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Activité électrique neuronale et fonctionnement cérébral.

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1 Activité électrique neuronale et fonctionnement cérébral

2 Mise en évidence de la transmission électrique cérébrale à la fin du 18ème siècle avec la découverte de lélectricité. En se laissant guider par leur intuition, les scientifiques parvinrent à montrer que lélectricité était impliquée dune certaine manière dans lélaboration des messages nerveux. Lélectricité est un flux délectrons en mouvement dun corps chargé de ces particules négatives vers un corps peu chargé. Le voltage rend compte de la différence de potentiel entre ces 2 corps, séparé par un matériau conducteur. Dans les années 70, un chercheur sest aperçu que le corps humain était également conducteur de courant. Il frotta une baguette avec un morceau de tissu provoquant donc laccumulation de charges électriques sur la baguette. Il approcha celle-ci des pieds dune personne ne touchant pas le sol ou tout autre objet. Parallèlement, au niveau de sa main, il approcha un feuille de métal. Sous leffet de lattraction, la feuille de métal se plia et lorsque la feuille et la main se touchèrent, de lélectricité partant de la baguette, passa à travers le corps pour rejoindre la feuille.

3 Au fil des expérimentations et des découvertes sur lactivité électrique du neurone et les mécanismes ioniques impliqués, on confirma cette intuition. Linformation est convoyée sous forme dune onde électrique, qui se déplace depuis la source de la stimulation au niveau du corps cellulaire, en suivant laxone jusquà la terminaison axonique. Une électrode placée sur laxone, reliée à un voltmètre permet de détecter le passage de cette onde par le changement de polarité au niveau de la membrane.

4 Les neurones communiquent en permanence en générant de petits signaux électrochimiques. Ainsi donc, même si le cerveau apparaît être dans un état inactif, il est toujours électriquement actif. Chacun de ces différents états est caractérisé alors par différentes activités cérébrales. Si un appareil de mesure de la tension électrique est placé près dune cellule cérébrale, cet appareil enregistrera les changements de voltage lorsque le neurone est actif. Les neurones génèrent des potentiels plusieurs centaines de fois par seconde. Comme les neurones sont très proches les uns des autres et quils sont fréquemment actifs en même temps, il est alors possible dobserver le comportement de ce groupe de neurones, simplement en plaçant des électrodes à une certaine distance des neurones. Dans les années 30, on sest en effet rendu compte que lon pouvait enregistrer lactivité neuronale en disposant des électrodes à la surface du crâne. On a découvert lélectroencéphalographie. Lélectroencéphalogramme ou EEG

5 Ancien appareillage délectroencéphalographie Enregistrement numérique Aujourdhui, lEEG est enregistré grâce à un ordinateur sur lequel défile en continu les changements de voltage au cours du temps.

6 EOG EEG Clignements des yeux Saccades oculaires

7 Les électrodes sont réparties sur toute la surface du crâne selon des positions standards. De façon pratique, elles sont aujourdhui incorporées à un bonnet élastique. Une petite quantité de gel conducteur est alors injecté au niveau de chaque électrode pour assurer une bonne connexion électrique entre lélectrode et la surface du crâne, car lélectrode en métal nest pas en contact direct avec la peau. Electrode en métal insérée dans un support en plastique blanc.

8 Les électrodes sont réparties selon des positions standards.

9 Le bonnet à électrodes est relié à un système informatique où le signal est amplifié. LEEG est une différence de potentiel entre 2 électrodes, une électrode denregistrement et une électrode de référence. Cette dernière ne doit pas être cérébrale, ni trop éloignée du cerveau. En général, on utilise alors les oreilles, le nez ou les mastoïdes. On peut ajouter à ces électrodes EEG, des électrodes EOG afin denregistrer les mouvements des yeux (clignements ou saccades oculaires). LEEG est utilisé cliniquement pour aider au diagnostique des désordres cérébraux, tels que lépilepsie, les troubles du sommeil ou les traumatismes crâniens. Il informe sur létat général de lindividu. Les changements détat sont associés avec des changements dans lamplitude et la fréquence de lEEG.

10 LEEG permet de distinguer les grands changements détat, mais nest pas assez sensible pour discerner des changements très fins dans lactivité cérébrale. Par exemple : Les différences observées entre les différents états du sommeil, les différences entre la veille et le sommeil…

11 Pour résoudre ce problème, on calle lenregistrement EEG sur le début dun événement, tel que la lecture dun mot sur un écran dordinateur, lécoute dune note de musique ou la vue dune image sur un livre. Lactivité résultante est un potentiel lié à un événement ou potentiel évoqué. Ce potentiel de très faible amplitude mesure entre 1 et 10 µV, en comparaison avec lEEG qui mesure entre 10 et 100 µV. Ainsi, un potentiel lié à un événement ne peut être lu sur un tracé EEG. EEG = activité cérébrale totale Potentiel évoqué = activité associée avec le traitement dun événement spécifique. LEEG nous permet de savoir par exemple très bien quand une personne lit, écoute de la musique ou regarde la télévision, mais il est très limité pour létude des activités cognitives instant par instant.

