Cerveau : nouveau-né versus adulte, ce que montre l’IRM fonctionnelle

Que se passe-t-il dans la tête d’un bébé?

Si vous vous demandez si votre bébé est en train de réfléchir à l’immensité de l’univers ou s’il est simplement en train d’en vouloir à votre ami(e) pour avoir fait un commentaire désobligeant sur ses cheveux, il n’est probablement pas possible de vous fournir une réponse formelle (je m’aventurerais quand même à dire qu’il ne fait très probablement ni l’un ni l’autre). Par contre, si vous vous demandez si le cerveau d’un bébé fonctionne comme celui d’un adulte, au niveau le plus élémentaire, alors il est possible de commencer à répondre à la question.

Les mécanismes cellulaires à la base de la transmission des messages entre neurones sont les mêmes. Cependant, si l’on examine les changements de flux sanguin associés à une activité cérébrale, il semblerait d’après une étude récemment publié dans le journal scientifique PNAS que l’image obtenue ne soit pas la même pour un nouveau-né et pour un adulte.

Avant de passer aux choses sérieuses (les résultats de l’étude), je vais tout d’abord résumer les deux ou trois choses que j’ai apprises en préparant ce billet et dont vous allez avoir besoin pour arriver au bout du billet.

  • Activité cérébrale et hémoglobine

Un stimulus sensoriel (par exemple quelqu’un vous chatouille le pied droit) active la zone correspondante du cortex sensoriel dans le cerveau. L’augmentation de l’activité neuronale dans cette zone entraîne une augmentation de la consommation d’oxygène. Cependant, dans le cerveau adulte, un stimulus sensoriel s’accompagne aussi d’une augmentation du débit sanguin dans la région correspondante du cortex sensoriel. Cela entraîne un apport de sang oxygéné qui surcompense la consommation d’oxygène par les neurones. Au final, on observe donc une augmentation de l’oxygénation locale et du flux sanguin dans la zone du cerveau qui est activée par le stimulus sensoriel. Ceci se traduit localement par une augmentation de la concentration en oxyhémoglobine (hémoglobine transportant le dioxygène dans les globules rouges du sang) et en hémoglobine et une diminution de la concentration en désoxyhémoglobine (hémoglobine qui a relâché le dioxygène qu’elle transportait dans les tissus).

  • Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ou IRMf

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une technique qui permet de visualiser indirectement l’activité cérébrale en enregistrant les variations du débit sanguin dans les différentes zones du cerveau. L’IRMf détecte les changements de concentration de la désoxyhémoglobine (qui est paramagnétique) et fournit en sortie un signal appelé « BOLD » (pour Blood Oxygen Level-Dependent) : un « BOLD positif » correspond à une diminution locale de la concentration en désoxyhémoglobine et un « BOLD négatif » à une augmentation.

Dans le cerveau adulte, une zone du cerveau qui est activée suite à un stimulus sensoriel apparaîtra donc en IRMf comme un signal BOLD positif.

  • IRMf et bébés – là où ça se complique

L’IRMf est devenue un outil important pour les neurosciences au cours des deux dernières décades, et les chercheurs en neurosciences s’intéressant au développement utilisent cette technique pour étudier les différences entre les cerveaux de bébés et d’adultes et pour observer comment le cerveau d’un nouveau-né se développe au cours du temps. Cependant, alors que la réponse hémodynamique (variations du flux sanguin) à un stimulus sensoriel est plutôt bien définie chez les adultes, il n’en est pas de même pour les bébés.

Globalement, les études portant sur la réponse hémodynamique chez les nouveau-nés ont conduit à des résultats contradictoires : elles montrent soit un signal BOLD positif (diminution de la concentration locale de désoxyhémoglobine) qui ressemble à la réponse du cerveau adulte (et qui correspond à une augmentation du flux sanguin dans la région du cerveau activée), soit une réponse inverse (BOLD négatif, augmentation de la concentration locale de désoxyhémoglobine, l’opposé de ce qui est observé chez l’adulte).

Au vu des limitations de ces études, il est difficile d’expliquer ces contradictions. En effet, la plupart des études :
– ont été réalisées chez des sujets nouveau-nés humains (et doivent donc prendre en compte une variabilité assez grande due aux différences entre les sujets, un problème qui est considérablement diminué lorsque les études sont effectuées chez des animaux comme les rats ou les souris)
– n’ont pas suivi les mêmes sujets au cours du temps
– portaient sur un nombre restreint de sujets (rendant ainsi difficile, voire impossible, une généralisation des résultats obtenus)
– ont utilisé des protocoles différents pour la stimulation sensorielle (rendant les comparaisons directes entre les différentes études impossibles).
En outre, beaucoup d’études ont été conduites chez des nouveau-nés prématurés ou ayant un problème médical, ce qui peut être un facteur confondant si l’on cherche à déterminer à quoi ressemble la réponse hémodynamique typique du nouveau-né.

C’est ici que l’étude publiée dans PNAS en février entre en jeu. Les résultats présentés par les auteurs non seulement aident à dresser une image de la réponse hémodynamique de base dans le cerveau d’un nouveau-né et au cours du développement, mais aussi offrent une possible explication à l’obtention de résultats contradictoires dans les études précédentes.

