Rédigé par M-C. Garnier et M. Ternaux, Lycée Joliot Curie, Aubagne
Relue par : Jean-Luc ANTON, Ingénieur de Recherche au CNRS - IRM fonctionnelle de La Timone à Marseille

Les méthodes électromagnétiques enregistrent directement en temps réel, sur le scalp, les signaux électriques et électromagnétiques émis par des réseaux de neurones activés au cours de la tâche cognitive considérée .

Ces enregistrements s'effectuent toutes les millisecondes ( la résolution spatiale est de quelques mm3 mais la localisation précise des sources des signaux est difficile ). Ainsi les images électromagnétiques révèlent l'activité cérébrale en temps réel mais ne peuvent préciser le nombre et la position des sites actifs.

Comment sont produits les champs détectés par ces systèmes ?

L'excitation d'un neurone entraîne l'ouverture de canaux ioniques au niveau de sa membrane : il se crée un courant électrique dans les milieux intra et extracellulaires.Les courants intracellulaires ( " courants sources " ou courants primaires -en noir sur le schéma ) provoquent des déplacements d'ions à l'extérieur de la cellule ( courants secondaires- en vert sur le schéma ).. 

Le courant électrique engendre, dans l'espace qui l'entoure, un champ magnétique très faible: un dixième de pico-tesla (c'est-à-dire 1 milliard de fois plus petit que le champ magnétique terrestre ), d'où la nécessité d'isoler les appareils du champ magnétique terrestre et d'utiliser un blindage ( parois en métal ), ce qui augmente le coût de cette technique.

Les dispositifs EEG et MEG n'ont pas directement accès aux courants électriques qui circulent dans le cerveau, mais à la somme de leurs effets à la surface de la tête ( ils représentent l'activité de 100 000 à un million de neurones activés en même temps, concentrés dans quelques millimètres cubes de cortex que l'on nomme macrocolonnes ).

Chaque macrocolonne se comporte comme un dipôle électrique dont la direction moyenne est celle des dendrites de cette macrocolonne.

Une disposition des dipôles crée en tous points de l'espace un champ électromagnétique caractérisé par son potentiel électrique et son champ magnétique, qui sont les signaux enregistrés respectivement en EEG et en MEG.

Comment distinguer les sites activés par la tâche étudiée des sites activés par d'autres tâches ?

La technique la plus couramment utilisée est celle du moyennage des tracés EEG et MEG : en additionnant les tracés obtenus lors de la répétition d'un même stimulus dans la même tâche, on espère faire ressortir les composantes spécifiques, qualifiées de réponses évoquées, de l'activité cérébrale étudiée : par exemple, une stimulation externe comme la perception d'une image ou une stimulation interne comme le mouvement volontaire d'un doigt est répétée un grand nombre de fois ( plus de 100 fois ) et les signaux enregistrés sont ensuite moyennés.

Expérience de champs évoqués moteurs en MEG

a: Superposition des 151 signaux moyennés évoqués par le mouvement d'extension de l'index de la main droite. Les courbes bleue et rouge correspondent au maximum de flux de champ magnétique sortant et entrant dans la tête.

b : Développement sur un plan de la carte de champ magnétique 108 ms après le déclenchement du mouvement. Les tons bleus et rouges correspondent aux flux de champ magnétique sortant et entrant dans la tête. L'activité principale est située sur l'hémisphère gauche, ce qui est compatible avec un mouvement réalisé par l'index droit.

Pour appliquer cette méthode, on doit admettre que les réactions cérébrales sont reproductibles d'un essai à l'autre et également d'un sujet à l'autre. Actuellement de nombreux neurobiologistes pensent que, durant une tâche cognitive, des assemblées de neurones sont activées et que leurs décharges sont synchronisées. Par conséquent, en relevant sur les enregistrements EEG et MEG les aires du cerveau dont les signaux se synchronisent au cours d'une tâche, il serait possible d'identifier les régionsqui sont associées à cette tâche, sans recourir au moyennage.

Recueil des signaux d'EEG et de MEG

L'EEG demande un équipement plutôt léger : le détecteur est une électrode , formée par une cupule métallique de quelques millimètres, fixée sur le scalp, et qui enregistre les variations du potentiel électrique au point de fixation. Pour pouvoir localiser les générateurs, un minimum de 32 électrodes est nécessaire. Les variations de potentiel électrique, de l'ordre de quelques millivolts, sont mesurées toutes les millisecondes.

Dispositif expérimental d'électroencéphalographie

En MEG, le détecteur unitaire est un bobinage de fil métallique conducteur ; le magnétomètre, dans lequel les variations de champ magnétique induisent un courant. Les variations du champ magnétique induites par l'activité cérébrale sont infinitésimales ( de l'ordre du femto-tesla, soit 1milliard de fois plus faible que le champ magnétique terrestre ! ).

Les mesures ne sont possibles que si le bobinage est refroidi à très basse température et si l'appareillage avec le sujet est placé dans une chambre blindée.

Dans un cas comme dans l'autre , les cadences d'échantillonage temporel sont de l'ordre de la milliseconde.