La stimulation électrique transcrânienne oscillatoire et les caractéristiques quantitatives de la perception des phosphènes

Contexte

Les phosphènes (phosphenes) sont des phénomènes où des points lumineux sont perçus en l’absence de tout stimulus visuel externe. Ce phénomène revêt une importance particulière en neurosciences visuelles et dans les études sur la conscience, car il permet de comprendre comment le cerveau relie l’activité neuronale à la perception. Des recherches antérieures ont montré que les phosphènes peuvent être induits par une stimulation électrique directe du cortex visuel ou par une stimulation magnétique transcrânienne (TMS). Récemment, il a été démontré que la stimulation transcrânienne par courant alternatif (transcranial alternating current stimulation, TACS) peut également induire des phosphènes, mais les mécanismes sous-jacents restent flous. La TACS implique des variations rythmiques du champ électrique et une alternance de polarité (phases excitatrices et inhibitrices), ce qui rend difficile la compréhension précise des mécanismes de perception des phosphènes.

Pour distinguer les effets des variations rythmiques du champ électrique de ceux de l’alternance de polarité sur la perception des phosphènes, cette étude a utilisé la stimulation transcrânienne par courant direct oscillatoire (oscillatory transcranial direct current stimulation, oTDCS). Contrairement à la TACS, l’oscillation du courant en oTDCS est limitée à une seule polarité (positive ou négative), éliminant ainsi l’influence du changement de polarité. En comparant les effets de la TACS et de l’oTDCS sur la perception des phosphènes, cette étude vise à révéler le rôle de l’oscillation du courant dans la perception des phosphènes et à explorer l’impact de la modulation d’amplitude (amplitude modulation, AM) sur cette perception.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Che-Yi Hsu, Tzu-Ling Liu et Chi-Hung Juan, respectivement affiliés à l’Institut de neurosciences cognitives et au Centre de recherche sur l’intelligence cognitive et les soins de santé précis de l’Université nationale centrale de Taiwan. L’article a été publié en 2025 dans la revue European Journal of Neuroscience, sous le titre Oscillatory transcranial electrical stimulation and the amplitude-modulated frequency dictate the quantitative features of phosphenes.

Déroulement de l’étude et conception expérimentale

1. Participants et conception expérimentale

Cette étude a recruté 37 participants ayant une vision normale ou corrigée à la normale, excluant les individus ayant des antécédents de maladies neurologiques ou d’épilepsie. Au final, 25 participants (13 hommes, 12 femmes, âgés de 20 à 45 ans) ont terminé l’expérience. L’étude a utilisé un design intra-sujet, chaque participant devant effectuer trois visites au laboratoire, espacées d’une semaine. Lors de chaque visite, les participants recevaient une stimulation de polarité unique (oTDCS anodique, oTDCS cathodique ou TACS) et étaient testés dans quatre blocs de stimulation : onde sinusoïdale au seuil (18 Hz), onde AM au seuil (18 Hz modulée à 2 Hz), onde sinusoïdale supraliminaire et onde AM supraliminaire.

2. Appareillage et paramètres de stimulation

L’expérience a été menée dans une pièce faiblement éclairée, les participants étant assis à 60 cm d’un écran LCD de 24 pouces. La stimulation était appliquée via un casque élastique à 128 canaux (Geodesic Transcranial Electrical Neuromodulation, GTEN), avec 20 électrodes sélectionnées à l’arrière de la tête pour délivrer le courant. L’intensité de stimulation pour l’oTDCS variait de 0 à 2000 μA, tandis que pour la TACS, elle était définie comme une onde sinusoïdale ou AM entre -1000 et 1000 μA.

3. Procédure expérimentale

Dans chaque condition, l’intensité initiale de test était fixée à la sortie maximale de l’équipement, soit 2000 μA. Les participants incapables de percevoir des phosphènes à cette intensité étaient exclus de l’expérience. L’intensité seuil était déterminée par une méthode de recherche binaire modifiée (Modified Binary Search, MOBS), et l’intensité supraliminaire était fixée à 120 % du seuil. L’expérience formelle comprenait des intensités seuil et supraliminaire, avec 10 essais par condition. Lors de chaque essai, les participants recevaient une stimulation de 5 secondes et devaient appuyer sur la barre d’espace pour enregistrer leur temps de réaction dès qu’ils percevaient un phosphène. Ensuite, ils dessinaient le motif du phosphène à l’aide d’une souris et rapportaient la luminosité, la fréquence de clignotement et leur niveau de confiance après la stimulation.

