11-10-2013 AUPHAN Magali L3 Système Neurosensoriel et

SYSTEME NEUROSENSORIEL ET PSYCHIATRIE - Electrogénèse cérébrale. Electroencéphalographie normale. Principes
des potentiels évoqués (PE)
11-10-2013
AUPHAN Magali L3
Système Neurosensoriel et psychiatrie
M. Gavaret
14 pages
Electrogénèse cérébrale. Électroencéphalographie normale. Principes des potentiels évoqués (PE)
Plan
A. Historique
B. Electrogénèse cérébrale
I. L'activité électrique du cerveau
II. Les paramètres qui influent sur l'activité électrique
C. Electroencéphalogramme (EEG) normal
I. Définition et matériel
II. Les différents montages
III. Activité cérébrale spontanée
D. Magnétoencéphalographie (MEG)
E. Outils de localisation de source
F. Principes des potentiels évoqués
A. Historique
Richard Caton a enregistré l'activité cérébrale chez les animaux.
Hans Berger, neuropsychiatre allemand, a enregistré pour la première fois l'EEG chez l'homme en 1924.
FY : Fermeture des yeux
OY ouverture des yeux
Ligne du haut : enregistrement de l'EEG.
Ligne du bas : sinusoïde de référence.
Il y a apparition d'une sinusoïde à la fermeture des yeux, et le tracé s’aplatit à l'ouverture des yeux. Au
niveau de la région postérieure du scalp, on enregistre une activité de morphologie sinusoïdale qui a la
caractéristique de réagir à l'ouverture et à la fermeture des yeux.
Chez un adulte éveillé, au repos et les yeux fermés, il y a une activité de fond postérieure qui disparaît à
l'ouverture des yeux. En effet, à l'ouverture des yeux, le cortex occipital traite les infos visuelles, l'activité
électrique est ainsi désynchronisée et rapide, et l'activité sinusoïdale de repos s’interrompt : c'est la réaction
d'arrêt de Hans Berger.
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des potentiels évoqués (PE)
B. Electrogénèse cérébrale
I. L'activité électrique du cerveau
Ce sont les neurones qui créent l'activité électrique, essentiellement les cellules pyramidales. Les
interneurones créent aussi de l'activité électrique.
Les cellules gliales contribuent un peu, car elles interviennent dans l'équilibre ionique ( recapture des
ions K+).
Les cellules pyramidales sont le siège de différentes activités électriques :
• celle qu'elles reçoivent : le potentiel post-synaptique (PPS). Le PPS peut être inhibiteur ou
excitateur, c'est un processus assez long (80-100ms). Il est possible d'avoir un grand ensemble de
cellules pyramidales qui reçoivent en même temps un PPS : c'est une activité synchrone que l'on
peut enregistrer à distance avec l'EEG.
•
celle qu'elles émettent: le potentiel d'action. C'est un mécanisme beaucoup plus court (5-10
ms), donc il est impossible d'avoir une activité synchrone.
Donc c'est essentiellement les PPS qui créent une activité électrique.
Si cette cellule reçoit un PPSE dans les dendrites apicaux, il y a ouverture massive des canaux Na lequel
rentre dans la cellule. Le milieu extracellulaire au niveau des dendrites devient alors chargé négativement par
rapport au milieu extracellulaire au niveau du soma qui est chargé positivement.
Le milieu chargé négativement s'appelle un puits électrique, celui chargé positivement est la source.
Un champ électrique se crée dans le milieu extracellulaire de la source vers le puits.Ce qui implique un courant
de la profondeur vers la superficie.
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des potentiels évoqués (PE)
Si la cellule reçoit un PPSI dans les dendrites apicaux, il y ouverture des canaux Cl- lequel rentre dans la
cellule. Le milieu extracellulaire au niveau apical devient encore plus chargé positivement, et le milieu
extracellulaire au niveau du soma est chargé relativement négativement. Il y a donc un dipôle de courant dans le
milieu extracellulaire dirigé vers la profondeur du cortex.
En EEG de surface, on enregistre les modifications de champs électriques dans le milieu extracellulaire,
reflet des activités électriques neuronales, et en particulier des PPS.
Un EEG enregistre, en fonction du temps, les activités électriques en μV.
Il y a différentes polarités de courant en surface (par convention, le positif est vers le haut, et le négatif vers le
bas) :
• Si la cellule reçoit un PPSE au niveau apical, il y a un champ électrique extracellulaire du soma vers
l'apex.
