Revenons un peu à la neuroimagerie
...suite à la conférence de Gazzaniga (cf bio-review précédente) et
Depuis quelques années on assiste à une explosion de découvertes produites par des méthodes d'imagerie cérébrale avec l'IRM et l'IRMf, ... à l'intersection de la biologie, de la psychologie, avec des apports de la physique et des applications en médecine... contenter tout ce monde va être difficile, et cet article est rédigé d'abord pour des biologistes.
Qu'est-ce que l'IRM ?
En gros, disons que l'IRM exploite le fait que les protons de certains atomes peuvent avoir leur spin (... une sorte de magnétisme sorry les copains physiciens...) alignés - dans un champ magnétique très très puissant - par des ondes radio de la bonne fréquence d'excitation. Pour chaque type d'orbitale électronique et donc de molécules on peut trouver la fréquence d'excitation. Très souvent c'est l'hydrogène : les lipides en contiennent beaucoup les sucres et le protides aussi. Au moment où on interrompt ces ondes radio, les électrons reprennent leur orientation aléatoire (on parle de relaxation) et cela produit un très petit signal radio (RF) qui est détecté et permet de savoir combien on avait de ces électrons dans cette orbitale particulière-là (donc de cette molécule-là), dans la zone excitée par les ondes radio.
Figure 1 : Le "scanner" IRM a la forme d'une sorte de tunnel dans lequel on introduit l'organe à étudier. Source http://www.actinnovation.com
On place donc le sujet dans une sorte de tunnel qui produit le champ magnétique très fort, on excite une toute petite zone (un voxel = volume pixel) et on "écoute" la relaxation sous forme de signal RF qui nous informe sur combien il y avait de la molécule excitée. Ensuite on excite la zone juste à côté et on répète l'opération ; on balaie (scanne) successivement les voxels de tout le volume à étudier. Un programme informatique traduit ensuite ces signaux successifs en une image 3-d du volume étudié.
L'IRM classique
Cette forme d'IRM est celle que nous subissons assez fréquemment de nos jours : elle a permis d'étudier les tissus mous. (Les rayons X révèlent bien les mais ne distinguent pas bien les tissus mous.)
Fig2 : un scan par IRM classique de l'encéphale. On peut la voir comme une succession d'images animées
Voir le cerveau en action : l'IRMf ?
Un IRM classique prend une mesure statique de l'état des tissus. Pour voir la dynamique et l'activité par exemple d'un cerveau, on a recours à différentes techniques (CT, TEP, etc cf McGill). Mais celle qui a (r)ouvert à l'exploration de nombreuses questions de recherche et fait le plus souvent les titres est l'IRM fonctionelle (IRMf ou en anglais fMRI).
Son principe : lorsqu'une aire cérébrale est plus active, on a des changements dans les flux de sang et d'oxygène qu'on peut détecter par IRMf : p. ex. si on fait parler quelqu'un, les aires du langage vont être plus actives et on pourra visualiser cette différence d'activité par IRMf.
On d'atteint des résolutions spatiales de l'ordre du millimètre cube et temporelles de l'ordre la seconde. Et on progresse encore.
L'activité des aires cérébrales mesurée par l'IRMf BOLD
"Actuellement, la technique d'IRMf la plus utilisée détecte les variations d'oxygénation et de flux sanguins liés à l'activité neuronale, et a été appelée BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)." (source : SERVAL)
Elle est une variante d'IRM qui exploite
a) une variation magnétique de l'hémoglobine selon son état d'oxygénation et
b) les variations de flux sanguin dans les aires du cerveau lorsqu'elles sont plus actives.
Des variations magnétiques de l'hémoglobine selon l'oxygénation ?
Selon si elle est chargée en O2 elle les atomes de Fer qu'elle contient ont un comportement magnétique différent. La déoxy-hémoglobine dévie le champ magnétique (paramagnétique) alors que l'hémoglobine chargée en O2 (l'oxy-hémoglobine, donc) n'a aucun effet magnétique (diamagnétique).
