EEG

METHODES DE NEUROIMAGERIE
Electroencéphalographie (EEG) &
Magnétoencéphalographie (MEG)
Aurélie Campagne, PhD, MCF Neurosciences
Laboratoire de Psychologie et Neurocognition,
CNRS UMR 5105, Grenoble
[email protected]
Introduction
Fissure inter-hémisphérique
Hémisphère
gauche
Hémisphère
droit
Hémisphère gauche
corps
calleux
Hémisphères cérébraux
CA Fornix
Genou
corps
calleux
Ventricules
latéraux
Structures
sous-corticales
CP
Tronc
Splenium
Fornix
Coupe frontale
Coupe sagittale
Lobe
frontal
Scissure centrale
Lobe
pariétal
Scissure
pariétooccipitale
Lobe
occipital
Lobe
temporal
Scissure
de Sylvius
Sillon cingulaire
Lobe pariétal
Lobe frontal
Lobe
occipital
Scissure
calcarine
Gyrus cingulaire
Lobe
temporal
SULCUS
SULCUS
Lobe
frontal
Lobe frontal
gauche
Lobe
frontal droit
Lobe
pariétal
GYRUS
Lobe
occipital
Lobe temporal
Lobe
temporal
droit
Lobe
temporal
droit
SULCUS
Lobe pariétal
GYRUS
Lobe frontal
GYRUS CINGULAIRE
(circonvolution limbique)
Lobe occipital
Lobe temporal
Organisation CYTOARCHITECTONIQUE du cortex cérébral
Aires de Brodmann
ORGANISATION FONCTIONNELLE du
cortex cérébral
Aires
d’association
Niveaux d’organisation cérébrale - Neurophysiologie
6 couches
corticales
Fibres commissurales
Fibres
d’association
Fibres de projection
Niveaux d’organisation cérébrale - Neurophysiologie
6 couches
corticales
PA
Neurone présynaptique
Axone
Synapse
Neurotransmetteurs
Communication
entre neurones
Canaux ioniques
PPS
Courants locaux
PA
Axone
Neurone postsynaptique
Dendrites
Corps
cellulaire
Axone
soma
PPS : Potentiels post-synaptique
PA : potentiels d’action
Neurone
Potentiels d’action
(neurone pré-)
Neurone présynaptique
PA
Glucose
+ O2
Axone
Neurotransmetteurs
Libération des
neurotransmetteurs
(msec)
Canaux ioniques
Potentiels postsynaptiques (qq msec)
PPS
Courants locaux
Glucose
+ O2
Courants locaux
PA
Axone
Neurone postsynaptique
Astrocyte
(Champ électromagnétique)
Potentiels d’action
(neurone post-)
ACTIVITE CEREBRALE
Signaux chimiques
PA : potentiels d’action
Signaux électro-magnétiques
PPS : Potentiels post-synaptique
Variations métaboliques et
hémodynamiques
Evènements
cellulaires
consommateur
d’énergie
Dégradation de l’ATP
Activité
métabolique
Néosynthèse de l’ATP
(qq minutes)
Activité
hémodynamique
Apport Oxygène
(O2) – glucose
(1-2 secondes)
Milliards de
neurones
Enregistrements de surface (globales)
EEG et MEG
MEG
Casque
maintenant les
électrodes
0.05 mV
1s
Activité électromagnétique
oscillatoire de populations
de neurones d’une région
de surface donnée
Enregistrements intracrâniens (locales)
Potentiels de champs
Électrodes
intracérébrales
Activité électrique
oscillatoire d’une population
de neurones d’un site donné
1 mV
2 s
Enregistrements
intra-cellulaires
Activités unitaires
1 neurone
10 m V
2s
Potentiel de repos, Potentiel postsynaptique, Potentiel d’action
Origines des signaux
EEG et MEG
Origines des signaux
EEG et MEG
MEG
EEG
1er EEG : 1929, Hans Berger
Enregistrement en surface des
variations du potentiel électrique
1er MEG : 1968, Cohen - MIT
Enregistrement en surface des
variations du champ magnétique
résultant de la sommation de l’activité unitaire de
populations importantes de neurones synchrones
Origine signaux EEG et MEG
signaux EEG et MEG
issus
Neurone présynaptique
PA
Axone
Neurotransmetteurs
Canaux ioniques
Sommations temporelle et spatiale des
potentiels post-synaptiques (PPS) des
cellules pyramidales du cortex cérébral
Potentiel
d’action (PA)
Potentiel postsynaptique (PPS)
Diminution très
rapide du champ de
potentiel généré par
PA avec distance
Diminution moins
rapide du champ de
potentiel généré par
PPS avec distance
durée PA trop
brève (<5 ms)
Durée + longue
(qq 10aines msec)
PPS
Courants locaux
PA
Axone
Neurone postsynaptique
PA : potentiels d’action
PPS : Potentiels post-synaptique
Avantage par rapport à la distance de
conduction entre sources et surface du scalp
Plus favorable à la synchronisation
temporelle de l’activité d’un grand nombre
de neurones nécessaire à une visualisation
en EEG ou MEG
Origine signaux
EEG et MEG
Dendrites orientés
radialement
signaux EEG et MEG
issus
Sommations temporelle et spatiale
des potentiels post-synaptiques (PPS)
des cellules pyramidales du cortex
cérébral et non des potentiels d’action
Ligne isopotentiel
Noyaux
au centre
Configuration
fermée
Somme des flux de
courant (
)
(ici opposés) nulle
Dendrites
Pourquoi PPS des cellules
pyramidales ?
