Les scientifiques ont toujours voulu diviser le cortex en zones anatomiques en fonction de leurs propriétés microstructurales et examiner les propriétés fonctionnelles de chaque zone à travers l'analyse des réponses des neurones et des populations neuronales.
Divisions du cortex cérébral
1. La classification de Korbinian Brodmann (1868-1918) qui a identifié 52 aires distinctes, numérotées de 1 à 52, est encore la plus utilisée.
3. Un nouvel atlas est proposé dans le cadre de la cytoarchitectonique et l'architectonique des récepteurs en tant que corrélats biologiques de la fonction et de la connectivité ( BigBain).
Techniques mises en œuvre
Nous n'allons pas détailler toutes les techniques et leurs aspects scientifiques, mais on peut en utiliser deux principales dans les sciences cognitives :
Mais d'importantes contraintes techniques et un coût très élevé expliquent que l'imagerie d'activation par TEP reste aujourd'hui réservée à des centres de recherche.
Imagerie par résonance magnétique (IRM)
L'IRM est décrite en détail dans de nombreuses pages internet.
Lorsqu'une zone du cerveau est utilisée, l'activité neuronale entraîne une petite augmentation locale du métabolisme cérébral et de la consommation d'oxygène.
Très rapidement (en quelques centaines de millisecondes), ce phénomène est suivi d'une augmentation de la perfusion cérébrale locale, responsable d'une élévation de l'apport en oxyhémoglobine (sang artériel) qui surpasse la consommation d'oxygène, i.e. dans le territoire concerné, on assiste à une hyper-oxygénation sanguine dans le lit capillaire, et en aval de celui-ci.
Imagerie par résonance magnétique
(Figure : vetopsy.fr d'après Ptrump16)
1. La désoxyhémoglobine (Hb) se comporte comme un agent paramagnétique, i.e. agent qui ne possède pas d'aimantation spontanée mais qui, sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, acquiert une aimantation orientée dans le même sens que le champ magnétique appliqué.
L'héme de l'hémoglobine contient du Fer ferreux (Fe++) dans l'oxyhémoglobine et la désoxyhémoglobine, et du fer ferrique (Fe+++) dans la méthémoglobine.
L'oxyhémoglobine (HbO2), qui ne contient pas d'électron non apparié (Fe++ lié à 2 atomes d'oxygène), est diamagnétique, c'est-à-dire qu'elle ne modifie pratiquement pas le champ magnétique local.
Au contraire, la désoxyhémoglobine comporte 4 atomes de Fe++ avec chacun quatre électrons non appariés, ce qui lui confère des propriétés paramagnétiques. Les spins de l'hémoglobine sont confinés à l'intérieur des hématies, qu'ils transforment en une multitude de micro-aimants, eux-mêmes lentement mobiles dans le courant circulatoire.
Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)
2. La différence de susceptibilité magnétique, i.e. la faculté d'un matériau à s'aimanter sous l'action d'une excitation magnétique, entre les vaisseaux remplis d'hématies chargées d'hémoglobine et le milieu interstitiel diamagnétique induit un gradient local de champ magnétique qui s'étend au-delà de la paroi vasculaire.
IRMf de quelques réseaux
(Figure : vetopsy.fr d'après Wang et coll)
La diminution de concentration en désoxyhémoglobine (hyperoxygénation capillaro-veineuse) dans le cortex pendant l'activation atténue les effets de susceptibilité magnétique par atténuation des gradients locaux.
Les spins se déphasent moins et le signal augmente de quelques pourcentages.
3. À ceci, se conjugue l'effet T1 (temps de relaxation longitudinale) lié à l'augmentation du flux sanguin (effet d'entrée de coupe, ou inflow).
Résultats de l'IRMf
L'IRMf permet de situer ce que l'on nomme des localisateurs fonctionnels.
Par exemple, pour la reconnaissance des visages, le cobaye visualise des images de visages, d'objets, de lieux, de corps, ainsi que ces même images brouillées (scrambled en anglais).
On observe alors les régions/voxels comme " sélectives pour le visage " si elles présentent une activation plus forte pour les visages que des stimuli de contrôle.
