La Stimulation Magnétique Transcrâniale

cerveau
La Stimulation Magnétique Transcrâniale est une technique qui induit des courants électriques dans votre cerveau. Même qu’elle peut vous aider à vous sentir mieux. La Stimulation Magnétique Transcrâniale, abrégée par TMS en anglais, est une technique dont le principe est fort simple : il s’agit d’une bobine de fil dans lequel on fait passer un (gros) courant électrique ; et cela induit un courant électrique aux alentours, notamment dans un cerveau, si celui-ci est assez proche. Ainsi, on peut stimuler des zones spécifiques du cerveau grâce à une bobine, souvent en forme de huit (ou d’infini, si vous êtes scientifiques). cerveau.jpg
J’invoque le pouvoir du courant électrique du cerveau ! (source, ça parle de sociétés qui développent des appareils de stimulation du cerveau pour améliorer les capacités des joueurs dans les jeux vidéos…)
Le principe d’induire un courant électrique dans le cerveau existe depuis un bon siècle (pour être exact, depuis 1896 avec le scientifique français Arsène d’Arsonval), mais cela a réellement pris un essort depuis une vingtaine d’années, avec le développement de nouvelles machines fiables. TMS_schema.png
Il est toujours difficile de représenter sur un simple schéma les courants électriques induits, car cela fait intervenir des champs magnétiques et électriques dans les trois dimensions. Mais bon, ce schéma-ci est plutôt pas mal, on voit où se trouve la bobine (TMS coil) et le courant électrique induit dans le cerveau (Electric current). (source)

Pourquoi utiliser une bobine ?

Il existe une autre technique, appelée Stimulation Transcrânienne à Courant Direct (enfin, c’est ma traduction personnelle de direct current transcranial stimulation) où on applique directement le courant électrique à l’aide d’électrodes placées à la surface de la tête. Le problème, c’est que le courant électrique doit traverser le crâne, qui atténue et diffuse fortement le courant électrique. Du coup, le courant n’est pas bien localisé. D’autre part, le contact entre les électrodes et la peau – surtout qu’il y a souvent des cheveux dans ces zones-là – doit être bien contrôlé, ce qui n’est pas toujours facile. La TMS s’affranchit de ces problèmes en étant sans contact. TMS_danger.jpg
Ceci n’est pas une bonne façon de faire de la Stimulation Transcrânienne à Courant Direct.

Et pourquoi voit-on une double bobine sur les photos ?

Une double bobine, en forme de huit/infini ? C’est parce qu’une simple bobine circulaire induit un courant électrique… circulaire. Avec une double bobine, on induit un courant électrique deux fois plus fort à l’intersection des deux cercles, dont ça permet de “focaliser” un minimum le courant induit. Tout simplement ! Ceci dit, les bobines circulaires sont néanmoins utilisées, tout dépend de l’utilisation que l’on cherche. TMS3.jpg
La bobine à deux boucles donne un courant électrique plus intense au milieu des deux boucles (en vert sur l’image de cerveau de droite) (source)

Et justement, à quoi ça sert ?

Il y a en réalité deux grands types d’utilisation : à des fins d’imagerie fonctionnelle ou à des fins de thérapie. Comme pour les ultrasons ou les rayons X, à faible dose, ces techniques sont relativement inoffensives, tandis qu’à forte dose, cela peut donner lieu à des effets variés dans le corps humain. En l’occurrence, on peut étudier certaines zones du cerveau à l’aide d’un de ces appareils. On peut ainsi localiser différentes fonctions du cerveau : par exemple, si en stimulant telle zone, on voit le bras du patient bouger, c’est qu’on a toucher le cortex moteur ; de même avec le cortex visuel. Inversement, on peut désactiver certaines zones du cerveau, par un effet de saturation encore pas tout à fait maitrisé. Si on demande à un patient d’effectuer une action – marcher en ligner droite, mettons -, qu’on désactive une zone du cerveau, et que le patient n’arrive plus à faire l’action considérée – il ne marche pas droit dans notre exemple – , c’est que cette zone du cerveau est nécessaire à telle action. Ou alors que le patient a bu de l’alcool en cachette. On peut ainsi cartographier l’ensemble du cerveau, zone par zone, de cette façon là. Notez qu’on n’a pas constaté à ce jour d’effet à long terme avec cette technique lorsque certaines précautions sont suivies. On a également noté des effets thérapeutiques bénéfiques. Par exemple, on a constaté chez des patients dépressifs des améliorations de l’état psychologique de ces personnes après des séances répétées de stimulation du cerveau. Même si je ne peux pas m’empêcher de croire qu’aller se faire électrocuter le cerveau par des personnes en blouse blanche qui font ça “pour notre bien” est une puissante incitation à aller mieux, mais bon… Notez que l’effet thérapeutique est plutôt observé lorsqu’on stimule de nombreuses fois le cerveau, et de manière répétée, d’où le terme de rTMS (pour repetitive Transcranial Magnetic Stimulation) TMS2.jpg
Je sers la science, et c’est ma joie (source)

Et ça marche ?

