Comprendre la spectroscopie fonctionnelle à infrarouge proche dans les neurosciences modernes

La spectroscopie infrarouge proche fonctionnelle (fNIRS) s'est établie comme une technique de neuroimagerie non invasive polyvalente qui mesure l'activité cérébrale par des réponses hémodynamiques.En émettant de la lumière infrarouge proche dans le cuir chevelu et en détectant les changements dans l'hémoglobine oxygénée et désoxygénée, fNIRS offre une fenêtre sur l'activation corticale avec des avantages uniques par rapport à des modalités telles que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et l'électroencéphalographie (EEG).

Fonctionnement de la spectroscopie infrarouge proche

La physique sous-jacente du fNIRS repose sur les propriétés optiques du tissu biologique. La lumière infrarouge proche (habituellement 650–950 nm) pénètre le cuir chevelu et le crâne pour atteindre le cortex cérébral. L'hémoglobine présente des spectres d'absorption distincts: l'hémoglobine oxygénée absorbe plus de lumière à certaines longueurs d'onde, tandis que l'hémoglobine désoxygénée absorbe plus à d'autres. En plaçant sur le cuir chevelu plusieurs sources lumineuses et détecteurs, les systèmes fNIRS mesurent l'atténuation de la lumière à différentes longueurs d'onde.

Lorsqu'une région du cerveau devient active, le flux sanguin local augmente pour fournir de l'oxygène et du glucose, phénomène connu sous le nom de couplage neurovasculaire. Cela entraîne une augmentation de l'hémoglobine oxygénée et une diminution de l'hémoglobine désoxygénée. Le signal optique résultant est appelé fonction de réponse hémodynamique. fNIRS capture cette réponse avec une résolution temporelle d'environ 0,1 à 1 seconde, plus rapide que fMRI mais plus lente que EEG. La résolution spatiale de fNIRS est modérée, généralement de 1 à 3 cm, selon la densité des optodes.

Composantes clés des systèmes fNIRS

  • Sources lumineuses : Diodes laser ou diodes émettant de la lumière qui émettent de la lumière à infrarouge proche à deux longueurs d'onde ou plus.
  • Détecteurs : Photodiodes ou photodiodes d'avalanche qui mesurent l'intensité de la lumière retournée du tissu.
  • Optodes : Les paires de détecteurs de source disposées dans une configuration de grille ou de capuchon sur le cuir chevelu.
  • Matériel d'acquisition de données[: Électronique qui contrôle les émissions de lumière, la détection et l'amplification.
  • Logiciel d'analyse de données[: Algorithmes pour le prétraitement, le filtrage, la correction de mouvement et l'inférence statistique.

Principaux avantages de la recherche sur l'imagerie cérébrale

fNIRS offre plusieurs avantages convaincants qui en font un outil attrayant pour un large éventail d'études en neurosciences.

Non invasif et sans danger pour une utilisation répétée

Contrairement à la tomographie par émission de positrons (TEP) ou à la tomographie par émission monophotonique (SPECT), le fNIRS ne comporte pas de rayonnement ionisant. Il utilise une lumière proche infrarouge de faible puissance, considérée comme sûre même pour des mesures prolongées ou répétées.

Portabilité et faible coût

Les appareils modernes du système fNIRS sont compacts, actionnés par piles et portés, ce qui permet de recueillir des données en dehors du laboratoire. De nombreux systèmes sont beaucoup moins chers que les scanners du système fMRI, tant en termes de coûts d'achat que de dépenses opérationnelles.

Environnements expérimentaux naturalistes

Comme le fNIRS n'exige pas que les participants restent immobiles à l'intérieur d'un assainissement fort et confiné, il soutient des paradigmes expérimentaux plus valables sur le plan écologique. Les chercheurs peuvent étudier l'activité cérébrale pendant la marche, l'interaction sociale, l'immersion dans la réalité virtuelle ou même les aidants naturels qui jouent avec des jouets.

Surveillance en temps réel des activités cérébrales

Certains systèmes fNIRS offrent une rétroaction en temps réel des signaux hémodynamiques. Cette capacité permet des applications neurofeedback et des interfaces adaptatives cerveau-ordinateur où les utilisateurs peuvent apprendre à moduler leur propre activité cérébrale.

Complémentarité avec d'autres modalités

Contrairement à l'EEG, l'EEG est moins sensible aux artefacts musculaires et fournit des informations complémentaires sur les changements d'oxygénation. Les enregistrements multimodal offrent une image plus riche de la fonction cérébrale en intégrant des données électriques, hémodynamiques et comportementales.

