Introduction aux neurosciences comportementales Bibliographie:

→ Neurosciences : les sciences du cerveau. Une introduction au grand public. → Les neurosciences cognitives. Nicole Fiori Web:

→ Le cerveau à tous les niveaux → neurobranches.chez­alice.fr

PLAN DU COURS: Cours I: Introduction.

Cours II et III : Méthodes en Neurosciences → Anatomo-clinique classique → Techniques de neuro-imagerie fonctionnelle.

Cours I: Introduction. GÉNÉRALITÉS:

1) Approche multidisciplinaire: psychologues, cognitivistes, neuropsychologues, neuro­imageurs, …

2) L’intégration des données de ces disciplines permettent l’étude des bases cérébrales. Existe­t­il un substrat biologique à l’esprit? L’étude de ce substrat est­il utile pour comprendre l’esprit d’un individu? Sous quelles conditions? LÉGENDE DU COURS : Points importants Définitions

Les premières représentations. Préhistoire:

7000 avant JC : Pratiques de trépanations. Était­ce religieux ou thérapeutique? Hypothèse religieuse: Faire sortir l’âme pour la libérer après la mort Hypothèse thérapeutique: Faire sortir le mal, la douleur.

Egypte Antique: 2600 avant JC : Récit d’Imotep, médecin de la IIIe dynastie.

C’est le premier document qui met en lien les modifications du cerveau (lésions) et comportements (troubles). C’est le début de la neuropsychologie. L’objet des trépanations est de soigner les patients. La fonction pourrait être de mettre en lien le cerveau et les troubles du comportement. Le coeur est considéré comme le véritable siège de l’âme. En effet le coeur est gardé dans une boite et conservé tandis que le cerveau et jeté comme les autres organes. C’est l’hypothèse cardiocentrique.

Grèce Antique: Hippocrate (­400 avant JC)

Le cerveau est le centre de l’intelligence (c’est une déduction car les autopsies ne sont pas pratiquées.) La théorie des humeurs (sang, flegme, biles) : Un déséquilibre humoral entraîne les troubles du comportement.

Hérophile (­300 avant JC) Il est le premier dissecteur public, et probablement un vivisecteur de criminels condamnés à mort. La théorie ventriculaire : Les parties creuses du cerveau (les ventricules) sont le siège de l’âme et des capacités cognitives.

Erasistrote (­300 avant JC) Lien entre l’intelligence et la complexité du cerveau, plus le cerveau est lourd et plus la personne est intelligence.

Aristote (­350 avant JC) Il ne voit pas de connexion directe entre le cerveau et les membres, de plus le cerveau est froid donc il doit servir à refroidir les humeurs. Le siège de la pensée est le coeur.

Galien (Rome antique) : Naissance de la physiologie expérimentale. Il est médecin pour les gladiateurs et dissecteurs d’animaux. Inventeur des concept de “pneuma” → Pneuma Vital : fabriqué par le coeur et se distribue dans le corps grâce au sang. → Pneuma Psychique : fabriqué par les ventricules a partir de l’air ou du sang, et se distribue dans l’organisme via les nerfs. Il propose l’existence du “Rete Mirabile” qui serait la voie du transport psychique à travers le corps, mais aucune autopsie n’est pratiqué sur l’Homme donc simple déduction à partir d’autopsies de cochon. Le rete mirabile est représenté sur une peinture de De Vinci, celui­ci n’ayant dessiné que par rapport à des suggestions.

La redécouverte du cerveau.