Plutôt oui. Mais les zones les plus faciles à cartographier – cortex moteur, visuel… – l’ont déjà été, et il reste des zones plus difficiles et moins évidentes. Maintenant, on trouve plus de recherches plus obscures genre “La TMS sur le cortex pariétal gauche facilite la reconnaissance visuelle d’une lettre par rapport à son miroir” ou encore “La TMS du cortex médial préfrontal module implicitement le comportement face à la nourriture”… De même pour les effets thérapeutiques : on sait qu’il y a un effet, mais il est difficile de trouver le comportement optimum. Faut-il stimuler telle ou telle zone du cerveau ? Faut-il faire de nombreuses répétitions proches dans le temps, ou étaler ça sur plusieurs semaines ? Etc. De plus, pour revenir sur la dépression, elle est difficile à suivre quantitativement, ce n’est pas comme si les symptômes étaient aussi évidents que la maladie de Parkinson ou un cancer. Surtout que les sources de dépression sont variées ! Et les durées concernées sont souvent longues, il s’agit souvent de suivi de patients sur plusieurs mois.
Bref, c’est compliqué, et cela demande donc de nombreuses études sur beaucoup de paramètres pour trouver des tendances, effectuer des statistiques… TMS.jpg
Vous êtes sûrs que c’est sans danger ? (source)

Et justement, quels sont les risques ?

Les principaux risques ne sont pas forcément ceux que l’on croit. Les courants induits dans le cerveau sont relativement faibles – si l’on respecte les normes bien sûr – et il n’y a guère de risque de brûler le cerveau avec ces courants. Et encore moins de provoquer un arrêt cardiaque. Cependant, si on n’y fait pas attention, on pourrait stimuler une zone motrice du patient qui pourrait se mettre à donner un coup de pied. (involontairement, bien sûr, désolé monsieur le médecin méchant, je n’ai pas pu m’en empêcher, c’est mon cerveau qui a commandé). En fait, les principaux inconvénients sont liés à une éventuelle brûlure dû au contact avec la bobine ; mais en éloignant la bobine de la peau (ça fonctionne à distance, rappelez-vous !) et en installant un système de refroidissement liquide de la bobine, on peut remédier au problème. Par ailleurs, chaque “tir” implique une forte de décharge de courant, qui chauffe l’air local, et provoque un grand bruit, qui peut être gênant si c’est proche de l’oreille. Là encore, rien d’extraordinaire pour remédier à cela : des bouchons d’oreille, un matériau acoustiquement atténuant autour de la bobine, et ça diminue considérablement le problème !

Références

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La sélection scientifique de la semaine (numéro 154)

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Convertir le courant électrique en onde acoustique (3) : la force de Lorentz

Mouvement d'une particule dans un champ magnétique
En imagerie ultrasonore, on utilise des ondes acoustiques pour former des images. Cependant, on maitrise bien mieux les courants électriques : on cherche donc à utiliser des techniques pour convertir le courant électrique en onde acoustique. Après la piézoélectricité et les cMUT, voici la force de Lorentz !

De quels outils les physiciens disposent-ils pour convertir le courant électrique en onde acoustique ?

Dans les interactions élémentaires de l’univers, au nombre de quatre (bon, des théories tendent à les unifier, mais simplifions), on compte la gravitation, l’interaction électromagnétique, l’interaction faible et l’interaction forte. Ces interactions se manifestent sous la forme de forces fondamentales. A l’échelle humaine, le plus pratique reste d’utiliser les effets de l’interaction électromagnétique. En effet, elle permet de manipuler des objets relativement aisément et ce avec une intensité suffisante. La gravitation serait en théorie aisée à exploiter – toute masse exerce une interaction avec une autre masse – mais son intensité est très faible : pensez, un simple aimant de quelques grammes sur un frigo exerce une force bien supérieure à la gravitation exercée par la Terre, six milliards de milliards de milliards de fois plus lourd… Inversement, il est difficile d’utiliser les interactions faibles ou fortes, car bien que de grande intensité, elles se manifestent au niveau atomique voir subatomique.

La force de Lorentz, comment ça marche ?

