Fiche de révision : Introduction aux techniques d'imagerie cérébrale et leur lien avec la cognition

📋 Plan du Cours

1. Lien cerveau et cognition
2. IRM structurale et connectivité
3. Morphométrie cérébrale
4. IRM fonctionnelle et signal BOLD
5. Électrophysiologie et EEG
6. MEG, iEEG et TEP
7. Spectroscopie infrarouge proche

📖 1. Lien cerveau et cognition

🔑 Notions clés & Définitions

• Paragigme perception : Paradigme expérimental conçu pour relier une activité cérébrale à la perception d’informations par le sujet.
• Paragigme mémoire à court-terme : Paradigme expérimental conçu pour relier une activité cérébrale à des processus de maintien en mémoire à court terme.
• Signal neuronal : Grandeur mesurable qui reflète l’activité liée à un processus cognitif et qui peut être traitée pour interpréter le cerveau.

📝 Points essentiels

• L’étude du lien cerveau-cognition vise à comprendre des processus cognitifs comme la perception, l’attention et la mémoire.
• Le cerveau produit un signal observable : on le mesure, on le traite/analyse, puis on l’interprète en lien avec le processus étudié.

📖 2. IRM structurale et connectivité

🔑 Notions clés & Définitions

• IRM : Imagerie par Résonance Magnétique qui produit une image 3D non invasive du cerveau en exploitant les propriétés magnétiques de noyaux comme l’hydrogène.
• IRM DTI : Imagerie par tenseur de diffusion qui mesure la direction de la diffusion de l’eau contrainte par les tissus, surtout la substance blanche.
• Faisceaux de substance blanche : Ensemble de fibres myélinisées constituant des voies de communication dans le cerveau, analysées en IRM DTI.
• Voxel Based Morphometry : Morphométrie basée sur voxels mesurant le volume de substance grise à des localisations précises sur des images IRM.

📝 Points essentiels

• L’IRM sert à différencier les tissus, du noir au blanc en passant par des nuances de gris, par exemple le crâne plus épais et entourant la tête.
• En IRM DTI, on récupère position, orientation et anisotropie des structures fibreuses via la diffusion contrainte de l’eau dans des tissus comme les axones de substance blanche.
• Les faisceaux de substance blanche correspondent à des fibres myélinisées, par exemple le faisceau arqué reliant aire de Broca et aire de Wernicke ou le corps calleux entre hémisphères.
• La VBM mesure la quantité de tissu par volume de substance grise dans un volume cérébral, volume lié à des variations de synapses, taille de neurones et connexions.

📖 3. Morphométrie cérébrale

🔑 Notions clés & Définitions

• Lésions cérébrales : Anomalies structurelles observables à l’IRM, pouvant être développementales, traumatiques, liées à un AVC, à une pathologie ou à une chirurgie.
• Densité de substance grise : Mesure indirecte de la quantité de tissu cortical, approchée en pratique par des variations de volume dans une morphométrie.
• Neuroplasticité : Capacité du cerveau à modifier ses connexions au cours de l’apprentissage ou de stimulations, susceptible d’être associée à des variations morphométriques.

📝 Points essentiels

• L’IRM du cerveau met en évidence des anomalies structurelles pouvant provenir d’un traumatisme, d’un AVC, d’une maladie/pathologie ou d’une intervention chirurgicale.
• Dans une morphométrie par voxels, la substance grise mesurée en volume est associée à des changements possibles de synapses, taille des neurones et connexions, et peut être reliée à l’apprentissage et aux capacités cognitives.

📖 4. IRM fonctionnelle et signal BOLD

🔑 Notions clés & Définitions

• IRM fonctionnelle : Technique non invasive de neuroimagerie qui relie des variations physiologiques du sang à l’activité neuronale pendant une tâche cognitive.
• Signal BOLD : Effet mesuré en IRMf reflétant le niveau d’oxygénation sanguine, dépendant de l’hémoglobine et utilisé comme indicateur indirect d’activité neuronale.
• Oxyhémoglobine : Forme oxygénée de l’hémoglobine (HbO) dont le comportement dans le sang influence le signal observé en BOLD.
• Condition active vs condition contrôle : Comparaison expérimentale où l’on mesure la réponse BOLD lors d’une tâche active puis on la confronte au repos/contrôle.

