Communication scientifique
Session of 2 décembre 2009

Neuro-imagerie cognitive : phylogenèse et ontogenèse

MOTS-CLÉS : cognition. diagnostic par imagerie. électroencéphalographie. neuroanatomie. neurochirurgie. neurologie. systeme nerveux central
Cognitive neuro-imaging : phylogenesis and ontogenesis
KEY-WORDS : central nervous system. diagnostic imaging. electroencephalography

Stanislas Dehaene et Ghislaine Dehaene-Lambertz

Résumé

L’imagerie cérébrale visualise l’anatomie et l’activité du cerveau de l’enfant, dès la première année de vie, « recyclées » ensuite par les acquits (lecture, l’arithmétique). Au plan technique, les potentiels évoqués cartographiques du bébé sont exploitables dès quelques mois (64 ou 128 éléctrodes), à précision temporelle de la milliseconde. La magnéto-encéphalographie (MEG) est coûteuse. Inoffensive chez l’enfant aux champs utilisés (1.5 ou 3 T.), l’IRM exige précautions anti-ferromagnétiques, protection anti-bruit des oreilles des nourrissons (tunnel, casque), un des parents dans le champ de vision de l’enfant. En dépit de ces efforts, beaucoup d’artéfacts de mouvements apparaissent. L’organisation cérébrale du très jeune enfant : plissements corticaux et évolution avec l’âge chez le prématuré, asymétrie cérébrale et latéralisation du langage, sillon temporal supérieur, asymétries anatomiques doublées d’une organisation fonctionnelle précoce, réponse au langage parlé (deux-trois mois), activations régions temporales et région frontale inférieure gauche (Broca) sont les mêmes que chez l’adulte. Asymétrie en faveur de l’hémisphère gauche dans l’activation temporale (planum). Lobe temporal déjà organisé hiérarchiquement : comme chez l’adulte, les réponses les plus rapides s’observent au niveau du cortex auditif primaire, et se ralentissent progressivement à mesure que l’on progresse vers le planum temporale,capacité de discrimination des syllabes, indépendamment du locuteur, et fusion des informations visuelles et auditives concernant l’articulation de la parole. Le cerveau du nouveau-né se spécialise pour les voyelles et les consonnes de sa langue maternelle. Sur le plan visuel, capacité de reconnaissance visuelle précoce, notamment pour les visages, potentiels évoqués afin d’étudier la séparation d’une voie dorsale et d’une voie ventrale classique chez l’adulte (ventrale = reconnaissance de l’identité des objets indépendamment de leur position et de leur orientation, voie visuelle dorsale = calcul de la position des objets, planification des actions, mais également le dénombrement du nombre d’objets). Potentiels évoqués à trois mois = cerveau, = répond déjà aux changements d’identité et de nombre d’un ensemble d’objets. Nous avons observé, dès cet âge, une division nette entre un traitement ventral (temporal gauche) de l’identité et un traitement dorsal (pariétal droit) du nombre d’objets. Le cerveau du nourrisson est déjà organisé dès les premiers mois de vie. Ma proposition théorique est que Tirés à part : Professeur Stanislas Dehaene, NeuroSpin, CEA-Saclay ces biais cérébraux précoces fournissent un cadre qui contraint les apprentissages culturels. Les inventions culturelles telles que la lecture ou le calcul symbolique envahissent des circuits corticaux qui ont évolué dans un tout autre contexte, mais qui sont susceptibles de se recycler partiellement pour de nouveaux usages propres à l’espèce humaine. Chaque objet culturel occupe ainsi une niche cérébrale particulière, un circuit déjà organisé mais doté d’une plasticité suffisante pour se reconvertir.