Renaissance → Théorie ventriculaire toujours dominante → Localisation cérébrale fonctionnelle : L’imagination se trouverait dans le ventricule

antérieur, la raison dans le ventricule moyen, et la mémoire dans le ventricule postérieur. → Apparition d’études anatomiques rigoureuses avec le retour aux pratiques

d'autopsie, grâce à Visale qui a une autorisation de vivisections et d’autopsies sur les criminels condamnés à mort. C’est la fin du Galiennisme. DESCARTES :

→ Approches dualistes (Platon / Descartes) ­ Distinction entre l’esprit / la conscience et le corps considérées comme deux réalités

distinctes. ­ L’esprit est une substance immatérielle. ­ L’esprit et le corps sont liés par la glande spinale, le seul endroit du cerveau qui n’est

pas en double. THOMAS WILLIS : XVIIe siècle

→ Étude des patients cérébro­lésés : Mise en évidence d’un lien entre intelligence et cortex cérébral ce qui entraîne la disparition de la théorie ventriculaire MONISME MATÉRIALISME (inverse du dualisme)

“Le cerveau secrète la pensée comme le foie secrète la bile” Nouvelle technique scientifique : Ablation de différentes zones du cerveau d’animaux et observation des conséquences de ces lésions localisées et contrôlées.

Localisations cérébrales des fonctions mentales FJ GALL Phrénologie : Étude de la forme des os du crâne. Plus une fonction mentale est développée, plus il y a de matière grise associée à cette fonction, ce qui va appuyer sur le crâne et le déformer légèrement. Donc en déduction, on va faire un inférence de l’intelligence de la personne décédée en observant la forme de son crâne. CONCEPTION INNÉISTE En ce qui concerne les capacités mentales, on ne les développe pas, on naît avec. Donc, si on n’a pas la “bosse des maths” ça ne sert à rien de faire des études dans le domaine mathématique. PIERRE­PAUL BROCA Pierre­Paul Broca est un médecin français.

Un de ses patients présente une tumeur cérébrale au niveau du lobe frontal gauche et perd la capacité de parler (il ne sait dire que “tan”) mais il a tout de même une capacité de compréhension du langage parlé et une motricité intacte. Il inventera donc le terme d’Aphasie de Broca : Perte de la capacité langagière parlée.

Lors de l’autopsie de ce patient, Mr Leborgne alias “Tan”, il découvre un lien entre la fonction intellectuelle du langage parlé et la partie inférolatérale du lobe frontal gauche. Des lors, c’est l’explosion des études de patients cérébro­lésés. A l’inverse, une lésion postérieure du lobe frontal gauche peut entraîner un autre type d’aphasie : L’Aphasie de Wernicke : Incapacité de comprendre le langage parlé mais aucune difficulté pour parler. BRODMANN Définition de la cytoarchitectonie du cerveau : Il divise le cortex en 52 aires → description anatomique et non fonctionnelle à l’époque Mais on découvre plus tard que cette description est également correspondante à des aires fonctionnelles, c’est donc une description à la fois anatomique et fonctionnelle de nos jours.

Le siècle du cerveau : 1800­1900 GOLGI Méthode de marquage cellulaire: On injecte un colorant auquel ne réagissent que certaines cellules. C’est comme cela que l’on a découvert l’existence des neurones. RAMON Y CAJAL

Le neurone est considéré comme une brique fondamentale du système nerveux. Théorie neuronale : les neurones sont les unités structurelles et fonctionnelles du système nerveux. Surrington découvre l’existence de la synapse.

Les 10 ans du cerveau Ère de l’imagerie mentale Les substrat cérébraux des capacités cognitives (EEG, scanner, IRM) permettent de voir le cerveau en action en temps réel!

L'émergence des neurosciences 1956 : le terme de neurosciences est utilisé pour la première fois en congrès de psychologie 1970 : apparition des neurosciences cognitives, mais les travaux neuroscientifiques existaient déjà. L’objet unique de la recherche est le cerveau, mais il existe des approches différentes en fonction du niveau d’analyse de l’architecture cérébrale:

­ Les neurosciences moléculaires ou cellulaires ­ Les neurosciences “intégrées” : cognitives ou comportementales

NEUROSCIENCES MOLÉCULAIRES ET CELLULAIRES Elles comportent des sous disciplines comme la biologie moléculaire ou la neuro­anatomie. L’objet d’étude est l’étude de l’anatomie et du fonctionnement de la cellule nerveuse et de la synapse. Forces et faiblesses : Forces :

