Étude de la réorganisation de l’activation cérébrale lors de la charge cognitive : Analyse ERD/ERS et de cohérence

Contexte académique

Lorsque le cerveau humain s’engage dans des tâches d’imagination, de mouvement ou de cognition, ses modes d’activité fonctionnelle et ses zones d’activation diffèrent. Ces variations se reflètent également dans les changements de l’activité électrique cérébrale, mesurables via l’électroencéphalogramme (EEG) à partir du cuir chevelu. Les tâches cognitives entraînent des modifications relatives des schémas de l’EEG, connues sous le nom de désynchronisation/synchronisation liée à l’événement (ERD/ERS). Cette étude vise à explorer les modes d’activation cérébrale lors de l’exécution de tâches de calcul mental, en particulier en révélant ces modes à travers le calcul de la densité spectrale de puissance (PSD) des bandes de fréquences de l’EEG et l’analyse de cohérence.

Source de l’étude

Cet article, rédigé par Md. Rayahan Sarker Bipul, Md. Asadur Rahman et Md. Foisal Hossain, provient respectivement de la Khulna University of Engineering and Technology (KUET) et du Military Institute of Science and Technology (MIST). L’étude a été reçue le 21 septembre 2022, révisée le 11 juillet 2023, acceptée le 4 novembre 2023 et publiée dans la revue « Cognitive Neurodynamics » de Springer Nature.

Processus de recherche

Collecte de données et conception de l’expérience

Cette étude a utilisé des données EEG relatives à des tâches de calcul mental, collectées à partir de la base de données PhysioBank (https://archive.physionet.org/physiobank/database/eegmat/). Un total de 66 participants, tous droitiers, en bonne santé, âgés de 18 à 26 ans, ont été inclus. L’EEG a été enregistré à partir d’un système à 23 canaux, avec une fréquence d’échantillonnage de 500 Hz, en utilisant le système international 10-20 pour le placement des électrodes.

L’expérimentation comprenait trois phases : une période d’adaptation, une période de repos et une période de calcul mental. Les participants étaient assis tranquillement pendant trois minutes de repos, suivies de quatre minutes de tâche de calcul mental, au cours desquelles les trois premières minutes de données ont été enregistrées.

Traitement et méthodes d’analyse des données

Les prétraitements des données ont été effectués en utilisant le langage de programmation Matlab. La tâche de calcul mental consistait en une série de soustractions impliquant un nombre de quatre chiffres moins un nombre de deux chiffres. Les artéfacts communs dans les signaux EEG (tels que le bruit musculaire) ont été éliminés par des étapes de traitement appropriées. Les participants ont été invités à ne pas utiliser de mouvements corporels, mais à accomplir la tâche uniquement par l’imagination.

L’analyse des données incluait le calcul de l’ERD/ERS et de la cohérence. L’analyse ERD/ERS a été effectuée en calculant la densité spectrale de puissance (PSD) par la méthode de Welch, suivie d’une analyse de cohérence pour vérifier les résultats d’ERD/ERS.

Principaux résultats

Analyse ERD/ERS

L’étude a révélé des changements significatifs de la puissance dans les bandes de fréquences theta et beta des signaux EEG pendant la tâche de calcul mental. Notamment, ces changements dans les bandes de fréquences de l’EEG étaient principalement concentrés dans l’hémisphère gauche. Lorsque la complexité de la tâche augmentait, les quantités relatives et la durée de l’ERD/ERS augmentaient aussi. L’analyse ERD/ERS a également montré des changements de synchronisation et de désynchronisation dans différentes régions du cerveau pendant la tâche cognitive.

Analyse de cohérence

L’analyse de cohérence a confirmé les résultats de l’analyse ERD/ERS, démontrant des modifications de la synchronisation de l’activité électrique entre différentes régions cérébrales dans des plages de fréquences spécifiques lors de la tâche cognitive. L’augmentation de la quantité d’ERS dans l’hémisphère gauche pendant l’exécution de la tâche de calcul mental et l’asymétrie relative de la distribution ERD/ERS dans l’hémisphère droit avant la stimulation ont été particulièrement notables.

Conclusion et valeur

Cette étude a révélé, via les analyses ERD/ERS et de cohérence, les modes d’activation cérébrale et leur répartition régionale pendant les tâches cognitives. Ces résultats contribuent non seulement à comprendre les processus de réorganisation fonctionnelle du cerveau pendant des tâches cognitives complexes, mais fournissent également une base pour des recherches futures, notamment dans les domaines des neurosciences cognitives, du développement des compétences mathématiques et des interfaces cerveau-ordinateur.

Points forts de l’étude

1. Analyse combinée ERD/ERS et de cohérence : Cette étude marque la première utilisation combinée des méthodes d’analyse ERD/ERS et de cohérence pour étudier l’activité cérébrale pendant une tâche de calcul mental.
2. Répartition régionale de la réorganisation fonctionnelle du cerveau : L’étude décrit en détail les changements de synchronisation et de désynchronisation dans différentes régions du cerveau lors de la tâche cognitive, fournissant une cartographie cérébrale plus précise.
3. Potentiel d’application des données : Les résultats de l’étude offrent des références importantes pour des applications futures dans les domaines des neurosciences cognitives, de l’éducation et du développement d’interfaces cerveau-ordinateur.

Conclusion

À travers les analyses ERD/ERS et de cohérence, cette étude dévoile en détail les modes d’activation fonctionnelle du cerveau et leur répartition régionale pendant l’exécution de tâches cognitives complexes telles que le calcul mental. Les résultats montrent que l’analyse combinée ERD/ERS et de cohérence est une méthode efficace, capable de fournir des informations fiables sur l’état fonctionnel du cerveau lors de tâches cognitives. Ces découvertes non seulement approfondissent la compréhension des mécanismes de réorganisation fonctionnelle du cerveau, mais encouragent également les recherches futures dans les domaines des neurosciences cognitives et des interfaces cerveau-ordinateur.