EEG
(Électroencéphalographique)

Introduction

L’électroencéphalographie est une technique non invasive d’imagerie fonctionnelle du cerveau, qui mesure l’activité électrique générée par les cellules nerveuses par le biais d’électrodes placées sur le cuir chevelu. L’électroencéphalogramme (EEG) est la transcription sous forme d’un tracé des variations dans le temps de l’activité électrique du cerveau. L’EEG est non seulement utilisée pour étudier le fonctionnement du cerveau chez des individus sains, mais également pour diagnostiquer certaines maladies qui modifient l’activité électrique cérébrale (p.ex., épilepsie, migraines, troubles du sommeil).


Historique

Les premiers enregistrements EEG remontent à la fin du 19e siècle. En 1875, le médecin britannique Richard Caton documenta chez des animaux que l’activité électrique générée par le cerveau correspondait à l’activité mentale. Ses études démontrèrent que les patrons d’activité électrique varient en fonction de l’état de la conscience de l’animal (p. ex., éveil, sommeil, anesthésie et mort), mais également suite à une stimulation externe (Collura, 1993). Ce n’est que quarante-neuf ans plus tard que le premier enregistrement EEG fut réalisé chez l’être humain. En 1924, le neuropsychiatre allemand Hans Berger enregistra l’activité électrique du cerveau d’un jeune patient ayant subi une trépanation pour exciser une tumeur cervicale. Il fut le premier à amplifier le signal obtenu et à documenter la relation entre l’activité mentale et les variations au niveau du signal électrique dans certaines bandes de fréquences chez l’être humain. En 1929, il publia les résultats de ses observations. Dans cette publication, Berger décrit deux rythmes cérébraux ; le rythme alpha et le rythme bêta. Les travaux de Berger marquèrent les débuts de l’utilisation de l’EEG en clinique et en recherche. 

 

La source du signal EEG

L’activité électrique enregistrée par EEG provient en majorité des neurones pyramidaux des couches III, V et VI du cerveau (voir la Figure 1). Le signal capté provient de la synchronisation dans le temps et l’espace de l’activité de cellules nerveuses (environ 100 000 neurones). L’activité cérébrale mesurée provient de l’excitation de neurones qui entraîne l’ouverture de canaux ioniques à chaque jonction synaptique. L’ouverture des canaux ioniques engendre un mouvement des particules chargées dans les milieux intra et extracellulaires (voir animation : http://svt.ac-creteil.fr/?Comprendre-organisation-et #outil_sommaire). Le mouvement des particules chargées provoque des potentiels électriques. Les potentiels électriques générés par les cellules nerveuses peuvent être captés par de petits capteurs, qui sont le plus souvent des électrodes en chlorure d’argent (AgCl). Les électrodes peuvent être fixées sur le cuir chevelu par le biais de pâte conductrice et d’un casque. La pâte conductrice (mélange de pierre ponce et de chlorure de sodium) réduit l’impédance (c.-à-d. la résistance au passage d’un courant électrique, laquelle se mesure en ohms).  Puisque les signaux EEG sont de faible amplitude (c.-à-d. de l’ordre du microvolt [μV] ; généralement entre 0,5 à 100 μV), ils doivent être amplifiés des milliers de fois (10 000 à 50 000) à l’aide d’un dispositif d’amplification (Teplan, 2002). Le signal EEG est également modifié par le crâne, les méninges ainsi que le liquide céphalo-rachidien. En effet, le signal capté par les électrodes à la surface du crâne est modifié après avoir traversé les os du crâne et le cuir chevelu.  Il est donc difficile de localiser la source du signal, c’est-à-dire d’identifier les régions d’où proviennent les signaux électriques. L’activité musculaire et le clignement des yeux influencent également le signal EEG puisque celle-ci génère aussi une activité électrique. En mesurant l’activité oculaire à l’aide d’un électro-oculogramme, on peut éliminer les essais ou les périodes de temps contaminés par l’activité oculaire. Les battements cardiaques ainsi que les contractions musculaires sont également une source de bruit dans le signal EEG.


