Les oscillations et introduction à l'analyse spectrale

Question 1

Le rythme alpha démontre plus d’activité rythmique lorsque le sujet est excité ou détendu ?

Answer 1

Quand il est détendu (amplitude augmente)

Question 2

Quel est le mécanisme de génération des rythme cérébraux ?

Answer 2

À la base, ce sont les décharges neuronales (PA), car c’est ça qu’on a dans le cerveau. —>

Ensuite, les oscillation en temps que tel sont générées par la synchronisation des PA au sein de populations de neurone –>

Pour finalement occasionner l’activation synchronisée d’une population

Question 3

Qu’arrive-t-il si les potentiels d’actions sont aléatoires par rapport aux autres ?

Answer 3

Ça va générer du bruit.

Question 4

Quelle est l’analogie du personnes qui supportent une équipe de foot pour expliquer la synchronie ?

Answer 4

• On imagine que chaque personne dans le stade est une neurone.
• S’il ne se passe pas grand chose dans le match, il y a quand même du bruit (gens qui parlent, déplacements)
• S’il y a un BUT, tous les personnes qui supporte l’équipe vont se mettre à applaudir tous ensemble de manière synchronisée, ce qui va générer une structure par tous ces neurones là.
• Le micro (aka capteur) est capable de voir cette structure étrange (augmentation/diminution de la population de neurones). Par contre, si les gens applaudissent de manières indépendantes, il y aura qu’un bruit continu,

Si plusieurs micros sont installés dans le stade, ça va permettre d’avoir une meilleure idée de ce qui se passe dans l’ensemble.

Question 5

Les oscillations sont impliqués dans 2 modes du fonctionnement cérébral. Quels sont-ils ?

Answer 5

1) Mode de spécificité FONCTIONNEL (chaque aire corticale est spécialisée dans un traitement particulier de l’information)
2) Mode de COOPÉRATION où les aires interagissent entre elles pour aboutir à un comportement intégré/cohérent

Question 6

Que peut-on dire des oscillations dans les deux modes de fonctionnement cérébral ?
A) Mode de spécificité fonctionnel
B) Mode de coopération

Answer 6

A) L’amplitude des oscillations dans une aire corticale reflète la synchronisation des décharges neuronales dans cette aire (bcp d’oscillations = bcp de synchronisation)

B) Cette coopération se fait par l’établissement d’un couplage oscillatoire entre les aires, qui synchronisent leur courants neuronaux pour former des réseaux neuronaux transitoires et synchrones.

Question 7

L’étude des oscillations permet quoi ?

Answer 7

1) Mesures les modulations des activités localement

2) Mesure les interactions à distance

Question 8

I) Quand on mesure les modulations d’activités localement, on parle de ______________.

II) Quand on parle de mesurer les interactions à distance, on parle de ______________.

Answer 8

I) Puissance oscillatoire

II) Couplage oscillatoire

Question 9

Chaque région cérébrale a sa spécificité locale (on le sait par des études de lésion)
Ex : Il y a des régions spécialisées pour
- la mémoire
- la vision
- l’audition
- etc.
Mais c’est sûre que dans toutes tâches, on combine toutes ces régions pour produire un comportement.

Si on part du principe qu’on a une spécialisation locale, comment expliquer le fonctionnement coordonné de notre comportement ?

Answer 9

Toutes ces régions se parlent entre elles.

Question 10

Il est possible d’imaginer chaque partie de l’orchestre jouant un instrument spécifique comme une région cérébrale spécialisée.

Y-a-t-il un chef d’orchestre dans le cerveau qui coordonne toutes ces aires ?

Answer 10

Il y a deux théories:

1) Certains chercheurs donnent ce rôle au THALAMUS étant donné qu’il est connecté à plusieurs aires corticales.
2) Il y a la théorie du JAM session (emergent self-organisation) : Au lieu d’un orchestre, on aurait ce qui s’appelle une JAM session. En fait, chaque musicien maîtrise son instrument, mais de manière émergente et transitoire (jouent ensemble un certain moment pour effectuer une tâche). Par exemple : Traverser la rue impliquerait l’activité de l’aire visuelle, auditive et motrice. Quand la tâche est effectuée, d’autres régions vont venir coordonner leurs activités. Donc, ce n’est pas une région qui coordonne tout, mais plutôt une coordination transitoire qui émerge d’un système.