Applications des systèmes de détection des maladies infectieuses dans les domaines des neurosciences

La polyvalence du système a conduit à son adoption dans de nombreux domaines de recherche. Ci-dessous, nous mettons en lumière plusieurs domaines clés où le système a apporté une contribution importante.

Neurosciences du développement et de la pédiatrie

L'étude du cerveau du nourrisson est difficile avec l'IRMf en raison du mouvement, du bruit et du besoin de sédation. fNIRS est bien adapté à cette population parce que les nourrissons peuvent s'asseoir sur les genoux d'un parent, porter une casquette molle et jouer naturellement. Les chercheurs ont utilisé l'IRMf pour étudier l'émergence du langage, du traitement du visage, de la cognition sociale et des fonctions exécutives chez les nouveau-nés et les tout-petits.

Neuroscience cognitive et neuropsychologie

La sensibilité au cortex préfrontal le rend idéal pour étudier les fonctions cognitives d'ordre supérieur. Les chercheurs ont utilisé le fNIRS pour étudier comment le cortex préfrontal latéral soutient la mémoire de travail dans différentes conditions de charge, et comment le vieillissement affecte la connectivité fonctionnelle dans les réseaux frontaux-pariétaux. En neuropsychologie, le fNIRS aide à caractériser les déficits cognitifs dans des conditions telles que la schizophrénie, le trouble du spectre autistique et le trouble de déficit d'attention/hyperactivité.

Réadaptation neurologique et rétablissement des accidents vasculaires cérébraux

Pendant la réadaptation des accidents vasculaires cérébraux, les thérapeutes peuvent utiliser le système fNIRS pour surveiller les zones de mobilité des moteurs recrutées comme des exercices. Des études ont montré que l'activation du cortex prémoteur ipsilesionnel précocement au stade de la récupération prédit de meilleurs résultats moteurs. fNIRS guide également les protocoles de stimulation cérébrale, tels que la stimulation du courant direct transcrânien (tDCS), en identifiant les régions sous-actives.

Interfaces cerveau-ordinateur (BCI)

Les IBC basés sur fNIRS offrent une alternative aux systèmes basés sur EEG, en particulier pour les personnes ayant un contrôle moteur limité. Parce que les signaux hémodynamiques sont plus robustes pour les artefacts musculaires du cuir chevelu et peuvent être localisés dans des régions corticales spécifiques, les IBC fNIRS ont été utilisés pour la communication et le contrôle environnemental. Les utilisateurs peuvent moduler volontairement l'activation préfrontale par l'arithmétique mentale, l'imagerie moteur ou l'imagerie musicale pour sélectionner les commandes.

Neurosciences sociales

Les études d'hyperscannage ont révélé une synchronie interbraine dans les régions frontales et temporelles pendant les tâches de coopération, la conversation et le partage émotionnel. Par exemple, les chercheurs ont constaté que des paires de participants qui se sont engagés dans la résolution de problèmes en coopération ont montré une cohérence accrue dans l'activité du cortex préfrontal, et que cette synchronie était en corrélation avec la performance des tâches. fNIRS permet également d'étudier la synchronie mère-enfant pendant le jeu, en laissant la lumière sur la base neuronale de l'attachement et de l'attachement social.

Psychiatrie clinique et santé mentale

Dans le cas de troubles dépressifs majeurs, le système a identifié une diminution de l'activation préfrontale pendant les tâches cognitives, en accord avec le dysfonctionnement exécutif. Les patients naïfs de médicaments atteints de schizophrénie présentent une asymétrie frontale altérée pendant les tâches verbales. Le système peut également suivre les changements d'activation cérébrale après un traitement psychothérapeutique ou psychothérapie, offrant des marqueurs objectifs de l'efficacité du traitement.

Limites et défis techniques

Malgré ses nombreux avantages, le système de recherche en santé publique fait face à plusieurs limites que les chercheurs doivent considérer.

Profondeur de pénétration limitée

La lumière infrarouge proche ne peut pénétrer que quelques centimètres dans le cerveau, atteignant généralement les 1-2 cm de tissu cortical les plus périphériques. Cela limite le fNIRS à mesurer l'activité dans le cortex cérébral et laisse des structures subcorticales telles que les ganglions basaux, le thalamus et l'hippocampe inaccessibles.