Summary

Brain imaging methods can visualize the anatomy and activity of children’s brains, from the first year of life. These structures and activities are subsequently ‘‘ recycled ’’ by acquisitions such as reading and arithmetic. Evoked potential mapping of babies aged only a few months, with 64 or 128 electrodes, has a temporal precision of the millisecond order. Magneto-encephalography (MEG) is a costly method. Safe at the field strengths currently used (1.5 or 3 T), MRI requires anti-ferromagnetic precautions, noise protection (tunnel, helmet), and the presence of a parent in the child’s field of view. Despite these efforts, movement artifacts remain more of a problem than with adult brain imaging. Brain organization in very young children includes cortical folds and their evolution with time in the premature brain ; asymmetry and lateralization of language ; the superior temporal sulcus ; and anatomical asymmetries combined with early functional organization. The response to spoken language (two-three months), activation of the temporal region and left inferior frontal region (Broca) — as in adults, the asymmetry favoring the left hemisphere during temporal activation (planum). The temporal lobe is hierarchically organized: as in adults, the fastest responses are observed in the primary auditory cortex, decreasing gradually as one progresses to the planum temporal. Syllabes discrimination, regardless of the speaker, and a fusion of visual and auditory information with respect to speech. The newborn brain specializes in the vowels and consonants of the mother tongue, and early visual recognition, especially of faces. Evoked potentials to study the separation of a dorsal track and a classical ventral track in adults. Ventral = identification of objects regardless of their position and orientation ; dorsal visual pathway = calculation of the position of objects, action planning, but also counting the number of objects. Evoked potentials at 3 months = brain = already capable of observing changes in the nature and number of a set of objects. We have observed at this early age a clear division between ventral (left temporal) processing of identity and dorsal (right parietal) processing of numbers of objects. The infant brain is already organized during the first months of life. My postulate is that these early cerebral biases provide a framework which constrains cultural learning. Cultural inventions such as reading or symbolic calculation invade the cortical circuits that have evolved in a different context but that can be partly recycled for new human-specific uses. Each cultural object occupies a particular brain niche, a circuit that is already organized but that has sufficient plasticity to be retrained.

Les techniques d’imagerie développementale

Ghislaine Dehaene-Lambetz et coll., notamment Lucie Hertz-Pannier et Jessica

Dubois, ont été les premiers à appliquer d’abord les potentiels évoqués cartographiques à 64 ou 128 éléctrodes, puis l’IRM anatomique et fonctionnelle, chez le bébé de quelques mois.

 

Les potentiels évoqués sont une méthode ancienne et dont l’utilisation chez le très jeune enfant ne présente guère de difficultés. L’électro-encéphalographie consiste en l’enregistrement de l’activité électrique du cerveau par des capteurs posés sur la tête.

Lorsque l’on présente un stimulus, comme une lumière, une image ou un son, les régions cérébrales qui traitent ce stimulus modifient leur activité neuronale, ce qui entraîne des changements détectables de l’activité électrique recueillie à la surface de la tête. Comme le cerveau ne reste jamais inactif, cette modification est perdue dans l’activité cérébrale de fond. Mais si l’on répète de nombreuses fois la même tâche, on peut, par moyennage, extraire la séquence des événements électriques entraînés par cette tâche — le potentiel évoqué. Ce potentiel évoqué consiste en une suite de positivités et de négativités qui permettent d’inférer, indirectement, la séquence temporelle des activations cérébrales. La méthode possède une grande précision temporelle et permet de suivre la progression du traitement d’un stimulus à l’échelle de la milliseconde.

Cependant, du fait de la diffusion du champ électrique, il est difficile de savoir l’origine corticale exacte des activités que l’on mesure à la surface de la tête, et donc de localiser les régions cérébrales actives à un moment donné (« problème inverse »). Nous avons toutefois considérablement progressé dans ce domaine, à l’aide de logiciels qui contraignent les solutions inverses à rester normales à la surface du cortex, par l’utilisation d’un modèle réaliste du plissement cortical et de la forme de la tête. Le logiciel BrainStorm , développé par Sylvain Baillet et ses collègues, permet une reconstruction réaliste quoique encore imprécise des sources corticales distribuées à l’origine d’un potentiel évoqué observé à la surface du scalp.

