Capsule outil: L’imagerie cérébrale

Pour comprendre la structure et le rôle des différentes parties du cerveau, on a dû s’en remettre pendant longtemps à des méthodes indirectes. La dissection post-mortem de sujets sains ou ayant souffert de certains déficits suite à une lésion cérébrale localisée nous a permis de faire certaines déductions quant aux implications fonctionnelles de telle ou telle structure.

La destruction sélective de certaines régions cérébrales chez l’animal a aussi permis de confirmer le rôle de certaines structures bien conservées au cours de l’évolution. Plus récemment, vers le milieu du siècle passé, des stimulations électriques appliquées directement sur le cerveau lors de neuro-chirurgies a permis à des chercheurs comme Wilder Penfield d’établir les premières cartes cérébrales fonctionnelles chez l’humain.

Depuis le début des années 1990, différentes techniques d’imagerie cérébrale ont révolutionné cette quête en permettant de « voir le cerveau penser » en temps réel. Si ces techniques nous montrent ce qui se passe dans le cerveau au cours d’une tâche sans avoir à ouvrir la boîte crânienne, c’est surtout grâce aux progrès de l’informatique et de la détection des rayonnements qui ont eu lieu à la fin du Xxe siècle.

On distingue généralement l’imagerie anatomique de l’imagerie fonctionnelle. La première est conçue pour mettre en valeur les structures cérébrales et tout ce qui peut venir les perturber (tumeurs, hémorragies, caillots ou autres déformations présentes à la naissance).

L’imagerie fonctionnelle mesure pour sa part l’activité de certaines régions du cerveau durant certaines tâches. On l’utilise surtout pour la recherche fondamentale qui vise à mieux comprendre le rôle de nos diverses structures cérébrales, mais aussi pour diagnostiquer des foyers épileptiques ou avant des opérations chirurgicales pour identifier les aires cérébrales au rôle essentiel à garder intactes à tout prix.

Une technique d’imagerie anatomique est cependant très souvent utilisée de pair avec une technique fonctionnelle pour mieux cerner l’anatomie et la fonction d’une aire cérébrale chez un individu particulier.

Voici donc un bref aperçu des techniques d’imagerie actuellement les plus employées :

Liens généraux sur l’imagerie cérébrale :

CT scan

Le CT scan vient de l’anglais « computerized tomography » indiquant bien l’essence du CT scan : une série de radiographie mises en valeur par ordinateur. Disponible depuis 25 ans, le CT scan a subi beaucoup d’améliorations techniques qui en fait aujourd’hui l’une des méthodes d’imagerie les plus employées.

Le CT scan produit un réarrangement par ordinateur de plusieurs images prises aux rayons X selon différents angles. Il obtient ainsi une bien meilleure résolution que les rayons X classiques et peut donc déceler des tumeurs ou des lésions à un stade plus précoce.

CT scan montrant une rate hypertrophiée par une tumeur cancéreuse (à droite).
Source : Dr. Bob Richmond

La reconstitution par ordinateur permet aussi d’enlever les « ombres » que d’autres parties du corps peuvent jeter sur la région d’intérêt. Ceci est rendu possible par la source des rayons X qui tourne autour du patient, photographiant ainsi l’organe cible sous différents angles. Chaque tour produit ainsi une « tranche » photographique, autrement dit l’image d’une coupe transversale de l’organe. Après plusieurs tours, l’ordinateur devient en mesure d’additionner les tranches pour créer une image tridimensionnelle de l’organe.

L’appareil a la forme d’un beigne et l’organe à investiguer est placé au centre du trou de ce « beigne ». Comme pour les rayons X, le patient est exposé à une faible quantité de radiation durant le scan. Le système d’émission de rayon X tourne autour du patient et le détecteur est placé exactement à l’opposé de la source. Il détecte ainsi les rayons X qui ont été absorbés différemment après leur passage à travers les différents tissus.

Dépendamment de ses symptômes, on peut injecter ou faire boire au patient un colorant pour augmenter le contraste entre les tissus normaux et anormaux. Les CT scan sont habituellement passés pour suivre la récupération d’une chirurgie, d’une radiothérapie ou d’une chimiothérapie pour des tumeurs cérébrales, pour détecter les caillots, etc.

