NEUROANATOMIE Structurelle et Fonctionnelle

NEUROANATOMIE Structurelle et Fonctionnelle
3. ETUDE DE L’ORGANISATION FONCTIONNELLE DU SNC
Cette étude se fait via
 des Corrélations anatomo-cliniques
 l'Imagerie Fonctionnelle Cérébrale
 des Stimulations et enregistrements intra-crâniens
3.1. Corrélations anatomo-cliniques
Corrélation entre
 le siège anatomique d’une lésion
 et les symptômes qu’elle engendre.
3.2. Imagerie Fonctionnelle Cérébrale
Ensemble des techniques d’imagerie qui permettent d’étudier in vivo le fonctionnement du cerveau
Techniques neurophysiologiques
=>
étudient le signal spontanément émis par les neurones
 ElectroencéphalographieEEG (>1929)
 MagnétoencéphalographieMEG (>1980)
 Stimulation magnétique transcrânienneTMS (>1985)
Techniques isotopiques (> 1975)
=>
traceurs radioactifs -> perfusion et irradiation
 Tomographie par émission de positrons TEP (PET)
 Tomographie d’émission monophotonique TEMP (SPECT)
Techniques de RMN (> 1990)
=>
utilisent des champs magnétiques qui vont perturber les
noyaux de certains atomes
 Imagerie par résonance magnétique nucléaire fonctionnelle (IRMf) -> la plus utilisée
 Imagerie par tenseur de diffusion ITD (DTI)
But du chapitre: avoir une idée des différentes techniques, de leurs avantages et inconvénients et de ce
qu'on peut faire avec.
3.2.1. Notions de base
A retenir:
ces différentes techniques ne donneront
pas les mêmes infos.
Sachant que les processus cognitifs
relativement simples prennent entre
400 et 600 millisecondes => les
techniques neurophysiologiques sont
les seules à nous renseigner à une
échelle de temps qui est celle des
neurones.
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Lorsqu'un groupe de neurones s'active, il y aura

Modification du potentiel électrique membranaire (potentiel de repos) via une hyperpolarisation
soit via un PPS (Potentiel Post Synaptique) au niveau des dendrites des neurones
soit via un PA (Potentiel d'Action) au niveau de l'axone
-> passage d'ions

Augmentation de la consommation en énergie (principalement du GLUCOSE) +/- 50%
Couplage neurométabolique

Augmentation de la consommation en oxygène +/- 5%

Augmentation du flux sanguin dans la région impliquée, pour amener l'énergie +/- 50%
Couplage neurovasculaire
Importance des astrocytes qui font le lien entre les vaisseaux et les neurones
Couplage neurovasculaire - Réponse hémodynamique = manière dont le flux sanguin va varier en fonction
de l'activité des neurones (CBF = Cerebral Blood Flow).
NB: ça prend du temps
On peut schématiser deux types d'études:
- Etudes de repos
Simples ou obtenues dans différentes conditions
- Etudes d’activation
Comparaison d’une condition contrôle à la condition d’intérêt
3.2.2. Techniques neurophysiologiques
1. EEG - MEG
Electroencéphalographie EEG
=>
Activité électrique
la plus ancienne, la moins chère, la plus répandue
Magnétoencéphalographie MEG =>
Activité magnétique
plus récente, en plein boum ces dernières années, depuis 1990, 95 pcque système qui permettent
d'étudier la tête dans son ensemble. Moins de 100 systèmes dans le monde. 2 Mios Euros + frais de
maintenance très élevé. En Belgique, un seul, à Erasme.
Un courant électrique génère un champ magnétique
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EEG et MEG enregistrent à l’extérieur du crâne les corrélats électro-magnétiques de l’activité de populations
neuronales
L'information sera macroscopique sur les variations d'activités électromagnétiques de groupes de neurones
du cortex.
Rythme alpha quand les yeux sont fermés, dans les régions postérieures du cerveau
Rythme varie en fonction des régions du cerveau et en fonction de l'activité ou de l'état du sujet
2. Simulation Magnétique Transcrânienne
Relativement complexe
Utilisation d'une sorte de bobine contre le crâne, elle produit un champ magnétique très focal induisant un
courant magnétique => stimule l'activité des neurones cibles
Production d’un champ magnétique focal à travers le crâne induisant un courant électrique modifiant
l’activité des neurones cibles.
Deux types d'étues:
SMT simple
Stimulation de la région cible
SMT répétitive
=> sidération des neurones ciblés, qui vont inhiber la région cible => on crée une “lésion
fonctionnelle”, et on pourra ensuite faire des corrélations anatomo-cliniques sur n'importe qui, et on
pourra voir les conséquences d'une lésion sans qu'elle existe réellement.
Intéressant tant en clinique qu'en neuro-science, surtout couplée avec la neuronavigation ("GPS"). Donc on
cible les régions de manière très précises pour les cibler et voir si on observe le mouvement recherché (ici
la main). Comme ça on pourra dire au neuro-chirurgien la zone qu'il doit ou ne doit pas toucher.
Non-invasif
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3.3.3. Techniques isotopiques
La tomographie par émission de positrons ou PET SCAN - la plus utilisée