La précision de cette méthode peut être améliorée par l’utilisation de la magnétoencéphalographie , une technique toutefois plus coûteuse et complexe qui commence seulement à être utilisée chez le très jeune enfant (travaux de Patricia Kuhl et collaborateurs).

En ce qui concerne l’IRM, son application au développement cognitif humain est plus récente (Dehaene-Lambertz, Dehaene & Hertz-Pannier, Science , 2002). Le premier point est évidemment de s’assurer d’une sécurité totale de cette procédure. Depuis 1985, plusieurs études très complètes ont prouvé que l’IRM est une méthode sûre qui n’a pas de conséquences nocives sur les organismes vivants. L’exposition à des champs magnétiques statiques souvent bien supérieurs au champ magnétique de 1.5 ou 3 Tesla utilisé dans nos études, ainsi que l’exposition aux impulsions radiofréquentielles typiquement utilisées en IRM, ont été étudiées chez de nombreux animaux et chez l’homme. Certaines de ces études ont examiné les mécanismes de réparation du DNA et le développement embryonnaire. Le plus souvent, aucun effet significatif n’a été retrouvé. La FDA (American Food and Drug Administration) a fixé les paramètres qui peuvent être utilisés pendant l’imagerie par résonance magné- tique. Le logiciel des appareil d’IRM calcule ces paramètres et garantit qu’ils ne soient pas dépassés. En réalité, nos expériences se situent bien en deçà de ces limites.

Le seul aspect dangereux de l’IRM est l’existence d’un champ magnétique permanent d’intensité suffisamment forte pour déplacer des objets ferro-magnétiques, qui peuvent devenir des projectiles dangereux s’ils sont approchés de l’aimant. Il est donc essentiel d’avertir de ce danger toute personne s’approchant de la machine.

Dans nos études, les parents et l’enfant sont interrogés et inspectés à la recherche d’objets métalliques dans leurs vêtements ou à l’intérieur de leur corps. Les bébés sont déshabillés pour s’assurer de l’absence d’épingles, bijoux, boutons-pressions,…

En cas de doute sur la présence de matériel métallique, (par exemple du matériel chirurgical), l’examen par IRM est annulé.

Il importe également de protéger les enfants contre le bruit de la machine , qui est assez important (entre 90 et 100 décibels). Le tunnel de notre machine a été recouvert d’une protection anti-bruit pour réduire le bruit et les vibrations à l’intérieur du tunnel (-6 dB). Un casque anti-bruit, assurant une atténuation entre 30 et 35 dB pour les fréquences entre 250 and 8000 Hz, est placé sur les oreilles des nourrissons.

Ce casque est inséré dans une mousse qui fournit une protection anti-bruit supplé- mentaire et assure que le casque reste en place pendant toute l’étude. Étant donnés tous ces paramètres, nous estimons que le niveau sonore maximum auquel un bébé est exposé est d’environ 72 dB. Ce niveau sonore n’est pas inhabituel dans l’environnement du bébé et n’est pas dangereux sur une période de 30 minutes maximum. Les recommandations de l’organisation mondiale de la santé sont de garder l’exposition sonore d’un enfant à moins de 70 dB cumulé sur 24h, soit à moins de 85 dB si l’exposition est d’une heure chaque jour en évitant les pics au-dessus de 110 dB. Le succès de nos mesures de protection sonore est indiqué par le fait que plusieurs bébés se sont endormis pendant l’examen ou sont restés endormis tout du long.

A chaque examen, un médecin est présent et reste à l’intérieur de la pièce d’IRM , souvent avec l’un des parents. Il reste en contact visuel avec le bébé grâce à un miroir.