De plus, les électrodes EEG ne captent pas seulement le signal électrique provenant du cerveau. Les électrodes sont extrêmement sensibles à leur environnement ; elles peuvent capter le bruit électromagnétique généré par des appareils électriques environnants (p. ex., ordinateur, téléphone cellulaire, amplificateur, éclairage). Afin d’éviter ou de diminuer la présence de bruit électromagnétique dans le signal EEG, plusieurs mesures peuvent être prises avant de débuter l’expérience EEG. Lors d’expériences en laboratoire, l’utilisation d’une cage de Faraday élimine la présence de bruit électromagnétique généré par des appareils électroniques situés à l’extérieur de la cage. On peut également demander aux participants de ne pas cligner des yeux et de minimiser tout mouvement.


Malgré toutes les mesures préventives mises en place afin d’éviter que les électrodes captent des bruits électriques, le signal EEG brut demeure bruyant. Néanmoins, puisque le bruit électromagnétique capté par les électrodes est généralement beaucoup plus élevé que le signal EEG d’intérêt, lors de l’analyse du signal EEG on peut moyenner les essais afin d’augmenter le ratio signal/bruit distinguant ainsi le signal EEG associé à du bruit de celui d’intérêt. Sur un tracé EEG, on peut donc observer le signal EEG d’intérêt (p. ex. rythmes cérébraux ou potentiels évoqués cérébraux) et du bruit électromagnétique.

 

Les rythmes cérébraux

Les rythmes cérébraux sont des signaux spontanés, c’est-à-dire qu’ils ne sont pas induits par une stimulation externe. Ces rythmes sont utilisés en neurosciences cognitives afin de classifier les patrons de sommeil, identifier des patrons d’activité neuronale atypiques associés à des pathologies (p. ex. épilepsie, tumeurs cervicales) ou bien à des états de conscience et de vigilance. Parmi les rythmes cérébraux, on peut identifier certains profils de fréquences (voir la figure 3). Voici quelques exemples de rythmes cérébraux :

 

 

Rythme cérébral

Bande de fréquence

Delta

Inférieure à 4 Hz

Thêta

4 à 7 Hz

Alpha

8 à 12 Hz

Bêta

15 à 30 Hz

Gamma

Plus de 30 Hz

 

 

 

Rythmes delta : Ce sont des ondes lentes. Elles sont présentes lors d’un état de méditation profonde ou d’un état de sommeil sans rêves.

 

Rythmes thêta : Ce sont des ondes présentes lors d’un sommeil profond. Ces ondes jouent un rôle lors de l’apprentissage et de la consolidation de mémoires.

 

Rythmes alpha : Ces ondes sont présentes lors d’un état d’éveil de vigilance ou de méditation légère. Elles sont associées à la coordination d’activité mentale et à l’apprentissage.

 

Rythmes bêta : Ces ondes sont présentes lors d’un état d’éveil lorsque notre attention est engagée par des tâches cognitives (p. ex. prendre une décision, résoudre un problème) ou le monde extérieur.

 

Rythmes gamma : Ce sont les ondes les plus rapides. Elles sont associées au traitement d’information par différentes régions du cerveau (c’est-à-dire la synchronisation de plusieurs régions du cerveau). Elles sont également présentes lors d’état nécessitant un haut niveau d’attention ou de concentration.