Figure 3 les propriétés magnétiques de l'hémoglobine varient avec le champ magnétique img (source : SERVAL)
Des variations de flux sanguin dans les aires du cerveau lorsqu'elles sont plus actives.
Quand une aire est plus active, on a -c'est paradoxal- une moindre baisse d'oxygène dans les capillaires en aval.
En effet les changements dans la cellule produisent "une dilatation locale des vaisseaux. Il s'ensuit une augmentation secondaire du flux sanguin et du volume sanguin, dont le délai varie entre 0,1 s et 4 s et atteint son maximum en 8 à 10 s."
Figure 4 : L'activation d'une aire produit une dilatation et finalement une hémoglobine moins appauvrie en O2. img. (source : http://theses.univ-lyon2.fr )
"Lors de l'activation cérébrale, cette augmentation importante du flux sanguin local surcompense l'augmentation modérée de la consommation d'oxygène. La résultante de ces deux phénomènes est une hyperoxygénation sanguine paradoxale sur le versant veineux des capillaires en aval de la région activée." (source : SERVAL)
De nouvelles méthodes bientôt ?
Dans un article de juillet 2007 dans La Recherche, Le Bihan, D. (2007) fait une bonne synthèse des techniques actuelles et en développement (intranet1.jpg, intranet2.jpg) . L'IRM de diffusion IRMd semble très prometteuse. A suivre...
Pour comprendre il faut connaître les limites de l'IRMf
Pour interpréter correctement ces données il faut avoir compris les techniques qui les ont produites. Et en particulier en connaître les limites.
Comme les images produites par l'IRMf ont une grande puissance d'évocation, savoir les lire est particulièrement important. Gazzaniga avait insisté sur ce point là.
Fig 7 : Un exemple d'image très évocatrice tiré d'un article sur les bases neurales de la morale humaine Sans interprétation ces images pourraient suggérer qu'on connaîtrait les "aires du bonheur", de la tristesse etc Si on lit l'ensemble de l'article il en est tout autrement. (source Moll, J. et Al. 200 intranet.pdf).
Comprendre c'est mettre en perspective...
D'après Wiggins & McTighe, (2000), comprendre ce n'est pas seulement avoir des connaissances, mais beaucoup plus, et notamment savoir les mettre en perspective...
Si il semble bien que "le couplage entre activité neuronale, métabolisme et débit sanguin soit vérifié soit vérifié dans la plupart des cas" (Le Bihan, D., 2007), les images issues de cette technique doivent être regardées d'un oeil critique.
"La méthode BOLD, basée sur des modifications de perfusion secondaires à l'activation neuronale, est une méthode indirecte. La réponse hémodynamique est retardée de quelques secondes par rapport à l'activité neuronale qui est de l'ordre de la centaine de millisecondes. La résolution temporelle de l'IRMf, bien que supérieure à celle de toutes les autres techniques d'imagerie fonctionnelle, est donc intrinsèquement limitée.
Les changements de signal peuvent être extrêmement faibles, et une absence de rehaussement local du signal n'implique pas une absence d'activation." (source : SERVAL)
Quelques limites
a) Fondamentalement le lien entre l'activité neuronale et la fonction testée doit être évalué à chaque fois. Bien souvent ce lien est pertinent, mais pas forcément : on a affaire à une corrélation, la causalité doit être vérifiée.