Le radiologiste peut entendre le bébé et le médecin grâce à un microphone construit dans la machine IRM. Enfin, plusieurs précautions assurent le confort de l’enfant tout en minimisant les mouvements de la tête qui créent des artefacts importants sur les images IRM. L’enfant est couché sur un matelas mousse puis son corps et sa tête sont confortablement immobilisés avec des bandes de tissu qui laissent libres les bras et les jambes. De la musique ou de la parole sont diffusés dans les haut-parleurs du casque et un des parents reste dans le champ de vision de l’enfant pendant toute l’installation. Dans le tunnel, un miroir est placé au-dessus de l’enfant, ce qui lui permet de voir soit l’expérimentateur ou ses parents soit des stimuli visuels intéressants pour les bébés (visages, spirales, etc.. présentés sur un écran translucide placé à l’entrée du tunnel ou des jouets présentés par l’expérimentateur).

En dépit de ces efforts, beaucoup d’images contiennent encore des artefacts de mouvements plus souvent que dans les séries d’images obtenues chez les adultes. Le traitement des images inclut donc une étape d’inspection visuelle des images, où les images les plus artefactées sont rejetées. Puis les images sont réalignées sur la meilleure image de la série. Les paramètres de mouvement sont incorporés comme régresseurs dans un modèle linéaire de la réponse BOLD approprié pour des séquences temporelles avec des données occasionnellement manquantes.

 

Il faut noter que l’IRM est une technique extraordinairement versatile, et L’IRM fonctionnelle ne représente qu’un des volets des études menées chez l’enfant. L’IRM anatomique présente également un intérêt considérable pour comprendre les biais précoces de l’organisation cérébrale. L’IRM de diffusion, enfin, a permis très récemment de mettre en évidence les grands faisceaux transcorticaux de fibres, leur organisation et leur asymétrie.

L’organisation cérébrale du très jeune enfant

Tous ces effortsontconduitàdesavancéesremarquablesdanslavisualisationdudéveloppement cérébral humain, dont nous ne donnerons ici que quelques exemples.

Sur le plan anatomique, les travaux de Ghislaine Dehaene-Lambertz, Jessica Dubois, et Petra Huppi ont permis de visualiser l’organisation des plissements corticaux et leur évolution avec l’âge chez l’enfant prématuré. La quantification de ces images est en cours, et conduit à des découvertes importantes sur l’asymétrie cérébrale et ses liens possibles avec la latéralisation du langage. L’hémisphère droit se plisse plus rapidement que le gauche. Le sillon temporal supérieur, siège chez l’adulte de représentations linguistiques et sociales, présente une asymétrie de surface en faveur de l’hémisphère droit. Par contre l’imagerie du tenseur de diffusion montre une asymétrie très nette en faveur de la gauche, à la fois dans le faisceau arqué, qui relie les régions temporales et frontales impliquées dans le traitement linguistique, et dans le faisceau pyramidal impliqué dans la commande manuelle.

Ces asymétries anatomiques se doublent d’une organisation fonctionnelle précoce.

Dès deux ou trois mois, le cerveau du bébé répond au langage parlé. Les activations se concentrent dans les régions temporales et la région frontale inférieure gauche (région de Broca) — les mêmes que chez l’adulte. Une asymétrie en faveur de l’hémisphère gauche est déjà présente dans l’activation des régions temporales, en particulier au niveau du planum temporale. Enfin, le lobe temporal est déjà organisé de manière hiérarchique : comme chez l’adulte, les réponses les plus rapides s’observent au niveau du cortex auditif primaire, et se ralentissent progressivement à mesure que l’on progresse vers le planum temporale, vers l’avant du lobe temporal, et vers la région de Broca.

De très nombreux travaux de potentiels évoqués caractérisent également les réponses électrophysiologiques des nourrissons. Elles démontrent une capacité de discrimination des syllabes, indépendamment du locuteur, et une fusion des informations visuelles et auditives concernant l’articulation de la parole. Le cerveau du nouveau-né se spécialise pour les voyelles et les consonnes de sa langue maternelle au cours de la première année de vie.

