dans les calculs afin de mieux distinguer le signal du bruit.

De plus, l’activité électromagnétique du cortex arrive aux capteurs EEG après avoir subi, d’une part des transformations d’une très grande complexité, qui résultent de la traversée du crâne, du scalp et des tissus organiques divers, d’autre part des interférences en provenance d’autres signaux biologiques. Or, c’est bien le signal d’origine, et surtout sa localisation, qui intéressent les chercheurs. Leur démarche consiste donc, dans un premier temps, à élaborer un modèle de tous ces éléments. Qui dit modèle dit simplification. Ainsi, le crâne pourra être vu comme une simple sphère, si cette simplification se révèle acceptable. Le modèle construit permet de prédire, par simulation, les mesures que les capteurs devraient recevoir pour une activité corticale donnée. Mais le problème à résoudre est inverse : connaissant les mesures, il s’agit de déterminer l’activité corticale qui les explique. Pour ce faire, le modèle est simulé de façon répétitive, en changeant ses données d’entrée jusqu’à reproduire les mesures en sortie. Il est alors raisonnable d’affirmer que l’activité corticale réelle est proche de celle qui alimente l’entrée du modèle puisque les mesures simulées, en sortie du modèle, sont proches des mesures effectives.

Enfin, le faible nombre de points de mesures – d’une dizaine à quelques centaines – pose un problème majeur qui n’est actuellement pas bien résolu et motive des recherches en cours. Ces mesures sont en nombre insuffisant pour permettre de reconstruire les millions de paramètres de l’activité corticale. Les chercheurs sont donc contraints de se restreindre à l’étude d’un modèle précis. Par exemple, ils représentent l’activité dans une zone du cerveau par un simple dipôle électrique, uniquement caractérisé par six paramètres, trois de position, deux d’orientation et un d’intensité. Ce modèle est valable lorsque le cerveau est activé de manière très focale, par exemple pour des réponses sensorielles primaires, et on peut alors estimer les paramètres de l’activité de manière fiable et précise. Plus généralement, nos connaissances sur le fonctionnement du cerveau sont introduites comme information a priori, pour mieux cerner l’estimation de l’activité corticale observée.

Dans le même temps, des techniques de mesures encore plus puissantes ont été développées. Ainsi, peut-on maintenant mesurer les champs magnétiques cérébraux à l’extérieur de la tête en utilisant une machine bien plus complexe, un casque de magnéto-encéphalographie qui contient de petites bobines refroidies à une température de 4 Kelvin, pour être supraconductrices et donc suffisamment sensibles. C’est une nouvelle vue sur cette activité cérébrale qui s’ouvre à notre observation, pour peu que les différents problèmes mathématiques et informatiques soient résolus de façon satisfaisante.