cours 2: EEG et MEG

Question 1

Explique les 4 découvertes / contributions saillantes de Hans Berger

Answer 1

Il n’est pas le premier a avoir enregistrer l’activité électrique du cerveau, mais c’est le premier à l’avoir mesurer de façon non invasive

En 1924, Hans Berger a réalisé la première enregistrement EEG (non invasif) en mesurant l’activité électrique du cerveau humain à l’aide d’électrodes placées sur le cuir chevelu.

Berger a découvert des ondes cérébrales oscillant entre 8 et 13 Hz, désormais appelées ondes alpha ou “ondes Berger”.

Il a également observé des ondes oscillant entre 14 et 30 Hz, connues sous le nom d’ondes beta.

Les ondes alpha sont associées à un état de relaxation et de repos éveillé, tandis que les ondes bêta sont liées à la vigilance active et à l’engagement cognitif.

Question 2

Nomme des éléments qui modulent l’activité cérébrale telle qu’on peut la voir dans un EEG (4)

Answer 2

Yeux ouverts/fermés
Sommeil/eveil
Tâches mentales
Sujets sains et populations cliniques

Question 3

Quelle est la contribution de Richard Caton (1842 – 1926)

Answer 3

en 1875, c’est le premier à avoir enregistré l’activité électrique du cerveau chez des animaux ( singes ou des lapins) mais c’était invasif (cerveau exposé)

Question 4

Quelle est la contribution de Adolf Beckm(1863 – 1942)

Answer 4

Parallèlement à Caton, enregistrement de l’activité électrique du cerveau en 1890, mais invasif aussi (cerveau exposé)

Question 5

Explique les contributions de Edgar D. Adrian
(1889 – 1977)

Answer 5

Démonstration que les potentiels d’actions sont tout ou rien

En 1934, première confirmation publique des résultats de Hans Berger sur le rythme « alpha »
(jusqu’ici connu sous le nom de « rythme Berger »)

En 1932, il partage avec Charles Scott Sherrington le prix Nobel de physiologie ou médecine « pour leurs découvertes sur les fonctions des neurones

Question 6

Explique la contribution de W. Gray Walter (1910 – 1977)
Neurophysiologiste et roboticien britannique/américain

Answer 6

En 1936, Première mise en place d’un système EEG à multiples électrodes

1957: il inventa le
« Toposcope », permettant
une quantification bidimensionnelle des ondes cérébrales

Question 7

Résume qui sont les 5 pionniers de l’EEG

Answer 7

R. Caton : A réalisé les premières enregistrements électroencéphalographiques chez des lapins et singes, démontrant la présence d’activités électriques dans le cerveau.

A. Beck : A aussi fait des enregistrements EEG invasifs mais chez des chiens. A développé des méthodes d’enregistrement et a été l’un des premiers à utiliser l’EEG pour étudier des troubles psychiatriques.

H. Berger : A effectué le premier enregistrement EEG chez l’homme, mon invasif identifiant les ondes alpha et établissant les bases de l’EEG clinique.

E. D. Adrian : A enregistré l’activité électrique de neurones individuels et a contribué à comprendre la transmission des signaux nerveux, influençant les techniques d’EEG.

W. G. Walter : A amélioré les méthodes d’analyse des signaux EEG et a été un pionnier dans l’application de l’EEG à la recherche sur les états psychologiques.

Question 8

Dans l’histoire de la MEG

1. qui réalise le premier enregistrement (bruité) du signal magnétique cérébral (rythme alpha) ?
2. Qui invente le SQUID*
   (superconducting quantum interference device
3. Qui effectue le premier enregistrement MEG (1 capteur) à l’aide d’un SQUID.

Answer 8

1. David Cohen réalise le premier enregistrement (bruité) du signal magnétique cérébral (rythme alpha)
2. James Zimmermann invente le SQUID*
   (superconducting quantum interference device
3. David Cohen effectue le premier enregistrement MEG (1 capteur) à l’aide d’un SQUID.
   [Cohen D, Science, 1972]

Question 9

Qu’est-ce qu’un SQUID?

Answer 9

rôle crucial en tant que capteur ultra-sensible permettant de détecter les champs magnétiques extrêmement faibles produits par l’activité neuronale.

Ils sont dans un casque autour de la tete

Nécessite un gros espace pour de l’hélium liquide qui refroidit les SQUID (200) qui marche avec la supraconductivité qui a seulement lieu à température très basse (-269 degré). Problème parce que c’est très fort.

Question 10

Qu’est-ce qu’il se passe dans la synapse lors de la communication?