1. Le voxel (mot-valise, créé par analogie du mot " pixel ", en y contractant " volume " et " element ") est un pixel en 3D. Il consiste à stocker une information colorimétrique avec ses coordonnées spatiales, voire temporelles, de position ainsi que, facultativement, une taille relative à l'unité utilisée ou d'autres informations telles qu'une matière.
2. Les ROIs (Region Of Interest) sont, comme leur nom l'indique pour le sujet que nous abordons, des régions qui sont ciblées par certaines tâches.
Les régions spécifiques sont appelées seeds, i.e. grains en anglais.
b. Les ROI ont été définies par l'atlas de la parcellisation multimodale du projet Human Connectome Project ou HCP-MMP, avec son extension récente, i.e. HCPex.
Nous utiliserons, quand cela sera nécessaire, cet atlas qui est étudié dans un chapitre spécial.
Régions d'intérêt (ROI) du cerveau humain
(Figure : vetopsy.fr d'après Rolls et coll)
Les données contemporaines du DMN suggèrent qu'il joue plutôt un rôle intégrateur dans la cognition, et ne présentent pas une vision aussi " négative " sur les tâches (page spéciale sur le DMN).
a. L'inférence directe consiste à savoir quelle activité/région cérébrale est associée à une condition expérimentale donnée comme par exemple le mouvement visuel (éléments en mouvement par rapport à une ligne de base fixe), familiarité (personne familière par rapport à un étranger), difficulté d'une tâche (tâche plus difficile versus tâche plus facile).
Le but est de manipuler l'environnement (conditions expérimentales) et de voir comment l'activité cérébrale (réponse IRMf BOLD) change.
b. L'inférence inverse consiste à savoir quel processus cognitif /comportement… se produit compte tenu de l'activité cérébrale.
Fondamentalement, c'est le raisonnement inverse du précédent : on peut ainsi déduire un fait sur les processus mentaux internes non mesurés.
Visualisation d'une mesure DTI d'un cerveau humain
(Figure : vetopsy.fr d'après Schultz)
Ce type d'inférence peut être problématique et est généralement fait de manière informelle/non intentionnelle par le chercheur. Par exemple, si une aire impliquée dans la peur est active pendant le déplacement d'objets, le chercheur pourrait conclure que : « le mouvement visuel provoque la peur »… (Can cognitive processes be inferredfrom neuroimaging data? 2006)
IRM de diffusion (DTI ou dRMI)
L'IRM de diffusion (DTI ou diffusion tensor imaging) est une technique basée sur l'imagerie par résonance magnétique (IRM), qui permet de calculer en chaque point de l'image la distribution des directions de diffusion des molécules d'eau.
À l'heure actuelle, une méthodologie plus large, appelée " empreintes digitales de connectivité " - connectivity fingerprints - ou " cognition contrainte de connectivité " - connectivity constrained cognition -, ouvre la voie à de nouvelles perspectives sur l'architecture cérébrale individuelle.
Empreintes digitales de connectivité chez l'enfant et l'adulte
(Figure : vetopsy.fr d'après Demeter et coll)
Décrire l'organisation cérébrale dans cette aire est plus proche de son organisation fonctionnelle et peut prédire les différences d'activation fonctionnelle et de comportement.
En comparant les différences dans les empreintes digitales de connectivité des zones ou des unités sous-régionales en termes de gradients, on peut rechercher quelle dimension de l'espace de connectivité est pertinente pour comprendre des aspects particuliers de l'organisation cérébrale (Connectivity Fingerprints: From Areal Descriptions to Abstract Spaces 2018).
Ce concept à été développé dans les réseaux fonctionnels cérébraux, qui sont développés dans des chapitre spéciaux, qui étudient la relation entre fonctions cérébrales et les comportements.
Est-ce que l'activation spatiale des régions est invariante dans le temps et suffisamment caractéristique individuellement pour permettre l'identification de la zone quels que soient les individus ?
Est-ce que ces régions sont activées uniquement par les stimuli externes ou dépendent-elles aussi d'états internes comme l'attention, l'humeur ou la tâche par exemple ?
Localisation des lots avec des empreintes digitales similaires
(Figure : vetopsy.fr d'après Zilles et Palomero-Gallagher)
BigBain).
