Damien GABRIEL 09/10/2014

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1 Principe de l électroencéphalographie haute résolution (et de la magnétoencéphalographie) Introduction L imagerie cérébrale fonctionnelle permet l étude du cerveau en action, elle répond à la question où et quand? (Quelle partie du cerveau est utilisée et en combien de temps) C est un domaine de recherche entre sciences de la vie, physique, mathématiques et informatique (car on doit traiter l info grâce à des logiciels informatiques) Applications : recherche clinique (neurologie : épilepsie) et recherche en sciences cognitives. Historique : 1850 : étude des lésions (Aire de Broca) 1929 : premier EEG (Hans Berger) 1968 : premières mesures en MEG 1972 : tomographie par émissions de positons (TEP) : Essor de la TEP 1990 : Apparition de l IRM fonctionnelle : commercialisation de système MEG 2000 : développement de l EEG-HR L imagerie cérébrale est assez récente et va se développer encore dans les années à venir. Différentes méthodes d imagerie : Méthodes invasives : o Imagerie optique (chez l animal) o Electrodes intracérébrales (animal et patients épileptiques) Neuropsychologie : o Etude de déficits en corrélation avec des lésions Méthode non invasives : o Imagerie métabolique et hémodynamique (TEP et IRM fonctionnelle (IRMf)) mesure indirecte de la consommation d énergie liée à l activité neuronale o Imagerie électrique et magnétique (MEG et EEG) mesure directe de l activité neuronale Il faut se demander quelle est la méthode la plus précise pour connaitre la localisation et la temporalité. Il faut aussi se demander si on préfère être invasif ou non invasif. Pour une meilleure résolution temporelle, on utilise plutôt l EEG Pour une meilleure résolution spatiale on utilise plutôt l IRMf. 1

2 Conditions nécessaires à l étude d une activité corticale : L activité doit être détectable par la méthode d imagerie choisie : le phénomène a-t-il une traduction physiologique (la conscience n a pas vraiment une traduction physiologique, il faut en définir une, comme la capacité à réagir à notre prénom) La méthode d acquisition st-elle optimale? Comment approcher la source de cette activité? : Utilisation de méthodes intracérébrales invasives (électrodes) ou localisation approximative par techniques de surface non invasives (EEG) Quelle méthode choisir : Paramètre principaux de comparaison des méthodes : Degré d invasivité, résolution temporelle et résolution spatiale. Paramètres secondaires : contraintes pour le patient (IRM), coût, disponibilité.. Comment combiner résolution spatiale et temporelle? Il n existe pas de méthode d imagerie idéale. Chacune présente des avantages et des inconvénients. Certaines répondent plus à la question «où» et d autres «quand». Pour combiner les deux résolutions, on peut : Améliorer la résolution temporelle de méthode à forte résolution spatiale (EEG dans l IRM) Combiner des méthodes à forte résolution spatiale à des méthodes à forte résolution temporelle Améliore la résolution spatiale de méthodes à forte résolutions temporelle (EEG à haute résolution) Le problème de localisation avec les méthodes d enregistrement direct : Plus la mesure est précise et plus la technique doit être invasive. (On peut faire des enregistrements intra cellulaires en intracrânien pour être plus précis) L EEG-HR : L EEG est une mesure directe des courants neuronaux. Il enregistre l activité électrique corticale (voire sous corticale de manière indirecte) en étant complètement non invasif. La résolution temporelle est inférieure à 1ms, donc on peut savoir tout ce qui se passe par ms. Par rapport à l EEG, l EEG-HR consiste en une augmentation du nombre d électrodes réparties uniformément sur la surface de la tête. On peut aller de 64 à 512 électrodes, avec des casques à électrodes. Il faut mettre les électrodes uniformément pour obtenir une localisation précise de la source. Au CHU de Besançon : Deux appareils EEG-HR. Un appareil EEG-HR transportable dans une valise, donc on peut aller au chevet des patients (dans le service de neuro) Un casque EEG à 256 électrodes, non transportable, mais qu on peut mettre dans l IRM (dans le service de psychiatrie) La magnétoencéphalographie MEG : (On n en a pas à Besançon) C est une mesure directe des courants neuronaux. Elle enregistre l activité magnétique corticale (à toute activité électrique est associée une activité magnétique). La MEG est complètement non invasive et a une résolution temporelle inférieure à 1 ms. L activité détectée est très faible, donc on doit être dans des salles blindées (donc impossible pour les patients dans le coma). Il n y a pas de casque, il suffit de mettre la tête dans la machine. Principe de la mesure : La détection des champs magnétiques se fait par des bobines réceptrices de flux avec des transformateurs de flux (squids). Le squids est un dispositif à supra basse température (refroidi à l hélium liquide) car les capteurs chauffent vite. 2

