Techniques d’imagerie cérébrale Flashcards
LES TECHNIQUES D’IMAGERIE CEREBRALE
L’un des enjeux cruciaux du développement des sciences cognitives est sans aucun
doute notre capacité à suivre le _________ de l’information chez l’homme, au cours du temps
et à l’intérieur du _______. Cette imagerie dynamique du fonctionnement de ________
neuronaux suppose l’existence d’une ou plusieurs ________ parfaitement indolores,
possédant à la fois une grande précision __________ (la milliseconde au moins) et une grande
précision de _______ (quelques dizaines de mm3 environ).
De nos jours l’utilisation de ces nouvelles techniques a fait évoluer l’étude et la
conception que nous avons de la _________. En effet, sur le plan des techniques, de nombreux
progrès ont été réalisés. Ainsi par exemple les psychologues ont intensément cherché à
comprendre ce que signifie un _____ de réaction ou l’analyse _________ d’un effet.
Comment se mesure-t-il ? Quelle est la ______ de cette mesure ? Quelles ________ est-il
possible d’effectuer à partir des mesures de ces effets ?
LES TECHNIQUES D’IMAGERIE CEREBRALE
L’un des enjeux cruciaux du développement des sciences cognitives est sans aucun
doute notre capacité à suivre le traitement de l’information chez l’homme, au cours du temps
et à l’intérieur du cerveau. Cette imagerie dynamique du fonctionnement de réseaux
neuronaux suppose l’existence d’une ou plusieurs techniques parfaitement indolores,
possédant à la fois une grande précision temporelle (la milliseconde au moins) et une grande
précision de localisation (quelques dizaines de mm3 environ).
De nos jours l’utilisation de ces nouvelles techniques a fait évoluer l’étude et la
conception que nous avons de la cognition. En effet, sur le plan des techniques, de nombreux
progrès ont été réalisés. Ainsi par exemple les psychologues ont intensément cherché à
comprendre ce que signifie un temps de réaction ou l’analyse topographique d’un effet.
Comment se mesure-t-il ? Quelle est la validité de cette mesure ? Quelles inférences est-il
possible d’effectuer à partir des mesures de ces effets ?
Il existe deux grandes familles de méthode d’imagerie cérébrale utiles au psychologue __________. Ces deux familles permettent le recueil de l’activité _________ ou
_________ du cerveau d’une part, et l’activité _________ du cerveau d’autre part.
- La tomographie par émission de _________ (TEP) et l’imagerie par _______ _________ ________ (IRMf) sont deux techniques métaboliques.
- L’électroencéphalographie (EEG) et la magnétoencéphalographie (MEG) sont deux
techniques ___________.
Chacune de ces méthodes a ses avantages et ses inconvénients.
Il existe deux grandes familles de méthode d’imagerie cérébrale utiles au
psychologue cognitiviste. Ces deux familles permettent le recueil de l’activité électrique ou
électromagnétique du cerveau d’une part, et l’activité métabolique du cerveau d’autre part.
- La tomographie par émission de positons (TEP) et l’imagerie par résonance magnétique
fonctionnelle (IRMf) sont deux techniques métaboliques.
- L’électroencéphalographie (EEG) et la magnétoencéphalographie (MEG) sont deux
techniques électrophysiologiques.
Chacune de ces méthodes a ses avantages et ses inconvénients.
Historique de l’apparition des méthodes
____ : Etude des lésions (Aire de Broca)
____ : Premier EEG (Hans Berger)
____ : Premières mesures en MEG
____ : Tomographie par Emission de Positons TEP
____ - 89 : Essor de la TEP
____ : Apparition de l’IRM fonctionnelle
____ : Commercialisation des systèmes MEG
Historique de l’apparition des méthodes
1850 : Etude des lésions (Aire de Broca)
1929 : Premier EEG (Hans Berger)
1968 : Premières mesures en MEG
1972 : Tomographie par Emission de Positons TEP
1980 - 89 : Essor de la TEP
1990 : Apparition de l’IRM fonctionnelle
1990 : Commercialisation des systèmes MEG
LES METHODES METABOLIQUES
La tomographie par émission de positons (TEP)
La tomographie par émission de positons (TEP) est une méthode d’imagerie qui permet de mesurer en __ _______ l’activité _________ d’un organe. Elle repose sur le
principe général de la __________ qui consiste à injecter un ______ dont on connaît le comportement et les propriétés ________ pour obtenir une image du fonctionnement d’un
organe.