📝 Points essentiels

• L’IRMf repose sur des variations d’oxygénation du sang sans traceur exogène, car l’hémoglobine (endogène) sert de source au contraste BOLD.
• Le BOLD est plus fort quand l’hémoglobine est liée à l’oxygène (oxyhémoglobine), en lien avec l’apport sanguin et la consommation d’oxygène après activation neuronale.
• L’évolution temporelle BOLD montre une hausse après l’afflux sanguin puis une retombée lors de la réduction capillaire, avec un délai de 5/6 secondes avant d’observer le signal.
• Le contraste IRMf correspond à la différence BOLD entre une condition active et une condition contrôle, et le lien avec l’activité neuronale existe mais avec décalage temporel et résolution temporelle limitée.
• L’étude de Logothetis (2001) rapporte que l’augmentation de l’activité neuronale (MUA-LFP) suit une hausse d’activité BOLD dans le cortex visuel primaire du macaque.

💡 Astuce mémo

BOLD = Sang Oxygéné : plus de HbO → réponse plus forte, mais avec retard de quelques secondes.

📖 5. Électrophysiologie et EEG

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel d’action : Signal électrique tout-ou-rien traduisant le déclenchement neuronal d’un neurone, utilisé comme composante centrale de l’activité enregistrée.
• Potentiel de champ local : Mesure électrique issue d’un groupe de neurones autour de l’électrode, liée aux variations du champ électrique local.
• EEG : Électroencéphalogramme mesurant l’activité électrique oscillatoire de grands réseaux de neurones, en fonction de l’état du sujet.
• Potentiels évoqués : Différences temporelles moyennées de réponses à des stimuli qui révèlent précisément quand un traitement neuronal change.

📝 Points essentiels

• En électrophysiologie, des électrodes enregistrent des potentiels d’action de neurones ou l’activité de petits groupes, ainsi que des modulations du champ électrique via le potentiel de champ local (LFP).
• Les électrodes étant en contact direct avec le système nerveux, l’enregistrement est environ 1000 fois plus rapide que l’IRM.
• Le signal EEG est oscillatoire et varie avec l’état global (éveil, activité, repos, sommeil), avec analyses possibles en fréquence et amplitude.
• Les potentiels évoqués sont des moyennes de signaux par condition et donnent l’information de timing sur le traitement lié au stimulus ou à l’attention pendant la tâche.

📖 6. MEG, iEEG et TEP

🔑 Notions clés & Définitions

• Magnétoencéphalographie : Technique qui enregistre les variations du champ magnétique produites par l’activité neuronale et permet des analyses temporelles proches de l’EEG.
• EEG intracérébrale : Enregistrement intracérébral (iEEG/SEEG) ou de surface (ECoG) qui mesure des champs électriques plus locaux que l’EEG externe.
• Signal gamma haute-fréquence : Bande de fréquences d’intérêt dans les signaux intracérébraux, décrite ici entre 50 et 150 Hz.
• TEP : Tomographie par émission de positons qui révèle l’activité via l’absorption d’un traceur radioactif détectée à l’extérieur.

📝 Points essentiels

• La MEG enregistre des variations de champ magnétique dues à l’activité neuronale, avec un calcul permettant aussi d’obtenir des potentiels évoqués.
• L’iEEG/ECoG utilise des électrodes intracérébrales ou sur surface, ce qui donne un signal plus local et moins bruité que l’EEG externe, notamment parce qu’il y a moins d’atténuation par tissus comme le crâne et les méninges.
• En iEEG/ECoG, on analyse le signal gamma haute-fréquence entre 50 et 150 Hz (50–150 Hz).
• La TEP implique une injection d’un traceur radioactif, sa détection externe, une localisation de l’absorption liée à l’activité cellulaire et un besoin de l’IRM pour replacer la localisation dans la structure.
• La TEP a une résolution temporelle de l’ordre de minutes et une résolution spatiale faible, et elle est surtout utilisée en contexte clinique/médical.
• Application décrite en Parkinson : diminution de l’activité dopaminergique dopaminergique évaluée en marquant la L-Dopa au Fluor 18, utile pour suivre l’efficacité thérapeutique.

📖 7. Spectroscopie infrarouge proche

🔑 Notions clés & Définitions

• NIRS : Near Infra-Red Spectroscopy, technique non invasive mesurant des changements liés à l’oxygénation via l’absorption de la lumière proche infrarouge.
• Chromophores : Molécules qui absorbent la lumière proche infrarouge, ici notamment l’hémoglobine et la myoglobine.
• HbO2 : Oxyhémoglobine, dont l’absorption du proche infrarouge et la transmission conditionnent le signal NIRS.
• Hb : Hémoglobine désoxygénée, dont l’absorption et la transmission dans les longueurs d’onde proches infrarouge contribuent au signal NIRS.

