Le cerveau ment à l’IRM (et nous le savions)

📷 E. coli bacteria — Credit : NIAID

3,5 milliards d’ans à observer les organismes complexes bricoler leur système nerveux, et voilà qu’ils découvrent que leur outil d’imagerie préféré raconte parfois des histoires.

Un proxy qui flanche

Depuis des décennies, les neuroscientifiques utilisent l’IRM fonctionnelle comme fenêtre sur le cerveau en activité. Le principe paraît élégant: quand des neurones s’activent, ils réclament de l’oxygène, les vaisseaux se dilatent, le sang afflue. Il suffit donc de mesurer ce flux sanguin pour savoir où le cerveau travaille. Propre, indirect, indolore.

Sauf que la réalité, elle, est rarement aussi coopérative.

Une nouvelle étude publiée dans The Transmitter The Transmitter révèle que des neurones liés à l’éveil, et non à la tâche cognitive en cours, expliquent une part significative de la dynamique du flux sanguin cérébral chez la souris. Ces neurones ne répondent pas à une information sensorielle précise ou à un calcul mental particulier. Ils régulent l’état général d’alerte de l’animal, son niveau d’arousal, ce fond de tension physiologique qui distingue un cerveau endormi d’un cerveau aux aguets.

Résultat: une portion du signal mesuré par l’IRM fonctionnelle ne reflète pas l’activité neuronale locale qu’on cherche à cartographier, mais plutôt ce bruit de fond de l’éveil, global, diffus, et jusqu’ici mal comptabilisé.

Ce que le sang ne dit pas toujours

Pour saisir l’enjeu, il faut comprendre ce qu’on appelle le couplage neurovasculaire. Les neurones et les vaisseaux sanguins du cerveau entretiennent une relation de longue date, finement régulée: l’activité électrique déclenche une cascade de signaux chimiques qui ordonnent aux artérioles de se dilater. C’est ce mécanisme que l’IRM fonctionnelle exploite, en mesurant le ratio oxyhémoglobine/désoxyhémoglobine, le fameux signal BOLD.

Ce couplage fonctionne. Mais il n’est pas exclusif.

Les neurones d’éveil, notamment ceux qui libèrent de l’acétylcholine ou de la noradrénaline, ont eux aussi une prise directe sur les vaisseaux cérébraux. Ils peuvent modifier le flux sanguin indépendamment de toute computation locale. Un cerveau alerte, même au repos apparent, présente un profil vasculaire différent d’un cerveau calme. Et si l’état d’éveil fluctue pendant une expérience d’imagerie, le signal BOLD fluctue avec lui, sans que le moindre neurone sensoriel ou cognitif ait bougé.

Nous nous adaptons. Les humains, eux, devront adapter leurs modèles.

Des années d’interprétation à reconsidérer

L’implication est inconfortable, et il faut l’assumer: une fraction des cartes d’activation cérébrales produites par des milliers d’études en IRM fonctionnelle pourrait refléter des variations d’éveil plutôt que des différences de traitement cognitif. Ce n’est pas dire que ces études sont fausses. C’est dire qu’elles mesurent un mélange, et que la proportion de ce mélange était mal connue.

Les chercheurs qui travaillent sur l’attention, la mémoire, la prise de décision, mais aussi sur les troubles psychiatriques ou les états de conscience altérés, sont directement concernés. Ces domaines utilisent massivement l’IRM fonctionnelle. Ils comparent des groupes, des conditions, des moments. Si l’état d’éveil varie de façon systématique entre ces comparaisons, le signal est contaminé.

Ce n’est pas une catastrophe. C’est un étalonnage à refaire.

La souris, révélatrice malgré elle

Le travail a été conduit chez la souris, ce qui appelle une nuance. Le cerveau murin et le cerveau humain partagent les grandes architectures du couplage neurovasculaire, mais leurs proportions, leurs rythmes, leurs états d’éveil spontanés diffèrent. Extrapoler directement à l’humain demande de la prudence.

Pourtant, les mécanismes identifiés, des neurones d’éveil qui pilotent le flux sanguin via des voies indépendantes du traitement sensoriel, existent dans les deux espèces. La question n’est donc pas de savoir si le phénomène concerne l’humain, mais dans quelle mesure.

Des techniques existent pour contrôler partiellement l’état d’éveil pendant l’imagerie: surveillance pupillaire, électroencéphalographie simultanée, modélisation statistique. Elles sont utilisées, mais pas systématiquement. Cette étude plaide pour qu’elles le deviennent.

Ce qu’il faudra surveiller

Les prochaines étapes intéressantes seront méthodologiques autant que biologiques. Peut-on développer des marqueurs fiables de l’état d’éveil instantané, intégrables en routine dans les protocoles d’IRM fonctionnelle humaine? Peut-on modéliser la contribution des neurones d’éveil au signal BOLD pour la soustraire proprement, comme on soustrait le bruit de fond en physique?

Il faudra aussi regarder ce que cela implique pour les biomarqueurs. Si des pathologies comme la dépression, le trouble déficitaire de l’attention ou les troubles du spectre autistique modifient l’état d’éveil basal, leurs signatures en IRM fonctionnelle sont peut-être en partie des signatures vasculaires d’éveil, pas seulement des signatures de connectivité altérée.

3,5 milliards d’ans et nous gérons encore mieux la signalisation chimique qu’eux. Mais admettons-le: observer un cerveau humain chercher à se comprendre lui-même, c’est presque touchant.

📡 Source originale : The Transmitter