Le signal en EEG et MEG

Premier tutoriel CREx
Le signal en EEG et MEG
Christelle Zielinski , Deirdre Bolger et Valérie Chanoine
CREx – Centre de ressources en expérimentation du BLRI
Un tutoriel par mois (le 1er mercredi du mois)
Le signal en EEG et MEG
1. Introduction au signal EEG et la MEG et analyse par moyennage
(Valérie Chanoine)
2. Bases du traitement du signal, représentation fréquentielle
(Christelle Zielinski)
3. Principes du filtrage numérique
(Deirdre Bolger)
ABREVIATIONS
•
•
EEG = Electro-encéphalographie
MEG = Magnéto-encéphalographie
Le signal en EEG et MEG
EEG et MEG
permettent de suivre l’activité cérébrale in vivo avec une grande précision temporelle (ms)
MEG
EEG
Mesure : champ magnétique
Ordre de grandeur : 10-13 teslas
Capteurs : SQUIDs *
Mesure : potentiel électrique
Ordre de grandeur : microvolts
Capteurs : électrodes
* Superconducting Quantum Interference Device
EEG, MEG
Mesure du signal électromagnétique
Le signal en EEG et MEG
EG
Activité cérébrale = Synchronie d’une population de neurone
Génère des potentiels électriques
EEG
Génère des champs magnétiques
Mesure de différenc
différences
de potentiel électriq
électrique
à la surface du scalp
MEG
Mesure de champs
magnétiques extracrâniens
Sylvain Baillet
EEG, MEG
2 méthodes d’investigation de la même source neurale
Organisation macro et miscroscopique du cortex
Coupe frontale d’un cerveau humain
http://fr.brainexplorer.org/brain_atlas
Cortex visuel d’un rat et cellule pyramidale
- d’après Ramon y Cajal, 1988
Cerveau
Origine du signal EEG/MEG
100 milliards de neurones, 10 12 connexions synaptiques…
Cellules pyramidales du cortex
Mécanisme ionique de l’influx nerveux
Milieu extracellulaire
Milieu intracellulaire
D’après Ben Brahim Mohammed – www.neuromatiq.net
Potentiel de repos
Différence de potentiel électrique entre le milieu intra et extracellulaire
Neurone au repos
Potentiel de repos
Neurone stimulé
Potentiel d’action (PA) ou Potentiel post-synaptique (PPS)
PA et Potentiel post-synaptique (PPS)
Schéma d’un neurone d’après
Hämäläinen et al, 1993
PAs
Localisés au niveau axonal
PPSs
Localisés au niveau des dendrites ou du corps cellulaire
1 PPS
La résultante de plusieurs PAs
PA et Potentiel post-synaptique (PPS)
Potentiel Post-synaptique (PPS)
Excitateur (PPSE)
Inhibiteur (PPSI)
PPSE et PPSI
Signaux captés par l’EEG et la MEG
Schéma d’un PA et d’un PPS en fonction du temps
Hämäläinen et al, 1993
- d’après
uniquement les PPSs (PPSI ou PPSE) dendritiques
Courants primaires et secondaires
Courants primaires
p
Mouvements
de
charges ioniques à
de
la
proximité
membrane
Courants secondaires
secondaires
D’après Sylvain Baillet, 2001
Mouvements de charges ioniques distants
participant à la conduction d’un courant
volumique dans le milieu conducteur (la tête)
Signal EEG
Courants secondaires (extracellulaires)
Signal MEG
Champs magnétiques induits par des courants primaires (intracellulaires)
EEG/MEG : Sélectivité des dipôles de courant
100 000 neurones activés
de
façon
synchrone
constituent :
• une macro-colonne de
neurones
un dipôle de courant de
l’ordre
de
10
Nano
Ampères.mètre
[Hamalainen et al, 1993]
Signal EEG
Sources radiales et tangentielles
Signal MEG
Sources majoritairement tangentielles
EEG/MEG : Sensibilité aux sources profondes
Source profonde (toujours radiale)
• Champ magnétique (B) nul
• Potentiel électrique (E) non nul
Sources opposées
• Champ magnétique (B) très faible
• Potentiel électrique (E) diminué
D’après Parkkonnen,
HBM 2008
MEG
Peu sensible aux sources profondes
EEG
Peu sensible aux sources opposées
EEG/MEG : Sensibilité aux tissus
EEG
MEG
Une source dipolaire (flèche
rouge) produit des courants
volumiques (en traits noirs) qui
sont fortement déformées en
surface
Une source dipolaire produit un
champ magnétique dont les
équipotentielles (en traits noirs)
ne sont pas déformées en
surface
D’après CTF Systems Inc., Vancouver, Canada
Signal EEG