Question 11

C’est quoi la différence entre la synchronie locale et la synchronie à distance ?

Answer 11

Synchronie locale :

• Est visible en MEG/EEG sous la forme de changements de la puissance oscillatoire/spectrale
• Sur UNE électrode
• Si on est au niveau cortical = mesure d’une région du cerveau au niveau de l’électrode

Synchronie à distance :

• Est visible en MEG/EEG sous la forme de changement du couplage oscillatoire entre des structures distinctes.
• Sur DEUX électrodes pour pouvoir observer le couplage
• 2 signaux qui couvent deux structures pour regarder leur interactions

Question 12

Pendant des années, on a essayé de comprendre le cerveau en ces différentes parties “cette partie est pour la vision, celle là est pour la mémoire” … Par contre, ce découpage là ne représente pas vraiment la complexité de ce qui se passe dans le cerveau dans n’importe quelle tâche simple.

On a besoin de mesures pour aller mesurer ça justement ! Comment on peut regarder la communication entre le système visuel et le système moteur ? C’est une réponse pour laquelle on peut répondre si on a moyen d’explorer la synchronisation à travers des régions.

Cette synchronisation, il y a plusieurs manières de l’explorer … comme laquelle ?

Answer 12

Par couplage oscillatoire

Question 13

Besucoup de structures sont impliquées dans n’importe quelle tâche pour que le comportement soit cohérent. C’est pour cela que l’___________________________ est primordial !

Answer 13

Intégration de l’information à large échelle

Question 14

[FRÉQUENCES RAPIDES]

Quelles sont les ondes cérébrales du plus lent au plus rapide ?

Answer 14

• Theta (4-7 Hz)
• Alpha (8-12 Hz)
• Beta (15-30 Hz)
• Gamma (30-90 Hz)
• Fast Gamma (90-160 Hz)
• HFO (Oscillation Haute Fréquence) (80-250 Hz)

Question 15

1) L’onde alpha, qui se situe dans le cortex occipito-pariétal peut se nommer soit a. __ ou b. __ selon où il émerge.
2) Quelle est la source de l’onde a et b ?

Answer 15

1)
a. mu
b. tau (vis-versa)
2)
mu = cortex sensori-moteur (spécifiquement)
tau = cortex auditif

Question 16

L’onde gamma peut se diviser en deux types, lesquelles ?

Answer 16

• Low gamma (30-60 Hz)

- High gamma (60-90 Hz)

Question 17

1) Les HFO sont utilisés dans quelles études ?

2) Sont divisés en 2 types, lesquelles ?

Answer 17

1) Il est démontré que les zones épileptogènes du cerveau montrent des activités pathologiques de TRÈS HAUTE fréquences, donc les HFO sont considérées parmi les marqueurs potentiels des zones épileptogènes.
2)
- Ripples : 140 - 220 Hz
- Fast ripples : 250 - 600 Hz

Question 18

[FRÉQUENCES BASSES]

- Énumère les fréquences basses des plus lentes aux plus rapides

Answer 18

• Ultradian (<0.01 Hz)
• Infra-slow (0.01 - 0.1 Hz)
• Very slow (0.1 - 1 Hz)
• Delta (1-4 Hz)

Question 19

1) Dans la MEG ou dans l’EEG, quelles ondes regarde-t-on principalement ?
2) On s’intéresse plus aux fréquences rapides ou aux fréquences lentes ?

Answer 19

1) De delta à gamma

2) Rapides, car ça nous permet d’aller regarder l’activité cérébrale avec une bonne résolution temporelle

Question 20

Avec quoi regarde-t-on les fréquences très basses ? Pourquoi ?

Answer 20

IRMf, car elle ne s’intéresse pas à la résolution temporelle. Elle a des réponses de l’ordre de la seconde !

Question 21

Voir les exemples des diapos 27 à 31

Answer 21

OKI :)

Question 22

1) Dans l’expérience de modulation de la puissance gamma dans les aires visuelles (celle avec le chien), on parle du phénomène de “binding”. C’est quoi ?
2) Ce phénomène est caractérisé par une augmentation de puissance dans quelle bande ? Pourquoi ?