Noyaux
Organisation parallèle des neurones
pyramidaux plus favorable à la
sommation spatiale des courants
nécessaire à une visualisation en EEG
ou MEG
Organisation en
couches parallèles
Configuration
ouverte
Favorise l’addition
spatiale des courants
de chaque arbre
dendritique
Cerveau et psychologie, O. Houdé et al., Edition Puf, 2002
Origine signaux EEG et MEG
Courants de conduction
Potentiel électrique
(mesure EEG)
Champ magnétique
(mesure MEG)
lié au courants
secondaires
Induit essentiellement
par courants primaires
Dendrite
apicale
Cellule
Dipole
pyramidale et
courants
microscopiques
-
Courants secondaires
(de conduction)
Dendrite
apicale
Courant
primaire
intracellulaire
Courant primaire
intracellulaire
+
Corps
cellulaire
Axone
Corps
cellulaire
Axone
Dipôle de courant
Macro-colonne corticale
(105 à 106 neurones)
Origine signaux EEG et MEG
Chaque courant
EEG
Champ magnétique
perpendiculaire à la
distribution du potentiel
Potentiel négatif
MEG
Champ
négatif
Champ
positif
Potentiel positif
Dipôle décrit par la longueur et la
direction du flux de courant de la
macro-colonne corticale
Dipôles sur la
surface
corticale
Dipôle radial
(gyrus)
Dipôle tangentiel
(sillon)
Cognitive and Brain Sciences Unts (MRC)
Origine signaux EEG et MEG
Réponse topographique ( C )
Simulation de la distribution du champ
magnétique et du potentiel électrique pour
des dipôles de différente orientation et
profondeur par rapport au centre de la tête
Amplitude signal avec l’éloignement
Amplitude signal avec profondeur
(particulièrement MEG)
EEG
MEG
Potentiel négatif
Champ
négatif
Champ
positif
Potentiel positif
Dispersion du signal avec profondeur (particulièrement EEG)
C
Cognitive and Brain Sciences Unts (MRC)
Dispositifs et principes de
mesure : EEG et MEG
Dispositifs et principes de
mesure : EEG et MEG
MEG
Détection :
Chambre
blindée
Bobines réceptrices
de flux
+
Transformateurs de
flux : squids
Casque
(1ère amplification)
SQUIDS : Supraconducting
Quantum Interference Device
= Dispositif fonctionnant à
très basse température
(refroidi à l’hélium liquide)
Cerveau et psychologie, O.
Houdé et al., Edition Puf, 2002
Mesure en temps réel
Ordre de grandeur des variations : 10-13 tesla
Résolution temporelle : 1 ms ; Echantillonnage : jusqu’à 1000Hz
Dispositifs et principes de
mesure : EEG et MEG
Casques
d’enregistrement
Système
d’acquisition (PC)
EEG
Topographie des
variations de potentiel
électrique recueillies
via électrodes
Acquisition passive, mesure en temps réel
Ordre de grandeur des variations : quelques microvolts
Résolution temporelle : 1 ms, Echantillonnage : jusqu’à 1000Hz
Dispositifs et principes de
mesure : EEG et MEG
EEG
Casques
d’enregistrement
Pour une topographie de
l’activité cérébrale précise
positionnement de plusieurs
dizaines à centaines
d’électrodes
Electrodes Ag/AgCl,
impolarisables
Pâte
conductrice
EEG
Mise en place des
électrodes
Système international 1020 (pour EEG ≤ 64 voies)
(A) Vue sagittale gauche
de la tête
(B) Vue horizontale dorsale
de la tête
A = lobe de l’oreille
Pg = nasopharyngiale
O = occipital.