Cette méthode est une technique d’imagerie ______, car ce traceur est marqué par un atome _______ (H2 15O, carbone, fluor, azote, oxygène…) qui émet des _______ dont
l’annihilation produit elle-même deux ______. La détection de la ________ de ces photons par le collimateur de la caméra TEP permet de localiser le ____ de leur émission et donc
la concentration du traceur en chaque point de l’organe. C’est cette information _________ que l’on représente sous la
forme d’une image faisant apparaître en couleurs les zones de forte concentration du
traceur.
LES METHODES METABOLIQUES
La tomographie par émission de positons (TEP)
La tomographie par émission de positons (TEP) est une méthode d’imagerie qui permet de mesurer en trois dimensions l’activité métabolique d’un organe. Elle repose sur le principe général de la scintigraphie qui consiste à injecter un traceur dont on connaît le comportement et les propriétés biologiques pour obtenir une image du fonctionnement d’un organe.
Cette méthode est une technique d’imagerie invasive, car ce traceur est marqué par un atome radioactif (H2 15O, carbone, fluor, azote, oxygène…) qui émet des positons dont l’annihilation produit elle-même deux photons. La détection de la trajectoire de ces photons par le collimateur de la caméra TEP permet de localiser le lieu de leur émission et donc la concentration du traceur en chaque point de l’organe. C’est cette information
quantitative que l’on représente sous la forme d’une image faisant apparaître en couleurs les zones de forte concentration du traceur.
Ainsi la TEP permet de visualiser les activités du __________ des cellules. Elle permet de révéler les régions ________ du cerveau lors de telle ou telle activité ________ de
manière analogue à ce qui se fait avec l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle.
Ainsi les zones du cerveau impliquées dans une _____ vont être détectées grâce à cette substance radioactive. Il est ainsi possible de reconstituer grâce à cette technique des ______
du cerveau et de déterminer la zone qui est impliquée dans les _______ ________ d’une tâche cognitive que le sujet est en train de réaliser (illustrée par le débit ______ qui s’est accru dans cette zone).
Ainsi la TEP permet de visualiser les activités du métabolisme des cellules. Elle permet de révéler les régions actives du cerveau lors de telle ou telle activité cognitive de manière analogue à ce qui se fait avec l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle.
Ainsi les zones du cerveau impliquées dans une tâche vont être détectées grâce à cette substance radioactive. Il est ainsi possible de reconstituer grâce à cette technique des images du cerveau et de déterminer la zone qui est impliquée dans les processus cognitifs d’une tâche cognitive que le sujet est en train de réaliser (illustrée par le débit sanguin qui s’est accru dans cette zone).
La TEP est donc une technique ________. Elle permet de détecter des__________ relativement précises. Couplée avec
des mesures ___________, elle peut fournir aux psychologues des _______ de la cognition humaine de type physiologique.
La TEP est donc une technique indirecte. Elle permet de détecter des localisations relativement précises. Couplée avec des mesures comportementales, elle peut fournir aux psychologues des indices de la cognition humaine de type physiologique.
L’imagerie par résonance magnétique (fonctionnelle) : IRMf`
L’IRMf repose sur le même principe que la _____ (________ des parties cérébrales mobilisées à partir des modifications locales du ___ ______), mais a l’avantage de ne pas être
______ (pas besoin d’injecter de substance au sujet). L’IRMf est une technique basée sur le taux d’________ du sang, qui tire avantage du fait que les propriétés __________ de
l’hémoglobine varient selon son état d’oxygénation. Les régions du cerveau qui sont activées ont besoin de plus _ ______, lequel est acheminé par une augmentation du flux sanguin vers ces régions. La réponse hémodynamique obtenue par effet ____ met en jeu des processus
__________ encore méconnus qui interviennent au niveau des capillaires sanguins et qui sont des phénomènes lents
(15 s). Les scientifiques comparent les variations du flux sanguin quand le cerveau est actif ou au repos, pour localiser les aires cérébrales qui sont associées à chacun de ces états.