Answer 10

Potentiel d’action : Un potentiel d’action voyage le long de l’axone du neurone présynaptique.

Synapse : Les deux neurones se rencontrent à la synapse.

Libération de neurotransmetteurs : Le neurone présynaptique libère des neurotransmetteurs dans la fente synaptique.

Changement chimique et électrique : Les neurotransmetteurs induisent un changement chimique et électrique dans la synapse.

Changement de polarité : Cela provoque un changement de polarité dans le corps cellulaire du neurone postsynaptique.

Propagation du potentiel d’action : Si le seuil est atteint, un potentiel d’action se propage dans l’axone du neurone postsynaptique.

durée de 1 ms

Question 11

Les signaux de l’EEG et la MEG? sont issus de quel type de potentiel? Pourquoi? (2 arguments)

Answer 11

Sommations temporelle et spatiale des potentiels post-synaptiques (PPS) des cellules pyramidales du cortex cérébral

Les PPS ont une diminution moins rapide du champ de potentiel généré par PPS avec distance: Avantage par rapport à la distance de conduction entre sources et surface du scalp

La durée des pps est aussi plis longue (qq 10aines msec): Plus favorable à la synchronisation temporelle de l’activité d’un grand nombre de neurones nécessaire à une visualisation en EEG ou MEG

Question 12

Les signaux de l’EEG et la MEG? sont issus de quel type de cellule? Pourquoi? (3 arguments)

Answer 12

Cellules pyramidales
corps cellulaire en forme de pyramide et de longs dendrites, dont un apical qui s’étend souvent verticalement vers la surface du cortex. Elles sont généralement excitatrices (glutamatergiques) et jouent un rôle crucial dans la transmission de signaux sur de longues distances dans le cerveau.

1. disposées de manière parallèle dans le cortex cérébral, avec leurs dendrites apicaux orientés dans la même direction (alignement ouvert), perpendiculairement à la surface corticale, ce qui permet aux activités électriques des cellules pyramidales de s’additionner et de générer des courants nets suffisamment puissants pour être détectés à la surface du cuir chevelu (EEG) ou par des capteurs magnétiques (MEG)
2. produisent des courants post-synaptiques soutenus et synchronisés, qui créent des champs électriques et magnétiques détectables.
3. souvent synchronisées dans de larges populations

Question 13

Quels neurotransmetteurs sont responsables de la génération d’un potentiel postsynaptique excitateur (PPS excitateur) en favorisant l’ouverture des canaux sodium ou calcium, et quel est l’effet de cette activation sur le potentiel d’action (PA) ?

Answer 13

Neurotransmetteurs : Glutamate, Acétylcholine (récepteurs nicotiniques).

Mécanisme : Ouverture des canaux sodium ou calcium

Potentiel postsynaptique excitateur (PPS excitateur) =
Favorisation du potentiel d’action (PA).

Question 14

Quels neurotransmetteurs sont responsables de la génération d’un potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI)?

en favorisant l’ouverture de quels canaux?

Quel est l’effet de cette activation sur le potentiel d’action (PA) ?

Answer 14

Neurotransmetteurs : GABA, Sérotonine

Mécanisme : Ouverture des canaux chlorure ou potassiques

Effet :
Potentiel postsynaptique inhibiteur (PPS inhibiteur) =
Défavorisation du potentiel d’action (PA).

Question 15

Quelle est la relation entre les champs électriques de l’EEG et les champs magnétiques de la MEG?

Answer 15

EEG : Le champ électrique est perpendiculaire à la direction du courant neuronal

MEG : Le champ magnétique, est orienté latéralement, se développant sur les côtés de la flèche de courant neuronal.

Les champs électriques de l’EEG et les champs magnétiques de la MEG sont orthogonaux, signifiant qu’ils sont perpendiculaires l’un par rapport à l’autre. En d’autres mots, l’EEG mesure des champs électriques devant le courant neuronal, tandis que la MEG mesure des champs magnétiques sur les côtés, créant une relation orthogonale entre les deux techniques qui permet d’obtenir une compréhension plus complète de l’activité cérébrale.

EEG
|
| MEG
| _______
| / \
| / \
|/ \
+————-+——-> Direction du courant neuronal

Question 16

Qu’est-ce qu’un dipôle de courant?

Answer 16

Le modèle de dipôle est utilisé pour décrire l’activation locale d’une population de neurones. L’activité électrique des assemblées neuronales dans le cerveau est représenté par une flèche qui indique l’orientation et l’amplitude de la source d’activité bipolaire, illustrant ainsi la direction et la force du courant neuronal.