Production d’isotopes émetteurs de positrons e+ Où e+ = antiparticule des électrons e18
15
13
11
isotopes les plus utilisés: F, O, N, C
Incorporation de l’isotope à un substrat actif
biologiquement (glucose, eau, etc) = radiotraceur
Injection intraveineuse du traceur radioactif
Emission de e+ par le traceur
Annihiliation réciproque entre e+ et eEmission de rayons gamma (radioactifs)
Non-invasif (pas d'ouverture du crâne) mais injection IV et irradiation (équivalente à deux radios
du thorax) => pas de Pet Scan chez des enfants sains pour avoir une population pédiatrique de
contrôle, et pas de répétitions d'examens autant de fois que l'on veut
Exemple, TEP au
18
F (fluorodeoxyglucose = FDG)
Couplage neurométabolique

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





Le Glucose est le substrat énergétique principal du cerveau.
FDG est une analogue du glucose utilisé par le complexe neurone-astrocyte, phosphorilé par
l’hexokinase dans la première étape de la glycolyse.
Le FDG-6-Phospate n’est pas métabolisé par les autres enzymes de la glycolyse, il s’accumule
dans les neurones-astrocytes en fonction des besoins énergétiques.
On peut donc le visualiser, soit sur le corps entier, soit sur le cerveau seulement
NB: le plus grand consommateur de glucose c'est le cerveau ! Ce qui explique que pdt une
hypoglycémie on tombe dans les pommes
la TEP FDG est peu utilisée pour le corps entier sauf en cancérologie pour localiser les tumeurs
NB: bleu consomme peu, rouge consomme bcp. La substance blanche ne consomme pas bcp
de glucose tandis que le cortex et les noyaux profonds (structures de substances grises) sont de
grands consommateurs, c'est donc principalement au niveau des dendrites et des corps
neuronaux qu'il y aura une consommation importante de glucose
La répartition de consommation du glucose est différente dans les
différentes régions du cerveau
Exemple: épilepsie on voit un gros trou dans le cortex, donc on peut
soupçonner une lésion et conseiller au chirurgien d'aller opérer là.
Cette lésion n'est pas visible structurellement (à l'IRM structurelle par
exemple) mais on voit un gros trou au PetScan qui avertit que les neurones ne
fonctionnent pas correctement à cet endroit.
Exemple en cancérologie, on peut mesurer l'agressivité de la tumeur
cancéreuse, et donc sa vitesse de division de cellules, via son activité métabolique
15
Autre exemple, le TEP au H2 O (eau radiomarquée), pour étudier le couplage neurovasculaire
4-5 images au repos et 4-5 images en activation, puis recherche statistique pour montrer les
différences
Etudes TEP de la distribution de récepteurs de neurotransmetteurs
Les radiotraceurs sont ici les agonistes ou les antagonistes d’un récepteur cérébral donné
On examine par exemple les Récepteurs 5-HT1A et on voit la
différence entre un sujet contrôle, un sujet avec légère impairment
cognitive et un malade souffrant d'Alzheimer Récepteurs Dopamine D2 (11C-Raclopride)
Donc le PetScan permet de faire une cartographie des réseaux neuronaux impliqués dans la tâche qui nous
intéresse -> fonctionnement du cerveau. Mais cette technique n'est pas totalement non invasive et demande
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une structure (pour générer les molécules radioactives), elle est donc progressivement remplacée par l'IRM
fonctionnelle sauf quand il y a contre indication
3.3.4. Techniques de résonance magnétique nucléaire
