Dossier/imagerie médicale

La machine qui lit les pensées

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle permet de détecter les aires du cerveau qui sont activées lors de tâches cognitives très diverses. C’est l’outil principal de Patrik Vuilleumier, professeur à la Faculté de médecine et responsable du Centre interfacultaire de neuroscience. Explications

L’imagerie par résonance magnétique (IRM), comment ça marche?

Patrik Vuilleumier: Cette technique consiste à provoquer un «écho» magnétique auprès de certaines molécules du corps humain (en réalité les protons contenus dans l’eau) en les soumettant à un champ magnétique que l’on fait varier à une fréquence précise. Ce dernier perturbe momentanément le mouvement spontané du proton qui, lorsqu’il revient à sa place initiale, émet une onde dont on peut ensuite localiser la source. Cela permet ensuite de reconstruire la carte en trois dimensions des tissus contenant la molécule en question.

Et l’IRM fonctionnelle?

C’est la même chose, mais elle exploite spécifiquement les propriétés paramagnétiques de l’hémoglobine, une molécule contenue dans les globules rouges du sang et qui comprend du fer. Le signal que l’on mesure est plus fort lorsque l’hémoglobine est liée à un atome d’oxygène. De cette manière, l’IRMf mesure l’apport de sang frais, oxygéné, jusque dans les plus petits capillaires. Cette caractéristique est particulièrement intéressante dans l’étude du cerveau. En effet, lorsqu’une région cérébrale s’active, elle consomme l’oxygène que lui apporte le sang et, en réponse, le cerveau alimente immédiatement cette même aire de sang frais. C’est cette arrivée locale d’hémoglobine oxygénée, qui est maximale environ quatre secondes après l’activation proprement dite de la région cérébrale, que nous mesurons. On appelle cela l’effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependent), c’est-à-dire qui est dépendant du niveau d’oxygène dans le sang.

Il y a donc un délai entre l’activation d’une aire cérébrale et sa mesure…

En effet. Cela nous oblige, lorsqu’on mène une expérience avec une personne, à espacer les tâches qu’on lui fait faire de quatre à dix secondes afin d’éviter que les signaux captés par la machine ne se mélangent.

Une tâche suffit-elle pour détecter la région cérébrale qui lui est associée?

Non, nous devons répéter l’opération 20 ou 30 fois avec la même personne et appliquer ensuite des méthodes statistiques qui permettent de faire ressortir les signaux qui nous intéressent par rapport au bruit. Le résultat obtenu est une carte en trois dimensions des régions activées que l’on projette ensuite sur l’image anatomique du cerveau du sujet – obtenue par IRM classique – afin de les localiser. On peut aussi combiner les données obtenues sur des personnes différentes ayant effectué les mêmes tâches. Le problème, dans ce cas, est que si les cerveaux se ressemblent entre eux dans les grandes lignes, ils présentent tout de même des différences de formes suffisantes pour rendre impossible le simple recouvrement des résultats d’une personne à l’autre. C’est pourquoi nous déformons – virtuellement bien sûr – les cerveaux des sujets pour les faire correspondre entre eux le plus précisément possible. C’est le même principe que le morphing.

L’IRMf est-elle une technique rapide?

Oui et non. La réalisation d’une image en trois dimensions du cerveau demande environ deux secondes – contre six minutes pour une IRM «anatomique» de la même partie du corps. Cependant, l’imagerie se fait par tranche, chacune d’entre elles durant environ 80 millisecondes. Et il faut entre 20 et 30 de ces tranches pour reconstruire le cerveau en entier. Cela signifie que la première mesure du haut du cerveau et la dernière du bas sont séparées de deux secondes. Dans ce laps de temps, il peut se passer bien des choses dans le système nerveux central. C’est pourquoi nous utilisons également d’autres techniques mathématiques pour corriger cette dérive temporelle dans l’acquisition des données.

Cela peut-il représenter un problème si on veut mesurer les activations successives de différentes aires du cerveau?

Lorsque nous soumettons à un sujet un stimulus visuel, par exemple, il lui faut environ 150 millisecondes pour reconnaître l’image et réagir en conséquence. Durant ce temps, plusieurs aires du système visuel se sont «allumées», suivies par d’autres du cortex temporal et frontal, des régions impliquées dans l’identification et dans l’activité motrice. Avec l’IRMf, on voit tout en même temps, sans pouvoir détecter la séquence temporelle. C’est pourquoi nous faisons parfois appel à d’autres techniques: l’électroencéphalogramme (EEG) ou le magnétoencéphalogramme (MEG). Celles-ci consistent à placer des électrodes sur le crâne du patient et à mesurer les potentiels électriques provoqués par l’activation des neurones. Nous utilisons l’EEG en même temps que le sujet effectue des tâches dans le scanner ou séparément. L’EEG, comme le MEG, est très efficace du point de vue de la résolution temporelle, mais plus mauvais dans la localisation spatiale des sources de signaux électriques. Et plus l’activité cérébrale est profonde, moins les résultats sont précis. Plusieurs modèles tentent de remédier à ces manques. Et même si cette manière de faire provoque encore pas mal de disputes parmi les spécialistes, nous progressons.

Que peut-on voir à l’aide de l’IRMf?

Cette technique permet évidemment de détecter les régions associées à des tâches cognitives élémentaires comme la vision (il y a près de 40 aires visuelles chez les primates, dont l’homme fait partie), l’audition, la motricité, le toucher… Nous pouvons également identifier les aires cérébrales qui sont liées à certaines émotions, que ce soit la peur, la joie ou la colère. Mais il existe aussi des régions plus mystérieuses. L’une d’elles, située dans le sillon temporal, s’active lorsqu’on demande au patient de tenter de deviner l’intention de quelqu’un d’autre. Nous ne connaissons toutefois pas le rôle exact de cette aire. Il y en a une autre, dans la zone médiale frontale, qui est mise à contribution lorsqu’on demande au sujet une sorte d’introspection, ou plus précisément d’estimer si des qualificatifs qu’on lui soumet (fiable, sérieux, motivé, etc.) lui correspondent ou pas. Très en vogue actuellement, plusieurs études rapportent également des expériences dans lesquelles on arrive à «deviner» la perception ou même la pensée d’une personne examinée. Dans une tâche très contrainte (par exemple un choix entre quelques alternatives), on peut en effet identifier, selon la manière dont les aires du cerveau sont activées, si le patient pense à l’une ou à l’autre des deux images qu’on lui a présentées au préalable.

Quels progrès attendez-vous dans la technologie de l’IRMf?

Les machines actuelles s’améliorent sans cesse et permettent d’augmenter leur sensibilité aux petites variations ainsi que la résolution spatiale et temporelle. Mais nous sommes confrontés à des limites physiques propres à l’effet BOLD. Pour tout dire, mesurer l’activité cérébrale par le biais du flux sanguin est assez baroque. Le rêve serait que l’on puisse détecter avec l’IRM directement les perturbations magnétiques liées à l’activité électrique des neurones eux-mêmes. Cela ne demanderait d’ailleurs même pas le développement de nouvelles machines. En revanche, cela exige encore beaucoup de travail dans leur programmation et le traitement du signal.