ICMs et réponse électromagnétique

La transmission d’information par le biais des neurones s’accompagne d’une modifi-cation des équilibres ioniques à l’intérieur ainsi qu’aux abords des neurones. Différents systèmes permettent d’accéder à ces quantités, de manière plus ou moins invasive et me-surant différents types de potentiels. Nous présentons ici les principaux systèmes utilisés en ICM, utilisant la réponse électrophysiologique accompagnant une activité cérébrale. La figure II.3permet de résumer ces différents systèmes de manière schématique.

Dipˆoles ´Electro-magn´etiques scalp micro´electrode crˆane ´Electrode EEG Capteurs MEG dure-m`ere

Figure II.3 Représentation schématique des principaux générateurs de champs

électroma-gnétiques ainsi que les principaux systèmes d’imagerie permettant de les mesurer. En haut, l’agrandissement montre un repliement caractéristique du cortex (circonvolution). La coupe montre un ensemble de neurones orientés horizontalement ou verticalement à la surface du crâne. Les flèches larges en noir montrent la direction de propagation du champs électrique dû au dipôle tandis que les flèches plus fines montrent les directions de propagation du champs magnétique dû au dipôle. Modifiée et adaptée à partir deZani et Proverbio (2002).

2.1.3.1 Microélectrodes

Les récents développements dans le domaine de la micro-électronique ont permis l’émergence de capteurs de plus en plus petits. Dans le cas du cerveau, ceci a donné nais-sance à une famille de capteurs appelés microélectrodes. Les microélectrodes peuvent se présenter sous la forme de fils sur lesquels les capteurs sont espacés de quelques centimètres ou encore sous la forme de matrices d’électrodes, destinées à être posées directement à la surface ou même à l’intérieur du cerveau afin de mesurer l’activité électrique produite par les neurones du cortex. La dimension des dispositifs utilisés pour effectuer les mesures conditionnent l’échelle des signaux que l’on peut espérer acquérir (Lebedev et Nicolelis, 2006,Nicolelis, 2001etHochberg et Donoghue, 2006). Si les dimensions nanométriques de certaines microélectrodes permettent d’avoir accès à l’activité d’un unique neurone (po-tentiel d’action), il est difficile de recueillir des activités très spécifiques avec des capteurs millimétriques et ceux-ci permettent plutôt de mesurer l’activité d’assemblées importantes de neurones (potentiels de champs locaux). La qualité des signaux enregistrés à l’aide de ces dispositifs est excellente, l’effet de la propagation des signaux des neurones jusqu’aux capteurs est largement diminué, le rapport signal sur bruit et la spécificité des signaux s’en trouvent par conséquent améliorés. Les microélectrodes sont de plus insensibles aux artefacts musculaires et aux mouvements des yeux qui viennent contaminer les signaux recueillis à l’extérieur de la boîte crânienne. Bien que ce type de capteurs alimente une grande partie des espoirs du domaine des ICMs, leur utilisation chez l’homme s’est avérée moins fructueuse que chez certains animaux comme le singe (Hochberg et al., 2006). Par-mi les expériences très encourageantes dans le domaine, le dispositif BrainTV (Lachaux et al., 2007) a permis de grandes avancées dans l’interprétation de l’activité cérébrale de certaines zones du cerveau chez les patients épileptiques à l’aide de microélectrodes implantées.

Les microélectrodes sont des capteurs très invasifs car elles doivent être insérées à l’intérieur du cortex. Ceci pose d’importants problèmes de biocompatibilité : le dispositif doit être changé ou réinstallé à intervalles réguliers. Enfin, ce type de capteurs bénéficie actuellement d’une grande attention car on peut naturellement le modifier pour le trans-former en périphérique bidirectionnel : une partie passive pour mesurer l’activité et une partie active pour stimuler les neurones et ainsi influer sur leur fonctionnement. La sti-mulation neuronale a été utilisée avec succès dans un contexte médical depuis les années 90 (Benabid et al., 1991) en tant que méthode de traitement pour les sujets atteints de la maladie de Parkinson.

2.1.3.2 Électrocorticographie

L’ECoG (électrocorticographie) est également une technique d’imagerie invasive. Les capteurs sont typiquement constitués d’une matrice d’électrodes régulièrement espacées, destinée à être posée à la surface du cortex. A la différence des microélectrodes, la matrice ne nécessite pas d’être enfoncée dans le cortex et résout donc une partie des problèmes de biocompatibilité soulevés par les microélectrodes. Les signaux enregistrés, bien que moins spécifiques que dans le cas de microélectrodes micrométriques, restent très peu bruités et ne contiennent pas d’artefacts musculaires. Les signaux ECoG peuvent donc être analysés jusqu’à des fréquences de 100 Hz ou 200 Hz (fortement perturbées par les artefacts musculaires dans le cas d’enregistrements EEG).

