De nombreux neurones s’activent ensemble et aux mêmes rythmes à différents endroits de notre cerveau, reflétant ainsi son activité cérébrale. Des chercheurs en neurosciences de Lyon envisagent d’utiliser ces oscillations pour diagnostiquer des maladies bien avant l’apparition des premiers symptômes. Explications.
On les appelle alpha, bêta, gamma, delta et thêta. Ces cinq lettres grecques (parmi les 24 de l’alphabet hellénique) ne sont pas uniquement utilisées en mathématiques pour lister les solutions d’un problème, ou en physique pour parler de rayonnement électromagnétique. En neurosciences, on les emploie pour désigner l’état de fonctionnement de notre cerveau en évoquant les oscillations qui le parcourent. Ces ondes cérébrales sont en quelque sorte une fenêtre ouverte sur notre monde neural : les caractériser permet de mieux comprendre comment les neurones travaillent ensemble. Ces dernières années, de nombreux chercheurs se demandent dans quelle mesure ces oscillations permettraient de diagnostiquer des maladies bien avant leurs premiers signes cliniques.
Mais qu’est-ce qu’une oscillation cérébrale ? Plutôt qu’une longue explication, voici une image. Plongez dans une salle de spectacle : à la fin de la représentation, la foule se met à applaudir. Au début, chacun tape des mains à son propre rythme, différent de celui des autres, créant ainsi une impression de désordre. Il n’y a pas d’harmonie. Puis les gestes s’accordent, ils se « synchronisent ». Un rythme unique émerge du chaos, qui se prolonge jusqu’à l’arrêt des applaudissements ou jusqu’à leur désynchronisation. Les quelque 90 milliards de neurones de notre cerveau sont comme ces spectateurs : émettant chacun un signal électrique, ils sont capables de se synchroniser par petits groupes. Cette activation électrique, battant au même tempo, est ce qu’on appelle une oscillation cérébrale.
Des oscillations cérébrales de même rythme à différents endroits du cerveau révèlent que des populations de neurones communiquent ensemble.
Pour les étudier, il s’agit tout d’abord de mesurer le phénomène. La fréquence des oscillations reflète la rapidité de la synchronisation neuronale. Plusieurs rythmes coexistent dans le cerveau, indiquant des régions qui interagissent en permanence. Dans les aires visuelles, ce sont des oscillations dotées d’un rythme de 10 Hz (soit 10 cycles par seconde, une fréquence de rythme alpha) qui dominent par exemple, tandis que dans les régions liées à la mémoire, on mesure surtout des rythmes plus lents, de 4 à 7 Hz (rythme thêta). Les chercheurs estiment que les oscillations cérébrales révèlent la communication entre elles de populations de neurones différentes selon leur fréquence, leur synchronisation ou leurs interactions avec d’autres rythmes. Ces oscillations favorisent possiblement les échanges d’informations entre régions cérébrales distantes ou au sein d’une même aire du cerveau.
Autre caractéristique, l’amplitude d’une oscillation : elle indique sa force ou encore sa puissance. Quant à la phase du signal neuronal, elle décrit à quel moment du rythme oscillatoire nous sommes. Ces données sont récupérées grâce à la lecture d’électroencéphalogrammes (EEG), en utilisant la technique de magnétoencéphalographie ou grâce au recours d’électrodes intra-crâniales.
Schémas montrant les paramètres physiques caractérisant les ondes cérébrales, notamment pendant les phases du sommeil © Camille Fakche
De façon combinées, ces informations sur les rythmes cérébraux décrivent le bon fonctionnement du cerveau, mais leur altération peut aussi indiquer la présence de troubles neurologiques ou psychiatriques : un axe de travail qui intéresse les neurologues depuis longtemps. Les oscillations cérébrales sont étudiées de la sorte pour diagnostiquer l’épilepsie depuis 1950 et les troubles du sommeil depuis les années 1960. Nous en faisons régulièrement l’expérience à l’occasion de réveils nocturnes et de difficulté d’endormissement : notre sommeil n’est pas un état uniforme. Il se compose en réalité de plusieurs phases, chacune associée à des rythmes cérébraux bien particuliers. Lorsqu’on observe que ces rythmes sont perturbés, il est probable qu’un trouble du sommeil existe. L’épilepsie, quant à elle, se manifeste souvent par des activités électriques très rapides et anormalement synchronisées.
Comment naissent les oscillations cérébrales ?