Résultats principaux

1. Intensité seuil

L’étude a révélé que le seuil de perception des phosphènes était significativement plus élevé pour la stimulation AM que pour la stimulation sinusoïdale (1284,33 ± 86,78 μA contre 1079,47 ± 42,62 μA). Cependant, la polarité (oTDCS anodique, oTDCS cathodique et TACS) n’avait pas d’effet significatif sur le seuil.

2. Temps de réaction

Le temps de réaction était influencé par la polarité de la stimulation, la condition AM et l’intensité. Le temps de réaction pour la TACS était significativement plus rapide que pour l’oTDCS cathodique, mais pas significativement différent de l’oTDCS anodique. Le temps de réaction pour la stimulation sinusoïdale était significativement plus rapide que pour la stimulation AM, et l’intensité supraliminaire produisait également des temps de réaction plus rapides que l’intensité seuil.

3. Évaluation de la luminosité

La luminosité des phosphènes induits par l’oTDCS anodique était significativement plus élevée que celle induite par l’oTDCS cathodique et la TACS. Les scores de luminosité pour l’intensité supraliminaire étaient également significativement plus élevés que pour l’intensité seuil.

4. Évaluation de la fréquence de clignotement

Les scores de fréquence de clignotement étaient significativement plus bas pour la condition AM que pour la condition sinusoïdale. L’intensité supraliminaire n’a augmenté significativement les scores de fréquence de clignotement que dans la condition oTDCS anodique AM.

5. Niveau de confiance

Le niveau de confiance était significativement plus élevé pour l’intensité supraliminaire que pour l’intensité seuil, en particulier dans les conditions oTDCS anodique AM et TACS sinusoïdale.

6. Taille des phosphènes

La taille des phosphènes induits par la stimulation sinusoïdale était significativement plus grande que celle induite par la stimulation AM, et la taille des phosphènes à l’intensité supraliminaire était également significativement plus grande qu’à l’intensité seuil.

Conclusion et implications

Cette étude montre que la stimulation électrique oscillatoire (qu’il s’agisse de TACS ou d’oTDCS) peut induire efficacement la perception de phosphènes. L’oscillation du courant est un facteur clé dans la génération des phosphènes, tandis que la polarité influence la qualité de la perception (comme la luminosité et le temps de réaction). De plus, la fréquence AM joue un rôle dominant dans la perception de la fréquence de clignotement des phosphènes, indépendamment de la fréquence porteuse. Ces résultats mettent en lumière l’importance des oscillations neuronales dans la perception visuelle et ouvrent de nouvelles perspectives pour la recherche sur les technologies de prothèses visuelles.

Points forts de l’étude

1. Conception expérimentale innovante : En comparant la TACS et l’oTDCS, cette étude a réussi à distinguer les effets des variations rythmiques du champ électrique de ceux de l’alternance de polarité sur la perception des phosphènes.
2. Rôle dominant de la fréquence AM : L’étude a révélé que la fréquence AM joue un rôle prépondérant dans la perception de la fréquence de clignotement des phosphènes, offrant une nouvelle perspective sur le codage des fréquences temporelles dans la perception visuelle.
3. Impact de la polarité sur la qualité de la perception : L’oTDCS anodique a induit des phosphènes significativement plus lumineux que l’oTDCS cathodique et la TACS, indiquant que la polarité peut influencer la qualité de la perception indépendamment de l’intensité seuil.

Autres informations utiles

Les limites de cette étude incluent un nombre limité d’essais et une conception expérimentale en blocs qui pourrait entraîner des jugements prédictifs. Les recherches futures pourraient améliorer la robustesse des résultats en augmentant le nombre d’essais et en adoptant un design d’essais entrelacés. De plus, il est recommandé d’éviter l’utilisation de points de fixation à fort contraste dans les futures études sur les phosphènes afin de minimiser les interférences avec la perception des phosphènes.

Grâce à cette étude, nous avons non seulement approfondi notre compréhension des mécanismes de perception des phosphènes, mais nous avons également fourni un soutien théorique important pour le développement de technologies de prothèses visuelles basées sur les oscillations neuronales.