Imagerie par résonance magnétique nucléaire
 Application d’un champ magnétique stable et puissant
=> Alignement des moments magnétiques (spin nucléaire) des noyaux (protons) des tissus (le
+ souvent d’hydrogène). On considère cela comme un état stable
NB toutes les molécules ne sont pas forcément sensibles au champ magnétique
 Application de champs magnétiques oscillants plus faibles (radiofréquence) pour perturber
l'alignement
=> Modification de l’alignement et bascule des moments
On passe à un état excité
 Arrêt du champ magnétique oscillant et retour à l’alignement
=> Emission d’un signal oscillant lors du retour à l’alignement (relaxation) Passage d’un état
“excité” à un état “stable” = libération d’énergie sous forme de protons, et c'est ça qu'on capte
NB: Moment magnétique : propriété d’une particule qui décrit la manière dont elle réagit à un champ
magnétique.
Intérêt: on pourra utiliser différents types de champs magnétiques, pour avoir des informations différentes
Attention, sécurité, enlever tout ce qui est métallique. Et si implant métallique, contre-indication.
NB: de plus en plus les nouveaux matériaux utilisés pour les implants sont IRM compatibles mais il faut faire
attention.
Non-invasif, mais effet des radiofréquences ? On se pose encore la question
3.2.4.1. Imagerie par résonance magnétique nucléaire
Couplage neurovasculaire IRM fonctionnel - Fondamental !!
Une séquence en particulier permet d'obtenir des données du cerveau complet très rapidement, en 2 ou 3
secondes on a les images qui permettent d'examiner les variations de flux sanguins.
On utilise pour ce faire les variations d'hémoglobines oxygénée (oxyHb) et déoxygénée (déoxyHb) dans le
sang, parce qu'elles se comportent différement dans un champ magnétique:
l' oxyHb est diamagnétique &
la déoxyHB est paramagnétique.
Le signal IRM du sang est donc différent en fonction de son niveau en oxygène.
NB: hémoglobine = ce qui dans le sang transporte l'oxygène entre le corps et l'organe cible. A l'aller elle est
oxygénée, et au retour elle est déoxygénée.
Or, l'activation d’un groupe de neurones entraîne l'augmentation de la consommation en oxygène de +/- 5%
et l'augmentation du flux sanguin dans la région impliquée +/- 50%
Donc l'augmentation du flux sanguin est bien plus
importante => augmentation du rapport
oxyHb/déoxyHb
Cô les neurones et les astrocytes ne vont pas
utiliser la totalité de la quantité d'O nouveau qui
arrive suite à l'augmentation du flux sanguin, => on
aura bcp plus de oxyHb que de déoxyHb pdt la
situation activée
C'est ce qu'on appelle l'Effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) = augmentation oxyHb/déoxyHb
suite à une activation => signal IRM différent
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Utilisation: pour retrouver quelles régions sont responsables de quelles émotions.
Par exemple on étudie les régions responsables des sentiments amoureux, régions dans lesquelles
on retrouve les régions cérébrales dopaminergiques (aussi impliquées dans les phénomènes
d'euphorie, d'addiction et de dépendance, de plaisir)
Utilisation clinique: Cartographie fonctionnelle de patients avec lésion cérébrale
Quand des tumeurs sont mal placées, pour pouvoir dire au chirurgien s'il peut enlever cette tumeur ou non,
et quels sont les risques associés à la procédure chirurgicale, c'est donc un guidage de la procédure
