Il y a cinq ans, un homme se promenant dans une pièce et portant un casque qui enregistre ses fonctions cérébrales aurait ressemblé à de la science-fiction. Les chercheurs ont désormais conçu un casque léger doté de minuscules capteurs de la taille d’un LEGO qui scannent le cerveau pendant qu’une personne bouge.
Le casque est le premier du genre à enregistrer avec précision les champs magnétiques générés par l’activité cérébrale lorsque les personnes sont en mouvement, rapporte un nouveau document de recherche publié dans NeuroImage. Cette avancée pourrait faciliter la réalisation d’échographies cérébrales chez les jeunes enfants et les personnes souffrant de troubles neurologiques qui ne peuvent pas toujours rester immobiles avec les scanners conventionnels.
Les chercheurs peuvent utiliser le scanner cérébral portable, qui peut être adapté à différentes tailles et formes de tête, pour en savoir plus sur le développement du cerveau et sur ce qui se passe dans le cerveau des enfants et des adultes qui développent des maladies neurologiques telles que l’autisme, l’épilepsie, les accidents vasculaires cérébraux, les commotions cérébrales et La maladie de Parkinson.
Un mouvement sans contrainte pendant une analyse ouvre une multitude de possibilités d’investigation clinique et permet une gamme fondamentalement nouvelle d’expériences neuroscientifiques. »
Niall Holmes, Ph.D., chercheur Mansfield à l’École de physique et d’astronomie de l’Université de Nottingham
Sommaire
Comment les champs magnétiques sont enregistrés
Lorsque les cellules de votre cerveau (neurones) interagissent, elles génèrent un petit courant électrique. Ce courant électrique produit un champ magnétique qui peut être détecté, enregistré et analysé par des capteurs magnétiques sensibles à l’aide d’une technique appelée magnétoencéphalographie (MEG). Ces capteurs doivent être très sensibles pour détecter les faibles signaux produits par les champs magnétiques.
La technologie MEG peut enregistrer les signaux cérébraux normaux et anormaux chaque milliseconde. Les sources neuronales de ces champs magnétiques sont superposées sur une image anatomique du cerveau, permettant aux cliniciens de visualiser où et quand proviennent des activités cérébrales spécifiques.
Les systèmes MEG ont évolué jusqu’à ce que vous puissiez vous asseoir et placer votre tête à l’intérieur, mais ils sont encombrants et rigides, comme un sèche-cheveux à l’ancienne où vous devez garder la tête immobile pendant un certain temps. De plus, les systèmes MEG conventionnels sont dotés de capteurs qui nécessitent un refroidissement à des températures inférieures ou égales à zéro afin qu’ils ne puissent pas être placés directement sur votre cuir chevelu.
Des chercheurs de l’Université de Nottingham ont utilisé une nouvelle génération de capteurs de champ magnétique appelés magnétomètres à pompage optique (OPM) qui fonctionnent à température ambiante et peuvent être placés près de la tête, améliorant ainsi la qualité des données. De plus, les capteurs placés dans le casque sont flexibles, permettant aux enfants et aux adultes de bouger pendant le balayage.
Mais il y a un inconvénient : les OPM doivent fonctionner sans « bruit » de fond (champs magnétiques) qui peuvent interférer avec la qualité de l’enregistrement. Les chercheurs ont dû concevoir un système de blindage magnétique capable d’annuler ou de compenser ces champs magnétiques.
Conception d’un système de bobines matricielles
L’équipe de recherche de Nottingham a construit un système de bobines électromagnétiques pour se protéger du bruit de fond et les a positionnées sur deux panneaux autour du participant. Des recherches antérieures publiées dans Nature montrent que huit grandes bobines annulaient les champs magnétiques de fond, mais à une position fixe qui ne permettait que de petits mouvements de tête.
Holmes et son équipe ont conçu un nouveau système de bobines matricielles comprenant 48 bobines plus petites réparties sur deux panneaux positionnés autour du participant. Les bobines peuvent être contrôlées individuellement et recalibrées en permanence pour compenser les changements de champ magnétique subis par les capteurs en mouvement, garantissant ainsi l’enregistrement de données MEG de haute qualité.
« Cela permet une compensation du champ magnétique dans n’importe quelle position, ce qui rend les scans OPM-MEG plus confortables pour tout le monde et permet aux gens de se déplacer », a déclaré Holmes.
Les chercheurs ont démontré les capacités du nouveau système de bobines matricielles au moyen de quatre expériences. Ils voulaient d’abord montrer que le casque stationnaire (que personne ne portait) placé à l’intérieur des deux panneaux de bobines pouvait réduire les champs magnétiques de fond, ce qu’il a fait. Ensuite, un participant en bonne santé a porté le casque, démontrant que les OPM enregistraient ses fonctions cérébrales lorsqu’il bougeait la tête et que les bobines annulaient les champs magnétiques.
Une troisième expérience a utilisé une bobine de fil comme indicateur de l’activité des cellules cérébrales, car elle produit des champs magnétiques lorsque des courants électriques sont appliqués. La bobine de fil fixée au casque avec des capteurs OPM a montré que la bobine matricielle compensait les changements liés au mouvement, garantissant ainsi des mesures précises. La dernière expérience a montré que le casque porté par un deuxième participant en bonne santé pouvait produire un enregistrement de haute qualité de l’activité cérébrale lors de la marche.
« En tirant parti de la récente technologie OPM-MEG et en concevant un nouveau système de protection magnétique, ce casque représente une nouvelle approche magnétoencéphalographique qui pourrait aider à en révéler davantage sur le fonctionnement du cerveau », a déclaré Shumin Wang, Ph.D., directeur de programme à la Division NIBIB des sciences appliquées et de la technologie (bioimagerie).
La principale limite de l’étude était que le système de bobines matricielles devait être utilisé dans une pièce protégée magnétiquement pour que le système fonctionne efficacement. La pièce, qui mesurait environ 9 pieds sur 9 pieds dans l’étude, limitait la capacité des participants à se déplacer au-delà de ce cadre contrôlé.
Applications de recherche
Une société cofondée par Holmes et ses collègues vend les systèmes OPM-MEG, qui comprennent une salle blindée magnétiquement, à des centres de recherche en Amérique du Nord et en Europe pour mener diverses expériences neuroscientifiques.
L’un des centres américains à utiliser le système MEG-OPM est le Virginia Polytechnique Institute and State University, qui a collaboré avec l’équipe de Nottingham dans le cadre d’une autre étude visant à déterminer dans quelle mesure le casque OPM-MEG fonctionnait lorsque deux individus en portaient chacun un et interagissaient ensuite. Pour mener cette étude de validation de principe, deux expériences impliquant une interaction sociale ont été menées.
« Pour vraiment étudier le fonctionnement du cerveau humain, nous devons intégrer les gens dans leur environnement naturel préféré, c’est-à-dire un environnement social », a déclaré Read Montague, Ph.D., chercheur principal de l’équipe Virginia Tech et directeur de l’université. Centre de recherche en neurosciences humaines. La recherche a été publiée cette année dans Sensors.
Les échanges sociaux consistaient en deux participants se caressant les mains puis jouant une partie de ping-pong. Les deux expériences ont montré que malgré les mouvements importants et imprévisibles des participants, l’activité cérébrale de chaque personne était clairement enregistrée.
Prochaines étapes
La société collecte des données pour obtenir l’approbation des organismes de réglementation, notamment de la Food and Drug Administration des États-Unis, afin de déployer le système dans des populations cliniques. Ce processus peut prendre jusqu’à cinq ans.
Cette recherche a été financée en partie par la subvention NIBIB (R01EB028772).
