Pourquoi deux personnes soumises à la même stimulation cérébrale peuvent-elles réagir de façon complètement opposée ? C’est l’une des questions au cœur d’un projet que nous menons depuis quatre ans au labo — et dont nous venons tout juste de soumettre les résultats pour publication! 🎉🌞💃🏼

Il existe plusieurs méthodes pour stimuler l’activité du cerveau humain. Celle que nous utilisons au labo se nomme « stimulation magnétique transcrânienne » ou TMS. La TMS est une technique qui permet de stimuler sans douleur le cerveau humain en alternant rapidement un champ magnétique induit dans une bobine de fils de cuivre placée sur la tête (Figure 1). Le champ magnétique est généré par un courant qui circule à travers une bobine de fil isolée dans une gaine de plastique. Le courant engendre un très faible champ magnétique qui, à son tour, induit un courant secondaire dans une toute petite partie du cerveau. L’effet de la TMS est de moduler (amplifier ou diminuer) temporairement (quelques secondes à quelques minutes) l’activité d’une zone du cerveau (quelques millimètres carrés). Comme elle module l’activité cérébrale, cette technique est parfois appelée neuromodulation.

Figure 1. Dispositif de stimulation magnétique transcrânienne couplée à l’électroencéphalographie (TMS-EEG). (A) Bobine de TMS positionnée au-dessus du cuir chevelu pour stimuler une région ciblée du cerveau. (B) Une personne participante porte un casque.

Dans notre projet, nous utilisons un protocole de TMS particulier, appelé iTBS — de l’anglais intermittent theta-burst stimulation (Figure 2). Son grand avantage : une séance complète ne dure que quelques minutes. Par ailleurs, l’iTBS est connue pour tendre à augmenter l’excitabilité de la région stimulée — c’est-à-dire à la rendre plus réactive après la séance. Mais comme vous le verrez dans les résultats, la réalité s’est avérée plus nuancée! (Voir l’encadré 1 pour les détails techniques.)

Encadré — qu’est-ce que l’iTBS ?

L’iTBS (de l’anglais intermittent theta-burst stimulation) est une forme particulière de stimulation magnétique répétitive. Plutôt que d’envoyer des impulsions régulières, elle les regroupe en très courtes salves de trois impulsions rapprochées, répétées cinq fois par seconde (un rythme appelé « thêta », d’où son nom). Ces salves sont elles-mêmes délivrées par intermittence : des cycles de deux secondes de stimulation sont suivis de pause de 8 secondes, et ainsi de suite pendant un peu plus de 3 minutes (voir Figure 2). Le cycle est répété 20 fois et un total de 600 stimulations sont délivrées.

Ce protocole particulier reproduit un rythme naturellement présent dans le cerveau, ce qui le rend particulièrement efficace pour modifier l’activité du cerveau. Son grand avantage : une séance complète ne dure que trois minutes, là où les protocoles classiques peuvent demander beaucoup plus de temps.

Enfin, l’iTBS tend à augmenter l’excitabilité de la région stimulée — c’est-à-dire à la rendre plus réactive pendant un certain temps après la séance. C’est du moins l’effet généralement attendu. Comme vous le verrez dans nos résultats, la réalité est plus complexe : certaines personnes répondent dans le sens contraire, et c’est précisément ce qui rend ce projet si riche!

Figure 2 Stimulation de type « intermittent theta-burst » (iTBS). 600 impulsions sont administrées sur 20 cycles de 10 triplets d’impulsions en trois minutes. Un cycle dure 10 secondes et la durée totale est de 200 secondes (3 minutes et 33 secondes). Utilisation avec permission de Valérie Brisson 2024 (thèse doctorale).

Nous avons récemment utilisé cette méthode dans deux études réalisées par Valérie et Pascale pour améliorer la perception de la parole dans le bruit. Les résultats sont prometteurs -une amélioration a été observée- mais elle est modeste. C’est pourquoi nous cherchons à mieux comprendre les effets de l’iTBS et les facteurs qui expliquent la grande variabilité des effets entre les personnes. En effet, il est bien connu que certaines personnes répondent à la stimulation, démontrant des effets bénéfiques, alors que d’autres n’y répondent pas — un peu comme plusieurs médicaments fonctionnent pour certaines personnes et pas pour d’autres. L’âge pourrait être un facteur : si la capacité du cerveau à répondre à la stimulation déclinait avec l’âge, cela limiterait l’utilisation de la TMS chez les personnes aînées — précisément celles qui pourraient en bénéficier le plus, les troubles de communication étant plus fréquents avec l’avancée en âge. Le sexe et l’état de l’activité cérébrale avant la stimulation pourraient également jouer un rôle.