Par exemple, si par la pensée on fait un IRMf d'une école ou une université on va mesurer une grande activité toutes les 45 minutes durant 10-15 minutes. Il ne faudrait pas forcément en déduire que l'essentiel de l'activité scolaire se produit à ces moments-là.
b) on a un retard entre l'activité neuronale et la mesure. Souvent on le compense en décalant dans le temps les signaux mesurés pour les rapporter aux stimulus. C'est déjà une forme d'interprétation et les images doivent être lues avec cette modification en tête.
c) on mesure des différences d'activité et comme ces signaux sont très faibles on fait souvent une moyenne des mesures sur plusieurs personnes ou dans la durée. Il y a "le bruit " physiologique ", lié aux pulsations cardiaques et du LCR, aux mouvements respiratoires, et à l'activité cérébrale de "repos". Différentes stratégies peuvent être tentées pour minimiser ces sources de bruit, qui ne peuvent cependant pas être supprimées, et risquent de masquer une activation." (source : SERVAL). Là aussi les images produites reflètent une certaine interprétation des données.
d) On mesure un certain volume dans lequel de très nombreux neurones peuvent avoir des fonctions différentes.
e) La tête ne doit pas bouger. Tout déplacement peut fausser les mesures ou "flouter " les images. Ca limite les expériences.
f) La mesure se passe dans une sorte de gros tunnel bruyant qui limite les mouvements et exclut toute présence d'objets métalliques. Cela place le sujet dans un environnement très particulier qui pourrait bien influencer le phénomène mental observé. On peut tenter de compenser ces effets.
Un article de Nature met en garde comme Gazzaniga l'avait fait contre la puissance émotionnelle des images IRMf Ethicists urge caution over emotive power of brain scans | Intranet.pdf
Un article de Blond, Olivier (2001) L'imagerie cérébrale à coeur ouvert La Recherche janvier 2001 |intranet.pdf
Prudents mais ...ne pas jeter le bébé avec l'eau du bain !
Cela ne veut pas dire que toutes les études IRMf sont farfelues ou inutilisables, mais qu'il faut -ici comme ailleurs- prendre du recul par rapport aux images, les déconstruire, les comparer à d'autres, les mettre en perspective pour en comprendre la portée.
On voit bien que la science progresse, et que par conséquent que ce qu'on pourra dire demain sera différent de ce qu'on peut dire aujourd'hui. On sait bien qu'en sciences il n'y a pas vraiment de "vérité" définitive et que les connaissances scientifiques sont des hypothèses courantes.
Le corollaire est qu'il faut lire de nombreux travaux avant de porter un jugement, et se méfier de ceux qui un peu naïvement citent "une étude sérieuse qui montre bien que ..."
Un exemple intéressant : l'empathie étudiée par IRMf
Cet exemple montre à la fois la puissance d'investigation de l'IRMf ( étudier l'empathie) et le risque d'une analyse simpliste.
Une étude récente de Tania Singer, et al. (2004) sur des femmes et leur partenaire a montré qu'une partie des aires activées lors de la douleur sont aussi activées lorsqu'on voit un proche subir la même douleur (sur la main) .
Résumée en une image cela pourrait donner ça :
Figure 8 On voit bien pour la douleur une activation près du sommet du cerveau et un autre au milieu du flanc. Et pour la spectatrice de la douleur on voit seulement une activation similaire mais moins intense au milieu de ce même flanc.(source : T. Singer)
Pour comprendre cette image, il faut connaître les aires sensorielles qui sont celles près du sommet, activées seulement en cas de douleur, et les aires impliquées dans le traitement affectif de la douleur qui sont aussi activées : il s'agit probablement de l'ACC et l'insula... mais comment peut-on le voir dans cette image-là ?
Fig 10 . Une image tirée de l'article de Singer : On y voit en jaune - orange les zones qui s'activent dans les 2 cas (lors d'une douleur comme en voyant un proche subir la douleur). L'ACC et l'insula sont les principales aires qui ont une activité accrue dans les 2 cas (Si je comprends bien : ACC = Cortex Cingulaire Antérieur, une partie du Gyrus cingulare (Cf Purves) qui est connue pour participer à la gestion affective , notamment de la douleur ; Insula cf Purves )
Pour aller plus loin sur ce cas particulier :
L'article complet est ici
- Empathy for Pain Involves the Affective but not Sensory Components of Pain | Intranet.pdf
- L'altruisme humain décrypté au fond du cerveau (Le Figaro) Servan-Schreiber, David , (2007)
- La douleur de l'autre est en nous Tiré du site Psychologies.com le 3 déc. 07
Des interprétations diverses...