Les lignes de courant montrent la direction du flux d’électricité, tandis que les lignes isopotentielles indiquent des zones de potentiel électrique constant.

Des simulations informatiques peuvent reproduire l’activité électrique mesurée. En utilisant le modèle du dipôle, il est donc possible d’estimer et de localiser les sources d’activité électrique

Question 17

Quelles sont les 3 différents Types d’Échelle de Modélisation Électrophysiologique

Answer 17

Niveau Microscopique
l’activité électrique au sein des couches neuronale: un seul neurones ou petit groupe de neurones individuel

Niveau Mésoscopique
plusieurs dipôles peuvent être combinés pour représenter une région ou une couche spécifique du cortex cérébral (ex: circuits locaux, colonnes corticales dans une région spécifique)

Niveau Macroscopique
grandes zones du cerveau ou l’ensemble du cortex cérébral. Vue d’ensemble des sources d’activité électrique, permettant ainsi d’estimer la localisation des activités neuronales sur une grande échelle.

Question 18

Que faut-il comprendre de la relation entre la bioéléctricité et le biomagnétisme?

Answer 18

Le champ magnétique est une composante duale du potentiel électrique neuronal. Les deux phénomènes sont interconnectés, mais représentent des aspects différents de l’activité neuronale.

Les lignes de Courants représentent la direction et la force du flux électrique à travers les neurones; lignes de champs magnétiques illustrent la direction et l’intensité du champ magnétique généré par l’activité électrique des neurones. Ces lignes se forment autour des courants électriques et sont orientées selon les principes de l’électromagnétisme.

Le dipôle, qui représente une source d’activité neuronale, crée toujours un champ électrique qui est perpendiculaire (orthogonal) au champ magnétique associé. Cette relation orthogonale est fondamentale pour comprendre comment les signaux électriques et magnétiques interagissent au sein du système nerveux.

La MEG et l’EEG sont complémentaires et peuvent être combinés

Champ Électrique
|
|
|
| (perpendiculaire)
|
| + Direction du courant
| —–> (Dipôle représentant l’activité neuronale)
|
|
|
|
|
|
|_________________________ Champ Magnétique
(orthogonal)

Question 19

Explique le principe qui sous-tend la MEG

Answer 19

Courants neuronaux -> champs magnétiques latéraux -> SQUID dans le casque détecte les champs produits en surface grace a la supraconductivité que l’helium permet a -269 degré

Sensibilité maximale en surface, surtout pour les courants tangentiels. (qui circulent parallèlement au cerveau)

la MEG capte des champs magnétiques de surface avec une grande précision spatiale et temporelle grâce au SQUID, bien adaptée pour mesurer l’activité dans les régions corticales superficielles. Le SQUID fonctionne grâce à la supraconductivité permettant de mesurer des champs magnétiques extrêmement faibles avec une précision max obtenue en refroidissant le SQUID avec de l’hélium liquide à environ -269°C (4 kelvins). À cette température, le SQUID élimine le bruit thermique et permet une détection sensible des signaux magnétiques du cerveau.

Question 20

Explique les 2 types de dipôles selon leur orientation, et ce à quoi ils sont plus sensible entre sillon ou gyrus

Answer 20

Radiale: perpendiculaire à la surface de la tête : plus sur le gyrus

Tangentiel: parallèle à la tangente: plus sur les sillons

(surface courbée = représente la tête, là ou on a les capteurs)

Question 21

Explique l’influence de l’orientation de la source neuronale principale avec les différents types de dipoles par rapport à la MEG vs l’EEG dans un modèle purement mathématique

Answer 21

Dans un modèle purement mathématique

MEG : Ne capte que les dipôles tangents, avec une sensibilité maximale aux orientations parallèles à la surface corticale.

EEG : Capte les dipôles radiaux et tangents, avec une sensibilité accrue aux dipôles radiaux, ce qui en fait une technique plus apte à mesurer des signaux provenant des gyri cérébraux.

(Mais en réalité ca n’existe pas un dîpole de source complètement radiale car la tête n’est pas 100% sphérique donc on a peu ce problème )

Question 22

Explique l’influence de l’orientation de la source neuronale principale avec les différents types de dipoles par rapport à la MEG vs l’EEG dans un modèle réaliste

Answer 22

Dipôles radiaux :
* L’EEG est beaucoup plus sensible aux dipôles radiaux ( perpendiculaire au scalp), car les potentiels électriques produits par ces dipôles traversent plus facilement le crâne et le cuir chevelu pour atteindre les électrodes.
* La MEG est peu sensible aux dipôles radiaux, car les champs magnétiques produits par ces sources ne sortent pas suffisamment du crâne pour être détectés par les capteurs MEG.