L’activité électrique du cerveau oscille à différentes vitesses, que l’on regroupe en bandes de fréquence — des plus lentes (delta, thêta) aux plus rapides (alpha, bêta, gamma). Chaque bande accompagne des états et des fonctions cérébrales différents; les ondes gamma, les plus rapides, sont par exemple associées aux périodes de traitement actif de l’information. Ainsi, une personne ayant plus d’activité cérébrale dans une bande de fréquence précise (p. ex. gamma) pourrait être plus ou moins réactive à la stimulation. De plus, la durée des effets de la stimulation sur l’activité cérébrale doit encore être clarifiée, de même que l’étendue des impacts. Ces effets ont été mesurés dans plusieurs études, mais pas dans les régions qui nous intéressent au laboratoire, c’est-à-dire les régions qui contrôlent la parole et le langage.

Mené par Pascale, la directrice du labo, ce projet ambitieux s’est échelonné sur quatre années et nous a permis de former plusieurs étudiants et étudiantes : Juan, Camille, Marianne, Thomas, Keir, Marie, Marc-Antoine, Marion et Jessica.

Au cours du projet, nous avons recruté 25 personnes en bonne santé âgées de 20 à 85 ans, sans condition médicale incompatible avec l’IRM ou la TMS (comme la présence d’implants métalliques ou un historique d’épilepsie). L’étude était assez complexe, comportant quatre visites : la première au centre d’imagerie IRM de CERVO pour prendre des images du cerveau des personnes participantes, et les trois autres dans la salle insonorisée de notre laboratoire. Lors de chaque séance au labo, une région différente a été stimulée avec la TMS. Ceci nous permet de comparer les effets de la stimulation sur différentes aires du cerveau impliquées dans le langage. C’est donc environ 100 séances de collecte de données totalisant près de 10 h par personne participante qui ont été effectuées!

Dans ce projet, nous avons ciblé deux régions impliquées dans le traitement de la parole — l’une située dans le lobe frontal et l’autre dans le lobe temporal — ainsi qu’un troisième site, le vertex (au sommet de la tête), qui sert de point de comparaison (contrôle). Ces régions sont identifiées au moyen des images du cerveau de chaque personne, obtenues par imagerie par résonance magnétique dans notre toute nouvelle plateforme IRM à CERVO (voir la Figure 3). Ceci nous permet de prendre en compte les caractéristiques anatomiques individuelles (les cerveaux sont tous tellement différents !). L’IRM est une technique d’imagerie qui donne des images de grande qualité du corps et du cerveau. C’est à l’aide d’un champ magnétique et de radiofréquences produites par l’appareil d’IRM que les images du cerveau sont générées.

Figure 3. Les sites de stimulation. Chez chaque personne participante, la position exacte des régions à stimuler a été déterminée à partir de ses propres images d’IRM (les cerveaux étant tous différents). Trois sites ont été ciblés : (A) une région, le PMv, impliquée dans la production et la perception de la parole (point rose); (B) une région du cortex auditif, le STG, impliquée dans la perception de la parole (point turquoise); (C) le vertex, un site contrôle situé au sommet de la tête, non impliqué dans la parole (point jaune).

Durant le projet, l’activité cérébrale a été mesurée au moyen de l’électro-encéphalographie (EEG), avant et après la stimulation. L’EEG est une technique non invasive et sécuritaire qui mesure l’activité électrique générée par les neurones au moyen de petites électrodes placées sur la tête (Figure 1B et C). L’activité électrique du cerveau a été mesurée avant et pendant 60 minutes après la stimulation afin de déterminer le moment où elle retournerait à son niveau de base. Cette période de 60 minutes est découpée en plusieurs courts intervalles. Pendant les enregistrements, les personnes participantes devaient être immobiles et au repos. Ce devis nous a permis d’étudier l’activité cérébrale de base du cerveau. Cette activité est considérée comme un indice de la santé cérébrale.

La collecte de données pour le projet s’est terminée en 2025. En, Pascale a alors commencé les analyses de données EEG; celles-ci ont été effectuées durant presque un an.

Ce que nos données nous ont appris

La collecte de données s’est terminée en 2025. Les analyses ont occupé Pascale, et son collègue Philippe Albouy, professeur à l’école de psychologie de l’Université Laval, près d’une année! Voici ce que nous avons découvert.

Dans l’ensemble, le cerveau âgé réagit à la stimulation de façon assez similaire au cerveau plus jeune — une excellente nouvelle, puisqu’on aurait pu craindre que la capacité de réponse décline avec l’âge. L’âge jouait tout de même un rôle subtil dans certaines régions, notamment le cortex auditif, où les réponses variaient quelque peu selon l’âge. Quant au sexe, il ne modifiait pas l’ampleur globale des réponses, mais hommes et femmes présentaient des profils légèrement différents : chez les hommes, la stimulation tendait plus souvent à diminuer l’activité.