L’imagerie par résonance magnétique (fonctionnelle) : IRMf`
L’IRMf repose sur le même principe que la TEP (inférence des parties cérébrales mobilisées à partir des modifications locales du flux sanguin), mais a l’avantage de ne pas être invasif (pas besoin d’injecter de substance au sujet). L’IRMf est une technique basée sur le taux d’oxygénation du sang, qui tire avantage du fait que les propriétés magnétiques de l’hémoglobine varient selon son état d’oxygénation. Les régions du cerveau qui sont activées ont besoin de plus d’oxygène, lequel est acheminé par une augmentation du flux sanguin vers ces régions. La réponse hémodynamique obtenue par effet BOLD met en jeu des processus
physiologiques encore méconnus qui interviennent au niveau des capillaires sanguins et qui sont des phénomènes lents (15 s). Les scientifiques comparent les variations du flux sanguin quand le cerveau est actif ou au repos, pour localiser les aires cérébrales qui sont associées à chacun de ces états.
Ils peuvent ensuite détecter ces différences avec l’IRM, car les propriétés de _________ du sang varient selon que le sang est oxygéné ou non. Ces images fonctionnelles s’avèrent des outils très puissants grâce auxquels les neuroscientifiques peuvent approfondir leurs connaissances sur l’activité cérébrale. L’IRMf permet de _______ avec une précision de
l’ordre de quelques millimètres les zones cérébrales les plus activées lors d’une ______
cognitive.
Ils peuvent ensuite détecter ces différences avec l’IRM, car les propriétés de magnétisation du
sang varient selon que le sang est oxygéné ou non. Ces images fonctionnelles s’avèrent des outils très puissants grâce auxquels les neuroscientifiques peuvent approfondir leurs connaissances sur l’activité cérébrale. L’IRMf permet de localiser avec une précision de l’ordre de quelques millimètres les zones cérébrales les plus activées lors d’une tâche
cognitive.
Les méthodes électrophysiologiques
L’électroencéphalographie ou EEG
L’EEG ou électroencéphalographie constitue une technique __-______d’investigation de l’activité cérébrale qui peut-être utilisée chez le très ____ _____ (dès la
naissance) tout comme chez l’adulte. Le psychiatre allemand ___ _____ (1929) fut le premier à étudier les variations de l’activité électrique cérébrale chez l’homme, et à avoir baptisé cette méthode. Cette méthode permet de mesurer _________, au moyen d’électrodes placées au niveau du scalp, des variations de l’_____ ________ cérébrale produites par la mise en jeu synchrone de milliers de neurones, en réponse à la présentation d’un événement
particulier externe (stimulation auditive: un son, un accord de
musique ; stimulation visuelle: de visages, objets…) ou interne
(prise de décision, préparation motrice). L’EEG permet de recueillir des ______ _______ ou __ (indices électriques de
l’activité cérébrale).
Les méthodes électrophysiologiques
L’électroencéphalographie ou EEG
L’EEG ou électroencéphalographie constitue une technique non-invasive d’investigation de l’activité cérébrale qui peut-être utilisée chez le très jeune enfant (dès la naissance) tout comme chez l’adulte. Le psychiatre allemand Hans Berger (1929) fut le
premier à étudier les variations de l’activité électrique cérébrale chez l’homme, et à avoir
baptisé cette méthode. Cette méthode permet de mesurer directement, au moyen d’électrodes placées au niveau du scalp, des variations de l’activité électrique cérébrale produites par la mise en jeu synchrone de milliers de neurones, en réponse à la présentation d’un événement particulier externe (stimulation auditive: un son, un accord de musique ; stimulation visuelle: de visages, objets…) ou interne (prise de décision, préparation motrice). L’EEG permet de recueillir des potentiels évoqués ou PE (indices électriques de l’activité cérébrale).
Les signaux électriques recueillis en EEG sont liés à l’activité ___________ des neurones. À l’échelle cellulaire, l’activité synaptique d’un neurone provoque des mouvements d___ dans le milieu ________ à proximité de la membrane, pouvant être globalement assimilés à une configuration de _____ (charges négatives) et de ______ (charges positives) de
courant (figure 7). Il est donc admis que l’activité d’un neurone peut être assimilée à celle d’un ______ de courant, dont l’intensité est proportionnelle à son activité post-synaptique. À l’échelle d’une assemblée locale d’une « population» de neurones, ceux-ci sont spatialement _______ et les courants extracellulaires se somment ou _________. En raison de variations électrophysiologiques mesurées qui sont de faible ________ pour être détectées lors d’une seule stimulation, il est nécessaire d’______ à la fois le signal enregistré, et par ailleurs de présenter plusieurs ______ appartenant à une même condition expérimentale. Un nombre conséquent d’essais permet ainsi de _______ le signal enregistré pour chacune de ces conditions, afin que les variations synchrones à la présentation du stimulus émergent du bruit de fond constitué par l’électro-genèse corticale. Suite à ces différentes étapes, le ________ électrique _______ par la présentation du stimulus sera observé. Le ______ électrique ______
comprend généralement plusieurs composantes qui sont définies par leur ______ (négative, N, ou positive, P), par leur ______ d’occurrence par rapport au début de la stimulation (ex: N100 est une composante négative, dont le maximum d’amplitude apparaît 100 millisecondes ____ le début de la présentation du stimulus), et par leur _______topographique au niveau du scalp. Ces différentes composantes sont supposées refléter différentes étapes du traitement de l’information apportée par le stimulus.