Dipôles tangentiels
la MEG reste plus sensible aux dipôles tangentiels (parallèles à la surface corticale) que l’EEG. Les dipôles tangentiels produisent des champs magnétiques qui sont bien captés par les capteurs de la MEG, tandis que leurs signaux électriques sont plus diffusés et atténués par les couches du crâne avant d’atteindre les électrodes EEG.

Question 23

Explique l’influence de la profondeur de la source neuronale principale dans les mesures de la MEG vs EEG

Answer 23

Source superficielle (proche des capteurs); Source profonde (loin des capteurs, ex: insula ou hippocampe)

La MEG est particulièrement sensible aux sources neuronales situées près de la surface du cortex (couche externe du cerveau). La MEG est moins sensible aux sources profonde (on doit multiplier le signal par 100 pour voir le même signal alors que l’EEG on a juste besoin de multiplier par 3 pour avoir le même signal pour les zones profondes que pour les zones superficielles).

Mais bien que l’EEG peut capturer l’activité des neurones plus profonds mais est souvent influencé par les signaux des neurones superficiels.

Question 24

Quelle est la fréquence d’échantillonage de l’EEG?

Answer 24

1000hz = 1000 mesures / s donc 1 mesure/milliseconde

Question 25

Comment sont placé les électrodes dans l’EEG?

Answer 25

La lettre représente le lobe
Système basique distant (à droite)= positions par 10

Question 26

Explique la différence entre une mesure unipolaire et une mesure bipolaire dans l’EEG

Answer 26

Courant est mesuré en amper

Différence de potentiel est mesurée en Volts

Il y a tjr une référence (point rouge, où il n’y a pas d’activité électrique) pour mesurer ce qu’il se passe à qq part d’autre

Mesure Unipolaire : Compare un point d’enregistrement à une électrode de référence, utile pour capturer l’activité locale mais sensible aux artefacts.

Mesure Bipolaire : Mesure la différence entre deux électrodes adjacentes, ce qui réduit les effets des bruits communs et met en évidence les variations entre les zones cérébrales.

Question 27

Classe en ordre de grandeur des champs magnétiques cérébraux pour la MEG, la terre, un coeur, le bruit environnant, et un IRM

Answer 27

IRM
Champs terrestre
bruit environnant
coeur
MEG

Question 28

Qu’est-ce qui a été inventé en premier, la MEG ou l’EEG?

Answer 28

1929: premier électroencéphalogramme (EEG)

1972: premier magnétoencéphalogramme
(MEG)

Question 29

Compare la MEG vs l’EEG sur les éléments suivants
- unité de mesure
- direction du signal par rapport au dipole
- affectation par le tissus cérébral
- sensibilité aux source tangentielle ou radiale
- sensibilité à la profondeur ou la superficie
- cout

Answer 29

MEG
* Mesure le champ magnétique
* le champ magnétique se déploie latéralement autour du courant neuronal.
* Peu affectée par tissus cérébraux
* Sélectif pour sources de dipole tangentielles au scalp (parallele)
* Peu sensible aux sources profondes (sulci)
* Appareillage coûteux

EEG
* Mesure le potentiel électrique
* le champ électrique se déploie perpendiculairement au courant neuronal
* Très affectée par les tissus
* sensible à toutes orientations, mais plus aux dipoles radiaux (perpendiculaires au scalp)
* sensible aux sources profondes (gyrus)
* Appareillage moins cher

Question 30

Les rythme alpha représentent:
- quel état?
- quelle fréquence?
- est retrouvé dans quelles régions?-

Answer 30

Etat de relaxation eveillé
8-13 Hz
Régions occipito-pariétales

Question 31

Les rythme mu représentent:
- quel état?
- quelle fréquence?
- est retrouvé dans quelles régions?-

Answer 31

– mouvement
- 7-11 Hz
- Régions centrales

Question 32

Les rythmes thêta sont de quelles fréquences ?

Answer 32

4-7hz

sommeil léger, relaxation profonde, créativité, intuition, apprentissage, mémoire

Question 33

Que représentent les potentiels évoqués?

Answer 33

Moyennage synchronisé de signaux PPS évoqués par l’apparition d’un stimulus
(Dawson, 1951) = Amélioration du rapport signal/bruit. Quand on augmente le nombre d’essai, plus clair.

les hypothèses concernant les potentiels évoqués se basent sur l’idée que les événements neuronaux générés en réponse à une stimulation ou à une tâche doivent être reproductibles

Question 34

Quelles sont les 2 réponses provoquées par une stimulation

Answer 34

2 propriétés: latence et amplitude

Nomenclature :
Nxxx : onde EEG négative pointant à xxx ms
Pxxx : onde EEG positive
Mxxx : onde MEG ……..pointant à xxx ms

Question 35

Qu’est-ce que l’analyse de puissance spectrale?