P = pariétal
C = central
F = frontal
Fp = frontal polaire
Localisation des électrodes et
nomenclature (cas 64 voies)
(Sharbrough, 1991.).
EEG
Décours temporel des variations
électriques apparaissant sous une
ou entre deux électrodes données
Electrodes de
référence et de masse
1 référence ( )
Mesure monopolaire
1 masse (homoplate)
Mesure bipolaire
Référencée à l’électrode de
référence
2 électrodes référencées
l’une à l’autre
Système de mesure de
la position de la tête par
rapport au casque
MEG/EEG
Exemple: Geodesic
Photogrammetry system
Dispositif/Mesure en vue de la
localisation des générateurs
électromagnétiques
3 points de référence
Nasion
Péri-auriculaire droit (RPA)
Péri-auriculaire gauche (LPA)
2
1
Numérisation de la position des capteurs (MEG)
ou des électrodes (EEG) par rapport aux 3 points
de référence numérisés et du contour de la peau
Pose de marqueurs visible à l’IRM anat. aux
points de références + réalisation IRM anat.
Nasio
n
LP
A
3
Recalage EEG – IRM par
minimisation de la distance entre
points numérisés et surface de la
peau extraite de l’IRM et/ou
entre points de référence
Différence EEG et MEG :
Récapitulatif
DIFFERENCE EEG ET MEG : RECAPITULATIF
Signaux EEG et MEG
Signaux EEG et MEG
Activité spontanée continue
cérébrale
Décours temporel des variations
électriques et magnétiques
apparaissant sous une ou entre
deux électrodes données
Ordre de grandeur des variations
MEG : 10-13 tesla
EEG : qq microvolts
Traitement des signaux EEG
et MEG
Traitement des signaux
EEG et MEG
Données brutes
Pré-traitement
& traitement
Identification &
Correction des
artéfacts
- physiologiques
- extra-physiologiques
Moyennage
Filtrage
Echantillonnage
jusqu’à 1000 Hz
ANALYSE
DES
DONNEES
Traitement des signaux
EEG et MEG
Perturbations du signal = artefact
mouvements oculaires
Identification & correction des artéfacts
non permanentes
de niveau plus élevé que le bruit moyen
artéfacts physiologiques : dues à
l’activité physiologique du sujet
mouvements oculaires
activité cardiaque
activité musculaire
activité liée à un état de fatigue
activité cardiaque
Autres artéfacts
Traitement des signaux
EEG et MEG
artéfacts extra-physiologiques :
Identification & correction des artéfacts
mouvements de tête
mouvements des câbles
mouvements transitoires du
sujet, mouvements de tête
bruits électroniques
Peut être important en EEG en
cas de mauvaises impédances
et d’interaction MEG-EEG
Identification et élimination des artéfacts
Par sélection dans le domaines fréquentiel (filtres)
Par décomposition du signal (PCA/ICA)
Par calcul de dipôle équivalent (e.g. oculaire)
…
Traitement des signaux
EEG et MEG
Filtrage
Différents types de filtres
e.g. Filtrage dans le domaine
fréquentiel
e.g. transformée de Fourier
Analyse spectrale
Tout signal périodique est
décomposable en une somme de
sinusoïdes définies par leur
amplitude et leur phase
La représentation « amplitude
fonction du temps » est
remplacée par une représentation
« amplitude et phase fonctions
de la fréquence » qui est
équivalente.