­ Retombées médicales ­ Étude sur les animaux plus simple à faire

Faiblesses : ­ Transposition du modèle animal sur l’Homme très complexe

NEUROSCIENCES INTÉGRÉES L’objet d’étude est l’identification des réseaux cérébraux impliqués dans les grandes fonctions mentales Techniques utilisées :

­ Mesure de l’activité cérébrale : EEG, MEG, IRM, TEP ­ Étude des lésions cérébrales ­ Mesures psychophysiologiques : Stimulations cérébrales

Apports des neurosciences Il existe de multiples niveaux d’approche du système nerveux largement complémentaires même si dans les faits les travaux en neurosciences représentent 70% des travaux totaux. Il y a une nécessité de développement des approches transversales. LES ENJEUX La validation expérimentale des modèles théoriques du fonctionnement psychique → explosion de l’imagerie mentale LES DANGERS

­ Rabaissement des neurosciences à une “néo­phrénologie” ­ Réductionnisme biologique : Dérive de “l’Homme psychologique” à “l’Homme

biologique”. On a tendance à chercher des explications biologiques à tout, et ne laissons pas de place au niveau psychologique du comportement humain.

Cours II et III : Méthodes en Neurosciences

1. Principe, but, niveau d’étude.

→ EEG, MEG, SMT : “Électrophysiologie de la cognition” de Hot et Delpanque → IRM, TEP : “L’esprit en images” de Posner et Raiche → Cerveau et physiologie : “Introduction à l’imagerie cérébrale anatomique et

fonctionnelle” de Houdé et Al. GLOSSAIRE : EEG : Électroencéphalogramme S­EEG : Stéréotaxique EEG (EEG intracrânien) MEG: MagnétoEncéphaloGraphe IRM : Imagerie par Résonance Magnétique TEP : Tomographie à Émission de Positons SMT : Stimulation Magnétique Transcranienne Spectroscopie proche infrarouge Pourquoi la neuro­imagerie en (neuro)psychologie? → But clinique : Compléter un diagnostic, une évaluation → But recherche : Comprendre le fonctionnement, la structure du cerveau; représentations des fonctions chez les sujets sains, après lésion cérébrale; plasticité cérébrale.

Que cherche­t­on à savoir? La structure ou la fonction? Imagerie anatomique = structurale : informations sur l’anatomie

­ La région explorée est­elle normale? Identifier atrophie et hypertrophie ­ Existe­t­il une structure anormale? Quelles sont ses dimensions?

Imagerie fonctionnelle : informations sur la fonction ­ La fonction étudiée est­elle normale? identifier hypofonctionnement ou

hyperfonctionnement ­ L’anomalie est­elle globale ou partielle?

Étude fonctionnelle: Méthodes d’enregistrement indirectes : hémodynamiques Méthodes d’enregistrement directes : électromagnétiques Les tissus qui composent et ceux qui protègent le cerveau sont de bons conducteurs. Faiblesse des méthodes directes : on aura du mal à connaître précisément la région à l’origine de l’activité neuronale. Le neurone va avoir de l’énergie grâce à un réseau de capillaires sanguins qui reçoive le cerveau. L’activité métabolique associée à ce sang va être facilement localisée dans l’espace. Intérêt des méthodes indirectes : localisation de l’activité métabolique. Faiblesse méthodes indirectes : imprécises en ce qui concerne le déroulement dans le temps de cette activité. Quelles méthodes pour étudier quoi? (CF diapo espace collab)

2. Mesures invasives A. Chez l’animal 1. Imagerie anatomique

Les méthodes anatomiques consistent à découper des tranches fines de cerveau, et à l’aide de méthodes de colorations, de rechercher la présence de certains neurones, certaines cellules, et la manière dont es cellules sont connectées entre elles.

