Activité électrique neuronale et fonctionnement cérébral

Mise en évidence de la transmission électrique cérébrale à la fin du 18ème siècle avec la découverte de l’électricité. En se laissant guider par leur intuition, les scientifiques parvinrent à montrer que l’électricité était impliquée d’une certaine manière dans l’élaboration des messages nerveux. L’électricité est un flux d’électrons en mouvement d’un 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 s’est aperçu que le corps humain était également conducteur de courant. Il frotta une baguette avec un morceau de tissu provoquant donc l’accumulation de charges électriques sur la baguette. Il approcha celle-ci des pieds d’une personne ne touchant pas le sol ou tout autre objet. Parallèlement, au niveau de sa main, il approcha un feuille de métal. Sous l’effet de l’attraction, la feuille de métal se plia et lorsque la feuille et la main se touchèrent, de l’électricité partant de la baguette, passa à travers le corps pour rejoindre la feuille.

Au fil des expérimentations et des découvertes sur l’activité électrique du neurone et les mécanismes ioniques impliqués, on confirma cette intuition. L’information est convoyée sous forme d’une onde électrique, qui se déplace depuis la source de la stimulation au niveau du corps cellulaire, en suivant l’axone jusqu’à la terminaison axonique. Une électrode placée sur l’axone, reliée à un voltmètre permet de détecter le passage de cette onde par le changement de polarité au niveau de la membrane.

L’électroencéphalogramme ou EEG 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 d’une 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 qu’ils sont fréquemment actifs en même temps, il est alors possible d’observer le comportement de ce groupe de neurones, simplement en plaçant des électrodes à une certaine distance des neurones. Dans les années 30, on s’est en effet rendu compte que l’on pouvait enregistrer l’activité neuronale en disposant des électrodes à la surface du crâne. On a découvert l’électroencéphalographie.

Ancien appareillage d’électroencéphalographie Aujourd’hui, l’EEG est enregistré grâce à un ordinateur sur lequel défile en continu les changements de voltage au cours du temps. Enregistrement numérique

EEG Clignements des yeux EOG Saccades oculaires

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

Les électrodes sont réparties selon des positions standards.

Le bonnet à électrodes est relié à un système informatique où le signal est amplifié. L’EEG est une différence de potentiel entre 2 électrodes, une électrode d’enregistrement 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 d’enregistrer les mouvements des yeux (clignements ou saccades oculaires). L’EEG est utilisé cliniquement pour aider au diagnostique des désordres cérébraux, tels que l’épilepsie, les troubles du sommeil ou les traumatismes crâniens. Il informe sur l’état général de l’individu. Les changements d’état sont associés avec des changements dans l’amplitude et la fréquence de l’EEG.

Par exemple : Les différences observées entre les différents états du sommeil, les différences entre la veille et le sommeil… L’EEG permet de distinguer les grands changements d’état, mais n’est pas assez sensible pour discerner des changements très fins dans l’activité cérébrale.

EEG = activité cérébrale totale L’EEG 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 l’étude des activités cognitives instant par instant. Pour résoudre ce problème, on calle l’enregistrement EEG sur le début d’un événement, tel que la lecture d’un mot sur un écran d’ordinateur, l’écoute d’une note de musique ou la vue d’une image sur un livre. L’activité 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 l’EEG 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 d’un événement spécifique.

Le potentiel lié à l’événement Les potentiels liés à un événement sont des changements très brefs de l’activité électroencéphalographique en réponse à une stimulation sensorielle. Ces potentiels sont mélangés avec tellement d’autres signaux électriques dans le cerveau qu’il 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, c’est-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 l’activité cérébrale sera « lisse ». Pour obtenir des potentiels évoqués, il faut créer un montage de 2 ordinateurs, l’un servant à enregistrer l’EEG et l’autre pour envoyer les stimulations sensorielles par exemple.

Un ordinateur enregistre en continu l’EEG amplifié au préalable dès la sortie du bonnet à électrodes. Un autre ordinateur est chargé de présenter les stimuli à la personne, ici des stimuli visuels. Lors de la présentation d’un stimulus, cet ordinateur envoie une information au même moment à l’ordinateur d’enregistrement EEG pour lui signifier l’instant où le stimulus a été présenté. Ainsi on pourra ensuite récupérer l’activité EEG correspondant au moment où le stimulus aura été effectivement présenté.

chat chat chat EEG EOG

Pour chaque électrode EEG chat Pour chaque électrode EEG

Cette figure illustre l’obtention d’un potentiel évoqué, par exemple, suite à la perception d’un 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 qu’un tracé net se dégage. Ce tracé ou potentiel évoqué est composée d’une séries de fluctuations ou ondes qui tendent soit vers le positif (P) soit vers le négatif (N) et qui s’étendent sur une période de quelques centaines de msec après la stimulation.

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

Toutes les ondes ne ressemblent pas forcément à l’exemple ci-dessous Toutes les ondes ne ressemblent pas forcément à l’exemple ci-dessous. Certaines vont être semblables pour un stimulus de même nature (exemple auditif), d’autres 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 l’information, 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 l’information. Des opérations telles que celles impliquées dans la perception, l’attention, le langage ou la mémoire, se déroule sur des fenêtres de temps de l’ordre de la sec, il est donc important de visualiser les changements avec une précision de l’ordre de ma msec. La technique des potentiels évoqués est donc une méthodologie idéale pour étudier les aspects temporels des processus cognitifs normaux ou anormaux.

Potentiel évoqué et attention Comme dans toute expérimentation, l’idée est d’observer les modifications susceptibles de se produire lors de conditions expérimentales différentes. Un exemple d’expérience très utilisée dans l’étude de l’attention est la détection de stimuli cibles dans un ensemble de stimuli. Dans ce genre d’expérience, on présente à la personne une série de sons ou d’images, 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)

FIN

Temps en msec Amplitude en µV Cibles jaunes à détecter Cibles rouges à ignorer P300 On remarque que les 2 tracés sont assez similaires jusqu’à 200 msec après l’apparition de la cible rouge ou jaune. Une différence significative d’amplitude est notée aux environ de 300 msec puis les 2 tracés redeviennent similaires. 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.

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