3 I/ Bases neurophysiologiques du signal recueilli L activité enregistrée est celle des neurones pyramidaux. Les neurones pyramidaux ont un corps cellulaire de forme pyramidale, avec des arbres dendritiques apicaux et basaux. Ils sont organisés en palissade : ils sont parallèles entre eux et perpendiculaires à la surface corticale. Il y a différents mécanismes d enregistrement : On peut enregistrer la propagation du PA : échange d ions à travers la membrane du neurone : temporaire, grande amplitude ( mv), courte durée (0.3 ms) et loi du tout ou rien. Ou on peut enregistrer le potentiel post synaptique lors de la transmission synaptique : permet de faire passer l influx électrique d un neurone à l autre. Le potentiel post-synaptique résulte de la somme des potentiels excitateurs et inhibiteurs pré synaptiques présents dans le noyau cellulaire : processus long (10-20ms) et amplitude faible ( mv) 2 types de PA : o Excitateurs (PPSE) : dépolarisation de la membrane o Inhibiteur (PPSI) : hyperpolarisation de la membrane. La transmission synaptique est un mécanisme couteux en énergie. Quand le PA atteint la synapse, libération de neurotransmetteurs qui consomment de l énergie conso d ATP activité métabolique (principe de la TEP) et hémodynamique (principe de la TEP et de l IRMf) Alors que le principe de l EEG- MEG repose sur les PPSE et PPSI intracellulaire ou extracellulaire. On considère à l heure actuelle que les potentiels post synaptiques sont les principaux générateur du champ potentiel extracellulaire qui peut être enregistré par l EEG (et la MEG). Le PA a un temps d existence trop bref pour être observable. Le dipôle : On simplifie le neurone en un dipôle de courant avec un côté négatif et un côté positif. Pour un PPSE, le haut de la cellule est électronégatif et le bas de la cellule est électropositif. Quand le potentiel post synaptique est excitateur, le dipôle a des charges négatives en haut donc l activité positive monte en surface, donc on a une montée de l onde EEG. Si on a un PPSI, le bas est négatif et le haut est positif, donc le négatif remonte en surface donc on a une baisse de l onde EEG. 3

4 Le coté le plus près de la surface est le premier enregistré. En fonction du sens du dipôle, l activité monte ou descend. II/ Mesure du signal par l EEG et la MEG Mesure d une activité électrique en surface : Un seul neurone n est pas suffisant pour recueillir une activité électrique ou magnétique en surface. Il faut une synchronisation temporelle (tous en même temps) et spatiale (beaucoup au même endroit) de l activité électrique de milliers de neurones pour être observable à la surface du scalp après la traversée de couches de tissu non neuronal : méninges, milieu liquide, os du crâne, peau. (Une électrode EEG est à environ 3cm du cerveau) De plus le signal électrique est déformé par le passage dans ces milieux. Les neurones ne sont jamais inactifs. Mais c est quand ils déchargent tous en même temps qu on a une activité enregistrable sous forme d onde. La synchronisation spatiale est possible grâce à la l organisation des neurones pyramidaux. Comme ils sont parallèles entre eux, ils réagissent tous en même temps et au même endroit. Pour pouvoir enregistrer une activité électrique en surface, combien de neurones faut-il, c est-à-dire de quel volume générateur a-t-on besoin? Si on a une source de 6cm² de neurones, on n enregistre rien en surface. Avec une source de 10 cm², on enregistre des petites choses pas très nettes en surface Il faut une source de neurones de 13 cm² pour que ça soit bien visible en surface. C est pourquoi on reste vague dans les foyers épileptogènes (foyer temporal par exemple). Propagation du signal EEG : L EEG enregistre principalement les courants perpendiculaires à la surface corticale. En position ouverte (neurones perpendiculaires à la surface et alignés), le signal arrive jusqu aux électrodes directement en surface. 4