  • Les résultats de l’étude

Les chercheurs ont analysé les variations de flux sanguin dans le cerveau de jeunes rats âgés de 12-13 jours (ceux-ci sont d’un point de vue développemental équivalent aux nouveau-nés humains) en réponse à un stimulus sensoriel appliqué à la patte arrière. Ils ont également conduit les mêmes expériences chez des rats plus âgés et des rats adultes pour comparaison.

1) Une possible explication aux résultats contradictoires obtenus par IRMf sur les réponses des nouveau-nés

Une des premières observations faite par les chercheurs est que la pression artérielle des jeunes rats varie en fonction de l’intensité du stimulus sensoriel appliqué : lorsque l’intensité du stimulus est basse, la pression artérielle reste constante, mais lorsque le stimulus est plus fort, elle augmente. Cette augmentation s’accompagne d’un débit sanguin plus important dans l’ensemble du cerveau, ce qui, si l’on ne regarde alors que la zone du cortex sensoriel activée par le stimulus, peut être pris pour un signal BOLD positif comme celui observé dans un cerveau adulte.

Une telle observation peut expliquer, au moins en partie, les résultats contradictoires des études précédentes chez les nouveau-nés. Il est possible que dans certaines études un stimulus plus fort ait été utilisé, affectant la pression artérielle et conduisant à un signal BOLD positif en IRMf. Cependant, ce signal n’était pas typique de la réponse du cerveau d’un nouveau-né à un stimulus sensoriel, mais reflétait plutôt la capacité limitée du cerveau néonatal à s’autoréguler face aux éventuelles modifications de la pression artérielle.

2) La « vraie » image d’IRMf chez les bébés ?

Lorsque les chercheurs ont ensuite appliqué aux jeunes rats un stimulus assez bas pour ne pas modifier la pression artérielle, ils ont observé une réponse inversée dans le cerveau de ces jeunes rats comparés à la réponse détectée dans le cerveau de rats adultes : la concentration en désoxyhémoglobine augmentait, correspondant à un signal BOLD négatif en IRMf.

Ce signal BOLD négatif ne signifie pas pour autant qu’il n’y a pas eu d’augmentation de l’activité cérébrale en réponse au stimulus sensoriel. Il est possible que chez les jeunes rats (et les nouveau-nés humains) les neurones soient excités et transmettent les messages nerveux sans qu’une augmentation de flux sanguin et d’oxygénation ait lieu en parallèle. Les auteurs suggèrent d’ailleurs qu’une telle possibilité est cohérente avec la capacité du cerveau d’un fœtus à tolérer de plus faibles niveaux d’oxygène dans l’utérus et pendant l’accouchement.

3) Ce qui change avec l’âge

Les chercheurs ont ensuite enregistré la réponse de jeunes rats à des âges différents (de 12 à 23 jours – pour le contexte, les jeunes rats ouvrent les yeux entre 12 et 15 jours après la naissance et ils sont sevrés quand ils ont entre 21 et 28 jours – ils n’ont alors plus besoin de leur mère).

Ils ont alors observé que la réponse au stimulus sensoriel changeait graduellement, passant d’un signal BOLD négatif à un signal positif en IRMf. Chez les rats âgés de 15 jours, une petite augmentation du flux sanguin dans la zone du cerveau répondant au stimulus sensoriel était visible au début de la réponse, mais ne durait pas. Cependant, au fur et à mesure que les rats vieillissaient, cette augmentation du flux sanguin s’intensifiait, pour finalement conduire à un signal BOLD complètement positif à l’âge de 23 jours.

Une hypothèse des auteurs de l’étude est que cette évolution graduelle vers un signal positif représente le développement progressif d’un système vasculaire et d’un couplage neurovasculaire matures : le cerveau met en place un système qui va compenser la consommation locale d’oxygène par les neurones activés par une augmentation locale du flux sanguin et une hyperoxygénation.

Au vu de l’évolution avec l’âge de la réponse en IRMf observée dans cette étude, les auteurs suggèrent une certaine caution lors de l’interprétation des données obtenues par IRMf dans le cadre d’une étude sur le développement cérébral : des changements dans l’amplitude, le timing ou la localisation d’un signal BOLD positif dans une région du cerveau pourraient en effet refléter des changements non seulement dans la fonction et les connexions neuronales, mais aussi dans le couplage neurovasculaire.

  • En résumé

Les résultats de cette étude suggèrent que la réponse « standard » d’un nouveau-né à un stimulus sensoriel apparaît comme un signal BOLD négatif en IRMf, alors qu’un signal positif est normalement détecté chez les adultes dans les mêmes conditions. Donc, pour répondre (au moins partiellement)  à notre question initiale – Est-ce qu’un cerveau de bébé fonctionne comme celui d’un adulte ? -, il semble que la réponse soit « non » en ce qui concerne l’association entre activité cérébrale et variation locale du flux sanguin.

Les résultats de cette étude ne signifient pas pour autant que l’IRMf n’est pas une technique appropriée pour étudier l’activité et le développement cérébral chez les bébés. Ils fournissent plutôt une possible explication aux résultats contradictoires observés dans les études précédentes et constituent une base pour repenser la façon dont les données issues de l’IRMf sont interprétées dans le cas de nouveau-nés.

Référence
Resolving the transition from negative to positive blood oxygen level-dependent responses in the developing brain. Kozberg MG, Chen BR, Deleo SE, Bouchard MB, Hillman EM. PNAS February 20, 2013.
doi: 10.1073/pnas.1212785110
PMID: 23426630

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