Comme attendu, les résultats sont très variables. Tellement, en fait, que Pascale a dû développer une nouvelle stratégie d’analyse pour catégoriser les types de réponses observées (et c’est ce qui explique en bonne partie le temps écoulé entre la fin de la collecte de données et la publication des résultats). Trois profils de réponse ont ainsi émergé : pour certaines personnes, la neurostimulation entraîne une augmentation temporaire de l’activité cérébrale au repos; pour d’autres, la même neurostimulation entraîne une diminution; et enfin, chez d’autres, l’activité fluctuait autour de son niveau de départ, sans direction claire — un profil que nous avons qualifié de « mixte ». La Figure 4 illustre bien pourquoi cette nouvelle approche était nécessaire. Si l’on se contente de faire la moyenne de toutes les réponses (panneau A), la courbe est presque plate : on pourrait conclure que la stimulation n’a pas d’effet. C’est seulement en séparant les réponses selon leur direction (panneau B) que les trois profils se révèlent — et que l’on comprend que la moyenne « plate » résultait en réalité de réponses opposées qui se neutralisaient.

Figure 4. Trois profils de réponse à la stimulation. L’axe vertical indique la variation de l’activité cérébrale par rapport au niveau de départ (en haut = augmentation, en bas = diminution); l’axe horizontal suit le temps écoulé après la stimulation (environ une heure, de gauche à droite). (A) Lorsqu’on fait la moyenne de toutes les personnes participantes, la courbe reste pratiquement plate, près de zéro : on pourrait croire que la stimulation n’a presque aucun effet. (B) Mais en classant les réponses selon leur direction, trois profils distincts apparaissent : certaines personnes montrent une augmentation de l’activité (facilitation, en vert), d’autres une diminution (suppression, en rouge), et d’autres une réponse qui fluctue autour du niveau de départ sans direction nette (mixte, en mauve). Les zones ombrées indiquent la marge d’incertitude (intervalle de confiance à 95 %).

Il est important de souligner que très peu de personnes correspondent « purement » à un seul profil. La plupart présentent un mélange de réponses qui varie d’une région, d’une bande de fréquence ou d’une séance à l’autre : en moyenne, le profil dominant d’une personne ne revenait qu’environ six fois sur dix. La réponse à la stimulation semble donc moins une caractéristique fixe de l’individu qu’une réalité plus fluctuante. Cette variabilité est illustrée à la figure 5.

Figure 5. La réponse à la stimulation est variable. Chaque ligne représente une personne participante et chaque petit carré, une mesure individuelle (couleur selon le type de réponse : rouge = diminution, vert = augmentation, mauve = réponse mixte). On voit que, chez la plupart des gens, les trois couleurs se mélangent : la réponse à la stimulation n’est donc pas fixe, mais fluctue d’une mesure à l’autre. Quelques personnes font exception, avec une réponse très constante (lignes presque unies).

Parmi les bandes de fréquence dont nous parlions plus haut, c’est le gamma — la plus rapide, associée au traitement actif de l’information — qui s’est révélé le plus sensible à la stimulation, avec les modulations les plus marquées.

Par ailleurs, la composante apériodique du signal est restée, elle, inchangée après la stimulation. Le signal EEG est en réalité composé de deux éléments superposés : les oscillations rythmiques (les bandes de fréquence dont nous parlions) et un « bruit de fond » permanent, non rythmique, appelé composante apériodique. Ce bruit de fond reflète l’équilibre global entre l’activation et le l’inhibition des neurones dans le cerveau — deux forces en perpétuel équilibre. Nos résultats montrent que la stimulation ne touche pas à cette toile de fond : elle module les rythmes cérébraux, mais laisse intact cet équilibre sous-jacent. L’âge, en revanche, agit bel et bien sur cette composante : nos données montrent qu’elle diminue légèrement avec l’avancée en âge, ce qui suggère une modification subtile de cet équilibre entre activation et inhibition.

Cette étude apporte plusieurs nouvelles connaissances relatives à l’impact de l’iTBS :

  • L’effet de l’iTBS est visible pendant près de 60 minutes.
  • La direction de cet effet varie énormément d’une personne à l’autre, pouvant augmenter ou diminuer l’activité cérébrale.
  • Son effet varie toutefois peu selon l’âge et le sexe.

L’article, cosigné par Pascale et Philippe, a été soumis cette semaine à une revue scientifique pour évaluation par les pairs. Un deuxième article pourrait suivre, portant sur d’autres analyses de ce jeu de données riche. Cette étude sera suivie par d’autres afin d’examiner l’impact de d’autres facteurs sur l’effet de l’iTBS de manière à optimiser les études et les traitements reposant sur cette technique.

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