Beta (β
β)
14-30 Hz
2-20 µV
Alpha (α
α)
8-13 Hz
20-60 µV
Theta (θ
θ)
4-8 Hz
10-100 µV
Delta (δ
δ)
0.5-4 Hz
75-200 µV
Filtrage par fréquences
Filtre passe haut
Atténue fréquences sous la
fréquence filtre
(laisse passer fréquences au
dessus de la fréquence filtre)
Filtre passe bas
Atténue fréquences audessus de la fréquence filtre
Filtre passe bande
Filtres passe haut + passe bas :
définition d’une bande de fréquence
Filtre en « fente » (notch filter)
Atténue la bande de fréquence définie
Ex : Elimination de l’artéfact lié au
secteur (50Hz ou 60 Hz)
Perte
d’informations
& déformations
Traitement des signaux
EEG et MEG
Moyennage
Alignement des séquences de signal sur
le repère temporel de la stimulation
Leur sommation révèle les
potentiels et champs magnétiques
évoqués (PE, EF) temporellement
associés à la stimulation
Ne permet pas de révéler les
activités induites par la stimulation
mais non alignées en temps
Le niveau de réduction du signal
évoqué est proportionnel à la racine
carrée du nombre d’essais
Moyennage
Alignement des séquences de signal sur
le repère temporel de la stimulation
Leur sommation révèle les
potentiels et champs magnétiques
évoqués (PE, EF) temporellement
associés à la stimulation
Difficulté d’identification : déformations noyées
dans l’activité spontanée (bruit de fond)
Mise en évidence par
répétition du stimulus
+
Moyennage des signaux
synchronisés au stimulus
(Dawson, 1937)
Propriété de
reproductibilité des
évènements
neuronaux évoqués
par la stimulation et
la tâche, et de l’état
du sujet
Répétition du stimulus
(Ex : EEG)
Influence du nombre d’essais (Ex: MEG)
Augmentation du nombre d’essais
Augmentation du nombre d’essais
Analyse des signaux EEG et MEG
(exemples)
Analyse des signaux
EEG et MEG
1
Activités oscillatoires
Rythmes définis selon :
Fréquence
Amplitude
Morphologie
Topographie
Rôles fonctionnels, encore
mal connus (vigilance, états
mentaux, …)
Origines :
Interactions corticosous-corticales (thalamus)
Interactions cortico-corticales
Autres rythmes :
Mu (µ), Kappa (κ),
Lambda (λ), Phi (φ)
Gamma (γγ)
> 30 Hz
2-20 µV
Beta (β
β)
15-30 Hz
2-20 µV
Frontal et pariétal
Alpha (α
α)
8-13 Hz
20-60 µV
Occipito-pariétal
Theta (θ
θ)
4-8 Hz
10-100 µV
Delta (δ
δ)
0.5-4 Hz
75-200 µV
Temporal
Activités oscillatoires
Intérêt de les étudier ?
Intérêt dans le diagnostic de
différentes pathologies
Ex : épilepsie, tumeurs cérébrales,
traumatismes crâniens, …
Ex : Crise d’absence en EEG
Caractérisation des
niveaux d’éveil et
stades de sommeil
Activités oscillatoires
Activité theta
Réactivité du
rythme alpha
Synchronisation
oscillatoire
beta/gamma
O. Bertrand, JIRFNI - Formation MEEG/IRMf, Paris, Sept. 2006
Activités oscillatoires
Comment les mesurer ?
Analyse temps-fréquence de la puissance
O. Bertrand, JIRFNI - Formation MEEG/IRMf, Paris, Sept. 2006
Correction de la ligne de base
O. Bertrand, JIRFNI - Formation MEEG/IRMf, Paris, Sept. 2006
Exemples d’applications
O. Bertrand, JIRFNI - Formation MEEG/IRMf, Paris, Sept. 2006
O. Bertrand, JIRFNI - Formation MEEG/IRMf, Paris, Sept. 2006
Isolation des activités évoquées dans le
domaine temps-fréquence
« stimulus phase-locked response »
O. Bertrand, JIRFNI - Formation MEEG/IRMf, Paris, Sept. 2006
Activités oscillatoires
Synchronisations oscillatoires à distance
Cohérence
Synchronies
de phase
Rend compte de la dynamique
cérébrale et des interactions
neuronales
O. Bertrand, JIRFNI - Formation MEEG/IRMf, Paris, Sept. 2006
Exemples d’applications
Cohérence
Exemples d’applications
Ex 1 : Liage perceptif
Rythme gamma
Rodrigues et al, 1999
Exemples d’applications
Ex 2: Micro-éveil versus sommeil paradoxal
Bande δ (1-4 Hz)
Bande β1
(13-18 Hz)
Bande θ (4-8 Hz)
Bande β2
(18-30 Hz)
Bande α (8-13 Hz)
Bande γ1 (3048 Hz)
Synchronies
locales
Traits :
Synchronies
à distance
Exemples d’applications
Ex 3: Perception consciente versus Perception non
consciente de visages connus
Synchronies
locales
Traits : Synchronies à distance
Exemples d’applications
Exemples d’applications en EEG intracrânien
Problèmes dans ces effets de coopérations
O. Bertrand, JIRFNI - Formation MEEG/IRMf, Paris, Sept. 2006
Liens entre oscillations à différents niveaux
Liens entre oscillations à différents niveaux
Attention auditive
O. Bertrand, JIRFNI - Formation MEEG/IRMf, Paris, Sept. 2006
2
Potentiels et champs évoqués
Nomenclature des réponses
Définies par la polarité, la latence &
la localisation
Ex: PEV
N75
• Nxxx : onde EEG négative à xxx ms
N150
• Pxxx : onde EEG positive à xxx ms
• Mxxx : champ magnétique à xxx ms
P250
Composantes
P100
etc.