CT scan d’un cerveau normal.

Grâce à l’ordinateur, le CT scan peut donc créer une vue tridimensionnelle à la fois des os et des tissus mous à l’intérieur de laquelle on peut avancer ou reculer à loisir pour en faire l’examen détaillé.

Les dernières générations de CT scan génèrent leurs images suite à un mouvement hélicoïdal de la source de radiation autour du sujet au lieu d’une série de trajectoires circulaires, ce qui permet d’aller plus vite et d’obtenir une définition encore meilleure.

L'imagerie par résonnance magnétique (IRM)

L’avènement de l’IRM à la fin des années 1970 a eu l’effet d’une bombe dans le milieu médical. Cette nouvelle technique n’utilisait ni les rayon X, ni les ultrasons, mais faisait plutôt appel aux champs magnétiques en exploitant des propriétés physiques de la matière au niveau sub-atomique, en particulier de l’eau qui constitue environ les trois quart de la masse du corps humain.

L’IRM, en plus d’une définition supérieure au CT scan, permet aussi d’obtenir non seulement des coupes axiales du cerveau comme le CT scan, mais aussi des coupes sagittales et coronales.

Le fonctionnement de l’IRM est assez complexe, mais on peut en résumer les grandes étapes ainsi :

1. le champ magnétique de l’appareil de résonance magnétique va aligner celui, beaucoup plus faible, de chaque proton des atomes d’hydrogène contenus dans l’eau des différents tissus de l’organisme;
2. la région dont on veut avoir une image est ensuite bombardée par des ondes radios;
3. à l’arrêt des ondes radios, les protons retournent à leur alignement original en émettant un faible signal radio (la fameuse «résonance magnétique»);
4. l’intensité de la résonance magnétique est proportionnelle à la densité des protons dans le tissu, et par conséquent à son taux d’hydratation ;
5. des capteurs spéciaux relaient cette information à un ordinateur qui combine ces données pour créer des images de coupe du tissu dans différentes orientations.

Le sujet couché sur une table coulissante est introduit dans un tunnel à peine plus large que ses épaules. Ce tunnel contient les fils qui créent le champ magnétique ainsi que les capteurs d’onde radio.

Comme l’immobilité du sujet est très importante pour la clarté des images, la tête est attachée pour en limiter les mouvements. Le bruit assez fort provoqué par l’IMR est contré à l’aide de bouchons pour les oreilles.

Avant de pénétrer dans le scan (et même dans la pièce où est le scan), le sujet doit se départir de tout objet métallique puisque ceux-ci pourraient être attirés par le champ magnétique. Les gens possédant des prothèses, des clips artérielles ou des « pacemaker » cardiaque doivent aussi éviter l’IMR pour des raisons évidentes.

Bien que l’utilisation du CT scan soit encore prédominante pour la poitrine et l’abdomen, l’IRM est l’outil de prédilection pour le cerveau, les extrémités des membres et la colonne vertébrale. Les tissus malades ou endommagés contiennent généralement plus d’eau ce qui permet de les détecter avec l’IRM.

Comme pour le CT scan, une substance contrastante peut être injectée : il s’agit la plupart du temps de composés du gadolinium qui joue pour l’IRM le même rôle que l’iode, mais avec moins de risques d’incidents allergiques.

L'électroencéphalographie

L’électroencéphalographie (EEG) permet d’amplifier l’activité électrique générées par les neurones. En effet, plusieurs fonctions cognitives ou motrices produisent des patterns activité neuronale caractéristiques qui provoquent une signature particulière sur l’électroencéphalogramme.

L’EEG mesure donc l’activité neuronale globale et continue du cerveau grâce à des électrodes collées à la surface du cuir chevelu. Les ordinateurs actuels permettent d’analyser l’activité cérébrale captée par plusieurs douzaines d’électrodes situées à différents endroits sur le crâne.

Les courants recueillis sont surtout ceux générés au niveau des dendrites des neurones pyramidaux que l’on retrouve massivement dans le cortex. Ceux-ci ont une orientation parallèle, ce qui amplifie le signal de leur activité commune.

