Cet article compare la fNIRS et l’EEG, deux méthodes d’imagerie cérébrale non invasives utilisées dans la recherche et en milieu clinique. Si la fNIRS offre une meilleure résolution spatiale, l’EEG se distingue par une résolution temporelle supérieure. Il est essentiel de bien comprendre les différences entre ces techniques pour faire progresser la technologie et les applications de l’imagerie cérébrale.

Table des matières

fNIRS ou EEG : quand choisir l’une ou l’autre ?

La spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS) et l’électroencéphalographie (EEG) sont deux méthodes de neuroimagerie non invasives largement utilisées pour étudier l’activité cérébrale en temps réel. Si ces deux outils jouent un rôle essentiel dans les neurosciences cognitives et la surveillance des fonctions cérébrales, ils diffèrent considérablement par leurs mécanismes, leur résolution et leurs applications idéales.

Qu’est-ce que la fNIRS et comment fonctionne-t-elle ?

La fNIRS surveille les réponses hémodynamiques cérébrales, c’est-à-dire qu’elle mesure les variations du flux sanguin dans le cerveau en réponse à des tâches mentales ou à des stimuli, en détectant les changements de l’hémoglobine oxygénée (HbO) et de l’hémoglobine désoxygénée (HbR) à l’aide de la lumière proche infrarouge.

Cette technique offre une meilleure résolution spatiale que l’EEG, en particulier pour les zones corticales superficielles, et est plus résistante aux artefacts liés aux mouvements. Si la fNIRS s’apparente en principe à l’IRM fonctionnelle (fMRI), elle est plus portable et plus facile à utiliser, même si sa résolution temporelle est plus lente (de l’ordre de quelques secondes), car elle reflète la réponse hémodynamique indirecte à l’activité neuronale.

Il est essentiel de bien comprendre ces aspects fondamentaux de la fNIRS pour les chercheurs qui souhaitent évaluer son utilité. Pour un aperçu plus complet de cette puissante technique de neuroimagerie et de ses applications en constante évolution, nous vous invitons à découvrir la fNIRS.

Qu’est-ce que l’EEG et comment fonctionne-t-il ?

À l’inverse, l’EEG mesure l’activité électrique du cerveau à l’aide d’électrodes placées sur le cuir chevelu. Ces capteurs détectent les variations de tension provoquées par la décharge synchronisée des neurones corticaux, principalement des cellules pyramidales. L’un des principaux atouts de l’EEG réside dans son exceptionnelle résolution temporelle : il permet de saisir la dynamique neuronale à l’échelle de la milliseconde.

L’EEG est donc idéal pour analyser les processus cognitifs rapides tels que l’attention, la perception sensorielle et la planification motrice. Cependant, sa résolution spatiale est limitée en raison de la dispersion des signaux électriques à travers le crâne et le cuir chevelu.

fNIRS vs EEG : d’où proviennent les données ?

La fNIRS et l’EEG sont toutes deux des techniques non invasives, mais elles diffèrent considérablement quant à la zone du cerveau où elles mesurent l’activité, en raison des propriétés physiques de la lumière et de l’électricité lorsqu’elles traversent le crâne.

fNIRS :
La fNIRS mesure l’activité cérébrale dans les couches superficielles du cortex, en ciblant principalement les régions préfrontale et pariétale. Elle détecte les variations de l’oxygénation sanguine à quelques centimètres seulement sous le cuir chevelu, ce qui en fait une technique idéale pour surveiller les zones corticales superficielles impliquées dans l’attention, la régulation des émotions et les processus cognitifs supérieurs.

EEG :
L’EEG permet de capter l’activité électrique générée par des populations de neurones du cortex cérébral, en particulier par les cellules pyramidales alignées perpendiculairement au cuir chevelu. Bien qu’il enregistre les signaux provenant de l’ensemble du cuir chevelu, il est plus sensible aux signaux émis par les structures corticales superficielles et moins efficace pour détecter l’activité des régions cérébrales plus profondes ou des zones corticales plissées.