Les signaux électriques recueillis en EEG sont liés à l’activité électrochimique des neurones. À l’échelle cellulaire, l’activité synaptique d’un neurone provoque des mouvements d’ions dans le milieu extracellulaire à proximité de la membrane, pouvant être globalement assimilés à une configuration de puits (charges négatives) et de sources (charges positives) de courant (figure 7). Il est donc admis que l’activité d’un neurone peut être assimilée à celle d’un dipôle de courant, dont l’intensité est proportionnelle à son activité post-synaptique. À l’échelle d’une assemblée locale d’une « population» de neurones, ceux-ci sont spatialement proches et les courants extracellulaires se somment ou s’additionnent. En raison de variations électrophysiologiques mesurées qui sont de faible amplitude pour être détectées lors d’une seule stimulation, il est nécessaire d’amplifier à la fois le signal enregistré, et par ailleurs de présenter plusieurs essais appartenant à une même condition expérimentale. Un nombre conséquent d’essais permet ainsi de moyenner le signal enregistré pour chacune de ces
conditions, afin que les variations synchrones à la présentation du stimulus émergent du bruit
de fond constitué par l’électro-genèse corticale. Suite à ces différentes étapes, le potentiel
électrique évoqué par la présentation du stimulus sera observé. Le potentiel électrique évoqué
comprend généralement plusieurs composantes qui sont définies par leur polarité (négative, N, ou positive, P), par leur latence d’occurrence par rapport au début de la stimulation (ex: N100 est une composante négative, dont le maximum d’amplitude apparaît 100 millisecondes après le début de la présentation du stimulus), et par leur distribution topographique au niveau du scalp. Ces différentes composantes sont supposées refléter différentes étapes du traitement de l’information apportée par le stimulus.
La méthode des potentiels évoqués permet ainsi de suivre le ______ ________ des processus neurophysiologiques qui sous-tendent nos activités mentales en temps réel. Elle est utilisée pour son excellente résolution _______ (de l’ordre de la ________ ). Toutefois, sa résolution ______ (topographie) est faible puisqu’il reste très difficile de déterminer avec précision la _______ dans le cerveau des générateurs qui sont à l’origine des effets observés sur le scalp.
La méthode des potentiels évoqués permet ainsi de suivre le décours temporel des processus neurophysiologiques qui sous-tendent nos activités
mentales en temps réel. Elle est utilisée pour son excellente résolution temporelle (de l’ordre de la milliseconde). Toutefois, sa résolution spatiale (topographie) est faible puisqu’il reste très
difficile de déterminer avec précision la position dans le cerveau des générateurs qui sont à l’origine des effets observés sur le scalp.
La magnétoencéphalographie ou la MEG
L’apparition de la magnétoencéphalographie (MEG) est plus tardive que l’___, car c’est seulement en ___, que David Cohen (physicien spécialiste des techniques de blindage
au MIT) procède à des enregistrements de _____ magnétiques
cérébraux, donnant ainsi naissance à la Magnétoencéphalographie. La MEG est une technique de mesure des____ _________ induits par l’activité électrique des neurones du cerveau. Cette technique est employée avec une visée _______ en neurologie (notamment pour l’étude de l’_______) mais aussi en cardiologie, ainsi que dans la recherche en neurosciences cognitives.
La magnétoencéphalographie ou la MEG
L’apparition de la magnétoencéphalographie (MEG) est plus tardive que l’EEG, car c’est seulement en 1972, que David Cohen (physicien spécialiste des techniques de blindage au MIT) procède à des enregistrements de champs magnétiques cérébraux, donnant ainsi naissance à la Magnétoencéphalographie.
