Effets de la lumière infrarouge sur l'activité cérébrale au repos et en fonctionnement explorés par l'IRM fonctionnelle

Que montre l’étude IRMf sur la photobiomodulation transcrânienne et l’activité du cerveau ?

La photobiomodulation, soit l'application de lumière rouge à infrarouge sur les tissus biologiques, suscite un intérêt croissant dans le domaine des neurosciences. Cette étude menée par l'Université de Sydney examine comment la lumière proche infrarouge (810 nm) appliquée de manière transcrânienne affecte l'activité cérébrale de sujets jeunes et en bonne santé, en utilisant l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf).

Les recherches précédentes ont démontré que la lumière dans cette gamme de longueurs d'onde peut influencer la structure et la fonction du système nerveux, notamment en favorisant la survie neuronale et en modifiant les schémas d'activité cérébrale. Le mécanisme d'action principal semble être lié aux mitochondries, les centrales énergétiques des cellules. La lumière, une fois absorbée par des photorécepteurs mitochondriaux comme le cytochrome oxydase, déclenche une augmentation du transfert d'électrons dans la chaîne respiratoire et du potentiel membranaire mitochondrial, ce qui entraîne une production accrue d'ATP. Cette augmentation d'énergie cellulaire conduit à des modifications de l'activité des pompes ioniques membranaires et à l'activation de facteurs de transcription dans le noyau cellulaire.

L'étude a porté sur 24 sujets sains (âge moyen : 32 ans) répartis équitablement entre hommes et femmes. Les chercheurs ont utilisé un dispositif Vielight qui émet de la lumière proche infrarouge à 810 nanomètres via cinq diodes électroluminescentes non-laser, positionnées sur les os frontaux et pariétaux du crâne. L'intensité lumineuse atteignait jusqu'à 100 mW/cm² par diode, avec une fréquence de pulsation de 10 Hz.

Le protocole expérimental comprenait plusieurs phases. Chaque participant a subi deux sessions d'IRM espacées de 4 à 12 semaines. Durant chaque session, des scans cérébraux ont été effectués avant et après une exposition de 20 minutes à la lumière (session active) ou à un traitement simulé (session témoin). Les participants ne savaient pas à quel type de traitement ils étaient soumis, garantissant ainsi l'objectivité des résultats.

Trois types de mesures ont été réalisés lors de chaque scan : l'IRM fonctionnelle au repos pour évaluer l'activité cérébrale de base (état de repos), le marquage de spin artériel pour mesurer le flux sanguin cérébral, et l'IRM fonctionnelle durant une tâche de mouvement des doigts pour examiner l'activité cérébrale évoquée par une action spécifique. Cette dernière tâche consistait à demander aux participants de toucher leur pouce avec leur index à une fréquence d'environ une fois par seconde, pendant des périodes alternées de 12 secondes d'activité et de repos.

La lumière réduit l'activité du putamen et du cortex moteur pendant une tâche motrice

La tâche de mouvement des doigts de la main droite a naturellement activé plusieurs régions cérébrales du côté gauche (contralatéral), notamment le putamen, le cortex somatosensoriel primaire, le cortex moteur primaire, le cortex associatif pariétal, le thalamus et le cervelet. L'application de lumière a produit des modifications dans certaines de ces régions activées.

Les résultats ont montré que la lumière réduisait l'activation cérébrale dans trois zones spécifiques : le putamen gauche, le cortex somatosensoriel et moteur primaire droit, et le cortex associatif pariétal bilatéral. Cette réduction d'activité a été observée de manière cohérente chez la grande majorité des participants : 19 sujets sur 22 ont présenté une diminution d'activation dans le putamen, 16 dans le cortex somatosensoriel primaire et 17 dans le cortex associatif pariétal.

En revanche, le traitement simulé n'a produit aucun effet sur l'activation cérébrale dans quelque région que ce soit. La comparaison directe entre les sessions actives et simulées a confirmé que la lumière réduisait de manière significative l'activation évoquée dans ces trois régions clés, tandis que le traitement simulé n'avait aucun effet.

