Définition et champ d’application Methodologie et techniques d’étude de la neurobiologie Pr. Pierre Burbaud Methodologie et techniques d’étude du système nerveux central

Quelques définitions … Neurosciences = ensemble des disciplines scientifiques qui ont pour finalité l'étude du système nerveux Enjeu scientifique majeur = Compréhension du fonctionnement du cerveau humain

Techniques d’étude du système nerveux 1. Différents niveaux d'analyse: - Neurobiologie moléculaire - Neurobiologie cellulaire - Neurosciences intégrées 2. Différentes approches: - Descriptives (anatomie, histologie), - Fonctionnelles (électrophysiologie, imagerie) Comportementales (psychologie, sciences cognitives) Formelle (modélisation informatique) 3. Multidisciplinarité: - Combinaison obligée des différentes techniques pour étudier une fonction - Nécessité d'une collaboration mutidisciplinaire +++

Les techniques des neurosciences intégrées 1. Comportementales Situation expérimentale (paradigme) Mesures psychophysiques (TR, seuils) Tests neuropsychologiques (performances) 2. Electrophysiologiques 2.1 Intra-cérébrales Unitaire Multi-canal-multi-site 2.2 Extra-cérébrale Electro-encéphalographie (EEG) Magnéto-encéphalographie (MEG) 3. Imagerie fonctionnelle IRMf PET scan - SPECT

Electrophysiologie Modèle: rongeur, primate, homme Un seul langage: les potentiels d'action Plusieurs système de codage de l'information: Fréquence Oscillations Synchronisation Conditions de recueil Spontanées Protocoles de conditionnement

Principe de l’enregistrement unitaire extra-cellulaire Numérisation du signal

CCA +/- 57,6% Attention Décision Evaluation 1s 44,9% 1s

Subthalamic nucleus

A B

Enregistrements neurones thalamiques Stimulation St GP STN SN TH Cx Patch Cx Patch Pharmacologie Voltage (mV) -70 mV 20 mV Enregistrements neurones thalamiques in vitro temps (ms) 5000 10000 15000 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 10 20 30

Applications chez l’homme . Enregistrement per-opératoire de structures profondes Permet de localiser précisemment des structures de petites tailles (noyau sous-thalamique) . Recherche de foyer épileptogènes avec électrodes profondes Chez des patients présentant des épilepsies pharmaco-résistantes

Imagerie chez l’homme Anatomique - CT-scan - IRM Fonctionnelle - IRMf - TEP - SPECT - EEG - MEG

IRMf L'IRMf repose sur l'utilisation de molécules ayant des propriétés paramagnétiques: gadolinium, DésoxyHb. Les variations localisées de la DésoxyHb seront à l'origine d'un signal détectable.

IRMf 1. Des augmentations localisées d'activité synaptiques augmentent la consommation d'oxygène. La [dHb) s'élève = effet dip. 2. Il apparait ensuite une augmentation du DSC qui est à l'origine d'une diminution de la [dHb] veineuse = effet bold. 3. L'activité synaptique a pour effet une augmentation de l'oxygénation sanguine.

IRMf

Stimulation Go Controls

Stimulation Go Patients

OFC and uncertainty Regression (n=14) Tolerance for uncertainty during decision making HV OCD

TEP 1. La TEP repose sur la détection de paires de photon gamma issus de la dématerialisation des positons 2. Les éléments radio-actifs émetteurs de positons sont incorporés à la Place de leur isotopes naturels dans une molécule biologique qui est injectée au sujet

TEP Les isotopes sont détectés par des couples de scintillateurs placés autour de la tête du sujet. 2. Ils détectent l'arrivée en coincidence des photons. 3. Les scintillateurs sont des cristaux qui émettent de la lumière lorsqu'ils reçoivent les photons.

Imagerie des récepteurs

SPECT - Spectrométrie par émission monophotonique - Imagerie métabolique (débit sanguin cérébral) - Imagerie fonctionnelle (marquage de récepteurs)

EEG

Intérêt de l’EEG … . L’EEG est un « vieille » technique qui garde tout son intérêt . Plusieurs raisons: Evaluation fonctionnelle de l’activité cérébrale - Applicable au lit du malade Possibilité de répéter l’examen avec un suivi longitudinal - Intervient à différents niveaux des processus de réflexion clinique - étiologique - décisionnel - pronostique .

Anomalies des rythmes Foyer lent

Epilepsie Crise focale

EEG

MEG

MEG

Couplage EEG-MEG EEG permet d’enregistrer les signaux issues de la surface corticale alors que la MEG enregistre préférentiellement les sources tangentielles et donc localisées dans la profondeur des sillons La précision des cartes de surfaces EEG est dégradées par la Traversée des interfaces de conductivité ce qui n’est pas le cas de La MEG.

Caractérisitiques spatiales et temporelles des images selon les techniques TEP IRMf EEG MEG Résolution spatiale 5mm 3mm > 6mm > 6mm Résolution temporelle 90s 1 à 6 s 50ms 10-20ms

L’avenir… . Couplage entre les différentes techniques . Paradigme expérimentaux adaptés . Développement de nouvelles techniques