HORIZONS STIM : Deux chercheurs de Concordia veulent cartographier votre cerveau

L’idée de pénétrer dans l’esprit d’une personne comme dans les films La Matrice peut sembler tirée par les cheveux, mais l’amélioration des techniques de neuro-imagerie facilite l’élucidation des mystères du cerveau humain.

Il existe de nombreux moyens de recueillir des images du cerveau. Certains, comme l’imagerie par résonance magnétique (IRM), produisent des images structurales qui montrent l’anatomie de l’organe. L’IRM est principalement utilisée pour diagnostiquer les problèmes d’envergure comme les tumeurs.

Un autre groupe de méthodes d’imagerie donne des images fonctionnelles, qui permettent aux scientifiques d’observer les processus d’activation du cerveau. Par exemple, les images fonctionnelles peuvent indiquer quelle partie de l’organe est activée durant certaines tâches motrices.

La spectroscopie infrarouge proche appartient à cette dernière catégorie. Cette méthode sert à l’étude des changements de concentration saturante en oxygène dans l’hémoglobine du cortex. Or, deux chercheurs du Centre PERFORM de l’Université Concordia entendent améliorer la qualité des données qu’elle permet de collecter.

Zhengchen Cai, doctorant en physique, et Thomas Vincent, boursier postdoctoral au Département de physique, travaillent depuis quelques années sur une méthodologie et un logiciel destinés à l’analyse des données issues de la spectroscopie infrarouge proche.

En compagnie de Christophe Grova, professeur agrégé au Département de physique de Concordia et superviseur de M. Cai, ils animeront un atelier sur leur nouveau logiciel les 14 et 15 mai prochains, à l’occasion de la Semaine de la recherche du Centre PERFORM.

« La neuro-imagerie est un domaine très pluridisciplinaire »

Quel est le rapport entre les images ci-dessus et ci-dessous et vos travaux à Concordia?

Thomas Vincent : La photographie ci-dessus à gauche me montre avec l’appareil de spectroscopie infrarouge proche fixé sur ma tête. Les capteurs sont dissimulés sous une tuque, car ils sont sensibles à l’éclairage ambiant. La lumière infrarouge proche pénètre dans le crâne.

Ce dispositif de neuro-imagerie peut suivre les variations de l’oxygénation sanguine au niveau du cortex. Ces variations reflètent l’activité cérébrale, par exemple durant une tâche motrice de tapotement des doigts.

L’image tout en haut illustre mon travail de développement d’un logiciel – soit la boîte à outils NIRSTORM – destiné au traitement des données issues de la spectroscopie infrarouge proche. Elle montre l’activité de la zone motrice du cerveau causée par le tapotement des doigts.

Zhengchen Cai : Pour étudier les activités hémodynamiques du cerveau humain à l’aide de la spectroscopie infrarouge proche, nous devons collecter des données selon un protocole expérimental particulier. Le matériel figurant dans l’image ci-dessous est le système Brainsight NIRS, qui « illumine » le cerveau au moyen de la lumière infrarouge proche.

Il détecte également les variations de l’intensité de la lumière résultant des changements de la concentration d’hémoglobine dans le cerveau. Le système Brainlight de même que l’IRM anatomique du sujet produisent en quelque sorte une carte du cerveau.

Ainsi, nous pouvons concentrer notre attention sur les capteurs placés au-dessus de la zone qui nous intéresse ou stimuler une région particulière du cortex.

Quels résultats attendez-vous de vos travaux? Et quels pourraient en être les effets concrets dans la vie des gens?

Thomas Vincent : Le principal avantage de la spectroscopie infrarouge proche est qu’elle permet de travailler sans fil, à l’aide d’un petit appareil qui peut être transporté à la ceinture, par exemple.

Cette liberté de mouvement signifie qu’on peut évaluer le comportement humain en contexte naturel. Ainsi, je m’intéresse à la possibilité de réaliser une tâche de mémoire tout en marchant. Il s’agit d’étudier la manière dont l’attention est divisée et le mécanisme cérébral sous-jacent. On peut d’ailleurs envisager une application qui viserait à prévenir les chutes chez les personnes âgées.

Zhengchen Cai : Grâce à l’algorithme de reconstruction de spectroscopie infrarouge proche élaboré dans notre laboratoire, nous pensons pouvoir retrouver l’emplacement, la taille et l’amplitude des réponses hémodynamiques sous le cuir chevelu ainsi que leur étendue spatiale le long de la surface corticale.