 

Les potentiels évoqués

Contrairement aux rythmes cérébraux, les potentiels évoqués représentent la réponse du système nerveux central à une stimulation extérieure ou à un événement interne (p.ex. émotion, pensée, souvenir). Il existe plusieurs types de potentiel évoqué :

  • Potentiels évoqués visuels
  • Potentiels évoqués auditifs
  • Potentiels évoqués sensitifs
  • Potentiels évoqués cognitifs
  • Potentiels évoqués moteurs

 

On distingue les différents types de potentiel évoqué en fonction de la nature de la stimulation. Les potentiels évoqués par une stimulation extérieure ou un événement interne sont mesurés en enregistrant l’activité électrique comme différences de potentiel entre des paires d’électrodes. Puisque les changements de potentiels sont très faibles, afin de capturer les potentiels évoqués, il est nécessaire d’enregistrer plusieurs fois le signal EEG associé à une même tâche ou à une stimulation répétée. En moyennant ces répétitions, on peut dissocier les réponses neuronales associées à l’activité de fond et au bruit en augmentant le ratio signal/bruit. Les potentiels évoqués sont identifiés en fonction de leur polarité (n = négative, p = positive), de leur temps d’apparition en millisecondes, leur localisation sur le scalp ainsi qu’en fonction du protocole utilisé (MMN = mismatch negativity).

 

Les potentiels évoqués ont une très grande utilité tant en clinque que pour la recherche en neuroscience cognitive. En contexte clinique, les potentiels évoqués sensoriels (p. ex. visuels ou auditifs) peuvent aider au diagnostique certaines maladies neurologiques (p.ex. sclérose en plaques, tumeurs du système auditif). En recherche, les potentiels évoqués sont très importants dans l’étude du décours temporel de processus cognitifs liés par exemple au langage, à la mémoire, et au traitement sensoriel (Luck, 2014).

 

 

           

Systèmes modernes

Les appareils modernes possèdent en général un minimum de 32 canaux et un maximum de 256 canaux, permettant un enregistrement en continu d’une énorme quantité de signaux. Il existe de nombreux manufacturiers. Il existe également des systèmes compatibles avec l’IRM et la TMS.

 

1. Électrodes : On utilise des électrodes pour mesurer les rythmes cérébraux et les potentiels évoqués. Il existe plusieurs types d’électrodes (actives, passives). Les électrodes actives possèdent un système de pré-amplification à l’intérieur même de l’électrode contrairement aux électrodes passives. Les électrodes actives ne requièrent aucune préparation de la peau (p. ex. gel conducteur) contrairement aux électrodes passives.

 

 

1.1  Montage d’électrodes

Les montages représentent une combinaison de paires d’électrodes.

  • Montage unipolaire (référentiel): dans un montage unipolaire, il y a une électrode de référence et une électrode active. On mesure la différence de potentiel entre l’électrode active et l’électrode de référence.
  • Montage bipolaire: dans un montage bipolaire, les deux électrodes sont actives. La différence de potentiel est mesurée entre ces deux électrodes.

 

1.2 Emplacement des électrodes

Le système international 10/20 de placement des électrodes est le système le plus couramment utilisé (voir. Fig. 3). Les chiffres 10 et 20 dénotent le fait que la distance entre deux électrodes adjacentes est de 10 % à 20 % de la distance totale soit entre le devant et le derrière de la tête ou entre le côté gauche et le côté droit du crâne. Au total, 21 électrodes sont posées sur le cuir chevelu selon des règles strictes. Il existe également d’autre système de placement des électrodes tel que le système 10/10.

 

2. Amplification : comme mentionné plus haut, le signal EEG étant faible, il doit être amplifié. On utilise un dispositif d’amplification sélective ayant un gain élevé. Le gain représente le ratio entre le signal de sortie et d’entrée (exprimé en dB). Les amplificateurs éliminent également le bruit dans le signal EEG qui affecte les électrodes. 

 

3. Filtrage : Différents filtres peuvent être utilisés afin de réduire la contamination du signal EEG par du bruit. Un filtre passe-haut par exemple, atténue les basses fréquences. Un filtre passe-bas élimine les variations rapides de hautes fréquences.

 

4. Conversion A/D: Afin de pouvoir traiter les signaux enregistrés, le signal analogique doit être converti en un signal numérique.