Answer 22

1) En fait, si on n’a jamais vu le chien à l’avance, on ne va pas être capable de le trouver. Par contre, dès que quelqu’un nous le montre, après si on voit la même image, on va le voir tout de suite (c’est ça le phénomène de “binding” visuel)
2) Celui-ci est caractérisé par une augmentation de la réponse GAMMA, car ça active une représentation interne.

Question 23

Est-ce que les propriétés des oscillations cérébrales sont héréditaires ?

Answer 23

[BANDE GAMMA]
Une étude sur des jumeaux monozygotes et dizygotes a été menée pour voir si la fréquence principale des oscillation visuelles de la bande gamma sont sous contrôle génétiques. Ce qui a été observé c’est que quand on fait une analyse de l’activité “gamma” en réponde à une stimulation visuelle sur des jumeaux monozygotes, ils ont presque la même fréquence. Pour ce qui est des jumeaux dizygotes, la fréquence de l’activité “gamma” varie au travers des individus.
Bref, la fréquence principale des oscillation visuelles de la bande gamma semble effectivement être sous contrôle génétiques

[CAS POUR RYTHMES PLUS LENTS (DELTA, THETA, ALPHA, BETA)
Certaines études suggèrent que oui:)

Question 24

Est-ce que les oscillations cérébrales peuvent être un marqueur pout étudier les troubles du cerveau ?

Answer 24

Les oscillations cérébrales sont entrain de devenir des biomarqueurs importants pour l’étude de la pathophysiologie de plusieurs maladies du cerveau. Il est possible d’observer des altérations pathologiques à la fois pendant l’exécution des tâches mais aussi au repos.

Liste de pathologie très longue (troubles psychiatriques, troubles neurodégénératives, autisme, épilepsie, …)

Question 25

Comment mesure-t-on les oscillations cérébrales ?

Answer 25

Le signal EEG et MEG peuvent être regardé au travers de différents essais où on peut observer des variations. Il y a des évènements similaires qui arrivent en même temps et d’autres qui arrivent à des moments différents, mais ils sont difficiles à identifier, car il y a beaucoup de variations.

Si je moyenne dans le temps, je me débarrasse des parties qui sont variables à travers les multiples essais, mais je garde les parties qui restent identiques (qui vont être amplifiées). Cela donne le POTENIEL ÉVOQUÉ.

Mais, il est possible de récupérer ce qui a été écrasé en faisant une analyse T-F pour chaque essai qui sont des valeurs positives de puissances. Quand je moyenne ces cartes T-F, vu qu’il y a que des valeurs positives, on se retrouve avec une ACTIVITÉ INDUITE dans la bande gamma, qui correspond à ce qui arrive systématiquement, mais qui n’arrive pas à la même latence.

Question 26

Pour des tâches de “binding” il est plus pertinent de faire une analyse de potentiel évoqué ou de potentiel induit ?

Answer 26

De potentiel induit.

Question 27

Qu’est-ce que l’analyse spectrale ?

Answer 27

Il s’agit de l’analyse des données de l’activité cérébrale (ex: EEG ou MEG) dans le domaine “fréquentiel”/spectral.

Question 28

Quel est l’intérêt d’utiliser l’analyse spectrale ?

Answer 28

Ça peut être intéressant quand certaines spécificités du signal sont mieux représentées dans une autre dimension que celle utilisée dans l’acquisition.

Les signaux EEG et MEG ont des propriétés rythmiques/oscillatoires comme l’activité bêta ou gamma. Ces oscillations sont très difficiles à visualiser en observant le signal temporel. Une transformation dans le domaine des fréquences (analyse spectrale) permet de mettre en évidence des informations de l’activité cérébrale qui pourraient rester non-détectés si on se fie uniquement à l’analyse temporelle.

Question 29

Quelles sont les propriétés d’un signal oscillatoire ?

Answer 29

• Amplitude (A)
• Fréquence (f)
• Phase (φ)

Question 30

1) Comment trouver la période avec la fréquence ?

