Researchers visualize fast brain signals from outside the skull


Le cerveau traite l’information en utilisant des courants lents et rapides. Jusqu’à présent, les chercheurs devaient utiliser des électrodes placées à l’intérieur du cerveau afin de mesurer ces derniers.

Pour la première fois, des chercheurs de la Charité – Universitätsmedizin Berlin et du Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Institut de Berlin, ont réussi à visualiser ces signaux cérébraux rapides de l’extérieur – et ont constaté un degré de variabilité surprenant. D’après leur article paru dans PNASles chercheurs ont utilisé un appareil de magnétoencéphalographie particulièrement sensible pour réaliser cet exploit.

Le traitement des informations à l’intérieur du cerveau est l’un des processus les plus complexes de l’organisme. La perturbation de ce traitement entraîne souvent de graves troubles neurologiques. L’étude de la transmission des signaux à l’intérieur du cerveau est donc essentielle pour comprendre une myriade de maladies.

D’un point de vue méthodologique, cependant, elle crée des défis majeurs pour les chercheurs. La volonté d’observer le fonctionnement des cellules nerveuses du cerveau « à la vitesse de la pensée », sans avoir à placer des électrodes dans le cerveau, a conduit à l’émergence de deux techniques à haute résolution temporelle : l’électroencéphalographie (EEG) et la magnétoencéphalographie (MEG).

Ces deux méthodes permettent de visualiser l’activité cérébrale depuis l’extérieur du crâne. Cependant, si les résultats concernant les courants lents sont fiables, ceux concernant les courants rapides ne le sont pas.

Les courants lents – appelés potentiels postsynaptiques – se produisent lorsque des signaux créés par une cellule nerveuse sont reçus par une autre. Le déclenchement ultérieur d’impulsions (qui transmettent des informations aux neurones ou aux muscles en aval) produit des courants rapides qui ne durent qu’une milliseconde. Ces courants sont connus sous le nom de potentiels d’action.

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Jusqu’à présent, nous n’avons pu observer les cellules nerveuses que lorsqu’elles reçoivent des informations, et non lorsqu’elles en transmettent en réponse à un seul stimulus sensoriel. On pourrait dire que nous étions effectivement aveugles d’un œil. »

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Gunnar Waterstraat, Département de la Charité, Neurologie et Neurologie expérimentale, Campus Benjamin Franklin.

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Sous la direction du Dr Waterstraat et du Dr Rainer Körber de la PTB, une équipe de chercheurs a jeté les bases nécessaires pour changer cette situation. Le groupe de recherche interdisciplinaire a réussi à rendre la technologie MEG si sensible qu’elle permet de détecter même les oscillations rapides du cerveau produites en réponse à un seul stimulus sensoriel.

Ils y sont parvenus en réduisant considérablement le bruit du système produit par le dispositif MEG lui-même. « Les capteurs de champ magnétique à l’intérieur du dispositif MEG sont immergés dans de l’hélium liquide, afin de les refroidir à -269°C (4,2 K) », explique le Dr Körber.

Il ajoute : « Pour ce faire, le système de refroidissement nécessite une isolation thermique complexe. Cette superisolation est constituée de feuilles recouvertes d’aluminium qui produisent un bruit magnétique et masquent donc les petits champs magnétiques tels que ceux associés aux cellules nerveuses. Nous avons maintenant modifié la conception de la superisolation de manière à ce que ce bruit ne soit plus mesurable. Ce faisant, nous avons réussi à multiplier par dix la sensibilité de la technologie MEG ».

Les chercheurs ont utilisé l’exemple de la stimulation d’un nerf dans le bras pour démontrer que le nouvel appareil est effectivement capable d’enregistrer des ondes cérébrales rapides.

Dans le cadre de leur étude sur quatre sujets sains, les chercheurs ont appliqué une stimulation électrique à un nerf spécifique au niveau du poignet tout en positionnant le capteur MEG immédiatement au-dessus de la zone du cerveau responsable du traitement des stimuli sensoriels appliqués à la main.

Afin d’éliminer les sources d’interférences extérieures telles que les réseaux électriques et les composants électroniques, les mesures ont été effectuées dans l’une des salles d’enregistrement blindées de la PTB. Les chercheurs ont constaté que, ce faisant, ils ont pu mesurer les potentiels d’action produits par un petit groupe de neurones activés simultanément dans le cortex cérébral en réponse à des stimuli individuels.

« Pour la première fois, une approche non invasive nous a permis d’observer les cellules nerveuses du cerveau envoyant des informations en réponse à un seul stimulus sensoriel », déclare le Dr Waterstraat.

Il poursuit : « Une observation intéressante a été le fait que ces oscillations rapides du cerveau ne sont pas de nature uniforme mais changent avec chaque stimulus. Ces changements se sont également produits indépendamment des signaux cérébraux lents. Il existe une énorme variabilité dans la façon dont le cerveau traite les informations relatives au toucher d’une main, bien que tous les stimuli appliqués soient identiques. »

Le fait que les chercheurs soient désormais en mesure de comparer les réponses individuelles aux stimuli ouvre la voie aux chercheurs en neurologie pour étudier des questions qui restaient auparavant sans réponse : Dans quelle mesure des facteurs tels que la vigilance et la fatigue influencent-ils le traitement des informations dans le cerveau ? Qu’en est-il des stimuli supplémentaires reçus en même temps ?

Le système MEG hautement sensible pourrait également aider les scientifiques à mieux comprendre et à mieux traiter les troubles neurologiques. L’épilepsie et la maladie de Parkinson sont des exemples de troubles liés à des perturbations de la signalisation cérébrale rapide. « Grâce à cette technologie MEG optimisée, notre boîte à outils neuroscientifique a gagné un nouvel outil crucial qui nous permet d’aborder toutes ces questions de manière non invasive », déclare le Dr Waterstraat.

Source :

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Référence du journal :

Waterstraat, G., et al. (2021) Analyse neuromagnétique non invasive d’un seul essai de pointes de population néocorticale humaine. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2017401118.