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Les Nouvelles de Quant'Homme - Page créée le 04/03/2005

 

 Article de SCIENCE - VOL 199 - 6 janvier 1978

 

CHAMPS MAGNETIQUES DU CERVEAU HUMAIN PROVOQUES DE MANIERE SOMATIQUE

 Résumé :

 On a découvert que le cerveau humain produit un champ magnétique proche du cuir chevelu et qui varie en synchronie avec une stimulation électrique périodique appliquée sur un doigt. En utilisant un appareil à interférence quantique supraconducteur très sensible en tant que détecteur de champ Magnétique (CM), on révèle que le champ du cerveau est localisé de manière précise sur la zone de projection originelle du cortex sensoriel du côté opposé à celui du doigt stimulé.

La phase de réponse à la fréquence du stimulus varie régulièrement  avec le nombre de répétition et à des fréquences intermédiaires, et fournit un temps de réponse d’environ 70 millisecondes pour la réponse corticale.

 

Ce que nous présentons ici concerne la détection de CM associés aux flux de courant électrique dans le cerveau, en réponse à la stimulation électrique des doigts. On a précédemment détecté à l’extérieur du cuir chevelu de faibles CM résultant de stimulations visuelles (1-4).

Contrairement à la nature diffuse du potentiel provoqué visuellement (VEP – Visually Evoked Potential) qui est mesuré de façon classique avec des électrodes sur le cuir chevelu, le champ provoqué visuellement (VEF – Visually Evoked Field) se situe sur le cortex visuel (2). C’est ce qu’on s’attend à avoir quand les courants électriques donnant lieu au flux VEF à l’intérieur des zones de projection visuelle du cerveau, pendant que dans la peau des courants accompagnateurs plus faibles restent non détectés. Le VEF s’est avéré être un indicateur significatif de la fonction cérébrale puisque son temps de latence correspond au temps de réaction d’un  sujet lorsqu’on fait varier la fréquence spatiale d’un stimulus (5-6). La localisation précise du VEF et sa corrélation avec une mesure de performance humaine nous a poussés a rechercher des réponses neuromagnétiques provoquées par d’autres stimuli.

 On trouve que la réponse neuromagnétique provoquée par la stimulation électrique de différents doigts de la main – le champ provoqué de manière somatique SEF – est de même bien localisé sur la zone de projection primaire, dans ce cas, sur l’hémisphère opposé dans la région SI pour le doigt stimulé. Les caractéristiques du  SEF observées montrent que des techniques neuromagnétiques peuvent offrir des avantages exceptionnels pour la recherche médicale.

 

On a utilisé une électrode en anneau fendu faite avec une bague de caoutchouc et de deux pattes en acier inox pour appliquer 1-msec d’impulsions de courant continu de 1mA à travers la peau, soit sur le petit doigt soit sur le pouce. Les fréquences utilisées allaient de 3 à 30 impulsions par seconde. Les stimuli à toutes les fréquences étaient distinctement expérimentés et décrits comme modérés par tous les sujets.

On a détecté, près du cuir chevelu le CM provoqué par un appareil à interférence quantique supraconducteur (SQUID) en utilisant un transporteur de flux bobiné selon la configuration d’un gradiomètre insensible au champ uniforme de base et aux champs à gradients spatiaux uniformes. Une version primitive de ce détecteur a été décrite ailleurs (7) et les principes de son fonctionnement expliqués (6).

La bobine la plus basse ou bobine de capture du gradiomètre était placée à 7 mm du cuir chevelu dans une position tangente de manière à détecter le composant du champ normal du cuir chevelu. La bobine avait un diamètre de 2,4 cm et la ligne de base du gradiomètre entre les bobines adjacentes mesurait 3,2cm.

SQUID et gradiomètre étaient immergés dans de l’hélium liquide contenu dans un  Deawar en fibre de verre placé à proximité de la tête. L’électronique du SQID (8) fournit un voltage de sortie proportionnel au flux magnétique reliant la bobine de capture.

Comme toutes nos expériences précédentes, ces études ont été faites dans un environnement de laboratoire normal sans écran de protection au magnétisme.

 

La sortie du détecteur était amplifiés, bande passante filtrée à la fréquence du stimulus et on en faisait la moyenne en temps réel à chaque essai d’une minute avec un Eductor en forme d’onde (9).

Le composant SEF moyen à la fréquence du stimulus a montré une amplitude allant de 0,5 à 0,1 picotesla (1 tesla = 104 gauss) suivant la fréquence.

Malgré la présence des champs de base ambiants d’environ 5 microtesla le refus de bruit de notre système a donné un rapport signal-bruit allant de 4 à 15 pour le signal moyen.

Les expériences ont été menées avec des sujets couchés sur le ventre sur un plan incliné, la tête tournée d’un côté ou de l’autre (10).

 

Le modèle de champ du sujet sur lequel il y a eu le plus d’étude est illustré en figure 1. Le CM liant la bobine de capture pendant la moitié illustrée du cycle de réponse émerge d’une petite zone du cuir chevelu et entre dans une autre toute proche.

Pendant le demi-cycle suivant, le sens du champ est inversé. Le diamètre de chacune des deux zones où le flux détecté dépasse de la moitié de sa valeur maximum est d’environ 4cm. C’est une surestimation de la dimension exacte du modèle de champ en raison de la résolution limitée imposée par le diamètre relativement grand de notre bobine de capture.

 

Fig 1

a) Modèle de champs neuromagnétiques sur l’hémisphère gauche pour un stimulus électrique de 13 Hz appliqué au petit doigt de la main droite. Les contours de flux magnétiques égaux montrent l’amplitude relative de la réponse à 0,9, 0,7 et 0,5 de la réponse maximum à la fréquence du stimulus

b) Même modèle selon une cartographie à électrodes 10-20 classiques (F = sillon)

 La surface comprise entre les centres des deux zones paraît s’étendre directement sur la zone de projection sensorielle originelle allant avec le petit doigt du côté opposé.