Résolution spatiale modérée

La résolution spatiale du fNIRS est limitée par l'espacement entre les paires de détecteurs de source et la diffusion de la lumière dans les tissus. Les configurations standard permettent d'obtenir des résolutions de 1 à 3 cm, ce qui est beaucoup plus grossier que la capacité du sous-millimètre de fMRI.

Sensibilité à l'interférence extracérébrale

La lumière doit traverser le cuir chevelu et le crâne avant d'atteindre le cerveau, et les changements de flux sanguin dans le cuir chevelu peuvent contaminer le signal mesuré. Les fluctuations physiologiques systémiques, telles que la fréquence cardiaque, la respiration et les variations de la pression artérielle, interfèrent également.

Artéfacts de mouvement

Bien que fNIRS soit plus robuste que EEG pour le bruit de mouvement, les mouvements soudains de la tête ou les changements de pression de contact optode peuvent introduire des artefacts. Les chercheurs doivent appliquer des algorithmes de correction de mouvement prudents, comme le filtrage des vagues ou l'analyse des composants principaux, et peuvent devoir exclure les essais avec un mouvement excessif.

Normalisation et reproductibilité limitées

Contrairement à l'IRMf, qui bénéficie de formats de données établis (BIDS) et de pipelines d'analyse (SPM, FSL), l'IRSf n'a pas de norme universellement acceptée pour le traitement et la déclaration. Différents systèmes utilisent différentes longueurs d'onde, distances source-détecteur et méthodes d'étalonnage.

Orientations futures et technologies émergentes

Les développements en cours dans le matériel, les logiciels et la méthodologie portent sur les limites actuelles et élargissent les horizons de la recherche sur les SNRF.

Tomographie optique haute densité et diffusée (DOT)

Les réseaux d'optodes (cents de canaux) à haute densité combinés à des algorithmes de tomographie optique diffuse peuvent reconstruire des images 3D d'activation cérébrale avec une résolution spatiale améliorée. DOT peut atteindre une résolution sous-centimètre et même une sonde à des profondeurs de 2 à 3 cm en utilisant des distances de détection source-source recoupantes.

Intégration à la neurostimulation

La combinaison du fNIRS avec des méthodes de stimulation cérébrale non invasives, comme la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et le tDCS, permet une neuromodulation en boucle fermée. Le fNIRS en temps réel peut surveiller les effets de la stimulation sur l'activation corticale et ajuster dynamiquement les paramètres.

Spectroscopie fonctionnelle infrarouge pour interfaces cerveau-ordinateur

Les progrès de l'apprentissage automatique, en particulier les architectures d'apprentissage profond adaptées aux données optiques spatiotemporelles, améliorent la précision de classification des IBC-fNIRS. Des systèmes portatifs et portables avec des optodes sèches sont en cours de développement pour une utilisation quotidienne, ce qui permet une surveillance continue de l'état du cerveau pour les utilisateurs ayant de graves déficiences motrices.

Intégration multimodale avec la réalité virtuelle

La combinaison du fNIRS et des environnements de réalité virtuelle (VR) permet aux chercheurs d'étudier l'activité cérébrale dans des scénarios immersifs et riches en contexte. Par exemple, des études ont examiné la navigation spatiale, la présence sociale et l'observation d'action en VR tout en enregistrant l'activation du cortex préfrontal et moteur.

Normalisation et science ouverte

Le domaine se dirige vers des formats de données normalisés (p. ex., BIDS pour le système fNIRS), des pipelines d'analyse partagés (p. ex., Homer3, NIRS Brain AnalyzIR) et des ensembles de données ouverts, qui amélioreront la reproductibilité, faciliteront les méta-analyses et accéléreront la traduction des résultats du système fNIRS en pratique clinique.

Conclusion

La spectroscopie fonctionnelle à infrarouge proche est apparue comme un outil précieux et complémentaire dans la boîte à outils d'imagerie du cerveau humain. Sa nature non invasive, sa portabilité, sa sécurité et sa capacité à capter l'activité cérébrale dans des contextes naturalistes rendent indispensable la neuroscience du développement, cognitive, sociale et clinique. Bien que les limites de la pénétration en profondeur, de la résolution spatiale et de la sensibilité au bruit extracérébral persistent, les innovations technologiques dans la tomographie optique diffuse à haute densité, l'intégration à la neurostimulation et les solides cadres multimodal surmontent ces obstacles.

Pour plus de détails, voir les revues faisant autorité telles que Ferrari & Quaresima (2012) dans NeuroImage[, Pinti et al. (2020) dans Frontiers in Human Neuroscience[, et les lignes directrices de la société fNIRS sur les sources ouvertes.