VISUALISATION DE L'ACTIVITÉ DU CERVEAU

Comment voir ce qui se passe dans le cerveau, lorsque nous ressentons, pensons ou agissons ? Jusqu’au début des années 1950, on devait se contenter des enregistrements de l’activité électrique du cerveau, comme les tracés d’électroencéphalographie. Depuis cette époque, de considérables progrès technologiques et le développement des recherches scientifiques sur les activités cérébrales ont démontré tout l’intérêt de visualiser sous forme d’images à deux ou trois dimensions l’activité en temps réel du cerveau de sujets humains, de manière à comprendre les mécanismes physiologiques des fonctions cérébrales. Il est communément admis que de telles recherches en imagerie cérébrale permettent, par exemple, de savoir quelles régions du cerveau humain réalisent certaines fonctions, comme l’implication du lobe temporal dans le langage ou la mise en jeu du cortex préfrontal dans la prise en compte de certaines règles de jeux.

Le centre du langage en 1864

À partir du milieu du XIXe siècle, de nombreux médecins ont tenté de relier la perte d'une activité cognitive,  comme le langage articulé ou la compréhension d'un texte, avec une lésion anatomique accidentelle du cerveau.  Des recherches suivant la même logique de corrélation entre... 

Crédits : <a title="Crédit" href="https://wellcomeimages.org/indexplus/image/L0041061.html" rel="noopener" target="_blank">Wellcome Library, Londres</a>/ <a title="Crédit" href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/fr/" rel="noopener" target="_blank">CC-BY 4.0</a>

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Carte de l’activité cérébrale par électroencéphalographie

Les chats réagissent par un sursaut aux stimulations brèves. On enregistre ici, grâce à des électrodes posées sur et sous la surface du cortex d'un chat, les réponses des différentes régions cérébrales à un petit choc sur la patte avant gauche. On voit que les réponses sont... 

Crédits : 1958 Published by Elsevier Ireland Ltd. Reprinted with permission from Elsevier

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Ces études reposent sur l’établissement de corrélations spatio-temporelles – dans l’espace et dans le temps – entre l’activation locale de régions du cerveau humain et la réalisation simultanée d’une tâche cognitive. Les interprétations qui sont généralement données des images ainsi acquises dépendent de certains choix théoriques, par exemple selon que l’on favorise l’établissement d’un modèle associant certaines fonctions cognitives au découpage macroscopique anatomique et fonctionnel des aires cérébrales – auxquelles on attribue des propriétés et des fonctions propres – ou que l’on favorise l’établissement de relations structure-fonction entre des circuits neuronaux – connus, mais seulement identifiés précisément chez l’animal – et la réalisation d’une fonction perceptive et cognitive de plus bas niveau, telle la reconnaissance des visages. Pour cette raison, les interprétations théoriques sont parfois contradictoires et requièrent toujours plus de recherches qui associent plusieurs techniques, l’utilisation de modèles animaux proches de l’homme (primates non humains) ainsi que des méta-analyses comparant les résultats de diverses approches pour forger des théories unifiées, en accord avec les études cliniques neurologiques et psychologiques de patients présentant des troubles fonctionnels avec ou sans lésion du cerveau.

Les recherches en imagerie cérébrale fonctionnelle constituent donc un domaine extrêmement diversifié dans lequel sont employées une infinité de techniques de visualisation des activités cérébrales, avec des schémas épistémologiques complexes, de sorte qu’une analyse historique critique de la neuro-imagerie fonctionnelle peut seule éclairer pour le non-spécialiste les tendances actuelles et ce qu’on peut en attendre.

Notion d’activité cérébrale

Une activité du cerveau est un acte (un mécanisme) qui rend compte de la réalisation des fonctions du cerveau. Au début du xix^e siècle, pour l’anatomiste Franz Joseph Gall, « l’activité du cerveau » se définit en effet par sa proportionnalité à la quantité de fonctions cérébrales réalisées ; pour lui, il ne fait aucun doute que celle du fœtus est « très restreinte ». Dans la seconde moitié du xix^e siècle, à l’ère de la physiologie expérimentale, l’activité d’un organe comme le cerveau, c’est non seulement – comme pour Gall – l’activité de ses fonctions nerveuses vitales qui rend compte d’un « état de fonction » de l’organe, mais aussi celle de ses phénomènes biologiques essentiels qui dépendent de l’activité organique et vitale des cellules (Claude Bernard). Avec l’étude de la respiration, des sécrétions, des muscles et des nerfs, la physiologie distingue déjà, et jusqu’à aujourd’hui, les activités chimiques de la combustion respiratoire, celles des glandes, et celle des phénomènes électriques des nerfs et des muscles, en y ajoutant encore, par exemple, celles qu’on peut à présent visualiser comme la consommation de glucose par les neurones.

C’est dire combien l’on ne « voit » pas réellement le cerveau fonctionner, mais que l’on est seulement capable de visualiser des variations dans l’intensité des activités biologiques de régions du cerveau associées à l’acte, la sensation ou la pensée. En effet, certaines d’entre elles varient selon les tâches, cognitives en particulier, effectuées par le cerveau. Parmi ces activités, la consommation par les neurones d’oxygène et de glucose et l’accroissement local de la circulation sanguine cérébrale servent de nos jours à visualiser le niveau d’activité des régions du cerveau, comme cela avait déjà été possible avant la Seconde Guerre mondiale par la mesure régionale des activités électriques cérébrales. « Voir » fonctionner le cerveau consiste donc à repérer des variations locales d’une activité métabolique, de diffusion ou d’affinité chimique d’une molécule, ou encore d’une activité électrique, à reconstruire mathématiquement dans l’espace les signaux correspondants, sous forme de cartes à deux ou trois dimensions, et à suivre l’évolution de cette cartographie dans le temps.

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Le centre du langage en 1864
Crédits : <a title="Crédit" href="https://wellcomeimages.org/indexplus/image/L0041061.html" rel="noopener" target="_blank">Wellcome Library, Londres</a>/ <a title="Crédit" href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/fr/" rel="noopener" target="_blank">CC-BY 4.0</a>

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Carte de l’activité cérébrale par électroencéphalographie
Crédits : 1958 Published by Elsevier Ireland Ltd. Reprinted with permission from Elsevier

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Activité cérébrale estimée par tomographie par émission de positons (TEP)
Crédits : Brookhaven National Laboratory/ Science Source/ Getty Images

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Enregistrement de magnétoencéphalographie
Crédits : SIM Laboratoire/ BSIP

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