La photobiomodulation modifie l’activité électrique du cerveau

Cette étude publiée en 2019 dans Scientific Reports par une équipe canadienne examine les effets de la photobiomodulation transcranienne (tPBM) sur l’activité électrique cérébrale mesurée par électroencéphalographie (EEG). Malgré une compréhension approfondie des mécanismes cellulaires de la photobiomodulation, notamment ses effets sur la fonction mitochondriale et la production d’ATP, la littérature scientifique manquait de preuves directes que cette modalité produise des modifications mesurables de l’activité neuronale.

La photobiomodulation transcranienne consiste à appliquer de la lumière proche infrarouge à travers le crâne pour stimuler les tissus cérébraux. Des études antérieures ont établi qu’elle augmente le flux sanguin cérébral, améliore la disponibilité en oxygène, accroît la production d’ATP et optimise l’activité mitochondriale. Ces effets ont montré un potentiel thérapeutique pour la maladie d’Alzheimer, les traumatismes crâniens et les accidents vasculaires cérébraux.

L’hypothèse centrale repose sur l’observation que la fréquence de pulsation de la lumière pourrait influencer l’activité neuronale. Les chercheurs ont testé une fréquence de 40 Hz, correspondant aux ondes gamma du cerveau, pour évaluer un possible mécanisme d’entraînement avec les oscillations cérébrales naturelles.

Le mécanisme d’action principal implique le cytochrome c oxydase, une enzyme mitochondriale qui agit comme photorécepteur. Cette enzyme possède des centres capables d’absorber les photons lumineux. Lorsque stimulée, elle augmente l’activité de la chaîne de transport des électrons mitochondriale, résultant en une production accrue d’ATP. Cette stimulation active également des voies de signalisation conduisant à l’expression de gènes liés à la synthèse protéique, la réduction de l’inflammation, la protection cellulaire et la stimulation de facteurs neurotrophiques.

Des études in vitro ont démontré que la photobiomodulation stimule la repousse des neurites dans les neurones endommagés, tandis que des modèles animaux d’accident vasculaire cérébral ont révélé qu’elle favorise la neurogenèse via la prolifération de cellules progénitrices neurales.

Design Expérimental

L’étude a suivi un protocole randomisé contrôlé en double aveugle avec design croisé. Vingt adultes sains (âge moyen : 68 ans, de 61 à 74 ans, 11 femmes et 9 hommes) ont été recrutés. Les critères d’exclusion incluaient un score cognitif inférieur à 27 au MMSE, des pathologies psychiatriques ou neurologiques majeures, des antécédents d’accident vasculaire cérébral ou d’épilepsie.

Chaque participant a reçu deux conditions dans un ordre randomisé : une session avec stimulation active et une session avec stimulation factice, espacées d’au moins une semaine. L’activité cérébrale a été enregistrée pendant 10 minutes avant et après chaque intervention, participants au repos avec les yeux fermés.

Dispositif Utilisé

Le dispositif Vielight Neuro Gamma est un système portable comprenant cinq modules LED émettant une lumière infrarouge proche (810 nanomètres) pulsée à 40 Hz. La configuration inclut un module intranasal ciblant les structures profondes comme l’hippocampe, un module frontal ciblant le cortex préfrontal, un module central postérieur ciblant le cortex cingulaire postérieur, et deux modules latéraux ciblant le cortex pariétal.

Ces positions correspondent aux subdivisions du réseau en mode par défaut, un ensemble de régions cérébrales fortement interconnectées impliquées dans la conscience de soi, la mémoire et la réflexion introspective. Les LED sont organisées en deux groupes pulsant en synchronie intra-groupe mais en asynchronie inter-groupe. Chaque session dure 20 minutes et délivre 240 joules d’énergie.

Acquisition des Données

L’activité cérébrale a été enregistrée via un système EEG avec 19 canaux positionnés selon le montage international standard. Les analyses ont porté sur la puissance spectrale des différentes bandes de fréquence (delta, thêta, alpha, bêta et gamma), la synchronisation inter-régionale, et les propriétés de réseau évaluant l’intégration et la ségrégation cérébrales.

Modifications des Ondes Cérébrales

Une session unique de 20 minutes a produit des modifications significatives dans la distribution spectrale de l’activité cérébrale. Les ondes rapides (alpha, bêta et gamma) ont augmenté, tandis que les ondes lentes (delta et thêta) ont diminué.

Les ondes lentes (delta et thêta), typiquement associées au sommeil profond ou à la somnolence, ont diminué. Les ondes rapides (alpha, bêta, gamma), associées à l’éveil, l’attention et le traitement cognitif, ont augmenté. Ce pattern indique un déplacement vers un état d’activation corticale accrue, suggérant un cerveau plus alerte et actif cognitivement.

Les ondes alpha sont associées à la relaxation calme mais éveillée. Les ondes bêta correspondent à la concentration et l’activité mentale. Les ondes gamma, les plus rapides, sont liées à l’attention soutenue, le traitement cognitif complexe, la mémoire et la conscience.

Modifications de la Connectivité Cérébrale

L’analyse de synchronisation inter-régionale a révélé des modifications significatives dans la coordination de l’activité neuronale à travers le cortex. Les mesures de théorie des graphes ont démontré que la photobiomodulation modifie deux propriétés fondamentales des réseaux cérébraux.