5 Si les neurones sont en configuration fermée, l activité électrique part dans toutes les directions, on ne peut pas enregistrer d activité électrique en EEG. La somme des flux de courant s annule. Par exemple dans les structures internes, qui sont des positions fermées, on n enregistrera rien. La MEG enregistre principalement les courants parallèles à la surface corticale. Un dipôle tangentiel (sillon) n est pas enregistré à la surface de la tête par un EEG, alors qu en MEG oui. Mais en MEG, on ne peut pas enregistrer l activité des dipôles radiaux (gyrus) alors qu on le fait en EEG. En MEG, l activité magnétique est perpendiculaire à l activité électrique du dipôle. Donc pour les mêmes neurones, on n enregistre pas sur les mêmes électrodes en EEG et en MEG. Comparaison MEG-EEG : En EEG on enregistre le maximum de dipôles perpendiculaires à la surface. Mais les neurones en profondeur dans les sillons seront mieux enregistrés en MEG. Influence de la profondeur des sources : Quand la structure est profonde, le courant en EEG est atténué d 1/3 par rapport au signal en surface. En MEG, le signal est 100 fois plus faible en profondeur qu en surface. La MEG n est vraiment pas adaptée aux sources profondes. Si on veut enregistrer une activité profonde, il vaut mieux préférer l IRMf. Exemple : consolidation de l information en mémoire Grâce à l EEG, on a découvert que la consolidation de l information en mémoire se passe dans des territoires profonds. Pour récapituler : La forme et la durée des ondes EEG sont influencées par : La distance entre les électrodes d enregistrement et la source des courants synaptiques La durée et le nombre de potentiels synaptiques synchronisés L orientation géométrique des neurones qui génèrent les potentiels électriques extracellulaires. Différences principales entre EEG et MEG : 5

6 III/ Traitement du signal EEG recueilli : en surface et en profondeur A/ En surface 1) Etapes préliminaires obligatoires : Choisir une bonne référence : L activité électrique qui affecte l électrode ne peut être mesurée que par rapport à une autre électrode : le signal enregistré est une différence de potentiel électrique. La tension mesurée correspond à un couple d électrodes : une électrode dite de mesure et une électrode de référence ne prenant pas en compte l activité cérébrale. Toute mesure est obtenue à partir d une référence. Il y a plusieurs possibilités de référence : o Référence commune : soit céphalique (Cz, Fz) soit non céphalique (oreille, nez, menton) o o Montage bipolaire : différence de potentiel entre deux électrodes de mesure Référence moyenne : somme de l activité de toutes les voies d enregistrement divisée par le nombre de voies plus un (le nombre des électrodes). Possible uniquement avec un grand nombre d électrodes. Il n y a aucune méthode idéale. Enlever les artefacts oculaires et musculaires : Les mouvements oculaires provoquent une activité électrique 100 fois plus forte que l activité cérébrale. Donc si le patient cligne des yeux lors d une mesure, elle devient inutilisable. Le mouvement des mâchoires, le signal cardiaque sont aussi des artefacts mais le signal cardiaque n est pas une variable que l on peut soustraire Filtrer le signal : Cela revient à enlever les activités parasites rajoutées à l activité EEG (tous les parasites environnementaux, le matériel de réanimation, les téléphones ) Normalement un enregistrement se fait donc dans une cage de Faraday (mais on n en a pas à Besançon). Interpoler les mauvaises électrodes : On remplace les électrodes qui ont fait n importe quoi par la moyenne des électrodes environnantes. Quand on a 256 électrodes ce n est pas très grave d interpoler, mais quand on n en a que 10, on ne peut pas le faire. 2) Résultats On peut aplanir les électrodes afin de toutes les visualiser sur une feuille en fonction de leur position. On obtient ainsi une pseudo image topographique du cerveau. 6