En conjuguant cette technique à une stimulation magnétique transcrânienne – qui modifie temporairement le niveau d’excitabilité du cerveau –, nous souhaitons caractériser les liens entre les réponses hémodynamiques liées aux tâches et l’excitabilité corticale.

Avant tout, ce projet constitue une première étape nécessaire afin d’obtenir un aperçu physiopathologique de la relation entre excitabilité et activité hémodynamique. Nous pourrons ainsi contribuer au traitement de patients atteints d’épilepsie en proposant un jour des applications de stimulation cérébrale non effractive.

Quels sont les principaux obstacles auxquels vous vous êtes heurtés dans vos travaux?

Thomas Vincent : En ce qui me concerne, le principal défi réside dans la qualité des données et le bruit expérimental. Afin d’y répondre, nos efforts visent à améliorer la technique de mesure en plaçant les capteurs de manière optimale. De plus, je mets au point des méthodes statistiques avancées pour mieux distinguer les composants cognitifs des sources de bruit dans le signal.

Zhengchen Cai : Mon projet de recherche consiste à mener à bien des tâches exhaustives et à soumettre des études en neuro-imagerie à toutes les étapes du processus scientifique, depuis la conception de l’expérience et le recrutement des sujets jusqu’à l’élaboration de la méthodologie et à l’analyse des données. Je dois par ailleurs être en mesure de m’occuper à la fois des travaux pratiques et théoriques qui en découlent.

Quelle personne, quelle expérience ou quel événement particulier vous a donné l’idée de votre sujet de recherche et incité à vous intéresser à ce domaine?

Thomas Vincent : Lorsque je me suis joint aux équipes de recherche de Christophe Grova et de Louis Bherer, j’ai découvert une neuro-imagerie reposant sur des expériences pratiques plus enrichissantes. J’ai pu mettre au point des modèles statistiques avancés tout en prenant part à des initiatives expérimentales concrètes. En matière d’applications, j’ai contribué à la prévention du déclin cognitif chez les populations vieillissantes.

Zhengchen Cai : Tout s’est déroulé naturellement. J’ai fait un baccalauréat en génie électronique lié aux travaux de recherche que je mène actuellement. Bizarrement, j’ai été inspiré par les films La Matrice, dont je suis un grand fan – ce serait formidable d’explorer le cerveau humain de cette manière. Étant donné que nous modifions le niveau d’excitabilité du cortex, c’est un peu comme si nous « pirations » le cerveau.

Comment les étudiants en STIM que cela intéresse peuvent-ils se lancer dans ce type de recherche? Quel conseil leur donneriez-vous?

Thomas Vincent : La neuro-imagerie est un domaine très pluridisciplinaire qui fait appel à la physique, à la cognition, au génie électrique, aux statistiques et aux mathématiques avancées ainsi qu’au développement logiciel. Le meilleur conseil qu’on peut donner aux étudiants est d’avoir une expertise dans au moins deux de ces disciplines.

Qu’est-ce qui vous plaît le plus à Concordia?

Thomas Vincent : Je suis particulièrement impressionné par la manière dont Concordia crée des paradigmes de recherche inédits et novateurs. Le Centre PERFORM constitue un exemple remarquable de plateforme unique combinant des techniques de neuro-imagerie de pointe, un laboratoire biochimique, un module de nutrition et un équipement de recherche sur l’exercice physique.

Zhengchen Cai : Étudier au sein du laboratoire de Christophe Grova à Concordia est une opportunité extraordinaire, car nous tissons souvent des liens avec des experts du domaine en vue d’apprendre et de partager nos expériences. Grâce au Centre PERFORM, nous disposons d’une excellente plateforme pour explorer la neuro-imagerie. Nous sommes aussi à même de bâtir une communauté de recherche dans le domaine à l’Université.

Vos recherches bénéficient-elles du financement ou du soutien de partenaires ou d’organismes?

Thomas Vincent : Grâce aux subventions de Christophe Grova et de Louis Bherer, mes travaux ont été financés par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), les Instituts de recherche en santé du Canada et la chaire de recherche de l’Université Concordia en santé préventive.

Zhengchen Cai : Mon projet est appuyé par une subvention du Réseau de bio-imagerie du Québec accordée par le Fonds de recherche du Québec – Santé ainsi que par une subvention à la découverte du CRSNG.

Apprenez-en davantage sur l’atelier NIRSTORM et la Semaine de la recherche du Centre PERFORM.