On peut donc considérer les oscillations de l’EEG comme la somme de différentes oscillations produites par différentes assemblées neuronales, chacune de ces « harmoniques » se superposant pour produire le tracé global enregistré. Celui-ci offre d’ailleurs pour l’analyse les deux mêmes caractéristiques que les ondes sonores : la fréquence d’oscillation et son amplitude.

Les fréquences des ondes cérébrales s’étendent de 0.25 Hz à environ 60 Hz (1 Hertz étant une oscillation par seconde). L’état de conscience de la personne (éveil, sommeil, rêve…) a une importance déterminante sur la fréquence de l’électroencéphalogramme.

EEG normal

Des profils de fréquences s’apparentant à certaines activités ont pu être établis. Ainsi, on distingue les ondes :

DELTA: <4 hz (sommeil profond, coma) ;
THETA: 4-8 hz (activité limbique: mémoire et émotions) ;
ALPHA: 8-12 hz (sujet alerte, sans toutefois un traitement actif de l’information, prédominant surtout dans les lobes occipitaux et frontaux, par exemple lorsque les yeux sont clos) ;
BETA: 13-30hz (sujet alerte et traitant activement de l’information) ;
GAMMA: >30-35 hz (pourrait être relié à la conscience, c’est-à-dire le lien entre différentes régions cérébrales pour former un concept cohérent).

EEG d'une crise d'épilepsie généralisée.

L’EEG offre une excellente résolution temporelle et un coût relativement moins élevé que l’IRMf ou le PET scan, mais sa résolution spatiale demeure toutefois pauvre. Malgré tout, l’EEG peut aider à diagnostiquer des foyers épileptiques, des tumeurs cérébrales, des lésions, des caillots, etc. Il aide aussi à trouver l’origine de migraines, de problèmes d’étourdissements, de somnolence, etc.

Les cartographies cérébrales faites avec l’EEG utilisent aussi fréquemment ce que l’on appelle des « potentiels évoqués ». Il s’agit d’une procédure où l’on soumet le sujet à un stimulus particulier (une image, un mot, une stimulation tactile…) de façon à enregistrer une réponse neuronale associée à ce stimulus dans le cerveau.

Une autre technique proche de l’EEG est la magnétoencéphalographie (MEG). Comme l’EEG, la MEG enregistre les oscillations neuronales du cerveau, mais elle le fait par l’entremise des faibles champs magnétiques émis par cette activité plutôt que par leur champ électrique.

À la différence de la résonance magnétique qui permet de visualiser l’anatomie des structures cérébrales, l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) nous renseigne sur l’activité des différentes régions cérébrales. L’appareillage qui entoure le sujet et le fonctionnement de base est sensiblement le même qu’avec l’IRM, mais les ordinateurs qui analysent le signal diffèrent.

Photo by: Jeff Miller
Source: The science of Emotions, research at the University of Wisconsin-Madison

Le phénomène physiologique sur lequel s’appuie l’IRMf (tout comme la TEP d’ailleurs) fut mis en évidence à la fin du 19ème siècle lorsque des neurochirurgiens établirent que les fonctions cognitives modifient localement la circulation sanguine cérébrale. En effet, quand un groupe de neurones devient plus actif, une vasodilatation locale des capillaires sanguins cérébraux se produit automatiquement pour amener davantage de sang, et donc d’oxygène, vers ces régions plus actives.

Or l’hémoglobine, cette protéine possédant un atome de fer qui transporte l’oxygène, a des propriétés magnétiques différentes selon qu’elle transporte de l’oxygène ou qu’elle en a été débarrassée par la consommation des neurones les plus actifs. C’est la concentration de désoxy-hémoglobine (l’hémoglobine débarrassée de son oxygène) que l’IMRf va détecter. En effet, cette molécule a la propriété d’être paramagnétique : sa présence engendre dans son voisinage une faible perturbation du champ magnétique.