• Si la cellule reçoit un PPSI au niveau apical, il y a un champ électrique extracellulaire de l'apex vers le
soma
• Si la cellule reçoit un PPSE au niveau des dendrites proches du soma, on aura la polarité inverse, de
l'apex vers le soma.
• Si la cellule reçoit un PPSI au niveau des dendrites proches du soma, le champ électrique va du soma
vers l'apex.
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des potentiels évoqués (PE)
Dans le cortex, les cellules pyramidales sont organisées en
colonnes corticales.
Une colonne corticale est constituée de grandes cellules
pyramidales dont le corps cellulaire est situé dans la couche V du cortex,
entouré de petites cellules pyramidales périphériques, dont le corps
cellulaire est dans la couche III du cortex. Il y a aussi des interneurones,
dans les couches I et II en particulier.
Il est possible de faire des enregistrement d'activité électrique
cérébrale dans le cortex directement avec des micro électrodes, notamment
pour les patients épileptiques évalués en pré-chirurgical.
Ci-dessous, des données d'enregistrement de micro électrodes :
On voit que les inversions de polarités sont essentiellement dans la couche V du cortex, c'est-à-dire où il
y a le corps cellulaire des grandes cellules pyramidales.
On estime que les activités électriques qu'on recueille en surface reflètent les activités électriques des
neurones. Il faut une population de 107 à 109 de cellules co-impliquées dans une activité pour l'enregistrer en
surface.
En cas d'épilepsie, il y a une activité électrique anormale au moment des crises, mais aussi entre les
crises, les activités intercritiques.
Pour voir une activité électrique anormale (pointe epileptique) intercritique, il faut que 10cm² de cortex
soit impliqué dans pour avoir un EEG de surface.
Il est aussi possible d'enregistrer une activité magnétique cérébrale (dispositif de recherche en France,
mais clinique aux États-Unis ou au Japon). La magnétoencéphalogaphie est plus fine sur le plan spatial, il faut
que 4cm² de cortex soit impliqué pour que l'activité soit détectable.
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II. Les paramètres qui influent sur l'activité électrique
a. l'organisation des cellules pyramidales
Si les cellules pyramidales sont organisées en palissade ou en parallèle, dans le néocortex par exemple,
lorsqu'elles reçoivent toutes un PPSE à l'apex, il y a une sommation et il se crée un dipôle de courant dans le
milieu extra-cellulaire. C'est un champ électrique ouvert que l'on est capable d'enregistrer à distance.
Par contre, beaucoup de structures cérébrales ne sont pas organisées en parallèles, en particulier les
noyaux. Par exemple dans le noyau du nerf XII, il y a une organisation circulaire, les corps cellulaires sont
organisées en rond, et les dendrites constituent une arborescence en couronne autour. Dans ce cas, si les
neurones reçoivent un PPSE, la sommation des dipôles de courant extra-cellulaire s’annule. On parle de champ
électrique fermé, il y a des activités électriques, mais on ne peut pas l'enregistrer à distance.
Les structures concernées sont :
• dans le tronc cérébral tous les noyaux des nerfs crâniens
• les noyaux caudés, les thalamus
• dans la face interne du lobe temporal : les noyaux amygdaliens, l'hippocampe et le gyrus
parahippocampique
En EEG de surface, on ne peut pas enregistrer les structures temporales internes, les noyaux gris
centraux et les différentes structures du tronc cérébrales. On enregistre les projections de ces structures sur le
cortex.
b. l'orientation du générateur
Le cortex humain est très circonvolué, il y a donc des organisations différentes entre le sommet d'un
gyrus ou le fond d'un sillon.
Au sommet d'un gyrus, le dipôle de courant a une orientation parallèle à l'axe des cellules
pyramidales,donc orthogonale par rapport au scalp.
Dans le fond d'un sillon, le dipôle de courant est toujours parallèle à l'axe des cellules pyramidales, mais
il va être tangentiel par rapport au scalp. Ce qui crée des activités différentes en surface.
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Lorsque l'orientation est verticale, le maxima est enregistré au niveau du vertex (sommet du crâne).
Lorsque l'orientation est horizontale, le maxima est enregistré au niveau de l'écaille temporale.
Dans ces deux modélisations, la source est la même (partie supérieure du temporal), mais l'orientation
est différente, donc on enregistre le maxima dans deux endroits différents.