📝 Points essentiels

• La NIRS est non invasive, avec une résolution temporelle annoncée à 100 Hz mais une mauvaise résolution spatiale, et elle est combinée avec l’IRM.
• La mesure NIRS suit des variations des deux formes d’hémoglobine (oxygénée et désoxygénée) grâce à une oxymétrie pulsée fournissant un monitoring de la concentration HbO2/Hb selon l’oxygène.
• Le principe utilise un photo-émetteur et un photo-détecteur à distance, et la lumière pénètre les tissus avant d’être absorbée par des chromophores comme l’hémoglobine et la myoglobine.
• HbO2 absorbe l’infrarouge proche et laisse passer R, tandis que Hb absorbe R et laisse passer l’infrarouge proche.

💡 Astuce mémo

NIRS : HbO2 vs Hb “choisissent” les couleurs (R ou infra) donc on remonte l’oxygénation.

📊 Tableaux de synthèse

IRM anatomique vs IRMf

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre un signal avec une information : en neurosciences cognitives, le signal mesuré ne devient interprétation du processus cognitif qu’après traitement et analyse.
2. Croire que l’IRM structurale mesure l’activité : une IRM structurale décrit la forme, tandis que l’activité est reliée à l’IRM fonctionnelle (BOLD).
3. Interpréter le BOLD comme une mesure “instantanée” : le signal a un décalage temporel d’environ 5/6 secondes et une résolution temporelle limitée.
4. Oublier que le contraste IRMf correspond à la différence entre condition active et condition contrôle, donc pas à une valeur BOLD absolue isolée.
5. Penser que l’EEG mesure localement une zone précise comme l’iEEG : l’EEG capte surtout des grands réseaux, alors que l’iEEG/ECoG est plus local et moins bruité.
6. Confondre les résolutions : la TEP est mauvaise en résolution temporelle (minutes) et spatiale, contrairement à l’IRMf qui a un délai de quelques secondes mais pas de minutes.
7. Mélanger HbO2 et Hb dans le principe NIRS : l’une absorbe l’infrarouge proche et l’autre absorbe R, ce qui détermine la reconstruction de l’oxygénation.

✅ Checklist Examen

1. Définir la logique générale : un signal mesurable est traité/analyse puis interprété en lien avec un processus cognitif.
2. Citer des exemples de paradigmes expérimentaux pour relier cognition et cerveau comme perception et mémoire à court terme.
3. Décrire l’IRM comme technique non invasive produisant une image 3D basée sur les propriétés magnétiques de noyaux comme l’hydrogène.
4. Expliquer le but de l’IRM : différencier les tissus via une représentation noir-blanc/gris et observer des anomalies structurelles.
5. Décrire l’IRM DTI : diffusion de l’eau contrainte, mesure sens/orientation/anisotropie et liens avec les faisceaux de substance blanche myélinisés.
6. Donner ce que mesure la VBM : volume de substance grise par localisation en IRM, relié à des variations possibles de synapses, taille de neurones et connexions.
7. Relier l’IRM fonctionnelle au BOLD : hémoglobine endogène, oxyhémoglobine et apport sanguin en réponse à l’activation neuronale.
8. Décrire la dynamique temporelle BOLD : hausse par afflux sanguin puis retombée, avec délai de 5/6 secondes avant le signal observé.
9. Formuler l’idée de contraste en IRMf : comparaison active vs contrôle et lien avec l’activité neuronale avec décalage temporel et résolution limitée.
10. Expliquer ce que mesure l’électrophysiologie : potentiels d’action et potentiel de champ local (LFP) et la vitesse relative d’acquisition vs IRM.
11. Décrire le signal EEG : oscillatoire, dépendant de l’état du sujet, et exploitable via fréquence/amplitude et potentiels évoqués.
12. Décrire MEG : enregistrement de variations du champ magnétique produites par l’activité neuronale, avec potentiels évoqués calculables.
13. Décrire iEEG/ECoG : électrodes intracérébrales/surface, signal plus local et analyse du gamma haute-fréquence 50–150 Hz.
14. Décrire TEP : injection d’un traceur radioactif, détection externe, nécessité d’IRM pour replacer spatialement, et résolutions annoncées (temps minutes, espace faible).