L’interaction électromagnétique se manifeste grâce à la force de Lorentz, via un champ électrique et/ou un champ magnétique. Ainsi, les deux billets précédents de cette rubrique sur la piezoélectricité et les cMUT ne concernaient que la composante électrique de la force de Lorentz. Ce billet concerne plus spécifiquement l’utilisation simultanées des deux composantes de la force de Lorentz, électrique et magnétique. La force de Lorentz exercée sur une particule s’exprime sous cette forme (promis, c’est la seule équation de ce billet !):
F = q E + q vB
Ici, F désigne la force de Lorentz, q et v respectivement la charge et la vitesse de la particule, E et B respectivement les champs électrique et magnétique là où se trouve la particule, et ∧ signifie ici “produit vectoriel” (on y reviendra). A noter que la notation ∧ pour le produit vectoriel est essentiellement utilisée en France, dans le monde anglo-saxon on privilégie la notation × Qu’est-ce que cela signifie ? D’abord, si la particule n’a pas de charge (q = 0), la force est nulle, rien, nada. Rien de passionnant jusque là…
Ensuite, si la particule est chargée (mettons un proton de charge positive) et que les champs électriques et magnétiques sont nuls, il ne se passe rien non plus. Ok, on va pas aller très loin comme ça…
De même, si la particule chargée (toujours un proton) est immobile dans un champ électrique nul et un champ magnétique non nul, ben il ne se passe toujours rien. Pas très impressionnant comme force jusqu’à maintenant !
Mais, si notre particule chargée est placée dans un champ électrique non nul, ben elle va se déplacer dans la direction du champ, et la force sera plus ou moins intense en fonction du champ électrique et de la charge. Avec une charge deux fois plus élevée, on a une force deux fois plus intense. Avec une charge négative, on aura une force opposée. Bref, rien de très compliqué jusque là, c’est après que ça se complique…
Mettons maintenant que notre particule chargée se déplace dans un champ électrique nul, mais un champ magnétique non nul. Alors la force de Lorentz va dévier la particule perpendiculairement à son déplacement, comme montré sur l’image ci-dessous. Le déplacement a l’air bizarre comme ça, et ça l’est, mais c’est pourtant ce qu’on observe dans la nature… Mouvement d'une particule dans un champ magnétique
Mouvement d’une particule dans un champ magnétique.
Pourquoi ? Grâce au fameux produit vectoriel, qui désigne une “multiplication” de vecteurs, mais dans une direction perpendiculaire aux deux vecteurs concernés. Regardez l’image de la main ci-dessous, ça donne une bonne idée de ce que cette opération signifie : si on a une vitesse dans la direction du pouce et un champ magnétique dans la direction de l’index, alors le produit vectoriel des deux donne un vecteur dans la direction du majeur. Attention d’utiliser la main droite pour cette opération, car cela ne fonctionne pas avec la main gauche (ou alors il faut faire un doigt d’honneur, ce qui peut être mal interprété par votre voisin de gauche). Produit Vectoriel
Deux méthodes pour trouver le résultat d’un produit vectoriel. Seule l’image de la main droite est enseignée officiellement.
Maintenant, imaginons que le champ électrique et le champ magnétique ne soient pas nuls. Alors la particule chargée sera déplacée par le champ électrique, et déviée par le champ magnétique ; selon la vitesse initiale de la particule et les valeurs des champs électrique et magnétique, on peut avoir des mouvements cycliques, hélicoïdaux, de cycloïde, et bien d’autres… Vous le voyez, ça devient vite compliqué… Savoir le déplacement exact au cours du temps d’une particule nécessite de résoudre un système de deux équations différentielles. Mais pour avoir un bon aperçu de ce qu’il se passe, je trouve ce site d’une page personnelle très bien fait (bien que le texte en Comic Sans MS vert foncé sur fond cyan écorche les yeux…). Vous pouvez y définir la masse et la charge de la particule, sa vitesse initiale, les valeurs des champs électrique et magnétique, et une éventuelle atténuation.

Et comment ça peut donner une onde acoustique ?