Sans entrer dans les détails, mentionnons que l’augmentation du débit sanguin cérébral dans une région plus active du cerveau est toujours supérieure à la demande d’oxygène accrue de cette région. Par conséquent, c’est la baisse du taux de désoxy-hémoglobine (diluée dans un plus grand volume de sang oxygéné) que l’IRMf va faire correspondre à une augmentation de l’activité de cette région.

En soustrayant par la suite l’intensité des différentes régions de cette image d’une autre qui a été préalablement enregistrée avant la tâche à accomplir, on observe une différence dans certaines zones qui « s’allument » aux régions les plus irriguées et donc les plus actives au niveau de l’activité neuronale.

Résonance magnétique fonctionnelle d’une femme de 24 ans durant une tâche de génération de mots.
(Source : Dept. Neurology and Radiology, Münster)

L’IRMf a été développé au début des années 1990 lorsque des ordinateurs de plus en plus puissants furent couplés aux appareils d’IRM. Le temps d’enregistrement peut être aussi court que 40 millisecondes et la résolution de l’ordre du millimètre est la meilleure de toutes les techniques d’imagerie fonctionnelle. Les derniers scanners d’IRMf peuvent produire quatre photos par seconde du cerveau, ce qui permet de suivre le déplacement de l’activité neuronale au cours d’une tâche complexe.

Résonance magnétique fonctionnelle durant le test de Stroop pour six sujets différents démontrant la grande variabilité entre les participants. (Source : Dr. David C. Osmon)

L’IRMf, qui peut être utilisée sans l’injection de colorant dans l’organisme du sujet, est très appréciée en recherche fondamentale. Un autre de ses grands avantages est que la même machine peut fournir une image structurelle et fonctionnelle du même cerveau, facilitant ainsi les correspondances anatomo-fonctionnelles.

L’IRMf est souvent considéré comme la technique d’imagerie produisant les résultats les plus impressionnants. Mais les coûts de ces appareils et leur entretien sont aussi impressionnants, de sorte que son utilisation doit souvent être partagé et il y a souvent des listes d’attentes.

La tomographie par émission de positons (TEP)

La tomographie par émission de positons (TEP), mieux connue sous son appellation anglaise de « PET scan », fut la première technique d’imagerie cérébrale fonctionnelle à voir le jour au milieu des années 1970.

Le phénomène physiologique sur lequel s’appuie la TEP (tout comme l’IRMf d’ailleurs) fut mis en évidence à la fin du 19ème siècle lorsque des neurochirurgiens établirent que les fonctions cognitives modifient localement la circulation sanguine cérébrale. En effet, quand un groupe de neurones devient plus actif, une vasodilatation locale des capillaires sanguins cérébraux se produit automatiquement pour amener davantage de sang, et donc d’oxygène, vers ces régions plus actives.

Lors d’une TEP, on doit injecter au sujet une solution contenant un élément radioactif qui peut être l’eau elle-même ou du glucose radioactif par exemple. Davantage de radioactivité sera donc émise des zones cérébrales les plus active à cause de cette vasodilatation qui amène plus de solution radioactive dans ces régions.

Une écoute subjective ou analytique d’une même pièce de musique par le même sujet active préférentiellement l’hémisphère droit ou l’hémisphère gauche.

Les fameux positons de la TEP proviennent de la dégradation de ce noyau radioactif incorporé dans le système sanguin du sujet. Un positon est une particule élémentaire ayant la même masse qu’un électron mais une charge de signe opposé.

Les positons émis par la dégradation radioactive vont immédiatement s’annihiler avec les électrons des atomes voisins. Cette annihilation produit de l’énergie qui prend la forme de deux rayons gamma émis dans des directions diamétralement opposées.

Une série de détecteurs placés autour de la tête du sujet va ensuite enregistrer les couples de rayons gamme émis et, grâce aux calculs faits par l’ordinateur, identifier la position de leur lieu d’émission. L’ordinateur pourra ainsi, après de nombreux calculs, reconstituer l’image globale du cerveau et de ses zones les plus actives.

PET scan du cerveau d’un alcoolique 10 jours (à gauche) et 30 jours (à droite) après le début de l’abstinence.

Comme la demie-vie des éléments radioactifs employés doit être courte (environ deux minutes), ceux-ci doivent être produits sur place, ce qui implique des coûts assez élevés et limite l’accessibilité des scans à TEP.