Deux mécanismes sont possibles. Le premier, celui des neurones pacemaker qui, pareils à de petits chefs d’orchestre, battent la mesure. En raison de propriétés physiques et chimiques qui leur sont propres, ils sont capables d’initier des oscillations indépendamment des autres neurones et de leur imposer leur rythme. Leurs oscillations se propagent à leurs voisins grâce aux connexions neuronales. On retrouve des cellules similaires dans le cœur : en effet, c’est ce même mécanisme qui génère notre rythme cardiaque !
Le deuxième mécanisme repose sur l’interaction entre neurones excitateurs et inhibiteurs. Les neurones inhibiteurs jouent un rôle de chef d’orchestre en coordonnant le moment où les autres neurones s’activent. Selon l’organisation du réseau, cette coordination peut produire des oscillations à différentes fréquences.
Pourrait-on utiliser ces oscillations comme outil de diagnostic précoce ? En effet, lorsque certains neurones commencent à disparaître en raison d’une maladie, le cerveau met en œuvre des mécanismes compensatoires qui lui permette de fonctionner de façon temporaire malgré les neurones déficitaires, et ce possiblement longtemps. Le phénomène a lieu bien avant l’apparition des premiers signes cliniques. Des oscillations cérébrales « anormales » permettraient-elles de détecter la perte progressive des neurones avant même des changements anatomiques clairement visibles ? C’est l’hypothèse des chercheurs. Un moyen de gagner du temps face à la maladie.
Mesurer les ondes cérébrales pour diagnostiquer précocement une maladie serait utile pour les patients dans le coma.
Cette piste de recherche est investiguée par l’équipe Cophy du Centre de recherche en neurosciences de Lyon (CRNL) dans le cadre de la recherche sur le cancer. Mené en collaboration avec l’équipe DANC de l’Institut des Sciences Cognitives Marc Jeannerod (ISC-MJ) et les Hospices civils de Lyon (HCL), le projet en question vise à identifier un biomarqueur permettant de révéler comment une tumeur s’infiltre dans le cerveau au delà de ce qui est visible sur les examens IRM. En effet, si la technique d’imagerie rend bien compte de la présence d’une tumeur, les premières cellules tumorales, constructrices de « l’avant-garde » de cette dernière en s’étendant dans le cerveau, ne forment pas une « masse » visible sur les images IRM. Mais peut-être seraient-elles détectables via les perturbations des rythmes cérébraux que leur présence occasionne ? C’est l’espoir des chercheurs. Une idée nouvelle qui nécessitera du temps pour être confirmée.
Développer des outils diagnostiques opérant grâce aux oscillations cérébrales est un objectif séduisant pour plusieurs raisons. Tout d’abord, leur mesure ne dépend pas des réponses ou du ressenti du patient. On pourrait ainsi utiliser cette méthode chez des personnes qui ne peuvent pas communiquer, comme de très jeunes enfants ou des patients dans le coma. En outre, les mesures sont simples, indolores et non invasives : elles consistent le plus souvent à enregistrer l’activité du cerveau à l’aide d’électrodes posées sur le cuir chevelu.
Jusqu’à présent, les chercheurs se sont concentrés sur l’aspect temporel des oscillations. Une question émerge : celle de leur propagation dans l’espace. Car les oscillations ne restent pas toujours confinées à un endroit précis du cerveau. Des études récentes montrent qu’elles peuvent se déplacer, un peu comme les vagues à la surface de l’eau lorsqu’une goutte vient les perturber. Autrement dit, l’activité cérébrale ne se contente pas de battre en rythme : elle peut aussi voyager à travers le cerveau !
Pourquoi la diversité des oscillations cérébrales est-elle essentielle ?
Les scientifiques s’accordent sur l’hypothèse de recherche suivante : la pluralité des ondes cérébrales permet au cerveau de mener des activités en parallèle, chacune d’entre elles ayant son rythme propre. Ces oscillations servent en outre de moyen de communication. Même si elles n’ont pas la même fréquence, les phases des oscillations s’alignent de temps en temps : lors de ces moments, les informations s’échangent favorablement entre zones cérébrales.
Il existe aussi « un couplage entre les rythmes » : à certaines phases d’une oscillation lente, l’amplitude d’une oscillation plus rapide augmente. Cela signifie qu’une aire cérébrale devient plus active à des moments précis, en lien avec l’activité d’une autre aire cérébrale. Autrement dit, les rythmes du cerveau s’imbriquent et se coordonnent pour organiser l’activité cérébrale. Un véritable orchestre symphonique !