Chapitre : Quand privilégier la fNIRS plutôt que l’EEG

Il est essentiel de savoir quand recourir à la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS) plutôt qu’à l’électroencéphalographie (EEG) pour concevoir des expériences de neurosciences cognitives efficaces et percutantes. Bien que ces deux techniques de neuroimagerie non invasives fournissent des informations précieuses sur le fonctionnement du cerveau, elles mesurent des processus physiologiques différents, opèrent à des échelles temporelles et spatiales distinctes et conviennent à des contextes de recherche spécifiques.

1. Nature de l’activité cérébrale étudiée

La principale différence réside dans le signal physiologique capté par chaque technique. L’EEG mesure les potentiels électriques générés par l’activité neuronale synchronisée, offrant ainsi un aperçu direct de la dynamique neuronale. La fNIRS, en revanche, mesure les variations de l’oxygénation sanguine associées à l’activité neuronale : il s’agit d’un marqueur indirect qui repose sur le couplage neurovasculaire.

Utilisez l'EEG lorsque votre étude nécessite une haute résolution temporelle, par exemple pour enregistrer des processus cognitifs rapides tels que la perception d'un stimulus, le traitement du langage ou le début d'une prise de décision.
Utilisez la fNIRS lorsque vous vous intéressez aux états cognitifs durables, à la charge de travail ou au traitement affectif localisé dans le cortex, en particulier dans la région préfrontale.

2. Besoins en matière de résolution temporelle et spatiale

L’EEG offre une résolution temporelle de l’ordre de la milliseconde, mais sa précision spatiale est limitée en raison des propriétés conductrices du crâne et du cuir chevelu. La fNIRS offre une résolution spatiale supérieure au niveau des zones corticales superficielles, mais elle est limitée par le délai de la réponse hémodynamique (2 à 6 secondes).

Optez pour l'EEG pour les tâches nécessitant une synchronisation précise, par exemple les études ERP, les tâches à séquence rapide ou les interfaces cerveau-ordinateur (BCI).
Optez pour la fNIRS pour la cartographie spatiale des régions cérébrales impliquées dans l'attention soutenue, la résolution de problèmes ou l'engagement émotionnel, en particulier lorsque l'activité corticale frontale présente un intérêt particulier.

3. Environnement expérimental et tolérance au mouvement

Les systèmes fNIRS sont relativement résistants aux artefacts liés aux mouvements et plus faciles à transporter que les installations EEG traditionnelles, ce qui les rend idéaux pour les études sur le terrain, les études impliquant des enfants ou celles nécessitant que les participants se déplacent.

L'EEG est mieux adapté aux environnements de laboratoire hautement contrôlés.
La fNIRS est préférable dans les contextes mobiles ou en situation réelle (par exemple, en classe, lors de performances sportives ou dans le cadre de simulations de conduite).

4. Opportunités multimodales

Pour mener des recherches approfondies en neurosciences cognitives ou affectives, l’intégration de l’EEG et de la fNIRS offre une approche hybride garantissant une grande fidélité temporelle et spatiale. Cela s’avère particulièrement utile dans les études visant à modéliser le couplage neurovasculaire ou à décoder des états mentaux complexes en temps réel.

Conclusion :
Le choix entre l’EEG et la fNIRS doit être guidé par l’hypothèse de recherche, les processus cognitifs étudiés, la résolution requise (temporelle ou spatiale) et les contraintes logistiques liées à la population ou à l’environnement de l’étude. Dans de nombreux cas, une approche combinée EEG-fNIRS offre la vision la plus complète du fonctionnement cérébral.

Éléments clés à prendre en compte pour l’utilisation simultanée de l’EEG et de la fNIRS :