 

 

Avantages et désavantages de l’EEG

Un des avantages de l’EEG est son excellente résolution temporelle (~ 1 ms), laquelle permet d’explorer l’activité du cerveau en ligne, lors de la préparation ou de l’exécution de tâches cognitives ou motrices, ou lors du traitement sensoriel. Un autre avantage de l’EEG est que cette technique est « silencieuse » comparé à l’IRMf et la PET ce qui est intéressant pour les chercheurs qui s’intéressent au traitement auditif. De plus, le signal EEG n’est pas contaminé par les mouvements corporels des participants. Donc l’EEG peut-être utilisé relativement facilement chez les très jeunes enfants.

Sur le plan pratique, les coûts d’acquisition et d’opération de l’EEG sont relativement moins élevés que l’IRMf ou la tomographie par émission de positrons (TEP). Toutefois, la résolution spatiale de l’EEG comparée à celle de l’IRMf et de la PET est relativement limitée, car les signaux électriques sont atténués par le cuir chevelu et ne sont mesurés que lorsqu’ils émanent du cuir chevelu. De plus, l’EGG, contrairement à l’IRMf et la TEP n’offre pas une image tridimensionnelle du cerveau. L’EEG peut être combiné à l’IRMf et la TMS à l’aide de systèmes spéciaux compatibles IRM et/ou TMS, pour offrir de l’information détaillée sur le plan temporel et spatial.

 

Considérations de sécurité

Il n’y a aucun risque associé avec les enregistrements EEG. L’EEG peut être utilisé avec des participants de tous les âges, des nouveau-nés aux personnes âgées ainsi que chez des populations cliniques. Il peut être utilisé durant les états de veille, de sommeil ou d’inconscience (p.ex. coma) pour étudier les processus en cours. Toutefois, le port du casque EEG peut entraîner un léger inconfort.

 

Figure 1. Les six couches du cerveau.

 

Source : http://www.maxicours.com/se/fiche/0/2/142702.html


 



Figure 2. Les différentes ondes.


Source: http://tpe-batement-binauraux.webnode.fr/quest-ce-que-les-battements-binauraux-/

 

 


Fig. 3 Position standardisée des électrodes à la surface du crâne (système 10/20). On utilise des lettres et de chiffres afin de caractériser l’emplacement des électrodes. Les chiffres dénotent l’emplacement des électrodes en fonction de l’hémisphère dans lequel ils se retrouvent. Les chiffres impairs représentent les électrodes localisées sur l’hémisphère gauche alors que les chiffres pairs représentent celles de l’hémisphère droit. La lettre « Z » est utilisée afin d’identifier les électrodes positionnées  sur la ligne médiane (c.-à-d. la ligne qui relie le nasion à l’inion). Les lettres quant à elles servent à identifier l’emplacement des électrodes en fonction des lobes du cerveau. La lettre A est utilisée pour identifier les oreilles. Fp = Fronto-polaire; A = Auriculaire; F = Frontale; T = Temporale; C = Centrale; P = Pariétale; O = Occipitale.

(Briere & Lopez)


Source: http://www.med.univ-montp1.fr/enseignement/cycle_2/UE_systeme_neurosensoriel/Ressources_locales/ED_en_EEG.pdf

 

 

Références

 

Briere, C., & Lopez, R. Introduction à l'électro-encéphalographie. [Powerpoint slides]. Retrieved from Faculté de Médecine Montpellier-Nîmes website: http://www.med.univ-montp1.fr/enseignement/cycle_2/UE_systeme_neurosensoriel/Ressources_locales/ED_en_EEG.pdf

Collura, T. F. (1993). History and evolution of electroencephalographic instruments and techniques. J Clin Neurophysiol, 10(4), 476-504.

Luck, S. J. (2014). An introduction to the event-related potential technique: MIT press.

Teplan, M. (2002). Fundamentals of EEG measurement. Measurement science review, 2(2), 1-11.

 

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