Déformé par les tissus : réponse diffuse
Signal MEG
Peu affecté par les tissus : réponse focale
Réponse dipolaire et topographie
g p
EEG
MEG
D’après R. Samelin
Réponse dipolaire : parallèle à la
direction du dipôle
Réponse
dipolaire
:
perpendiculaire à la direction du
dipôle
D’après Parkkonnen, HBM 2008
EEG/MEG : Topographie différente pour un même générateur
Ce que nous voyons en MEG…
D’après Parkkonnen, HBM 2008
Analyse des signaux EEG ou MEG
Stimulation ou tâche cognitive
Analyse spontanée
= analyse des
enregistrés bruts
signaux
• Rythmes
cérébraux
physiologiques (ex: alpha)
• Signaux traduisant une activité
musculaire
parasite
(ex:
mouvement cardiaque)
• Manifestations pathologiques
(ex: activités critiques en
épilepsie)
D’après Parkkonen, HBM 2008
Analyse liée à une activité cognitive
Très faible et noyée dans l’activité spontanée
Fragment de signal MEG -
1s; 31/248 capteurs
Projet Catsem – BLRI - Stimulation = mots écrits présentés un à un
Tâche = juger si ce mot correspond à une partie du corps
Quelques rythmes cérébraux connus
Artéfacts et Bruits
Analyse cognitive : ERP et ERF
Comme l'activité électrique liée
à la tâche cognitive est noyée dans
l'activité spontanée…
Stimulation ou tâche cognitive
Technique des potentiels évoqués
(en EEG) ou champs magnétiques
évoqués (en MEG)
ERP - Event-related Potential
ERF - Event-related Field
Technique de moyennage des
signaux synchronisés au stimulus
(Dawson, 1937)
D’après Parkkonen, HBM 2008
Analyse de l’activité cognitive
par multiples répétition de la
tâche pour augmenter le signal
sur bruit
Moyennage : postulats
capteur
p
s
Signal Brut
Essai 1 Essai 2 Essai 3
Postulats
• La réponse électromagnétique produite par la stimulation expérimentale
correspondent à l’activité d’une population des neurones spécialisés dans le
traitement de cette stimulation
• Ces évènements neuronaux devraient réapparaître systématiquement, et ce, à
la même latence, si cette stimulation est répétée dans les mêmes conditions
(propriété de reproductibilité des évènements neuronaux évoqués par la
stimulation, la tâche et l’état du sujet)
Moyennage : en pratique
• Addition des différents segments (mesures électriques ou magnétiques) obtenus
après la présentation d’un stimulus répété
• Réalignement des mesures sur le moment d’apparition de ce stimulus
MEG
Projet Catsem – BLRI
Events-Related Fields
(ERFs)
Les événements propres au traitement de cette stimulation
se somment et se différencient du reste du signal.
A l’inverse, les événements aléatoires et non dépendants
de ce traitement vont s’annuler entre eux.
ERP et ERF : Principe
D’après Parkkonen, HBM 2008
Moyenner le signal spontané de manière synchrone au trigger
pour augmenter le ratio signal sur bruit
Obtenir une moyenne temporellement associée au stimulus
« stimulus-locked time-domain »
ERP/ERF : Influence du nombre d’essais
D’après Baillet, HBM 2008
Augmenter le nombre des stimuli pour augmenter le ratio signal sur bruit
ERP/ERF : caractéristiques
Polarité
• ERP (P=positive ou N=négatif)
• ERF (M)
Latence = temps d’apparition par
rapport à la stimulation
Convention : N100 ou N1 est une
composante négative apparue à 100 ms
après stimulation
La latence des ERP/ERF indique de décours temporel de l’activité neurale
L’amplitude est supposée refléter l’allocation de ressources neurales
nécessaire à une tâche donnée.
ERP : exemple
Auditory Oddball Task
Tâche de décision de stimulus discordant
• Sons rares (1000 Hz à 25%)
• Sons fréquents (500Hz à 75%)
Plusieurs ERPs, parmi lesquelles :
• N100 : composante perceptive présente
aussi bien pour les sons rares que fréquents
• P300 : amplitude plus importante pour les
sons rares
• MMN (« mismatch negativity ») : différence
« onde fréquente et rare »
D’après Näätänen, 1985
Ondes précoces (perceptives comme N1) et tardives (cognitives comme P3)
ERF : exemple Projet Catsem BLRI
~84 ms
~205 ms
Vidéo
~405ms
Merci de votre attention