Connaître le fonctionnement du cerveau en action… sans aller le voir directement
Jean-Marc Lina, professeur au Département de génie électrique de l’École de technologie supérieure analyse, au moyen d’algorithmes, l’activité électromagnétique du cerveau. En collaboration avec d’autres chercheurs du Centre d’études avancées en médecine du sommeil, il étudie l’influence de l’âge, de certaines pathologies ou du manque de sommeil sur les ondes cérébrales mesurées sur le scalp pendant le sommeil chez l’humain. Les mêmes algorithmes sont utilisés pour localiser les régions cérébrales impliquées dans l’épilepsie des patients pharmaco-résistants. L’information ainsi acquise de façon non invasive peut aider la prise de décision dans la planification de l’intervention chirurgicale.
Introduction
Les travaux de recherche de Jean-Marc Lina, professeur au Département de génie électrique de l’École de technologie supérieure (ÉTS) consistent à concevoir des algorithmes pour estimer l’activité du cerveau à partir de mesures électromagnétiques non invasives, obtenues autour de la tête. Les domaines d’application dans lesquels il œuvre sont présentés dans cet article : l’analyse des mécanismes cérébraux caractéristiques du sommeil, la neuro-imagerie dédiée à la planification chirurgicale pour l’épilepsie pharmaco-résistante et l’analyse du signal électrique mesuré sur la cornée pour caractériser les rétinopathies.
Le sommeil : essentiel à la santé
Le sommeil est une composante essentielle d’une bonne santé, que ce soit sur le plan des systèmes cardiaque, respiratoire, cardio-vasculaire… Le sommeil est aussi une période privilégiée pendant laquelle le cerveau rejoue et archive des apprentissages, consolide des acquis et prépare, finalement, le fonctionnement diurne à venir. En collaboration avec la prof. J. Carrier (Centre d’études avancées en médecine du sommeil, CIUSS-NIM, Hôpital du Sacré-Coeur), le professeur Lina travaille à caractériser ces processus en mesurant les ondes cérébrales mesurées en magnétoencéphalographie (MEG : mesure du champ magnétique produit par l’activité cérébrale) durant le sommeil. En combinant ces mesures physiologiques externes à l’anatomie du cerveau obtenue en imagerie IRM (imagerie par résonnance magnétique), il obtient au moyen d’algorithmes de résolution de problèmes inverses une cartographie de l’activité bioélectrique du cerveau. À partir de ces résultats et de la dynamique de cette activité, il étudie en particulier comment les régions cérébrales communiquent entre elles au cours de ces mécanismes fonctionnels. Actuellement, ces travaux trouvent leur intérêt dans l’étude de l’influence de l’âge et du manque de sommeil sur les ondes cérébrales caractéristiques du cerveau qui dort.
Aider la chirurgie à traiter l’épilepsie
L’épilepsie est un dysfonctionnement soudain et transitoire de l’activité bioélectrique du cerveau. Cette maladie se traite habituellement par des médicaments. Toutefois, pour près d’un tiers de ces patients, l’avenue pharmacologique peut s’avérer moins efficace et la seule option qu’il reste est une intervention chirurgicale, même si elle présente le risque de déficits fonctionnels : capacités motrice, langagière, auditrice… Pour aider les chirurgiens à prendre une décision, à savoir si l’opération est envisageable et d’un risque raisonnable, des travaux tels que ceux menés par le professeur Lina et son équipe utilisent les signaux électromagnétiques mesurés pendant la surveillance préopératoire du patient pour y détecter l’activité anormale et en donner les générateurs neuronaux, sans bien sûr explorer invasivement le cerveau du patient.
Prévenir la perte de la vision
La dégénérescence maculaire résulte de la détérioration de la macula, une petite zone de la rétine située au fond de l’œil, près du nerf optique. Elle mène à la perte progressive et parfois importante de la vision centrale. En collaboration avec le Dr P. Lachapelle du Dép. d’ophtalmologie du CUSM, le professeur Lina étudie le potentiel électrique mesuré sur l’œil pour y détecter les signes avant-coureurs de la maladie rétinienne. Ici, l’expertise repose sur les outils numériques qui font appel à un formalisme d’analyse harmonique parmi les plus avancés en mathématique, d’analyses par ondelettes ou d’analyses multifractales. Ces approches permettent d’analyser l’organisation temporelle des oscillations contenues dans le signal. Les premiers résultats ont montré que cette organisation permettait de prédire l’évolution de certaines rétinopathies.
Ces développements méthodologiques, qui alimentent actuellement des algorithmes de traitement du signal, trouvent des applications dans différents secteurs des neurosciences. Par exemple, en collaboration avec la prof. V. Mongrain, l’équipe du prof. Lina a montré comment les propriétés multifractales du potentiel électrique mesuré sur la surface du cerveau chez la souris variaient selon les stades de sommeil, mais aussi selon l’efficacité des connexions synaptiques, contrôlée de façon génétique.
Pour plus d’information
Les étudiants intéressés par les projets de recherche du professeur Jean-Marc Lina peuvent communiquer directement avec lui.
