L'imagerie électromagnétique

La magnéto-encéphalographie, MEG, enregistre directement en temps réel, à proximité du scalp, les champs magnétiques stationnaires produits par des réseaux de neurones activés au cours de la tâche cognitive considérée.
Complémentairement, l'électro-encéphalographie, EEG, enregistre la répartition des potentiels à la surface du scalp produits par le passage de courants volumiques dans la boîte crânienne.

Ces enregistrements s'effectuent toutes les millisecondes (la résolution spatiale est de quelques mm³ mais la localisation précise de la source 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 qu'à partir de modèles physiques et géométriques de la tête.

• Voir les images prises lors d'une visite d'un centre de MEG

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).
On montre que le champs magnétique (MEG) est essentiellement induit par les courants primaires post-synaptiques, tandis que la répartition de potentiel à la surface du scalp est liée aux courants secondaires (EEG).

Le courant électrique engendre, dans l'espace qui l'entoure, un champ magnétique ( 10^-13 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 mu-métal et aluminium). 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 proximité (MEG) ou à la surface de la tête (EEG). Ces courants représentent l'activité de 10 000 à un million de neurones, activés en même temps, concentrés dans quelques millimètres cubes de cortex que l'on nomme macrocolonne).
Chaque macrocolonne se comporte comme un dipôle électrique dont la direction moyenne est celle des dendrites de cette macrocolonne.

L'activation d'un ensemble spatial de dipôles crée en tous points de l'espace un champ électromagnétique enregistré en MEG et une répartition de potentiel sur le scalp enregistrée en EEG.

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 augmente le rapport signal/bruit ce qui permet de 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, ce qui est vrai pour les réponses sensorielles. Actuellement de nombreux neurobiologistes pensent que, durant une tâche cognitive, des assemblées de neurones constituées en réseau sont activées et que leurs décharges sont synchronisées. L'étude des cohérences, synchronisations et oscillations de ces assemblées permet de caractériser le décours temporel des tâches élémentaires permettant d'élaborer une réflexion de type cognitif.

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, par exemple, toutes les millisecondes.

Dispositif expérimental d'électroencéphalographie

En MEG, le détecteur unitaire est l'assemblage d'un bobinage de fil supra-conducteur associé à un détecteur de champ magnétique extrêmement sensible (SQUID). Suivant le type de disposition et de construction de ces deux éléments, il est possible de réaliser, soit un magnétomètre pur, soit des gradiomètres dont le but est de réduire l'influence des bruits électromagnétiques perturbateurs. Les variations du champ magnétique induites par l'activité cérébrale sont infinitésimales (de l'ordre du femto-tesla, soit un milliard de fois plus faible que le champ magnétique terrestre!).

Les détecteurs fonctionnent à très basses températures. Ils sont immergés dans un bain d'héluim liquide contenu dans le cryostat. L'appareil et le sujet sont placés dans une chambre blindée.

Vue d'ensemble d'une installation MEG et modèle plastique de l'organisation des détecteurs par rapport à la tête du sujet

Qu'il s'agisse de MEG ou d'EEG, les cadences d'échantillonage temporel sont de l'ordre de la milliseconde.