IRM cérébrale : comment les maths rendent-elles le cerveau visible ?

Intervenant 10:00

Bienvenue dans le podcast du magazine Tangente, le rendez-vous où la science, la découverte et la curiosité se rencontrent pour décrypter les rouages les plus fascinants de notre monde. Et pour démarrer avec beaucoup d'énergie aujourd'hui, on va faire une petite expérience de pensée.

Intervenant 20:14

Oh, j'adore les expériences de pensée. Allons-y.

Intervenant 10:17

Alors imagine si l'on trace un immense gribouillis ultra chaotique sur une grande feuille de papier et qu'on y cache une seule et unique courbe parfaitement lisse au milieu de milliers de traits aléatoires, l'œil humain va repérer cette courbe instantanément.

Intervenant 20:32

C'est vrai et ça saute aux yeux de manière assez évidente sans même qu'on s'en rende compte.

Intervenant 10:36

Et la question c'est comment ? Et bien en fait l'œil ne fait pas que regarder, il calcule. À notre insu, le cerveau fait de la géométrie projective pure et de très haut niveau pour extraire cette forme.

Intervenant 20:47

Absolument et c'est vraiment le point de départ de l'exploration d'aujourd'hui. Une plongée totalement fascinante à la croisée de la médecine, de la physique fondamentale et des mathématiques appliquées.

Intervenant 10:59

Voilà. Et tout ça, c'est basé sur les travaux et les réflexions du docteur Christophe Abbas, qui est neuroradiologue et chef du service d'imagerie médicale de l'hôpital des 15-20 à Paris.

Intervenant 21:09

Exactement. Et ce qu'il fait, ça bouleverse complètement la façon dont on conçoit l'imagerie cérébrale. Et même, on peut le dire, la nature même de la pensée.

Intervenant 11:19

L'objectif de l'émission est clair, on va essayer de comprendre comment une simple masse de tissu biologique, notre cerveau, peut être traduite en images numériques super précises en trois dimensions.

Intervenant 21:29

Et surtout, comment les mathématiques nous permettent non seulement de l'observer de l'extérieur, mais d'expliquer la mécanique intime de nos pensées et de nos mouvements.

Intervenant 11:37

C'est ça, et pour poser le décor, j'aime bien cette analogie. Imaginons que la création d'une image médicale, c'est comme traduire un livre très ancien écrit dans une langue inconnue.

Intervenant 21:48

La physiologie, en l'occurrence.

Intervenant 11:49

Voilà. Et pour déchiffrer ce texte, on s'appuie sur un dictionnaire, qui serait la physique. Mais pour que les mots fassent des phrases qui ont du sens, il faut une syntaxe, une grammaire super stricte. Et cette grammaire, ce sont les mathématiques.

Intervenant 22:02

Sans cette grammaire, c'est simple, le livre reste juste un amas de symboles illisibles. En fait, la physiologie c'est la matière première, la physique extrait l'information, et les mathématiques lui donnent sa structure.

Intervenant 12:12

Bon, ça, c'est pour la théorie. Mais moi, avant même de parler de pensée ou de haute géométrie, il y a une question purement mécanique, presque naïve, qui me taraude. Le crâne humain, c'est une grosse boîte en os, c'est totalement opaque. Il fait nuit noire là-dedans. Comment fait la machine pour traverser cette armure et capturer ce qui s'y passe pour en faire une image lumineuse sur un écran ?

Intervenant 22:36

C'est une excellente question et c'est vrai qu'il suffit pas de dire que c'est la physique pour comprendre la magie du truc.

Intervenant 12:41

Bah oui, moi il faut m'expliquer cette magie justement.

Intervenant 22:44

Bah en fait y'a pas de magie, y'a que de la modélisation. Pour comprendre, il faut plonger dans l'infiniment petit. Prenons l'IRM, l'imagerie par résonance magnétique. C'est l'outil roi pour observer le cerveau.

Intervenant 12:56

D'accord, le gros tunnel blanc dans lequel on rentre à l'hôpital.

Intervenant 23:00

Voilà. Alors notre corps est composé en très grande partie d'eau et donc d'atomes d'hydrogène. Le noyau de ces atomes, le proton, possède une propriété quantique qu'on appelle le spin.

Intervenant 13:10

Le spin, c'est comme une

Intervenant 23:11

sorte de rotation. C'est une propriété intrinsèque qui le fait se comporter comme une minuscule boussole magnétique.

Intervenant 13:19

Ah ouais, donc on a littéralement des milliards de petites boussoles qui flottent dans notre tête à chaque seconde.

Intervenant 23:25

Exactement. Et en temps normal, elles pointent dans toutes les directions possibles. C'est le chaos. Mais quand le patient est glissé dans le tunnel de l'IRM, il est souvi à un champ magnétique gigantesque.