12 Le potentiel lié à lévénement Les potentiels liés à un événement sont des changements très brefs de lactivité électroencéphalographique en réponse à une stimulation sensorielle. Ces potentiels sont mélangés avec tellement dautres signaux électriques dans le cerveau quil est donc difficile de les détecter en observant simplement un EEG. Une manière de pallier à cela consiste à répéter la stimulation plusieurs fois puis à moyenner les signaux enregistrés correspondants. Ce « moyennage » permet de supprimer les signaux irréguliers, cest-à-dire ceux qui ne sont pas spécifiques au traitement de la stimulation sensorielle. Plus la stimulation est répétée, plus les signaux intrus seront rejetés. Plus le moyennage sera donc efficace et donc le tracé représentant lactivité cérébrale sera « lisse ». Pour obtenir des potentiels évoqués, il faut créer un montage de 2 ordinateurs, lun servant à enregistrer lEEG et lautre pour envoyer les stimulations sensorielles par exemple.

13 Un autre ordinateur est chargé de présenter les stimuli à la personne, ici des stimuli visuels. Lors de la présentation dun stimulus, cet ordinateur envoie une information au même moment à lordinateur denregistrement EEG pour lui signifier linstant où le stimulus a été présenté. Un ordinateur enregistre en continu lEEG amplifié au préalable dès la sortie du bonnet à électrodes. Ainsi on pourra ensuite récupérer lactivité EEG correspondant au moment où le stimulus aura été effectivement présenté.

14 chat EOG EEG chat

15 Pour chaque électrode EEG

16 Cette figure illustre lobtention dun potentiel évoqué, par exemple, suite à la perception dun son par une personne. Le tracé est irrégulier lorsque le son est présenté pour la première fois. Cependant, après avoir fait la moyenne de réponses cérébrales suscitées par une centaine de stimulations sonores, on voit quun tracé net se dégage. Ce tracé ou potentiel évoqué est composée dune séries de fluctuations ou ondes qui tendent soit vers le positif (P) soit vers le négatif (N) et qui sétendent sur une période de quelques centaines de msec après la stimulation.

17 Par convention, ces ondes sont appelées composantes. Elles portent un numéro correspondant à leur moment dapparition après la stimulation. stimulation

18 Toutes les ondes ne ressemblent pas forcément à lexemple ci-dessous. Certaines vont être semblables pour un stimulus de même nature (exemple auditif), dautres vont présenter des différences spécifiques aux caractéristiques du stimulus. De façon générale, les composantes qui apparaissent dans les 200 msec suivant la stimulation refléteraient le traitement perceptif de linformation, tandis que pour des latences plus longues, elles correspondraient à la mise en jeu de processus cognitifs de haut niveau (exemple, le langage et la mémoire). Du fait de sa grande résolution temporelle, la technique des potentiels évoqués apporte une information importante sur le décours temporel du traitement de linformation. Des opérations telles que celles impliquées dans la perception, lattention, le langage ou la mémoire, se déroule sur des fenêtres de temps de lordre de la sec, il est donc important de visualiser les changements avec une précision de lordre de ma msec. La technique des potentiels évoqués est donc une méthodologie idéale pour étudier les aspects temporels des processus cognitifs normaux ou anormaux.

19 Comme dans toute expérimentation, lidée est dobserver les modifications susceptibles de se produire lors de conditions expérimentales différentes. Un exemple dexpérience très utilisée dans létude de lattention est la détection de stimuli cibles dans un ensemble de stimuli. Dans ce genre dexpérience, on présente à la personne une série de sons ou dimages, parmi lesquels on demande de reconnaître un son ou une image précise (par exemple un rond jaune parmi des ronds rouges). On demande donc au sujet de « focaliser son attention » sur le stimulus cible (ayant les caractéristiques attendues : ici la couleur) Potentiel évoqué et attention

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33 FIN

34 Temps en msec Amplitude en µV Cibles jaunes à détecter Cibles rouges à ignorer La composante positive apparaissant vers 300 msec, appelée P300, est générée uniquement sur les cibles jaunes qui devaient être détectées. En revanche, elle ne se développe pas lorsque les cibles rouges doivent être ignorées. On remarque que les 2 tracés sont assez similaires jusquà 200 msec après lapparition de la cible rouge ou jaune. Une différence significative damplitude est notée aux environ de 300 msec puis les 2 tracés redeviennent similaires. P300

35 Cette P300 a été interprété comme étant une composante reflétant le traitement dun stimulus nouveau, inattendu dans une série homogène. Cette composante traduirait un certain effet de surprise. Cependant, au cours dautres expériences, cette P300 fut de nouveau observée, et dautres interprétations sur son rôle ont été avancées. Dernièrement, lhypothèse dun rôle dans le « rafraîchissement » de la mémoire de travail. A chaque nouvelle information, la mémoire de travail serait mise à jour. Lapparition de la P300 serait donc un indice de ce renouvellement de la mémoire de travail.


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