L’intégration représente la capacité du réseau à combiner l’information provenant de régions distribuées, essentielle pour les tâches cognitives complexes nécessitant la coordination de multiples zones cérébrales. La ségrégation représente la capacité du réseau à maintenir des modules fonctionnels spécialisés, permettant un traitement efficace et spécialisé de l’information dans des régions distinctes.

L’équilibre entre ces deux propriétés est crucial pour un fonctionnement cognitif optimal. Un déséquilibre vers une intégration excessive peut entraîner une perte de spécialisation fonctionnelle, tandis qu’une ségrégation excessive peut limiter la communication inter-régionale nécessaire aux processus cognitifs complexes.

Différence avec le Placebo

Tous les changements observés sous stimulation active étaient statistiquement différents de la condition factice. Cette différence confirme que les effets mesurés ne sont pas attribuables à un effet placebo ou aux aspects non spécifiques de l’intervention comme le simple fait de porter l’appareil ou les attentes des participants.

Les modifications électrophysiologiques observées sont cohérentes avec les effets métaboliques connus de la photobiomodulation. La séquence causale proposée s’articule ainsi : les photons lumineux sont absorbés par le cytochrome c oxydase, cette absorption augmente l’activité de la chaîne respiratoire mitochondriale, la production d’ATP s’accroît, les neurones disposent de plus d’énergie pour maintenir leurs potentiels de membrane, la fréquence de décharge neuronale augmente, et les oscillations cérébrales se déplacent vers des fréquences plus élevées.

L’amélioration de la fonction mitochondriale fournirait donc le substrat énergétique nécessaire pour soutenir une activité neuronale accrue, se traduisant par le déplacement spectral observé vers les hautes fréquences.

Effet de la Fréquence de Pulsation

La fréquence de pulsation de 40 Hz, correspondant à la bande gamma, suggère un mécanisme potentiel d’entraînement. La stimulation rythmique à 40 Hz pourrait entraîner les réseaux neuronaux à osciller préférentiellement à cette fréquence, amplifiant les ondes gamma endogènes. Ce phénomène de résonance pourrait expliquer l’augmentation spécifique de la puissance dans la bande gamma, comme pousser une balançoire au bon rythme pour augmenter son amplitude.

La photobiomodulation transcranienne se distingue des autres techniques de stimulation cérébrale non invasive comme la stimulation magnétique transcranienne (TMS) et la stimulation transcrânienne à courant direct (tDCS). Contrairement au tDCS dont les mécanismes restent partiellement élucidés, ceux de la photobiomodulation sont bien établis au niveau cellulaire et mitochondrial.

L’application intranasale permet d’atteindre des structures cérébrales profondes comme l’hippocampe, difficiles à cibler avec les approches purement transcrâniennes. Aucun effet indésirable n’a été rapporté, contrairement à certains effets secondaires occasionnellement observés avec TMS ou tDCS. La possibilité d’ajuster la fréquence de pulsation offre un paramètre supplémentaire de modulation non disponible avec les autres techniques.

Les résultats supportent l’investigation de la photobiomodulation transcranienne pour diverses conditions. Dans la maladie d’Alzheimer, les ondes gamma sont réduites et associées au déclin cognitif. Dans les traumatismes crâniens, la restauration des patterns oscillatoires pourrait favoriser la récupération. Dans la dépression majeure, caractérisée par des anomalies des oscillations cérébrales, la modulation pourrait avoir un effet thérapeutique. Dans les troubles du sommeil, la normalisation des patterns d’ondes pourrait améliorer la qualité du sommeil. Chez les sujets sains, l’amélioration de l’attention, de la mémoire ou des performances cognitives générales pourrait être envisagée.

Limitations

Les chercheurs reconnaissent plusieurs limitations. Avec 20 participants, tous âgés et en bonne santé, la généralisation des résultats à d’autres populations reste à établir. L’étude mesure les changements immédiatement après une session unique de 20 minutes. La durée de persistance de ces effets, les effets cumulatifs de traitements répétés, et les bénéfices à long terme restent inconnus.

Bien que des changements électrophysiologiques aient été observés, l’étude n’inclut pas de mesures cognitives ou comportementales pour établir si ces modifications se traduisent par des améliorations fonctionnelles. Seule la fréquence de 40 Hz a été testée. L’effet d’autres fréquences de pulsation, durées de traitement, intensités lumineuses ou configurations spatiales reste à explorer.

Cette étude pilote démontre pour la première fois que la photobiomodulation transcranienne et intranasale pulsée à 40 Hz module les oscillations neuronales humaines, mesurées objectivement par EEG. Les effets observés incluent une augmentation des fréquences rapides (alpha, bêta, gamma), une diminution des fréquences lentes (delta, thêta), et des modifications de la connectivité fonctionnelle et des propriétés de réseau cérébral.

Ces résultats fournissent des preuves électrophysiologiques directes de l’efficacité de la photobiomodulation transcranienne sur l’activité neuronale. La convergence entre les mécanismes cellulaires bien établis et ces nouvelles preuves d’effets électrophysiologiques directs renforce la validité scientifique de cette approche et ouvre des perspectives pour le développement de protocoles cliniques optimisés.

La photobiomodulation transcranienne se positionne comme une modalité de stimulation cérébrale non invasive avec des mécanismes d’action bien caractérisés, un profil de sécurité favorable, et des effets mesurables sur l’activité neuronale. Des investigations cliniques confirmatives à plus grande échelle sont justifiées pour évaluer son potentiel thérapeutique dans diverses conditions neurologiques et psychiatriques.