• Composantes précoces (exogènes)
= composantes primaires exogènes liées
aux caractéristiques du stimulus
• Composantes tardives (endogènes)
= composantes secondaires
endogènes non spécifiques liées
caractéristiques de la tâche
(signification du stimulus / tâche)
comportement / état su sujet
2
Potentiels et champs évoqués
Composantes précoces (exogènes)
Latence << 200 msec
Ex: PEV
N75
Etapes de cheminement et de traitement
de l’information dans les voies sensorielles
EEG : périphérie, moelle épinière, tronc
cérébral, cortex
N150
P250
P100
etc.
MEG : cortex
Suivant la modalité
sensorielle
Potentiels sensoriels et
perceptuels
Composantes précoces (exogènes)
Exemple
2
Potentiels et champs évoqués
Composantes tardives (endogènes)
Néanmoins
Latence > 200 msec
- chevauchement important
- effet de variables endogènes sur des
composantes exogènes
Lié à l’attitude du sujet / signification qu’il
accorde à l’événement par rapport à la tâche
Facteurs d’influence
Probabilités de l’événement déviant
Organisation des séquences
(distribution des évènements déviants)
Intervalle entre stimulations
Nature de la tâche (degré d’implication du
sujet, hypothèse sur la situation)
Composantes tardives
Complexe N200 – P300
Variation Contingente Négative (VCN)
Onde N400
Potentiel de préparation motrice
Onde P600
Composantes tardives (endogènes)
1ères composantes endogènes
décrites : VCN et P300
Variation Contingente Négative
(Walter et al, 1964)
Onde négative fronto-central lente
se développe entre
deux stimuli appariés
temporellement
dans le contexte
de la tâche
lié à
- l’attention d’agir
- à la motivation
- à l’estimation temporelle
- à l’activation énergétique
Walter et al., 1964
Composantes tardives (endogènes)
1ères composantes endogènes
décrites : VCN et P300
P300 (Sutton et al, 1965, 1967)
Onde positive pariétale, étendue
P300 précoce (P3a),
maximum fronto-central
P300 plus tardive (P3b),
maximum centro-pariétal
BBBBA
BBBA
BBA
BA
A
Sutton et al., 1965, 1967
N200
lié à la détection de
stimuli non concordants
(déviants), absents
Amplitude
proportionnelle à la
probabilité d’occurrence
d’un stimulus
lié à la construction
du percept
P300
Composantes tardives (endogènes)
Ensemble d’ondes permettant de
segmenter le TR (temps réaction)
Mismatch negativity, MMN/N2a
Détection automatique d’un « mismatch »
des traces sensorielles
Composantes tardives (endogènes)
Ensemble d’ondes permettant de
segmenter le TR (temps réaction)
Composantes tardives (endogènes)
N400
Onde négative
maximale en centro-pariétale
Lié à la détection d’un
mot inattendu et/ou incongru
au sein d’une phrase
Potentiel lié aux seules
incongruités sémantiques
Amplitude inversement
proportionnelle au degré de
prédictibilité d’un mot à partir
de son contexte
Composantes tardives (endogènes)
P600
Onde positive
maximum en pariétal
Lié aux discordances
harmoniques et non
sémantiques
Composantes tardives (endogènes)
POTENTIEL DE PRÉPARATION
MOTRICE (ppm)
(Kornhuber et al., 1978)
Onde négative, maximum centro-pariétale
Reflète travail d’élaboration corticale
précédant un acte moteur volontaire
Apparaît en moyenne 800 msec avant le
début de la réalisation effective de l’acte
2 composantes : - précoce (non consciente),
(-1500 msec)
- plus tardive (consciente),
(- 400 à - 700 mec)
de la main droite
Champ magnétique évoqué
Encore peu d’études sur les concomitants
magnétiques des processus cognitifs
Similarités et différences entre
les potentiels électriques et champ
magnétiques évoqués
Complémentarité des
données EEG et MEG
Mismatch negativity, MMN/N2a
P300 ≠ M300
Localisation des sources
Localisation des sources
Localisation des sources
Localisation des sources : Difficultés