chirurgicale
Limites de l'IRM fonctionnelle dans les situations pathologiques:
lésions cérébrales (tumeur et lésion vasculaire) dans l'hémisphère
gauche, on fait bouger la main droite. L'IRM montre une activation à
droite alors que c'est l'hémisphère gauche qui aurait du s'activer.
Deux explications possibles:
 plasticité càd réorganisation fonctionnelle du cerveau puisque
la lésion empêche le cerveau de fonctionner normalement
 les mécanismes physiologiques du couplage neurovasculaire sont perturbés par la lésion, et du coup
l'IRM ne parvient pas à les détecter. C'est un faux négatif potentiel
Cette technique est largement utilisée dans les pathologies neuro-psychiatriques pour tenter de comprendre
les causes et les conséquences de ces maladies mais il faut parfois tempérer les résultats de ces études
parce qu'il n'y a pas d'assurance que le couplage neuro-vasculaire est préservé.
Donc combiner cette technique avec d'autres (neurophysiologie, magnéto-encephalographie,
électroencéphalographie, etc) qui ont peu de chances d'être perturbées par ces lésions.
3.2.4.2. Imagerie par tenseur de diffusion (ITD)
Autre application de l'IRM pour étudier la diffusion des molécules d’eau (protons des noyaux d’hydrogène)
au sein des tissus cérébraux.
Eau -> proton avec l'hydrogène
L’ITD mesure un coefficient de diffusion qui résulte de l’ensemble des phénomènes de diffusion qui ont lieu
dans chaque voxel du volume considéré.
Dans la substance blanche, la diffusivité des molécules d’eau est plus élevée dans l’axe des axones. La
mesure de l’axe de plus grande diffusivité au sein d’un voxel (volume divisé en petits cubes, les voxels càd
pixel en trois dimensions) donne donc une information sur l’orientation locale des fibres de la substance
blanche
On aura donc un "Tenseur de diffusion"
Représentation du tenseur de diffusion sur une coupe de cerveau Tractographie = reconstruction du trajet d’un faisceau de fibres nerveuses sur toute sa
longueur
En rouge: molécules diffusant principalement selon l'axe
gauche-droite,
En bleu: axe vertical
En vert: axe avant arrière
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Intérêt de cette technique: évaluation l'intégrité des faisceaux de fibres nerveuses chez des patients avec
lésions, déterminer si la lésion envahit ou détruit des faisceaux de fibres importants.
Par exemple à droite: la tumeur refoule le faisceau corticospinal donc le chirurgien peut tenter d'enlever une grande
partie de la lésion sans provoquer de déficit chez le patient.
Cette technique est également intéressante pour étudier la
manière dont les faisceaux évoluent avec l'âge (bb prématurés et normaux). On voit que toute une série de
régions cérébrales ont une maturation durant cette période.
On peut également l'utiliser pour évaluer la connectivité entre régions cérébrales: voircomment deux noeuds
d'un réseau fonctionnel sont reliés entre eux.
3.3. Stimulations et enregistrements intracrâniens
Electrodes sous-­‐durales: plaques
Invasif ! on referme le crâne et on enregistre pendant une ou deux semaines l'activité du patient
3.3. Stimulations et enregistrements intracrâniens
Stéréo-­‐électroencéphalographie: aiguilles qui vont être enfoncées dans le cerveau de manière très précise.
Intérêt: investigation de régions très profondes dans le cerveau, par exemple l'hippocampe
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