Intervenant 13:36

D'accord, l'aimant géant.

Intervenant 23:37

C'est ça. Et soudain, toutes ces petites boussoles s'alignent dans la même direction, comme des petits soldats au garde-à-vous. Ensuite, la machine envoie une onde radio très précise qui va les bousculer.

Intervenant 13:48

Elle va les faire basculer, on les déséquilibre en fait.

Intervenant 23:50

Totalement. Et c'est là que ça devient intéressant. Parce qu'ensuite, on coupe l'onde radio, les protons vont alors se redresser, ils vont ce qu'on appelle se relaxer, pour revenir à leur position initiale sous l'effet de l'aimant.

Intervenant 14:01

D'accord, ils reprennent leur place. Mais en quoi ça fait une image ça ?

Intervenant 24:06

Eh bien, en se redressant, ils libèrent l'énergie qu'ils avaient absorbée sous la forme d'un minuscule signal radio, une sorte de murmure électromagnétique, si tu veux.

Intervenant 14:14

Ah waouh, un murmure quantique !

Intervenant 24:17

Et le secret, il est là. Ces protons ne se redressent pas tous à la même vitesse. Ça dépend s'ils se trouvent dans la graisse, dans l'eau claire ou dans la substance grise du cerveau.

Intervenant 14:26

Ah, donc la machine écoute ces différences de murmures ? Oui,

Intervenant 24:29

la machine écoute. Et ensuite, ce sont des équations mathématiques colossales qui transforment ces différents temps de relaxation en nuances de gris. Et ça, ça fait des pixels sur l'écran.

Intervenant 14:39

C'est vertigineux, franchement. On ne photographie pas le cerveau, on écoute le redressement quantique de ces molécules d'eau. C'est poétique en vrai.

Intervenant 24:48

C'est très poétique, oui. Mais attention, là on parle de l'imagerie anatomique, la structure de base, les murs de la maison en quelque sorte.

Intervenant 14:57

Oui, alors que le Graal, dont parle le docteur Abbas, c'est l'imagerie fonctionnelle. Et là, moi je me demande comment on franchit le gouffre entre cette photo figée et l'image d'un cerveau en train de penser.

Intervenant 25:08

C'est là que les mathématiques passent clairement à la vitesse supérieure. En imagerie fonctionnelle, le but c'est d'isoler la toute petite région qui s'active quand tu fais une tâche précise.

Intervenant 15:18

Genre bouger un doigt ou imaginer un chat ?

Intervenant 25:20

Voilà. Le problème, c'est que le cerveau est un organe extrêmement bruyant. Enfin, bruyant métaphoriquement. Il ne s'arrête jamais de travailler.

Intervenant 15:28

Ben oui, il y a une activité de fond permanente pour nous maintenir en vie, pour gérer la respiration, traiter les bruits ambiants.

Intervenant 35:35

Tran correspond bien à la pensée du chat, et pas simplement au fait que le patient digère son repas ou stresse à cause du bruit de l'IRM.

Intervenant 15:43

Ah oui, le fameux bruit de marteau-piqueur de la machine.

Intervenant 35:45

Oui, ça génère du stress. Donc pour séparer tout ça, c'est un défi statistique majeur. On doit recourir à des modèles mathématiques ultra complexes pour extraire le signal pertinent du bruit de front neuronal.

Intervenant 15:56

Donc on compare quoi ? Des états de repos avec des états d'activité ?

Intervenant 35:59

C'est ça. On fait ça avec des seuils de significativité statistiques drastiques. Mais ça va encore plus loin. Une fois qu'on a repéré ces zones pertinentes, on les modélise sous forme de cartes d'activation.

Intervenant 16:10

D'accord.

Intervenant 36:11

Et ces cartes, les mathématiciens appellent ça des graphes orientés.

Intervenant 16:14

Des graphes orientés. C'est quoi ? C'est comme un organigramme d'entreprise pour les neurones ?

Intervenant 26:18

C'est une super bonne image ça. En fait, un graphe classique, ça montre juste des points, donc les zones du cerveau. Et ces points sont reliés par des lignes pour dire qu'ils travaillent ensemble.

Intervenant 16:30

Ok, la zone A discute avec la zone B.

Intervenant 26:32

Voilà. Mais un graphe orienté, ça ajoute des flèches à ces lignes. Et ça change tout, parce que ça permet d'introduire la notion de temps et de causalité.

Intervenant 16:41

Ah, donc on ne dit plus juste que la zone A et la zone B sont allumées en même temps.

Intervenant 26:45

Non. Grâce aux mathématiques, on peut prouver que c'est l'activation de la zone A qui a déclenché l'activation de la zone B. On cartographie littéralement le trajet de la pensée à travers le cortex.

Intervenant 16:56

C'est fascinant de voir l'information voyager comme ça.