Ici, on est sur la première circonvolution temporale, dans sa partie postérieure, au fond de la vallée
sylvienne. C'est le gyrus de Heschl, le cortex auditif primaire. Donc pour les potentiels auditifs évoqués, on met
des électrodes au niveau du vertex alors que le générateur se situe dans le temporal.
c. la vigilance
Ici, on a un tracé lent avec une certaine amplitude, puis des activités plus rapides bilatérales, assez
diffuses. Elles sont au nombre de 14 cycles par seconde, ce sont des fuseaux de sommeil . C'est une activité
physiologique qui apparaît à 2-3 mois de vie et qui persistent toute la vie. Elle est présente dans le sommeil
stade lent. Leur apparition définit le stade II de sommeil, persiste au stade III et IV, puis disparaît au sommeil
paradoxal.
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Les fuseaux de sommeil sont largement enregistrés sur l'ensemble du scalp, ils sont générés par les
thalamus, et en particulier par le noyau réticulaire du thalamus. Ce noyau est mal circonscrit, il s'infiltre entre
tous les autres noyaux.
Dans ce noyau réticulaire, il y a des neurones particuliers qui ont un assemblage d'ions Na, K et Ca, qui
vont être capables de générer une activité pacemaker. Donc quand le sujet passe en sommeil lent (stade I), ces
neurones vont générer une activité à 14 cycles/seconde, qui dure de 1 à 4 secondes, et qui projettent sur les
neurones thalamo-corticaux, qui eux se projettent sur le cortex.
Donc au cours du sommeil, les neurones sont très largement impliqués dans une activité très synchrone
qu'ils ne génèrent pas eux-même mais qu'ils reçoivent des thalamus qui se projettent sur le cortex.
C. EEG normal
I. Définition et matériel
Définition: Enregistrement des variations de potentiels électriques cérébraux depuis la surface du scalp.
On l'enregistre à l'aide d'électrodes au contact du scalp, on utilise donc un gel riche en ions qui assure le contact
électrique (car l'air est un isolant).
On enregistre l'EEG par rapport à une référence et grâce à différents montages :
• monopolaire : une électrode contre la référence
• bipolaire : soustraction du potentiel électrique enregistré par 2 électrodes.
On peut mettre un nombre variable d’électrodes :
• en routine clinique : 20
• en réanimation, sur un enfant de petite taille: 12
• enfant prématuré : 8
• chez les patients épileptiques : 24, car on rajoute des électrodes de part et d'autre des oreilles
pour enregistrer les structures basales temporales.
• Autres systèmes : 32, 64, 128, 256. Au delà de 64, c'est surtout utilisé en recherche.
Les électrodes sont toujours positionnées de la même façon, et ont des noms définis :
• FP: fronto-polaire (en regard du pôle frontal, au niveau du front)
• F: frontal
• C: central
• T: temporal
• P: pariétal
• O: occipital
Ces lettres sont suivies d'un chiffre :
• chiffre pair : hémisphère droit
• chiffre impair : hémisphère gauche
• si la lettre est suivi de « z », l’électrode est sur la ligne médiane
Ces labels sont internationaux: FP1, FP2, FPz, F3, F4, Fz, F7, F8, C3, C4, Cz, P3, P4, Pz, T3, T4, T5, T6, O1,
O2, Oz…..
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Ces électrodes sont positionnées selon le système 10-20 de Jasper.
II. Les différents montages
a. montage longitudinal: il va d'avant en arrière
•
•
•
une ligne longitudinal haute : FP-F-C-O
une ligne longitudinal basse : sur la ligne temporale
une ligne médiane
Sur ce tracé, on voit des activités paroxystiques, c'est-à-dire des activités qui se dégagent nettement de
l'activité de fond par leur abrupteté et leur amplitude. Elles sont abondantes et largement réparties sur les
dérivations gauche.
C'est donc un patient épileptique qui a des activités intercritiques largement réparties à gauche.
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b. montage transverse: de droite à gauche
L’intérêt est qu'il enregistre beaucoup les structures médiales. Il est beaucoup utilisé dans l'étude des centres du
sommeil.
Sur ce tracé, on voit de l'activité paroxystique, bilatérale et symétrique. C'est une enfant qui fait de l’épilepsie
généralisée.
c. montage standard zero:
Il est beaucoup utilisé car il ne contient que 12 électrodes, notamment pour les petits enfants de moins de 3 ans,
ou en réanimation.
Chez les enfants, on utilise des électrodes cupules tenues par un filet.
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d. Montage longue-distance:
Utilisé en France pour le diagnostic de mort cérébrale (dans les autres pays, ce diagnostic est différent).