2) Quelle est la définition d’une onde oscillatoire pure à une fréquence f ?

Answer 30

1) T = 1/F

2) s(t) = A * cos (2πft + φ) –> s(t) = signal à travers le temps

Question 31

C’est quoi une phase ?

Answer 31

C’est le décalage entre deux signaux qui sont identiques en fréquence. Cette information peut être donnée par le délai temporel.

Question 32

Quel calcul permet d’estimer le délai temporel entre 2 signaux à la même fréquence ?

Answer 32

délai entre 2 signaux/de phase (tau) = 𝛕 = (φ1 - φ2) / 2πf

Question 33

Comment effectuer une analyse spectrale ?

Answer 33

Ça peut se faire de deux manière
1) Avec la transformation de Fourier : Propose une représentation du signal en terme d’une somme de signaux oscillatoires (décomposition du signal en composantes oscillatoires)

S(t) = Σf (Aficos(2πfi* t + φfi)

2) Avec la transformation d’Hilbert : Découpage le du signal, sur lequel un filtre étroit est appliqué, en deux parties (phase à travers le temps & amplitude à travers le temps)

s(t) = A(t) et φ(t)

Question 34

1) La fréquence d’échantillonnage représente quoi ?

2) L’enregistrement des signaux EEG et MEG sont numériques (discret) ou analogiques (continu) ?

Answer 34

1) Le nombre de points de mesures pris par secondes (ex: si j’ai 500 points de mesure/s, j’échantillonne mon signal à 500 Hz).
2) Numérique(discret)

Question 35

Comment trouve-t-on les intervalles fréquentielles ?

Answer 35

• f0 = 1/T (inverse du temps)

- Ça correspond à l’abscisse dans le spectre (X)

Question 36

Le choix de la fréquence d’échantillonnage a une incidence sur les fréquences que nous allons être en mesure d’analyser à partir du signal.

–>Une fréquence d’échantillonnage plus haute nous permettra d’estimer la contribution d’oscillations de plus en plus rapides dans le signal.

En réalité, on est limité par une règle…

1) Quelle est-elle ?
2) Qu’est-ce qu’elle dit (en théorie)?
3) En pratique, que fait-on ?

Answer 36

1) Théorème de Nyquist (ou théorème d’échantillonnage)
2) Un échantillonnage à la fréquence F nous permet d’analyser le spectre du signal jusqu’à une fréquence maximale de F/2, mais pas au delà.
3) Pour être sûr de la fiabilité des résultats, la pratique courante est de s’arrêter à F/3 ou même F/4.

Question 37

1) Quelle est la procédure qui permet de garder que la partie des fréquences qui m’intéresse (éliminer une fréquence qui contient des artéfacts)?
2) Quelles sont les types de [réponse de 1] ?
3) Il est possible d’appliquer un [réponse de 1] à deux moments, lesquels ? Qu’est-ce qui est plus recommandé ?

Answer 37

1) Un filtre
2) Passe-bas (ex: <20Hz), Passe-haut (ex: >20Hz) ou passe-bande (8-12 Hz)
3) Soit lors de l’acquisition (filtre hardware) OU plus tard lors des analyses (filtre logiciel/software). Le filtre logiciel est recommandé.

Question 38

1) C’est quoi l’analyse bivariée ?

2) Ce type d’analyse existe sous plusieurs formes. Nomme en 3.

Answer 38

1) C’est quand on analyse des couples de signaux simultanément, plutôt que chaque signal seul.

2)
- Couplage amplitude-amplitude
- Couplage phase-phase
- Cohérence complexe
- Cohérence imaginaire

Question 39

Un exemple d’analyse bi-variée “dans le temps” est le calcul de la corrélation entre 2 signaux. Quelles sont les deux types de corrélations qui peuvent être faites ?

Answer 39

• Corrélation croisée (délai 𝛕 entre les deux signaux)

- Corrélation de Pearson (zéro délai)

Question 40

Il est possible de combiner une analyse temporelle et fréquentielle en utilisant les cartes temps-fréquence.

Plusieurs outils permettent de faire une telle analyse. Lesquels ?

Answer 40

• L’utilisation d’ondelettes

- La transformée d’Hilbert