2. Imagerie fonctionnelle Stimulation électrique : On injecte un colorant, puis on stimule le neurone. Ce colorant va avoir la particularité de se déplacer jusqu’au noyau du neurone. Enregistrement unitaire du neurone:

Implantation d’une électrode à l’intérieur du cerveau. Soit elle mesure l’activité du neurone et on regarde quand est­ce que ce neurone réagit,

B. Chez l’Homme Enregistrement des champs locaux : enregistrement de l’activité de quelques centaines de neurones enregistrées directement sur / dans le cerveau. Méthodes appliquées dans le cadre de protocoles cliniques, afin de préciser quelle est la région cérébrale atteinte pour, dans un second temps, intervenir sur cette région cérébrale. Deux méthodes :

Electrocortigraphie (ECoG) : C’est un enregistrement neuronale en surface par l’intermédiaire d’électrodes directement placées sur le cortex cérébral Cet examen est pratiqué en chirurgie opératoire après crâniotomie dans le cadre de la chirurgie curative d’une épilepsie pharmacorésistante.

L’épilepsie a deux formes : ­ L’ensemble du cerveau a une activité anormalement rapide ­ Une région du cerveau, qui change en fonction des gens, a une activité anormale qui

ensuite va venir se rependre sur l’ensemble du cerveau.

EEG intracérébrale : introduire une électrode à l’intérieur du cerveau pour mesurer l’activité cérébrale de régions qui se trouvent en profondeur. Mesure de l’intérieur du cerveau

Une dernière méthode utilisée est de retirer le noyau épileptogène, la partie du cerveau à l’origine des crises d’épilepsie.

A. Principes communs à ces techniques → les neurones en activité forment des dipôles → l’activité de ces dipôles est enregistrée → L’activité électrique cérébrale est mesurée grâce à la MEG MEG : MagnétoEncéphaloGraphie. Méthode non invasive. Consiste à mesurer immédiatement au dessus du scalp (peau du crâne) les changements d’activité magnétique qui ont pour origine l’activité cérébrale. Intérêt : Si on mesure une activité magnétique cérébrale à un endroit donnée, cela veut dire que la région cérébrale à l’origine de ce champ magnétique est à proximité : bonne résolution spatiale! Problème de cette technique : Ne mesure que l’activité de surface du cerveau.

B. La MEG Le champ magnétique cérébrale est un milliard de fois plus petit que celui de la Terre. Intérêt : mettre en place des protocoles psychologiques. Faiblesse : pour mesurer cette activité magnétique, le matériel utilisé doit être isolé le plus possible du champ magnétique terrestre, c’est donc un matériel que l’on doit refroidir, et cela coûte très cher (même si on ne l’utilise pas, une journée coûte plusieurs milliers d’euros). Applications : Recherche → somatotopie sensorielle : représentation sensorielle des doigts à la surface du cortex. Somatotopie : représentation du corps dans l’espace. L’organisation du corps est en grande partie préservé au niveau de la représentation cérébrale. Contribution à la mise en évidence des phénomènes de plasticité cérébrale (patients avec membre amoutés : douleurs fantômes) Clinique → localisation de la source des signaux : neurochirurgie (épilepsie…) Avantage par rapport à ECoG et S­EEG : localisation précise sans implantation d’électrodes crânienne. On peut mesurer la taille d’une région active lorsqu’on demande à la personne de faire une tâche cognitive particulière.

C. EEG Méthode de mesure fonctionnelle. Mesure directement les modifications de l’activité électrique lors du fonctionnement du neurone. La méthode consiste à poser des électrodes directement sur le scalp. Intérêt par rapport à la MEG : Mesure une activité sur une surface plus profonde que la MEG Faiblesse : On ne saura pas exactement où est localisé le générateur cérébral de cette activité. Bonne résolution temporelle mais résolution spatiale médiocre. On “traite” le signal avant de pouvoir interpréter les résultats. On analyse et temps/fréquence ou par potentiels évoqués. Une activité EEG se caractérise par des phénomènes électriques qui se reproduisent lentement. Profils de fréquence État de vigilance associée Delta : [1­4Hz[ Sommeil profond, coma Thêta : [4­7Hz[ Endormissements, états émotionnels Alpha : [7.5­12.5Hz[ Veille diffuse, attention, mémoire, intelligence Bêta: [12.5­30Hz[ Veille active, sommeil paradoxal Gamma : >30Hz Rythme de conscience

Les potentiels évoqués: Différentes valences → modifications électrocorticales Différences entre MEG et EEG : synthèse !