Ce modèle est qualitativement similaire à  celui qui serait associé à une source dipôle de courant (11-12) placé juste en dessous du cuir chevelu à mi-chemin entre les deux zones et orienté parallèlement au cuir chevelu, mais perpendiculairement à une ligne passant par les centres des deux zones.

 

 Le modèle de champ est inversé pour la zone de projection du côté opposé quand c’est le petit doigt de l’autre main qui est stimulé, ce qui montre que les modèles de flux de courant ont une symétrie bilatérale. On peut s’attendre à ce résultat.

Quand c’est le pouce qui est stimulé tout le modèle glisse vers le bas. Cette correspondance avec (ndlr mot illisible) des surfaces de projection somatique pour divers chiffres offre une preuve supplémentaire de l’origine corticale de la réponse neuromagnétique.

 

Nous avons étudié, en plus des modèles de champ, la phase de réponse moyenne à la fréquence d’un stimulus dans les 3 à 30 Hz. Nous avons défini de manière arbitraire une phase comme étant l’occurrence du champ extérieur maximum dans la région supérieure de l’hémisphère gauche (Fig1) relié à l’action du stimulus. A nos niveaux modérés de stimulation, on a trouvé sur chacun des sujets que la phase de réponse à une fréquence particulière était indépendante de l’amplitude du stimulus.

On a aussi trouvé que la phase variait régulièrement avec la fréquence comme le montre la figure 2, nos quatre sujets montrant une tendance linéaire commune au-dessus de 18 Hz.

Fig 2

Phase par laquelle le champ moyen provoqué de façon somatique chez les 4 sujets est en retard derrière le stimulus sur des fréquences de stimulus divers.

La ligne pleine au dessus de 18 Hz est la ligne qui cadre le mieux avec les données venant de tous les sujets.

Les valeurs de phase débutent à 2 π pour être sur que les valeurs extrapolées de ce retard de phase pour les fréquences inférieures à 3 Hz sont positives.

  

 En dessous de 18 Hz, les données affichent une variabilité considérable d’un sujet à l’autre. Une analyse de tendance, dans le contexte d’une analyse de variation, a été faite pour toutes les données mises en commun.

Les données était cachées pour s’assurer qu’il y avait au moins 2 observations par fréquence et par sujet. Le rapport F pour la régression linéaire est significatif à P>0,01. On peut caractériser la variation linéaire de phase avec la fréquence par un temps de réponse de 61 + ou – 5 microsecondes comme dérivé de la courbe (14).

En incluant seulement les données au-dessus de 18 Hz, où la variabilité entre les sujets est considérablement réduite, cela donne un temps de latence de 70 + ou – 7 millisecondes, avec des temps de latence individuels allant de 62 + ou -  à 8 à  79 + ou – 5 millisecondes.

 

 Dans d’autres études psychophysiques  sur les mêmes sujets, le sens du temps de réaction pour un doigt pressant un bouton en réponse à une unique impulsion sur le petit doigt de l’autre main est de 172 + ou – 11 msec.

On peut interpréter la différence de 102 msec entre ceci et le temps de latence neuromagnétique pour les réponses au-dessus de 18 Hz ou (111 msec pour toutes les données confondues) comme étant le temps de réponse moteur. Nous avons remarqué que cette valeur est comparable à celle de 115 msec pour le temps de réponse moteur précédemment déduit des temps de réaction et de mesures de latence neuromagnétiques observés pour la stimulation visuelle (5).

 

 A l’heure actuelle, on ne comprend pas l’origine de la plus grande variation de phase entre les sujets alors que la fréquence du stimulus est inférieure à 18 Hz.

Les sujets E.C., S.W et J.L ont fourni des réponses dans une large plage aux environs de 15 Hz et elles semblaient ne pas dépendre de la fréquence du stimulus.

C’est un phénomène qui n’est pas évident dans les données de l’EM. Même ainsi la non linéarité des tendances de phases suggère qu’il y a plusieurs nappes de fibres différentes qui peuvent être activées de manière différentielle par des stimuli en tant que fonction de fréquence. C’est un problème qui convient bien à une étude plus poussée.

 

 Les résultats rapportés ici démontrent que le SEF peut fournir une information sur l’activité cérébrale et qui est bien différente de ce qui peut être observé avec d’autres méthodes. Le point le plus frappant, c’est la localisation précise du champ sur la zone active du cortex, ce qui contraste avec la nature diffuse des enregistrements   de potentiel.

On trouve des composantes du SEP transitoire avec temps de latence de 40 millisecondes ou même davantage sur des zones des deux hémisphères (15) comme opposées aux caractéristiques de latéralité opposée des SEF stables. La reproductibilité de phase du SEF qui est en général bonne rend les mesures neuromagnétiques intéressantes, en tant que moyens de détermination de temps de réponse sensoriel, ce qui pourrait avoir des applications cliniques quand on souhaite avoir des estimations de la vitesse de conduction nerveuse.

Il y a là des opportunités pour une cartographie non intrusive dans la détermination des déficits sensoriels aussi bien que pour une étude des interactions sensorielles, tout cela fournit des sujets pour une future recherche.

 

Nous concluons que pour une stimulation visuelle et somatique périodique, le temps de latence neuromagnétique est une mesure de la transmission nerveuse avec des temps de réponse moteur quasi constants  sans se soucier de la modalité du stimulus.

 D. Brenner (Département de Physique et Psychologie – Université de New York)

J. Lipton, L. Kaufman (Département de psychologie - Université de New York)

S.J. Williamson (Département de Physique - Université de New York)

 

Notes