Il est important de noter que la lumière n'a pas affecté toutes les régions activées par le mouvement des doigts. Le thalamus et le cervelet, situés plus profondément dans le cerveau, n'ont montré aucune modification d'activité après l'exposition lumineuse. Cela suggère que la lumière appliquée de manière transcrânienne pourrait avoir une portée limitée en profondeur, ne pouvant atteindre efficacement que les structures situées à 20-30 millimètres de la surface crânienne.

Effet du Vielight sur la connectivité du cortex associatif pariétal et l'attention

La connectivité fonctionnelle au repos représente le degré de synchronisation et de corrélation entre différentes régions cérébrales lorsque le cerveau n'est engagé dans aucune tâche particulière. Cette mesure permet d'évaluer comment les différentes zones du cerveau communiquent entre elles.

Les chercheurs ont examiné la connectivité au repos des trois régions affectées par la lumière durant la tâche motrice : le putamen gauche, le cortex somatosensoriel primaire droit et le cortex associatif pariétal droit. Les résultats ont révélé que la lumière n'a eu aucun effet sur la connectivité fonctionnelle au repos du putamen et du cortex somatosensoriel primaire avec le reste du cerveau.

En revanche, la lumière a produit des modifications dans la connectivité fonctionnelle au repos du cortex associatif pariétal. Cette région cérébrale a montré une connectivité réduite avec plusieurs autres zones : le cortex moteur primaire bilatéral et le cortex pariétal postérieur bilatéral. Cette diminution de connectivité a été observée chez 18 des 20 participants pour le cortex moteur primaire gauche, et chez 17 participants pour les autres régions mentionnées.

Le cortex associatif pariétal est une zone impliquée dans des fonctions cognitives complexes telles que l'attention, la détection de nouveauté, l'intégration sensori-motrice et les comportements guidés visuellement. Cette région fait également partie du réseau du mode par défaut, un ensemble de régions cérébrales particulièrement actives lorsqu'une personne est éveillée mais au repos, notamment durant la rêverie ou l'errance mentale.

La lumière infrarouge modifie-t-elle l'activité cérébrale au repos ? (Résultat : non)

Contrairement aux effets observés sur l'activité évoquée et la connectivité fonctionnelle spécifique, la lumière n'a produit aucune modification du flux sanguin cérébral global au repos ni de l'activité cérébrale générale en état de repos. Cette absence d'effet a été confirmée pour toutes les régions étudiées, y compris celles qui avaient montré des changements durant la tâche motrice.

Cette observation suggère que la lumière proche infrarouge appliquée de manière transcrânienne n'influence pas l'activité cérébrale de base, mais agit spécifiquement lorsqu'une région du cerveau devient fonctionnellement active lors de l'exécution d'une tâche particulière.

La réduction d'activité cérébrale induite par la lumière peut sembler contre-intuitive, mais elle est cohérente avec d'autres études. Des recherches antérieures ont montré que la lumière proche infrarouge appliquée sur le cortex moteur primaire peut réduire l'excitabilité corticale pendant jusqu'à trente minutes après l'application. De même, la lumière dans cette gamme de longueurs d'onde peut inhiber l'activité de différents types de nerfs périphériques, réduisant ainsi la transmission d'informations sensorielles, notamment nociceptives, vers la moelle épinière et le cerveau.

Le mécanisme proposé pour expliquer cette inhibition implique une perturbation de plusieurs pompes ioniques membranaires dépendantes de l'ATP dans les neurones. La lumière stimulerait la fonction mitochondriale et les niveaux d'ATP, augmentant l'activité de ces pompes, ce qui conduirait à une plus grande stabilité membranaire et à une inhibition du déclenchement neuronal. Cette réduction d'activité pourrait être interprétée comme une mesure protectrice induite par la lumière, limitant l'excitabilité globale et le potentiel de dommages excitotoxiques des neurones après leur stimulation.

Concernant les changements de connectivité fonctionnelle du cortex associatif pariétal, les chercheurs suggèrent que ces modifications pourraient être liées à une amélioration de l'attention et de la détection de nouveauté durant la tâche de mouvement des doigts. La lumière pourrait aider à désactiver le réseau du mode par défaut, permettant ainsi aux circuits d'attention et de nouveauté du cortex associatif pariétal et d'autres régions cérébrales de mieux communiquer et fonctionner. En d'autres termes, la lumière favoriserait une meilleure focalisation de l'attention sur la tâche en cours en réduisant l'activité des réseaux cérébraux impliqués dans la rêverie et les pensées vagabondes.