Sur le plan visuel, de nombreux travaux démontrent une capacité de reconnaissance visuelle précoce et partiellement invariante, notamment pour les visages. Véronique Izard, Ghislaine Dehaene-Lambertz et moi-même avons utilisé les potentiels évoqués afin d’étudier la séparation du système visuel en une voie dorsale et une voie ventrale. Cette distinction est classique chez l’adulte. La voie visuelle ventrale intervient dans la reconnaissance de l’identité des objets indépendamment de leur position et de leur orientation. La voie visuelle dorsale intervient dans le calcul de la position des objets, la planification des actions, mais également le dénombrement du nombre d’objets. Nous avons utilisé les potentiels évoqués chez le bébé de 3 mois afin de montrer que le cerveau, à cet âge, répond déjà aux changements d’identité et de nombre d’un ensemble d’objets. Nous avons observé, dès cet âge, une division nette entre un traitement ventral (temporal gauche) de l’identité et un traitement dorsal (pariétal droit) du nombre d’objets. L’activation pariétale pour la représentation du nombre d’objets est particulièrement intrigante dans la mesure où cette même région existe chez le singe macaque et comprend également des neurones sensibles au nombre d’objets présentés sur un écran. Ainsi, l’arithmétique élémentaire apparaît comme un domaine de compétence présent tant chez le très jeune enfant que chez d’autres espèces de primates.

Le recyclage neuronal

En résumé, de nombreuses expériences d’imagerie cérébrale montrent que le cerveau du nourrisson est déjà organisé dès les premiers mois de vie. Ma proposition théorique est que ces biais cérébraux précoces fournissent un cadre qui contraint les apprentissages culturels. Les inventions culturelles telles que la lecture ou le calcul symbolique envahissent des circuits corticaux qui ont évolué dans un tout autre contexte, mais qui sont susceptibles de se recycler partiellement pour de nouveaux usages propres à l’espèce humaine. Chaque objet culturel occupe ainsi une niche cérébrale particulière, un circuit déjà organisé mais doté d’une plasticité suffisante pour se reconvertir.

La remarquable capacité culturelle de l’espèce humaine reposerait donc, en dernière analyse, sur la plasticité cérébrale du cerveau en développement, qui autorise la mise en place rapide de circuits « neuro-culturels » spécialisés pour le langage, la lecture, ou les mathématiques. Comme nous l’avons vu, on trouve dès la plus tendre enfance, voire même chez le nourrisson, des précurseurs de cette spécialisation : le lobe temporal gauche et l’aire de Broca répondent déjà au langage parlé, la voie occipito-temporale intervient dans la reconnaissance des objets et la voie occipitopariétale dorsale dans celle de leur nombre. Chez l’adulte, ces mêmes territoires corticaux se retrouvent : la compréhension du langage parlé est toujours associée aux régions périsylviennes de l’hémisphère gauche, celle du langage écrit à la région occipito-temporale inférieure gauche, l’arithmétique aux régions pariétales bilaté- rales. Il semble que les compétences symboliques propres à l’espèce humaine s’appuient sur des circuits nettement plus anciens, dont l’organisation est déjà perceptible chez le nourrisson, voire chez d’autres espèces de primates telles que le singe macaque.

 

CONCLUSION

L’imagerie cérébrale du développement accomplit actuellement des progrès considérables. La description de l’état initial du cerveau humain s’en trouve profondé- ment modifiée — nous découvrons une architecture hautement structurée dès le départ et dotée des biais corticaux qui préfigurent déjà les spécialisations cognitives qui se retrouveront chez l’adulte. Le double défi actuel consiste à reconstruire, mois par mois et année par année, la trajectoire développementale qui permet, par exemple, d’acquérir le langage parlé ou la lecture ; et à appliquer ces connaissances à la détection précoce de pathologies du développement tels que la dyslexie ou la dyscalculie.

ICONOGRAPHIE

Le CD contenant l’iconographie de ces présentations peut être consulté à la Bibliothèque de l’Académie nationale de médecine et à la Bibliothèque de l’Académie des sciences..

The iconography of these presentations can be consulted on CD-ROM at the library of the National Academy of Medicine and the library of the Académie of Sciences.

 

Bull. Acad. Natle Méd., 2009, 193, no 4, 883-889, séance du 2 décembre 2008