Le diagnostic :
• 2 EEG de 30 minutes à 4h d'intervalles
• avec des stimulations sonores et nociceptives
• sans traitement sédatif
• en normothermie (température corporelle >35° pour éviter les faux positifs)
• par un technicien et un médecin habilités
Autres moyens de diagnostic : un angioscanner qui montre qu'il n'y a pas de flux artériel cérébral.
Ce diagnostic sert soit à arrêter les soins, soit à prélever les organes.
Ce montage est fait de diagonales très longue-distance qui sont censées enregistrer d'avantage les structures
cérébrales profondes.
Pour ce montage, il faut des électrodes aiguilles, il faut aussi que le tracé soit relu en amplification maximale et
sans utilisation de filtre.
Ici, on a un tracé plat. Il n'y a pas d'activité électrique cérébrale.
En réalité, ce tracé n'est pas exactement plat. En effet, le cerveau crée de l'activité électrique cérébrale de
l'ordre du μV et le cœur crée de l'activité électrique cérébrale de l'ordre du mV. Donc, sur ce montage longuedistance en amplitude maximale, on enregistre en fait le cœur à distance.
D'autres artefacts peuvent être crées par le respirateur notamment.
e. Montage monopolaire:
Une électrode contre la référence. On s'en sert en deuxième lecture pour mieux voir quelque chose que l'on a vu
en montage bipolaire.
On recherche l'électrode où l'amplitude est maximale. C'est une première estimation de la position du
générateur.
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L'EEG a une excellente résolution temporelle, de l'ordre de la ms. Mais elle a une très mauvaise
résolution spatiale.
En comparaison, l'IRM fonctionnelle, a une très bonne résolution spatiale de l'ordre du mm, mais a une
très mauvaise résolution temporelle, à cause de l'effet BOLD, qui reflète une augmentation de vascularisation.
Ces deux outils sont complémentaires.
En EEG normale, on qualifie l'amplitude et la fréquence.
La fréquence est estimée en fonction de bande de fréquence.
La bande de fréquence la plus lente est la bande δ. Les fréquences suivantes sont décrites dans le tableau cidessous :
Dans la bande γ , les frequences peuvent aller jusqu'à 250 Hz.
Le crâne filtre les activités électriques cérébrales car l'os est peu conducteur. C'est un filtre inhomogène
qui filtre surtout les séquences rapides. On a donc du mal à enregistrer des fréquences rapides en EEG de
surface, mais on peut enregistrer l'EEG en intracérébral.
Chez les patients épileptiques, en pré-chirurgical, on peut utiliser des électrodes au sein du cerveau. Au
cours d'une intervention chirurgicale, on utilise les glides, qui sont des électrodes que l'on peut poser
directement sur le cortex, et ainsi enregistrer des activités beaucoup plus rapides.
III.Activité cérébrale spontanée
a. en fonction de l'âge :
L'EEG varie énormément en fonction de la maturation cérébrale.
Chez un prématuré (28 SA), le tracé est discontinu de façon physiologique. Plus l'enfant grandit, plus le
tracé devient continu. A partir de 32 semaines (plus proche du terme), il n'y a plus de périodes d'hypoactivité.
Chez un enfant de 18 mois, l'activité est continue mais plus lente, dans la bande θ. L'activité alpha
postérieure apparaît un peu avant 3ans. Chez l'enfant, persistent des activités plus lentes, mais plus il grandit,
plus le tracé se rapproche progressivement de celui d'un adulte.
Chez l'adulte, au niveau des régions postérieures, il y a une activité alpha, et dans les régions plus
antérieures, le tracé est moins ample.
Après 70 ans, le tracé est un peu plus lent de façon physiologique.
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b. en fonction de la vigilance, du sommeil :
L'EEG varie énormément selon le sommeil.
Il y a des cycles de sommeil :
• sommeil lent léger: stades I et II
• sommeil lent profond : stades III et IV
• sommeil paradoxal
Un cycle de sommeil dure 1h30 à 2h. Une nuit de sommeil est constituée de l’enchaînement de cycles, avec
entre les cycles soit un micro-éveil soit un passage direct au stade II.
L'EEG est le critère principal pour différencier les stades de sommeil, chaque stade à ses caractéristiques EEG.
L'apparition des fuseaux de sommeil définit le stade II.
Au sommeil paradoxal, on a une activité électrique proche de la veille, rapide et peu ample. C'est le stade du
rêve.