MEG EEG

Mesure le champ magnétique Mesure le potentiel électrique

Réponse dipolaire perpendiculaire à la direction du dipôle

Réponse dipolaire parallèle à la redirection du dipôle

Réponse focale Réponse diffuse

Appareillage coûteux Bonne résolution spatiale

Appareillage moins cher Moins bonne résolution spatiale

­ Tomodensitométrie : basée sur les propriétés des tissus à absorber les rayons X, les régions qui absorbent le plus sont les plus visibles → utilisation clinique

­ Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire (IRM) ­ IRM de diffusion

Imagerie structurale D. IRM Technique non invasive qui permet une image en cerveau en 3D grâce à l’exploitation des propriétés magnétiques de la molécule d’eau (le corps est composé à 70% d’eau), cette méthode a une précision d’image de 1 à 3mm. Notre organisme est composé de différents tissus qui contiennent tous un grand nombre de molécules d’eau. La particularité de l’atome d’hydrogène (H) est de posséder une grande réactivité aux champs magnétiques. L’IRMa montre les différences du contenu et de la distribution de l’eau dans les tissus du corps humain. Les atomes d’hydrogènes ont des propriétés magnétiques à la base du signal résonance magnétique nucléaire : RMN. On va appliquer un champ magnétique intense (plusieurs milliers de fois le champ magnétique terrestre) autour de l’organe recherché, et tous les atomes d’hydrogènes vont réagir. On va en même temps envoyer un signal radio, et on va par moments réguliers arrêter le champ magnétique, les atomes d’hydrogène reviennent à leur position initial et en faisant cela ils émettent un signal qui correspond à un signal radio. Plus une région va être riche en molécules d’eau, plus les atomes d’hydrogènes vont emmètre de signal radio, on applique ensuite un modèle mathématique qui reconstruit l structure à l’origine de ce signal radio.

Contre­indications : ­ Absolues : lié aux caractéristique de l'acquisition du signal. Corps étranger

magnétique pacemaker, neuro­stimulateurs, piercings. ­ Liées au patient : Claustrophobie (sédatif au préalable), enfant de moins de 6 ans,

anesthésie générale, personnes obèses. Applications : Apport diagnostic dans la maladie d’Alzheimer : Atrophie de l'hippocampe et de l’amygdale. L’atrophie de l’amygdale entraîne des troubles émotionnels qui seront liés au troubles mnésiques engendrés par l’atrophie de l'hippocampe. IRM DE DIFFUSION : Repose sur le même principe que l’IRMa, mais permet de voir comment s’organisent et s’orientent les molécules d’eau, ce qui permet de tracer les fibres qui connectent différentes régions du cerveau.

E. IRMf (fonctionnelle) Le neurone, pour fonctionner, a besoin de beaucoup d’énergie, notamment de glucose et d’oxygène. Cette énergie lui est apportée par le sang. Donc à proximité d’une région en activité, le sang qui arrive est riche en oxygène, et celui qui part de cette région est pauvre en oxygène. L'oxyhémoglobine va modifier les propriétés du tissu qui se trouve à proximité. Effets indirects de l’activation neuronale :

­ Variation du volume sanguin ­ Variation du débit sanguin ­ Variations de concentration en désoxyhémoglobine par rapport à l’oxyhémoglobine

(décalage entre consommation et quantité de O2 approprié. IRMa VS IRMf IRMa étudie l’anatomie IRMf étudie la fonction L’IRMa permet de voir en grands détails les structures du corps humain et en particulier du cerveau. L’IRMf permet d’étudier quelles régions du cerveau sont impliquées dans des activités comme : regarder des objets, entendre de la musique, faire des calculs, mémoriser une liste de mots, ou ressentir des émotions. Avantages et inconvénients de la méthode:

Contraintes expérimentales : Matériel expérimental dia­magnétique (pas de matériel électronique basés sur des fibres optiques ou des tuyaux pneumatiques.