Answer 35

Analyse du « spectre » d’un signal EEG (ou MEG) sur une électrode (ou capteur):
méthode utilisée pour décomposer un signal en ses composantes de fréquence, permettant d’identifier les rythmes dominants.

C’est la transformation de Fourier (FFT) qui transforme un signal temporel en un spectre de fréquences

Les résultats de l’analyse de Fourier peuvent ensuite être visualisés sous forme de graphiques, tels que des spectrogrammes ou des cartes topographiques, où les intensités des différentes fréquences sont représentées spatialement (topographiquement) sur le cuir chevelu ou le scalp.

L’analyse spectrale se concentre sur l’identification des fréquences présentes dans un signal sur l’ensemble de sa durée, tandis que l’analyse temps-fréquence examine comment ces fréquences évoluent et changent au fil du temps.

Elle est souvent utilisée pour analyser des réponses évoquées, qui sont des réponses mesurables du cerveau à un stimulus spécifique. En identifiant les fréquences dominantes et leur puissance, on peut observer comment l’activité cérébrale réagit à des événements particuliers.

Question 36

Qu’est-ce que la représentation temps-fréquence?

Answer 36

Contrairement à l’analyse de Fourier classique, qui ne fournit qu’une vue globale des fréquences sur l’ensemble de la durée du signal, la représentation temps-fréquence montre comment les différentes fréquences se comportent et changent au fil du temps. Différentes méthodes permettent d’analyser des segments du signal à des intervalles de temps spécifiques. La représentation est généralement affichée sous la forme d’une image 2D, où l’axe des x représente le temps, l’axe des y représente la fréquence, et l’intensité de la couleur indique l’amplitude ou l’énergie de cette fréquence à un moment donné

L’analyse spectrale se concentre sur l’identification des fréquences présentes dans un signal sur l’ensemble de sa durée, tandis que l’analyse temps-fréquence examine comment ces fréquences évoluent et changent au fil du temps.

Elle est particulièrement utile pour examiner des réponses induites, qui sont des changements d’activité cérébrale liés à des processus cognitifs ou des tâches, mais qui ne sont pas nécessairement déclenchés par un stimulus spécifique. Cette méthode permet d’observer les fluctuations de fréquence dans le temps.

Question 37

Explique la différence entre l’activité évoquée vs induite

Answer 37

L’activité évoquée se réfère aux réponses électriques du cerveau qui sont directement liées à un stimulus spécifique. Cela signifie que l’activité est mesurée après la présentation d’un stimulus et est généralement de nature temporelle.

L’activité induite fait référence à des changements d’activité cérébrale qui ne sont pas directement liés à un stimulus spécifique, mais qui peuvent survenir en réponse à des conditions ou des contextes plus larges. Cette activité est souvent de nature sustentée.

A = signal / essai. Seulement la partie bleu va subsister si on moyenne ce signal car elle arrive au même moment (la partie verte est aussi interessante, mais à délai variable. Faire donc attention à l’interprétation du moyennage

B = moyenne des signaux dans le temps

C = analyse temps-fréquence = réponse évoquée (on regarde ce qui ressort au même délai temporel)

D = Dans la carte temps fréquence, on va juste voir la partie verte, on perd la bleu

E = Les carte en fréquence ont seulement des valeurs positives: réponse induite (on regarde quelle fréquence reviens

Question 38

L’augmentation des oscillations gamma dans le cortex occipital lors d’une tâche visuelle serait considérée comme une activité évoquée ou induite? Pourquoi?

Answer 38

Si le stimulus visuel est précis et varie avec signal: PE evoqué (temporellement verouillé sur un stimulus)

Si c’est simplement une tache visuelle en general et non lié a un stimulus: PE induit (synchronisé avec le traitement visuel)

Question 39

Qu’est-ce que l’estimation des signaux de sources?

Answer 39

Estimation de l’activité et localisation des générateurs cérébraux à l’origine de l’activité mesurés au niveau de la surface

les électrodes ou capteurs EEG et MEG captent les signaux à distance des sources neuronales dans le cerveau; le processus d’estimation de sources tente de résoudre ce qu’on appelle le problème inverse. Ce problème consiste à déduire où, dans le cerveau, se trouvent les dipôles neuronaux responsables des signaux mesurés en surface