Les autres paramètres enregistrés sont le cœur, la respiration (irrégulière pendant le sommeil paradoxal) et le
mouvement des yeux.
Exemple d'activités pathologiques :
Il y a deux grands types d'activités pathologiques, soit on enregistre des éléments trop lents soit paroxystiques.
-Si l'activité est lente de façon très diffuse et bilatérale, il y a de multiples situations cliniques qui correspondent
à un tracé ralenti bilatéral:
◦ trouble métabolique (hyponatrémie, hypoglycémie, insuffisance rénale ou hépatocellulaire)
◦ trouble infectieux (encéphalite)
◦ sommeil
◦ traitement, en particulier traitement sédatif
◦ coma
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-si lent focal ( exemple : en temporal gauche) ce n'est pas spécifique d'une étiologie
◦ tumeur
◦ AVC
◦ hémorragie
◦ éléments lents post-critiques transitoires (dans l'heure qui suit une crise)
-si il y a des anomalies paroxystiques (qui se dégagent nettement de l'activité de fond par leur abrupteté et leur
amplitude) :
◦ épilepsie (polypointe onde, pointe onde, pointe lente). Il y a une organisation dans le temps et
dans l'espace, cette dynamique caractérise une crise d'épilespie.
Comment localiser :
On voit les pointes intercritiques en montage bipolaire, en première lecture, on passe donc en montage
monopolaire pour localiser le générateur. Mais ce n'est pas très précis sur le plan spatial.
C'est d'autant moins précis sur le plan spatial, que les activités électriques sont filtrées par l'os, qui est 40
fois moins conducteur pour les activités électriques que les autres structures (cerveau, LCR, peau).
Pour imager, les activités électriques à travers l'os, sont un peu comme une lumière à travers un verre dépoli,
perçue plus faible et plus diffuse (diffractée).
D. Magnétoencéphalographie (MEG)
A chaque activité électrique correspond son contingent magnétique qui est orthogonal et qui tourne
autour. On est capable de l'enregistrer grâce à un dispositif particulier.
Les activités magnétiques sont d'amplitude très faible qui s'exprime en Tesla.
En comparaison, les aimants des IRM cérébrales sont de 1,5 à 3 T ( jusqu'à 7T en recherche).
La terre à une activité magnétique de l'ordre de 10-6 T ; le cœur, de l'ordre de 10-9 T.
Le cerveau génère des activités entre 10-15 et 10-12 T. On les enregistre dans une chambre blindée, isolée le plus
possible des bruits de la ville qui créent eux-même des activités magnétiques beaucoup plus fortes.
L’intérêt de la MEG est que les activités magnétiques ne sont pas filtrées, déformées par les structures
qu'elles traversent comme l'os par exemeple.
La MEG va donc être plus performante, et enregistrer des activités magnétiques rapides du cerveau.
L'os filtrant les activités électriques, les rendant moins amples et plus diffuses, la résolution spatiale de la MEG
va donc être meilleure.
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des potentiels évoqués (PE)
E. Outils de localisation de source
Les outils de localisation de source sont utilisés soit pour la MEG soit pour l'EEG.
Avec l'IRM 3D du patient, on crée un modèle de cette IRM.
On enregistre des activités électromagnétiques (pointe chez patient épileptique, ou potentiel évoqués). Puis avec
des outils mathématiques, on peut localiser le générateur avec une certaine probabilité.
Ces outils mathématiques et physiques viennent des technologies des radars ou des Télécoms.
F. Principes des potentiels évoqués
En EEG, on enregistre l'activité électrique spontanée. alors qu'avec les potentiels évoqués, on enregistre
l'activité électrique ou magnétique provoquée par une stimulation.
Les potentiels évoqués sont des ondes ou complexes d'onde provoqués ou liés dans le temps par un
stimulus qui peut être repéré de façon fiable.
On fait des potentiels évoqués somesthésiques (pour tester la sensibilité), auditifs, visuels ou cognitifs
(surtout pour explorer des coma).
Pour les potentiels évoqués somesthésiques, on stimule de façon électrique un nerf à un temps T=0.
Après avoir fait cette stimulation 400-500 fois, on fait ensuite un moyennage .
L'activité électrique cérébrale spontanée est aléatoire par rapport à la stimulation, par contre l'activité
électrique due au potentiel évoqué est liée dans le temps à cette stimulation. Donc avec les moyennages, on
enlève l'activité aléatoire et de repos, et on met en évidence le potentiel évoqué somesthésique.
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