On peut l'interpréter pour y voir la preuve de l'existence du généreux sentiment d'altruisme et plus précisément de l'empathie. "La douleur de l'autre était devenue leur propre douleur. Leur cerveau se l'était appropriée (1)" Servan-Schreiber, D. (2007)
On a pu interpréter cette image comme signifiant que nous souffrons réellement mais seulement de voir la douleur d'autrui. Certains y ont vu le signe que l'indignation face à la souffrance des autres ne reflétait que notre propre douleur. Que cela expliquerait pourquoi on s'émeut plus de voir souffrir un chat blessé que de savoir que meurent des milliers de personnes au Darfour...
Ainsi depuis une image sur l'activation de l'ACC on construit un discours sur l'altruisme... Il y a tout un débat à faire ici... Pourquoi pas en interaction avec le prof' de Philo ou de français ?
En ce qui concerne la biologie , il n'est peut-être pas inutile d'apprendre à nos élèves à remonter à la source et à lire avec prudence mais ouverture les articles de vulgarisation scientifique.
Pour d'autres articles avec IRMf en neurosciences
Des sujets susceptibles d'accrocher l'intérêt des élèves abondent, mais en voici quelques uns...
- l'effet placebo révélé par IRMf : science et vie, Science, Scientific American
- L' IRMf aide à réduire la douleur Brain imaging helps pain patients learn to reduce their own pain.
- Jokes activate same brain region as cocaine
- Le rire est communicatif : l'IRMf le démontre ! Laughter: it's catching
- On a étudié des nonnes et mis en évidence par IRMf l'activation d'un ensemble d'aires particulières lorsqu'elles évoquaient une vécu, une expérience mystique. (Nuns go under the brain scanner Pearson, H., 2006)(an)
- Il y a une sélection de liens "neurosciences" ici.
Sources :
- Blond, Olivier (2001) L'imagerie cérébrale à coeur ouvert La Recherche janvier 2001 | intranet.pdf
- Denigot, G-H. (2006), L'empathie (Science &Vie) Hors série juillet aout 2006 p. 33-37 Intranet 1.jpg 2.jpg 3.jpg
- Check, Erika (2005), Ethicists urge caution over emotive power of brain scans Nature 435, 254-255 (19 May 2005) | doi: 10.1038/435254a| Intranet.pdf
- Le Figaro (2007) L'altruisme humain décrypté au fond du cerveau (Le Figaro)
- Floyd & Lazerson Aires impliquées dans la douleur (intranet.jpg)
- Le Bihan, Denis (2007) L'eau , source d'imagerie , La Recherche 410, Juillet-Aout 2007 p. 46-48 (intranet1.jpg, intranet2.jpg)
- McGill (Année?) Le fonctionnement de l'IRM sur le site "le cerveau" et d'autres techniques de neuroimagerie sur le site "le cerveau" de McGill
- Moll,Jorge et al. (2005) Opinion: The neural basis of human moral cognition Nature Reviews Neuroscience 6, 799-809 (October 2005) | doi:10.1038/nrn1768 | intranet.pdf
- Pearson, Helen (2006) Nuns go under the brain scanner, Nature news 30 August 2006 | Nature | doi:10.1038/news060828-3
- SERVAL IRMfonctionelle (@Service d'imagerie médicale du Val-de-Grâce (Plus approfondi)
- Servan-Schreiber, David , (2007) La douleur de l'autre est en nous Tiré du site Psychologies.com le 3 déc. 07
- Singer, Tania et Al. (2004) Empathy for Pain Involves the Affective but not Sensory Components of Pain Science Vol. 303. no. 5661, pp. 1157 - 1162 20 February 2004: DOI:10.1126/science.1093535 | Intranet.pdf
- Wiggins, G., & McTighe, J. (2000). Understanding by Design. Upper Saddle River, NJ:: Prentice Hall.
Un classique des exercices de génétique
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