Résolution temporelle dépendant de la réponse hémodynamique.

Activation neuronale est un phénomène électrique rapide La réponse hémodynamique obtenue pas le Bold met en jeu des processus

physiologiques qui interviennent au niveau des capillaires sanguins (phénomène lent 15s)

F. TEP

Principes de base Même logique que l’IRM au départ : toute activité neuronale consomme de l’énergie sous forme de glucose ou d’oxygène. La technique consiste à injecter une version radioactive des éléments consommés par le cerveau (le plus souvent du glucose). Lorsque une partie du cerveau va être en activité, ce traceur radioactif va être plus concentré que cette région. Il va émettre des particules radioactives (positons) qui peuvent être captées par l’extérieur du cerveau grâce à une caméra qui va mesurer ….. Puis reconstruction graphique en 3D des régions cérébrales en fonction de leur degré d’activation.

Intérêts de cette technique On peut également introduire un neurotransmetteur à la place d’un marqueur ce qui permet de faire le lien entre un neurotransmetteur et une activité électrique. Avantages et inconvénients: Inconvénients :

Injection d’un produit radioactif donc méthode invasive. Résolution temporelle faible : 1 à 2 minutes pour enregistrer une image du cerveau

entier (constituée souvent de coupes de 2mm d’épaisseur) Remplacement progressif de la TEP vers l’IRMf (meilleur résolution spatiale, pas

d’injection de produit radioactif) Avantages:

Paradigme de psychologie réalisables Matériel silencieux Seule méthode permettant l’étude des relations entre cognitions et neurotransmission

G. NIRS Principe : absorption différentielle de la lumière proche infrarouge par l’hémoglobine Les molécule dHb vont réfléchir la lumière de la NIRS en fonction de leur saturation en O2: on obtient la valeur d’oxygénation tissulaire

Avantages • La non­invasité • La portabilité : possibilité d'utiliser cette technique en ambulatoire • Le coût limité : équipement entre 60 000 et 200 000 euros Inconvenients • technique à améliorer ( ici le calcul du chemin optique qui est à la base de la mesure en fNIR • résolution temporelle faible (dépend de la réponse hémodynamique qui intervient plusieurs secondes après l'augmentation d'activité neuronale) • mesures des activités corticales superficielles

Densités des méthodes récepteurs est relativement faible si on la compare à la finesse des coupes obtenues en IRM.

H. Techniques de stimulation

Stimulation cérébrale profonde Principe : Implantation de plusieurs électrodes à l’intérieur du cerveau dans le but de stimuler une structure qui dysfonctionne. Population ciblée à ce jour :

­ Maladies de Parkinson, dystonie, tremblements essentiels ­ Thérapies émergentes : Pathologies psychiatriques résistantes

­ Dépression chronique résistante ­ Troubles obsessionnels compulsifs gravissimes ­ Amélioration de la cognition dans les troubles mnésiques ­ Troubles alimentaires.

Lieux de stimulation (tendent à se multiplier): ­ thalamus ­ ganglions de la base : STN, gl. Pallidus, capsule interne ­CCA ­ Nx Accumbens 2 électrodes de stimulation avec généralement 4 plots de contact

Dans le cas des pathologies structurales La maladie de Parkinson : Stop les tremblements La maladie d’Alzheimer : Stop la dégradation des neurones

Dans le cas des pathologies fonctionnelles Pour la maladie de Gilles de la Tourette, un patient peut vivre une vie normale, puisqu’il n’aura plus toutes ces compulsions verbales et corporelles.

Stimulation magnétique transcrânienne (SMT) Envoyer des courants magnétiques sur des régions localisées du cerveau selon une fréquence qui va soit augmenter l’activité cérébrale soit la diminuer. Appliquée en cas de dépression résistantes, . Ces stimulations s’accompagnent dans ⅔ des cas d’une amélioration de l’état d’humeur qui persévère une fois la thérapie terminée.