On y vient. Comme vous pouvez l’imaginer, un milieu biologique est un milieu complexe, notamment du point de vue électrique, mais on simplifiera énormément le tout en disant qu’il s’agit d’une soupe de particules, chargées ou non, certaines mobiles (les ions) et certaines fixes (les atomes). Lorsqu’on applique un courant électrique dans un organe (d’une intensité pas trop forte, hein), on met en mouvement les ions de cet organe, et c’est ce qui conduit l’électricité. Pour ceux qui se posent la question, il y a relativement peu d’électrons mis en mouvement, car la plupart des électrons sont solidement fixés aux atomes du corps (principalement du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène, de l’azote). Sauf pour ceux qui sont constitués de métal bien sûr. 
Terminator
Cet individu a des électrons libres qui peuvent conduire le courant (source)
Les particules chargées non fixes (les ions) vont se mettre en mouvement à cause du courant électrique, donc. Les ions positifs vont se propager dans une direction, et les ions négatifs dans le sens opposés. Jusque là, tout va bien. Les particules non chargées non fixes sont à la fois poussées dans un sens par les ions positifs et dans l’autre par les ions négatifs, donc ne vont pas vraiment se déplacer (ça a son importante pour la suite, vous verrez). Maintenant, si on ajoute un champ magnétique, on va dévier les ions positifs et négatifs, qui vont avoir un mouvement complexe, mais vont globalement aller dans la même direction. Les particules non chargées, cette fois, vont être poussées par tous les ions, quelle que soit leur charge : on va donc avoir un mouvement global de particules dans une direction. En changeant alternativement le sens du courant électrique (ou du champ magnétique, mais c’est plus compliqué, à moins qu’on ne s’appelle Madame IRMa), alors on créé un mouvement alternatif, qui va se propager, devinez… sous la forme d’une onde acoustique de même fréquence. Et il s’agit de la base de la technique au nom barbare de Tomographie Magnéto-Acoustique, et de sa dérivée, la Tomographie Magnéto-Acoustique avec Induction Magnétique (MAT-MI en anglais) dont je vous ai parlé précédemment. Principe de la Tomographie Magnéto-Acoustique
Principe de la méthode Tomographie Magnéto-Acoustique : on applique un courant électrique et un champ magnétique pour générer par force de Lorentz des ondes acoustiques. (source)
Image d'un morceau de gélatine par Tomographie Magnéto-Acoustique avec Induction Magnétique
Image d’un morceau de gélatine par Tomographie Magnéto-Acoustique avec Induction Magnétique. C’est moche, on ne voit rien, mais peut-être qu’un jour cette technique vous sauvera la vie. Et toc. (source)
En utilisant un courant électrique basse fréquence, autour de 100 changements par seconde, on peut également réaliser une méthode d’élastographie. Ce qui me fait penser que j’ai toujours cet article sur l’élastographie en attente…

Et ça marche en sens inverse ?

Oui, bien sûr ! Si on applique une onde acoustique dans un tissu biologique, tout bouge, particules chargées ou non (mais non fixées quand même). Donc en tant que tel, ça ne créé pas de courant électrique (sauf dans des conditions particulières). Mais si l’on ajoute un champ magnétique, la force de Lorentz s’exerce, et les particules positives vont être déviés dans une direction et les particules négatives dans le sens opposé ; les particules non chargées, par contre, ne subissent pas la force de Lorentz, donc elles n’en ont rien à carrer et continuent tout droit.
Bref, si on a des particules de charges opposées qui se propagent dans des sens opposés, on créé alors un courant électrique. Ce courant électrique peut être mesuré grâce à des électrodes, et nous informe sur la conductivité électrique du milieu. C’est ce qui constitue la Tomographie d’Impédance Electrique par Force de Lorentz ainsi que quelques années de ma thèse. Principe de la Tomographie d'Impédance Electrique par Force de Lorentz
Principe de la Tomographie d’Impédance Electrique par Force de Lorentz : on combine une onde ultrasonore (donc un mouvement du tissu) et un champ magnétique pour induire, par force de Lorentz, un courant électrique
Image de côte de boeuf par Tomographie d'Impédance Electrique par Force de Lorentz
Sur l’image de Tomographie d’Impédance Electrique par Force de Lorentz, on reconnait la côte de boeuf. Si, si, en plissant les yeux et en regardant de loin.

Et au fait, il n’y aurait pas un rapport avec la force de Laplace ou les courants de Foucault ?

Dans le cas où on considère un milieu conducteur parcouru par un courant électrique placé dans un champ magnétique, il peut être plus pratique de considérer non pas les particules, mais un volume de particules. La force qui s’exerce est parfois appelée force de Laplace, plus fréquemment dans les ouvrages francophones qu’anglophones – la nationalité française de Pierre-Simon de Laplace n’y est d’ailleurs peut-être pas étrangère – mais elle est essentiellement issue de la force de Lorentz. Les courants de Foucault (eddy current en anglais, devinez la nationalité de Foucault…), quant à eux, apparaissent lorsqu’un conducteur se déplace dans un champ magnétique, ou que le champ magnétique est variable, et cela induit des courants électriques. Et là aussi, à cause de la force de Lorentz…

Références

  • En électromagnétisme, les célèbres cours de Feynman sont sans doute l’une des meilleures références
  • Une applet internet pour observer rapidement des trajectoires de particules selon différents paramètres et configurations
  • Des choses sur la Tomographie Magnéto-Acoustique
  • Vous pouvez retrouver plus de détails dans ma thèse qui concerne trois applications de la force de Lorentz en acoustique médicale
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Comment produit-on l’électricité (partie II) ?

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