Voir fonctionner le cerveau avec l’IRM
L’IRM (imagerie par résonance magnétique), contrairement à l’EEG et la MEG, a une excellente résolution spatiale. Utilisée à l’hôpital depuis les années 80, cette technique a permis de grandes avancées car elle permet de visualiser les tissus mous, et notamment le cerveau, ce que ne permettaient pas les rayons X, seule méthode disponible pendant très longtemps pour voir l’intérieur du corps.
L’IRM ne présente aucun danger connu, même pour le très jeune enfant, à condition que l’organisme ne contienne aucun morceau de métal (éclat métallique, matériel chirurgical) car il y a un aimant puissant dans la machine.
Avec l’IRM, nous obtenons deux types d’images: des images structurales et des images fonctionnelles. Les images structurales permettent de voir l’anatomie du cerveau et sont celles qui sont classiquement utilisées à l’hôpital pour détecter une tumeur ou un accident vasculaire cérébral. Elles permettent de suivre la croissance du cerveau: les modifications de taille, de gyrification et de maturation du cerveau. Avec des séquences spéciales, dites du tenseur de diffusion, on peut également obtenir des images des faisceaux de substance blanche qui relient les différentes régions cérébrales. On peut alors quantifier la taille de ces faisceaux et leur maturation. La maturation de ces faisceaux est associée à une accélération de la transmission de l’influx nerveux. Les images fonctionnelles permettent comme leur nom l’indique, de voir le cerveau fonctionner. Elles sont peu utilisées en clinique, car nous ne maitrisons toujours pas très bien la variabilité individuelle dans ces images pour qu’elles soient utiles à l’échelle de l’individu. Les images présentées dans les journaux sont des images obtenues au niveau d’un groupe d’individus.
Avant d’aller plus loin, vous pouvez regarder ce que nous faisons à Neurospin (imagerie cérébrale à NeuroSpin).
l’imagerie par résonance fonctionnelle (IRMf)
Grâce à l’IRMf, nous pouvons voir quelles sont les régions cérébrales actives pendant une tâche cognitive, par exemple quand nous lisons. En effet, l’hémoglobine, molécule présente dans les globules rouges, existe sous deux formes : oxyhémoglobine lorsqu’une molécule d’oxygène lui est attachée et déoxyhémoglobine après avoir libéré sa molécule d’oxygène. Ces deux états de l’hémoglobine ont des propriétés magnétiques différentes du fait du démasquage des ions ferriques Fe++ dans la déoxyhémoglobine. L’oxyhémoglobine est donc diamagnétique et invisible en IRM alors que la deoxyhémoglobine, paramagnétique, s’aimante facilement dans le champ magnétique de la machine et altère le champ magnétique du tissu local dans lequel se trouvent les vaisseaux.
L’activité neuronale consomme de l’oxygène, donc le taux de deoxy-hémoglobine augmente. Cette augmentation est très transitoire car en réponse à cette consommation d’oxygène, le système vasculaire augmente son débit et finit par apporter plus d’oxygène que la région en question n’en consomme. A cause de cette réponse vasculaire excessive, la déoxyhémoglobine se trouve donc diluée. Elle perturbe donc moins le champ magnétique local et le signal magnétique devient localement plus intense. L’ensemble de ces phénomènes se traduit sur les images par une remontée du signal magnétique dans la région qui travaille.
Comme la réponse vasculaire est relativement lente (quelques secondes alors que l’activité neuronale s’établit en quelques millisecondes), la remontée du signal magnétique demande environ 6 s pour atteindre son maximum. C’est pourquoi la sensibilité temporelle de l’IRMf est médiocre par rapport à l’électroencéphalographie et à la magnétoencéphalographie et on utilise des périodes de stimulation longues pour permettre à la réponse vasculaire de se mettre en place. On alterne donc généralement des périodes de stimulation et des périodes de repos, par exemple des alternances de 20s de parole suivies de 20s de silence. Pour mettre en évidence les régions actives, celles qui répondent à la parole dans cet exemple, on va rechercher grâce à des études de corrélation statistique, quelles sont les régions cérébrales dont le signal magnétique va augmenter pour atteindre un maximum environ 6 s après le début du stimulus puis décroître lentement lorsque la stimulation est arrêtée.
Les images d’IRMf sont donc des cartes de probabilité où sont colorées suivant une échelle de couleur les régions dont l’activité est le plus probablement corrélée avec la stimulation. Ces cartes sont superposées sur l’IRM anatomique du sujet lui-même acquise au cours de la même séance ce qui permet d’identifier parfaitement les régions cérébrales qui ont été impliquées chez cette personne dans la tâche cognitive étudiée.
Les faisceaux de substance blanche
Grâce à l’IRM de diffusion, il est possible de reconstituer les faisceaux de substance blanche qui transportent l’information d’une région à l’autre. Ces faisceaux sont déjà tous présents chez le nourrisson, même entre des régions qui ne sont pas encore matures.
L’imagerie de diffusion permet également de suivre la maturation de ces faisceaux pendant l’enfance. Cette maturation est associée à une accélération de la transmission de l’influx nerveux qui d’une part compense l’augmentation de taille de la tête, et d’autre part permet une accélération du traitement des informations du monde extérieur.