L'étude comporte plusieurs limitations. Le dispositif Vielight n'étant pas compatible avec l'IRM, il n'a pas été possible de mesurer les effets de la lumière sur l'activité cérébrale pendant l'application elle-même. Les mesures ont été effectuées immédiatement après une session de 20 minutes de traitement lumineux. Néanmoins, les effets observés indiquent que la lumière peut modifier l'activité neuronale pendant une période prolongée après son application, probablement au moins 10 à 30 minutes.

Le positionnement spécifique des diodes du dispositif Vielight sur les os frontaux et pariétaux pourrait théoriquement biaiser l'impact de la lumière vers les régions associées au réseau du mode par défaut. Cependant, les modifications induites par la lumière ont été observées dans des régions situées bien au-delà de l'emplacement des diodes, notamment dans le putamen et les cortex somatosensoriel et moteur primaires, suggérant que la portée de la lumière n'est pas limitée aux régions du réseau du mode par défaut.

Cette étude établit un cadre de référence pour les futures explorations des effets de la photobiomodulation sur l'activité cérébrale. Les résultats montrent que la lumière proche infrarouge appliquée de manière transcrânienne peut avoir un impact sur l'activité cérébrale de sujets normaux, mais uniquement lorsqu'une région du cerveau est elle-même fonctionnellement active lors de l'exécution d'une tâche particulière. Cette propriété fondamentale pourrait s'avérer particulièrement pertinente dans le contexte des maladies neurodégénératives.

L'idée centrale est que lorsqu'un neurone subit un changement de son équilibre ou de son homéostasie, que ce soit après avoir été activé fonctionnellement ou après avoir été mis en difficulté par une maladie ou un traumatisme, l'effet de la lumière devient plus évident. La lumière peut ainsi influencer l'activité fonctionnelle du neurone en supprimant toute suractivité, ou aider les neurones en détresse à mieux survivre face à une agression, offrant ainsi un effet neuroprotecteur.

Les résultats chez les sujets normaux diffèrent de ceux observés dans certaines études menées sur des patients atteints de maladies neurodégénératives. Par exemple, chez des patients souffrant de démence, l'application transcrânienne de lumière avec le même dispositif a augmenté la connectivité fonctionnelle au repos et la perfusion cérébrale dans le cortex associatif pariétal et le cortex cingulaire postérieur après 12 semaines de traitement. Cette augmentation de connectivité était associée à une amélioration clinique de la cognition chez ces patients. Des observations similaires d'augmentation de la connectivité fonctionnelle au repos ont été rapportées chez des patients victimes d'AVC avec aphasie chronique et chez d'anciens joueurs de football américain présentant des lésions cérébrales diffuses.

Ces différences entre sujets normaux et patients pourraient s'expliquer soit par l'état pathologique du cerveau, soit par les périodes différentes post-application lumineuse (court terme versus long terme). Des études complémentaires seront nécessaires pour clarifier ces questions et déterminer si des effets similaires sur l'activité cérébrale évoquée peuvent être observés chez des sujets normaux lors de l'exécution d'autres tâches fonctionnelles, telles que des tests de mémoire ou des stimulations somatosensorielles.

Cette recherche démontre que la lumière proche infrarouge appliquée de manière transcrânienne peut moduler l'activité cérébrale humaine de façon spécifique et ciblée. Les principaux enseignements sont que la lumière agit principalement sur les régions cérébrales fonctionnellement actives plutôt que sur l'activité de base au repos, qu'elle tend à réduire l'activation dans les zones stimulées, et qu'elle peut modifier la connectivité fonctionnelle de régions impliquées dans des fonctions cognitives complexes comme l'attention. Ces résultats ouvrent la voie à des applications thérapeutiques potentielles dans les maladies neurodégénératives et d'autres troubles neurologiques, où la modulation de l'activité cérébrale pourrait contribuer à améliorer la fonction neuronale et ralentir la progression de la maladie.