Nouveaux modèles d'interactions spectrales dans les enregistrements cérébraux
Publié par Isabelle le 20/09/2019 à 14:00
Source: CNRS INS2I
Tom Dupré la Tour a reçu le prix de thèse Signal, Image et Vision 2019 décerné par le Club EEA, le GRETSI et le GdR ISIS. Ce prix récompense ses travaux de recherche sur de nouveaux modèles pour l'analyse de séries temporelles neurophysiologiques, réalisés au sein du Laboratoire Traitement et Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles technologies...), ainsi que leurs...) de l'Information (LTCI - Télécom ParisTech/Institut Carnot).

Lorsqu'on enregistre l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) électrique du cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle...) des mammifères, on observe de fortes oscillations, et il est donc naturel de décomposer le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux...) en bandes de fréquences. On parle alors du spectre du signal. Certaines bandes particulièrement significatives portent un nom spécifique, alpha, bêta, gamma. Une telle décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de vie,...) est souvent le point (Graphie) de départ de l'analyse de ces enregistrements. Bien que cette approche ait eu un impact significatif en neuroscience, cela peut conduire à une représentation trompeuse du signal. En effet, il est courant de voir les études neuroscientifiques ne s'intéresser qu'à des bandes de fréquences trop étroites, ce qui s'avère trop réducteur.


Le couplage phase-amplitude (PAC). (a) Signal d'un enregistrement intracrânien chez le rat, filtré autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de 2.5 Hz (b), et 80 Hz (c). Le PAC, surligné en jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :), consiste en une augmentation de l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) des hautes fréquences, synchronisée avec la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de l'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que...) basse fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...).

Plus généralement, un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'études neuroscientifiques utilisent des recettes ad hoc pour analyser les signaux et décrire leurs propriétés. Ces méthodes sont souvent basées sur des calculs de corrélations, et ne permettent pas de quantifier la part du signal expliquée par le modèle. En conséquence, même si ces métriques peuvent fournir des informations raisonnables sur le signal, une comparaison légitime et contrôlée des paramètres, et donc des résultats, est impossible. C'est le cas notamment d'un phénomène connu sous le nom de couplage phase-amplitude (phase-amplitude coupling, PAC). Le PAC consiste en un couplage entre deux composantes d'un signal, d'une part la phase d'une composante basse fréquence, et d'autre part l'amplitude d'une composante haute fréquence. Ce phénomène est encore peu compris, mais il pourrait être un moyen pour le cerveau de synchroniser des régions éloignées spatialement.


Dans ce travail, nous nous sommes inspirés de modèles développés dans les années 80 pour le traitement de la parole (La parole, c'est du langage incarné. Autrement dit c'est l'acte d'un sujet. Si le langage renvoie à la notion de code, la parole renvoie à celle de corps. La parole est singulière et opère un acte de langage qui s'adresse...) et en économétrie (L'économétrie désigne l'ensemble des techniques destinées à mesurer des grandeurs économiques.) pour construire des modèles autorégressifs pilotés. Ces modèles donnent une représentation spectrale du signal conditionnellement à un autre signal, et sont ainsi en mesure de capturer le PAC dans un modèle probabiliste et paramétrique. Proposer un modèle probabiliste du signal permet de comparer différents choix de paramètres de façon légitime. Cette approche diffère fondamentalement des mesures traditionnelles pour analyser le PAC, car elle est basée sur les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.), et non sur des choix arbitraires de paramètres.

Grâce à la sélection de paramètres, ces modèles fournissent de nouvelles informations sur le PAC. Par exemple, ils permettent de discuter de l'influence de l'amplitude de la composante basse fréquence, de fournir une estimation de la direction du couplage via un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) de retard, ou encore de décrire les propriétés spectrales de la composante basse fréquence. En outre, ces modèles sont plus robustes que les autres approches lorsque les données sont en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) limitée, ce qui est souvent le cas en sciences du vivant. Ces modèles offrent des possibilités d'analyse originales, ouvrant la voie à de nouvelles découvertes sur le fonctionnement de notre cerveau.

Tom Dupré la Tour est actuellement en post-doc à l'Université de Californie (L'université de Californie est une université américaine, fondée en 1868, dont le siège se trouve à Berkeley (Californie), comprenant dix campus situés dans l'État de Californie. Elle accueille...) Berkeley et continue ses recherches au sein du Gallant Lab.


(A gauche) Enregistrement intracrânien chez le rat. (A droite) En appliquant la méthode avec différents filtres pour le signal pilote, on construit un comodulogram, qui quantifie le couplage entre chaque paire de fréquence. L'axe horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la...) correspond à la basse fréquence (en Hz), l'axe vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) à la haute fréquence (en Hz), et la barre de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) à la mesure du PAC extraite des modèles autorégressifs pilotés (UA).

Référence:
Dupré la Tour, T., Tallot, L., Grabot, L., Doyère, V., Van Wassenhove, V., Grenier (Le grenier (latin granarium) est un local hors-sol destiné au stockage du grain. Il peut être intégré à un bâtiment, ou constituer une petite construction...), Y., & Gramfort, A. (2017). Non-linear auto-regressive models for cross-frequency coupling in neural time series. PLoS computational biology, 13(12), e1005893.
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