La MEG est une technique de mesure des champs magnétiques induits par l’activité électrique des neurones du cerveau. Cette technique est employée avec une visée clinique en neurologie
(notamment pour l’étude de l’épilepsie) mais aussi en cardiologie, ainsi que dans la recherche en neurosciences cognitives.
Les champs magnétiques ______ par l’activité de neurones individuels étant bien plus faibles que celui requis par le ____ de détection de la MEG, il est nécessaire, pour qu’un
_____soit mesuré, que l’activité _______ de plusieurs milliers de neurones soit synchrone.
De plus, l’extraction des _____ générés par un stimulus nécessite souvent plusieurs _______ de ce stimulus afin de réduire, par ________, le bruit. Les champs magnétiques mesurés étant extrêmement _____ (de l’ordre de quelques femto-Teslas), la MEG utilise un appareillage basé sur des magnétomètres à _____ (Supraconducting Quamtum Interference device) placés dans une pièce isolée magnétiquement par du métal.
Les champs magnétiques induits par l’activité de neurones individuels étant bien plus faibles que celui requis par le seuil de détection de la MEG, il est nécessaire, pour qu’un signal soit mesuré, que l’activité électrique de plusieurs milliers de neurones soit synchrone.
De plus, l’extraction des signaux générés par un stimulus nécessite souvent plusieurs itérations
de ce stimulus afin de réduire, par moyennage, le bruit. Les champs magnétiques mesurés étant extrêmement faibles (de l’ordre de quelques femto-Teslas), la MEG utilise un appareillage basé sur des magnétomètres à SQUID (Supraconducting Quamtum Interference device) placés dans une pièce isolée magnétiquement par du métal.
La MEG n’a pas encore atteint le rang d’_____de routine clinique mais son usage se répand. Le principal domaine d’application de la MEG est le diagnostic ________ en
épilepsie. En effet, les capacités de _______de la MEG ainsi que sa commodité d’utilisation en font un outil de choix pour confirmer et localiser le (ou les) foyer(s) épileptogène(s) déclencheurs de la crise avant _______ chirurgicale.
Plus récemment, les études en MEG se sont portées vers le diagnostic précoce , le suivi de pathologies neurodégénératives (comme la maladie de Parkinson ou la maladie d’Alzheimer), et l’étude des conséquences d’un traumatisme crânien ou d’une _______ cérébrale transitoire.
La MEG n’a pas encore atteint le rang d’outil de routine clinique mais son usage se répand. Le principal domaine d’application de la MEG est le diagnostic préopératoire en épilepsie. En effet, les capacités de localisation de la MEG ainsi que sa commodité d’utilisation en font un outil de choix pour confirmer et localiser le (ou les) foyer(s) épileptogène(s) déclencheurs de la crise avant résection chirurgicale.
Plus récemment, les études en MEG se sont portées vers le diagnostic précoce , le suivi de pathologies neurodégénératives (comme la maladie de Parkinson ou la maladie d’Alzheimer), et l’étude des conséquences d’un traumatisme crânien ou d’une ischémie cérébrale transitoire.
Différences EEG et MEG
La MEG capte les variations du champ _________ induites par les variations des courants ___________ tandis que l’EEG enregistre des variations d’origine ___________.
De plus l’EEG peut repérer plus de zones actives mais ces mêmes zones seront mieux _________ sur la surface du scalp en MEG. C’est ainsi que la combinaison EEG-MEG permet
d’explorer la totalité du cuir chevelu chez l’homme afin de localiser les aires de projections sensorielles _______ (visuelles, auditives, et somesthésiques) et de mettre en évidence leurs organisations et leurs ________. Leur utilisation en neurosciences cognitives permet de mieux
caractériser les relations entre la perception et l’action, le langage, la ________, l’apprentissage, l’attention.
Différences EEG et MEG
La MEG capte les variations du champ magnétique induites par les variations des courants intracellulaires tandis que l’EEG enregistre des variations d’origine extracellulaire.
De plus l’EEG peut repérer plus de zones actives mais ces mêmes zones seront mieux délimitées sur la surface du scalp en MEG. C’est ainsi que la combinaison EEG-MEG permet d’explorer la totalité du cuir chevelu chez l’homme afin de localiser les aires de projections sensorielles primaires (visuelles, auditives, et somesthésiques) et de mettre en évidence leurs organisations et leurs plasticités. Leur utilisation en neurosciences cognitives permet de mieux caractériser les relations entre la perception et l’action, le langage, la mémoire, l’apprentissage, l’attention.