7 On peut aussi représenter le résultat de la sommation des 256 électrodes sur un graphe (potentiel en ordonnées et temps en abscisse). Il y a des bosses, qui sont des potentiels évoqués (périodes d activités cérébrales spécifiques en réponse à un stimulus précis. Par exemple le patient entend un son au moment 0 (cette onde à t=0 est un parasite extérieur, ce n est pas un signal cérébral) et l onde N100 est un potentiel caractéristique du cortex auditif. Représentation topographique de surface On peut localiser sur la surface du scalp l activité électrique (cartographie des voltages). On peut soit l avoir à un moment précis, soit voir dans le temps l évolution de l activité électrique par une série d enregistrements. On peut créer des cartes d activité du signal, c est-à-dire décomposer le signal. Par exemple, quand on voit un animal et une chimère, les cartes d activité du signal sont identiques dans un premier temps. Puis le cerveau réalise qu il y a des différences entre les deux et donc les cartes diffèrent. B/ En profondeur : Localisation des sources enregistrées en EEG et en MEG On peut aussi utiliser l EEG et la MEG dans l autre sens, c est-à-dire reconstruire dans le temps et l espace les sources neuronales à l origine des signaux MEG et EEG mesurés en surface. (problème inverse) Principe de la localisation de sources : Problème direct : quand on a une activité électrique dans le cerveau, qu est-ce qu on va enregistrer en surface Problème inverse : A partir de ce qu on enregistre en surface, connaitre la localisation la source en profondeur. Algorithmes de reconstruction de sources déjà développés pour la MEG. Ensuite on a pensé que ca pourrait être applicable à l EEG. C est là qu on a développé l EEG-HR. La meilleure méthode reste discutée. 7

8 Il y a plusieurs problèmes à résoudre pour une localisation en profondeur, notamment savoir comment le courant passe dans les différents tissus. On utilise pour cela différents modèles de tête : Un modèle sphérique a d abord été utilisé mais était peu réaliste. Puis des modèles réalistes homogènes par couches ou réalistes inhomogènes sont actuellement utilisés. Pour se conformer à la tête spécifique de chaque sujet, on peut maintenant mettre des capteurs dans la salle qui localisent en 3D où se situent les électrodes sur la tête du sujet. On peut encore améliorer la précision en faisant un recalage par minimisation de la distance entre points numérisés et surface de la peau extraite de l IRM. Les approches du problème inverse Approche dipolaire : trouver un ou plusieurs dipôle(s) équivalent(s) dont les paramètres sont à estimer à partir de données Imagerie de la densité corticale de courant : estimation des amplitudes de chaque dipôle de courant distribués au préalable sur la surface corticale (sources distribuées). Influence du modèle sur la localisation de sources La localisation de source en EEG-HR est encore expérimentale et fonction du modèle utilisé (donc de l équipe de recherche), donc il peut y avoir des résultats qui divergent. On ne sait pas encore ce qui est le mieux. Influence du nombre d électrodes : Le nombre d électrodes est très important. A partir de 204 électrodes, on arrive à localiser précisément la source. Plus on a d électrodes, plus la localisation est précise. Il faut aussi prendre en compte la corrélation entre le nombre d électrodes et le type de modèle. Pour tout modèle, il y a un point à partir duquel le nombre d électrodes ne joue plus trop. En bref : Les modélisations de source sont : o Un complément à l analyse de surface. Si on veut juste faire de la localisation de source, on fait un IRMf. o Utilisables en pratique clinique o Ne sont pas limitées par des problèmes méthodologiques o Utilisables pour limiter les recours aux investigations invasives Mais il faut : o Un utilisateur expérimenté o Bien connaitre les limites d interprétation o Des algorithmes de localisation (en évolution constante) o La validation de ces techniques, qui est difficile. 8