Ces diverses qualités en font une technique très intéressante pour la conception d’in-terfaces cerveau-machines. Plusieurs expériences menées sur des patients épileptiques im-plantés avec des matrices ECoG ont montré que ceux-ci ont été capables rapidement d’influencer volontairement et significativement les signaux ECoG en utilisant l’imagerie motrice (Graimann et al., 2004 et Hill et al., 2006), l’utilisation conjointe de l’imagerie

motrice ou de la parole (Leuthardt et al., 2006 et Leuthardt et al., 2004), le calcul men-tal (Ramsey et al., 2006), ou encore l’imagerie auditive (Wilson et al., 2006). Enfin, dans la dernière compétition BCI 20081, l’un des jeux de données a montré qu’il était possible de prédire la position des doigts de la main à partir des signaux électrocorticographiques.

2.1.3.3 Magnétoencéphalographie

La MEG (magnétoencéphalographie) est une technique d’imagerie non-invasive. Elle est basée sur la mesure des variations du champ magnétique à la surface du crâne, pro-voquées par l’activation des neurones pyramidaux. Bien que cette technique soit très similaire à l’EEG, le développement de la MEG n’a commencé qu’à la fin des années 70. Ceci s’explique par la précision des capteurs nécessaires à la mesure des variations infini-tésimales du champ magnétique (∼ 10⁻¹⁵ Tesla). De plus, le coût de l’appareil ainsi que la nécessité de refroidir les capteurs avec de l’hélium liquide rendent son expansion limitée à l’heure actuelle. Néanmoins, plusieurs études ont montré la possibilité de concevoir des ICMs basées sur la MEG en utilisant l’imagerie motrice (Kauhanen et al., 2006) ou bien l’attention auditive (Mellinger et al., 2007). Ces études ont montré que le grand nombre de capteurs généralement disponibles en MEG permettait d’avoir une excellente résolu-tion spatiale ainsi qu’une vitesse comparable aux systèmes basés sur l’EEG. Enfin, il est important de noter qu’à la différence de l’EEG qui capture préférentiellement les activités des assemblées de neurones pyramidaux formant un dipôle perpendiculaire à la surface du crâne, la MEG permet d’avoir uniquement accès aux dipôles qui sont orientés paral-lèlement à la surface du crâne (voir la figure II.3 pour une représentation schématique de cette différence). Cette différence fait donc de la MEG et de l’EEG deux techniques d’imagerie complémentaires. De même que dans le cas de l’IRMf, il faut noter que la com-plexité d’utilisation d’un tel dispositif est assez importante. Ceci le rend donc peu adapté pour la diffusion au sein d’un large public des ICMs.

2.1.3.4 Électroencéphalographie

Nous présentons enfin l’EEG (électroencéphalographie) qui est la technique de loin la plus utilisée dans le domaine des ICMs. Son faible coût et sa simplicité d’utilisation par rapport aux autres techniques d’imagerie en ont fait un système de choix. Les capteurs EEG sont des électrodes Ag/AgCl (Argent/Chlorure d’argent) d’un rayon d’environ 5 mm, généralement placés à des positions standardisées (voir figure II.4). Ils permettent de capter principalement l’activité des neurones pyramidaux orientés perpendiculairement à la surface du crâne. On estime qu’il faut environ 10⁶neurones orientés dans le même sens et fonctionnant de manière synchrone pour que le potentiel post-synaptique engendré puisse être observable au niveau du scalp à l’aide de capteurs EEG (Nuñez, 2005). On considère que seuls les potentiels post-synaptiques des dendrites des neurones pyramidaux peuvent ainsi être détectés à l’aide de l’EEG. Les potentiels que ces dendrites génèrent durent en effet relativement longtemps (entre 10 et 100 ms) et l’organisation spatiale de celles-ci est relativement uniforme (perpendiculairement à la surface corticale). Ces deux propriétés particulières permettent aux potentiels générés par les dendrites des neurones pyramidaux d’être suffisamment synchrones pour que la somme qui en résulte puisse être détectée au niveau du scalp. En raison des propriétés évoquées, on modélise ce type d’activité par un dipôle électrique. L’atténuation spatiale théorique résultant de ce modèle est alors proportionnelle à 1/r² (r étant la distance par rapport à la source électrique).

Quatrième occurrence de cet événement : l’idée est de confronter la communauté mondiale ICM du point de

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vue des méthodes de traitement du signal. Voir le site Web de la dernière compétition pour plus de détails (Site internet officiel de la compétition Interfaces Cerveau-Machines, édition IV).

Figure II.4 Le système 10-20 décrivant les positions standards des électrodes EEG, d’après Zani et Proverbio (2002).

Figure II.5 Représentation schématique des neurones pyramidaux, principaux générateurs

de l’EEG de scalp. Ils reçoivent les projections excitatrices au niveau du corps cellulaire ou bien au niveau des dendrites apicales des couches superficielles du cortex.