La stimulation cérébrale permet de corriger l’activité électrique anormale de circuits neuronaux impliqués, notamment, dans la maladie de Parkinson et la dépression. Cependant, les approches actuelles de stimulation transcrânienne, effectuées depuis le cuir chevelu, n’atteignent que les régions superficielles du cortex, ce qui limite leurs applications. À l’inverse, la stimulation cérébrale profonde permet de cibler des structures au cœur du cerveau, mais nécessite l’implantation chirurgicale d’électrodes. Une équipe du Centre Synapsy de recherche en neurosciences pour la santé mentale de l’Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec l’ETH Zurich, le Centre Wyss à Genève et l'EPFL, est parvenue à améliorer une technologie intermédiaire prometteuse appelée «stimulation par interférence temporelle». Elle permettrait des stimulations cérébrales non invasives plus profondes et ciblées. L’étude est à découvrir dans Cell Systems.
Le cerveau fonctionne grâce à des signaux électriques circulant dans de vastes réseaux neuronaux. Dans certaines pathologies, ces rythmes deviennent trop faibles, trop intenses ou mal synchronisés. Stimuler électriquement et sélectivement certains circuits contribue à rapprocher l'activité cérébrale des schémas fonctionnels sains.
«Le principe n’est pas de stimuler tout le cerveau mais d’agir sur un réseau précis dont l’activité est perturbée», explique Valerio Zerbi, professeur assistant aux départements de psychiatrie et des neurosciences fondamentales de la Faculté de médecine de l’UNIGE, et membre du Centre Synapsy. «Or certaines régions essentielles au mouvement, à la mémoire ou à la régulation émotionnelle sont profondément enfouies dans le cerveau et restent difficiles à atteindre de manière non invasive et précise.»
Une technique prometteuse, mais imparfaite
Les techniques non invasives actuelles, comme la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), la stimulation transcrânienne à courant continu (tDCS) ou encore à courant alternatif (tACS), agissent surtout sur les couches superficielles du cerveau. À l’inverse, la stimulation cérébrale profonde (DBS) cible efficacement des structures enfouies, mais au prix d’une chirurgie invasive. Aujourd’hui, la stimulation par interférence temporelle (TIS) émerge comme une alternative prometteuse, capable de moduler des régions profondes sans recourir à la chirurgie.
Son principe repose sur l’interférence entre deux champs électriques de haute fréquence appliqués depuis le cuir chevelu, avec un léger décalage de fréquence. Lorsque ces champs se rencontrent dans le cerveau, leur différence de fréquence crée un signal plus lent auquel les neurones peuvent répondre. «Les neurones sont peu sensibles aux très hautes fréquences. Ils sont en revanche capables de détecter la fréquence d'interférence produite lorsque deux signaux de ce type interagissent», précise Valerio Zerbi. «Cette interférence permet théoriquement de cibler une région profonde sans stimuler fortement les tissus traversés mais, jusqu'ici, l’ampleur des effets périphériques n’a jamais vraiment été mesurée à l’échelle de l'ensemble du cerveau».
Observer les effets dans tout le cerveau
Pour évaluer les effets hors cible, l’équipe a stimulé une région cérébrale profonde appelée «cortex préfrontal médian» chez la souris. Pour ce faire, elle a combiné l'électrophysiologie, l'imagerie calcique et l'IRM fonctionnelle afin de mettre en évidence les effets de la TIS au niveau de la région cible et dans l'ensemble du cerveau.
«Les études précédentes montraient qu’une région profonde pouvait être stimulée avec cette technologie, mais sans savoir précisément ce qui se passait ailleurs. On ne peut donc pas l'appliquer sans risque aux êtres humains», souligne Valerio Zerbi. «Grâce à l’IRM fonctionnelle, nous avons pu visualiser toutes les régions activées et quantifier les effets hors cible». Les résultats confirment que la TIS module bien l’activité neuronale dans la région visée, mais ils révèlent aussi des activations non désirées dans d’autres circuits.
Vers des stimulations plus sûres
Pour améliorer la précision de la technique, les chercheurs et chercheuses ont décidé d’ajouter une troisième paire d’électrodes pour produire un champ électrique d’annulation. Celui-ci neutralise activement les champs électriques dans les régions non ciblées, sans diminuer l’effet dans la zone d’intérêt. «Nous avons introduit un champ conçu pour supprimer l’interférence là où elle n’est pas souhaitée, tout en conservant l’efficacité de la stimulation souhaitée», explique Valerio Zerbi. Cette avancée répond à l’un des principaux obstacles de la TIS et pourrait devenir essentielle pour cibler de petites structures profondes impliquées dans des troubles psychiatriques et neurologiques comme la dépression, les TOC, certaines addictions ou encore la maladie de Parkinson.
Ces résultats ne font pas encore de la TIS un substitut direct à la stimulation cérébrale profonde, mais ils renforcent considérablement son potentiel clinique. À terme, cette approche pourrait compléter les thérapies existantes, car l’objectif n’est pas forcément de les remplacer, mais de disposer d’un outil non invasif plus précis et complémentaire. «Comprendre et parvenir à limiter les effets hors cible de la TIS était une étape indispensable avant d’envisager des applications cliniques plus larges», conclut le chercheur.