En plus de montrer l’activation fonctionnelle du cerveau ou de détecter des tumeurs ou des caillots, la particularité de la TEP est de permettre d’inclure l’isotope radioactif dans certaines substances dont on veut connaître l’utilisation métabolique par certaines régions cérébrales. L’étude des neurotransmetteurs a bénéficié d’une façon importante de cette approche qui a permis de préciser la distribution de plusieurs d’entre eux.

L’image de gauche montre la TEP du cerveau d’un sujet normal. À droite, la TEP révèle un taux de sérotonine (un neurotransmetteur) plus faible chez un sujet atteint de dépression sévère.

Les images produite par la TEP ne rivalisent pas avec celles de l’IRMf en terme de résolution, mais offrent souvent des contrastes de couleurs spectaculaire (les couleurs les plus chaudes correspondant aux zones les plus actives).

Le temps efficace pour tester une tâche est relativement court (moins d’une minute) à cause de la dégradation rapide de la source de radioactivité. Après chaque tâche, le sujet doit attendre plusieurs minute pour que le niveau de radioactivité émis soit négligeable avant de recevoir une nouvelle dose pour la tâche suivante.

Les doses de radioactivité reçues par un sujet durant une session de TEP sont peu élevées, mais on ne permet tout de même qu’une seule session par année à un même sujet.

Stimulation magnétique transcrânienne (SMT)

La SMT fut introduite au milieu des années 1980 pour étudier les voies motrices qui partent du cortex moteur et descendent dans la moelle épinière jusqu’aux muscles. Mais on savait stimuler des nerfs avec des champs magnétiques depuis le début des années 1960.

Les nouvelles techniques de SMT permettent cependant d’appliquer un courant électrique directement dans le cerveau. Mais aucune opération chirurgicale n’est requise comme pour la stimulation avec une électrode puisqu’on utilise un champ magnétique qui passe directement à travers le crâne sans aucune douleur.

Le champ magnétique est généré par un courant qui circule à travers une bobine de fils de cuivre isolée dans une gaine de plastique. La bobine, qui ressemble à une grosse cuillère, est placée juste au-dessus du crâne, au-dessus de la région cérébrale à stimuler.

Le champ magnétique généré par le courant traverse facilement le crâne et produit à son tour un courant électrique local dans le cerveau du sujet. La profondeur de la stimulation est cependant limitée à environ deux centimètres sous la surface du crâne à cause de l’atténuation rapide du champ magnétique avec la distance.

La positionnement précis de la bobine de SMT au-dessus de la région cérébrale d’intérêt est très important. Pour ce faire, on a souvent recours à une résonance magnétique du cerveau du sujet pour s’adapter à ses circonvolutions cérébrales particulières. Des appareils stéréotaxiques utilisent ensuite certains repères visibles à la fois sur le sujet et sur son IRM (comme le pont du nez par exemple) pour positionner la bobine de SMT exactement au bon endroit.

Bobine de SMT montée sur un appareil stéréotaxique qui permet de la positionner au-dessus de la zone d’intérêt, ici cortex frontal supérieur gauche du sujet. Le même système peut être installé sur la tête d’un sujet dans un PET scan.
Source: ICBM et le Dr. Roger Woods, UCLA.

La SMT est souvent utilisée conjointement avec d’autre techniques d’imagerie cérébrale dans les études de cartographie fonctionnelle du cerveau. On s’en sert par exemple pour produire une réponse physiologique sans équivoque (une contraction musculaire par exemple) ou, au contraire, pour créer une « lésion virtuelle » temporaire. Cette dernière est produite lors d’une tâche en interférant avec la région cérébrale identifiée comme étant active durant cette tâche.

La SMT à répétition est une variante plus récente de la SMT où le champ magnétique peut être répété à des fréquences relativement élevées. Utilisée plusieurs minutes par jour pendant plusieurs semaines, cette technique pourrait avoir des effets antidépresseurs lorsqu’elle est appliquée à des régions cérébrales spécifiques selon des paramètres de stimulation adéquats.