- Ces deux systèmes utilisent souvent le système international 10–20 pour le placement des électrodes ou des capteurs. Pour éviter les interférences :
  - Utilisez des casquettes EEG haute densité dotées d'ouvertures prédéfinies compatibles avec la fNIRS.
  - Certains systèmes fNIRS sont conçus pour être intégrés dans des casquettes EEG ou fixés à l'aide de supports d'optodes qui évitent les points de contact des électrodes.
de compatibilité
concernant l'emplacement des capteurs
- Certains fournisseurs proposent des systèmes intégrés, tandis que d'autres nécessitent une synchronisation via des déclencheurs ou des systèmes d'horloge partagée.
- L'EEG et la fNIRS peuvent généralement être synchronisés à l'aide d'un matériel externe (par exemple, des impulsions TTL ou des ports parallèles) ou d'un logiciel d'acquisition commun.
d'intégration
matérielle
Artifices liés au
mouvement et au signal
- Si la fNIRS est plus résistante aux mouvements, l'ajout de l'EEG accroît la complexité et la sensibilité aux artefacts liés aux mouvements.
- Pour réduire au minimum les artefacts :
  - Optez pour des casquettes bien ajustées mais confortables.
  - Évitez que les capteurs se chevauchent.
  - Utiliser des algorithmes de correction de mouvement lors du prétraitement.
Considérations relatives à la fusion
des données
- L'EEG et la fNIRS captent des signaux fondamentalement différents (électriques vs hémodynamiques) ; il est donc nécessaire de mettre en place des chaînes de prétraitement distinctes avant leur intégration.
- Les techniques de fusion de données comprennent l'analyse conjointe des composantes indépendantes (jICA), l'analyse en corrélations canoniques (CCA) et les approches d'apprentissage automatique qui combinent les ensembles de caractéristiques issues des deux modalités.

Quand privilégier plutôt des études distinctes :

Si des interférences avec les capteurs sont inévitables en raison de la taille de la tête ou de contraintes liées à l'équipement, comme c'est le cas lors d'examens en réalité virtuelle.
Si la tâche implique des mouvements excessifs (par exemple, marcher), ce qui peut nuire à la qualité de l'EEG.

Conclusion : faire le bon choix dans le débat entre la fNIRS et l’EEG

Lorsqu’il s’agit de concevoir des études en neurosciences ou en facteurs humains, le choix entre la fNIRS et l’EEG dépend en fin de compte de vos objectifs de recherche spécifiques. Si vous cherchez à capturer des réponses cérébrales rapides et transitoires avec une précision de l’ordre de la milliseconde, l’EEG reste la référence absolue. En revanche, si vous vous intéressez davantage à l’activité corticale localisée lors d’états cognitifs ou émotionnels prolongés – en particulier dans des contextes réels –, la fNIRS pourrait s’avérer le choix le plus approprié.

Dans certains cas, la meilleure réponse à la question « fNIRS ou EEG ? » n’est pas « l’un ou l’autre », mais « les deux ». Une approche combinée permet aux chercheurs de tirer parti des atouts de chaque technique, offrant ainsi des informations plus riches et multidimensionnelles sur les réponses électriques et hémodynamiques du cerveau. Qu’elles soient utilisées séparément ou conjointement, le choix de la bonne méthode (ou combinaison) garantit que vos recherches sont à la fois scientifiquement rigoureuses et concrètement pertinentes.

Tableau comparatif entre la fNIRS et l’EEG :

Fonctionnalité	EEG (électroencéphalographie)	fNIRS (spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge)
Ce qu’il mesure	Activité électrique des neurones	Réponse hémodynamique (taux d’oxygénation du sang)
Source du signal	Potentiels postsynaptiques dans les neurones corticaux	Variations des taux d’hémoglobine oxygénée et désoxygénée
Résolution temporelle	Élevé (millisecondes)	Faible (en secondes)
Résolution spatiale	Faible (de l’ordre du centimètre)	Modéré (meilleur que l’EEG, mais limité au cortex)
Profondeur de mesure	Surface corticale	Cortex externe (profondeur d’environ 1 à 2,5 cm)
Sensibilité au mouvement	Élevé – sensible aux artefacts de mouvement	Faible – plus tolérant aux mouvements du sujet
Portabilité	Haut de gamme – systèmes légers et sans fil disponibles	Élevé – souvent utilisé dans les formats mobiles et portables
Complexité de la mise en place	Modéré – nécessite l’application d’un gel pour électrodes et une préparation du cuir chevelu	Modéré – placement de l’optode avec un contact minimal avec la peau
Coût	Généralement plus bas	Généralement plus élevée, en particulier avec les systèmes à haute densité
Meilleurs cas d’utilisation	Tâches cognitives rapides, études sur l’ERP, recherche sur le sommeil	Études naturalistes, développement de l’enfant, rééducation motrice
Utilisation multimodale	Souvent associées à la fNIRS, à l’IRMf ou à l’oculométrie	Souvent associé à l’EEG, au suivi des mouvements, etc.

fNIRS vs EEG : comparaison des techniques d'imagerie cérébrale non invasive