Oscillations neuronales – Interprétation des bandes de fréquences de l'EEG

Découvrez comment les ondes cérébrales ouvrent la voie à des technologies pilotées par la pensée. L’EEG permet de suivre des bandes de fréquences telles que les ondes alpha, bêta, thêta et gamma, chacune étant liée à l’attention, aux émotions et à la cognition. En analysant ces schémas, les chercheurs peuvent interpréter les états mentaux et même contrôler des appareils, révélant ainsi comment l’activité cérébrale influence le comportement et les interactions avancées entre l’homme et la machine.

Les différentes applications de l’électroencéphalogramme (EEG), notamment dans le domaine des technologies commandées par la pensée, suscitent un vif intérêt, et à juste titre. Grâce aux progrès rapides des interfaces cerveau-ordinateur, les chercheurs sont désormais en mesure de mettre au point des appareils que les utilisateurs peuvent contrôler par la pensée.

Ces dispositifs vont des bras robotiques (1) aux pianos synthétiques (2), et leur point commun est qu’ils utilisent comme données d’entrée l’activité électrique cérébrale enregistrée au niveau du cuir chevelu. Cette technologie sophistiquée repose sur l‘analyse du spectre de puissance, une méthode EEG largement répandue. Les algorithmes se basent simplement sur la puissance (c’est-à-dire les amplitudes d’oscillation au carré) dans différentes bandes de fréquences et à différents emplacements d’électrodes pour effectuer leurs interprétations.

Bandes de fréquences

Il y a quelque temps, on a beaucoup parlé de « l’homme le plus heureux du monde », un moine tibétain dont le cerveau produisait des ondes gamma jamais observées auparavant en neurosciences. Il a été démontré que la méditation avait un effet sur l’activité dans la bande gamma (3), associée aux fonctions cognitives supérieures… Mais comment interpréter réellement ces bandes de fréquences ?

Vous trouverez ci-dessous une brève présentation des différentes bandes de fréquences et de leur rôle dans divers processus mentaux.

Ondes alpha

Si vous connaissez les travaux sur l’asymétrie préfrontale fondés sur les découvertes de Davidson (4), vous avez sans doute déjà entendu parler de la bande de fréquences alpha, qui se situe généralement entre 7 et 12 Hz. Pour résumer brièvement, on suppose que la puissance alpha est inversement proportionnelle à l’activation corticale et qu’une activité accrue dans le cortex préfrontal gauche est associée à une motivation d’approche. Bien qu’elle ait également été interprétée comme un indicateur de réponses émotionnelles à valence positive, les données montrent que cela n’est pas tout à fait exact. En effet, des états émotionnels tels que la colère et la jalousie sont à valence négative, mais déclenchent néanmoins une activation relativement plus forte de l’hémisphère gauche (5).

La recherche sur l’asymétrie EEG repose sur l’hypothèse selon laquelle les ondes alpha indiqueraient simplement l’état de repos du cerveau. Cependant, de nombreux auteurs affirment que cette hypothèse est trop simpliste, car elle ne tient pas compte des connaissances actuelles sur le rôle fonctionnel des oscillations alpha ni de la différenciation des réseaux préfrontaux (6).

Il a été démontré que les oscillations alpha jouent un rôle clé dans l’inhibition des processus non essentiels, ce qui facilite à son tour l’exécution des tâches (7). De plus, les ondes alpha sont étroitement liées à la régulation de la conscience perceptive et au contrôle attentionnel (6). Elles pourraient donc être considérées comme un indicateur du traitement descendant, représentant un mécanisme permettant d’augmenter le rapport signal/bruit (8).

Ondes delta

Les oscillations delta se situent dans la gamme de fréquences la plus basse (<4 Hz) et interviennent dans les processus motivationnels (9). Il a été démontré que la puissance delta de l’EEG est en corrélation positive avec l’amplitude de la composante P300 dans les études ERP, ce qui est généralement associé aux processus du système de récompense dopaminergique. Cela indique que les états liés à la nécessité de satisfaire les besoins biologiques fondamentaux peuvent être associés à une activité delta accrue. En effet, des données provenant à la fois de populations d’enfants et d’adultes montrent que les comportements associés à une envie irrépressible d’objets gratifiants sur le plan biologique s’accompagnent d’une activité à ondes lentes accrue (9).

Ondes thêta

Les oscillations thêta (4-7 Hz) sont souvent associées à la mémoire et à la régulation émotionnelle. De nombreuses études ont montré l’implication des oscillations thêta dans l’encodage de l’information lors de mouvements exploratoires et de la navigation spatiale (9). De plus, il a également été démontré que la discrimination entre des images à valence émotionnelle positive ou négative est associée à une activité thêta synchronisée précoce (10) et que les participants présentant des réponses de conductance cutanée faibles par rapport à ceux présentant des réponses élevées diffèrent en termes de variations de puissance dans la bande thêta (11). Tout comme les ondes delta, les oscillations thêta sont également liées à la composante ERP P300 et jouent un rôle dans la détection de la saillance, confirmant le lien étroit entre les processus motivationnels et émotionnels (9).

Il convient de noter que, si la fréquence alpha prédomine chez l’adulte, c’est la fréquence thêta qui domine dans l’EEG des mammifères non humains, et la fréquence delta dans celui des reptiles. Ces résultats pourraient indiquer que le comportement des reptiles est principalement guidé par des pulsions motivationnelles, tandis que celui des mammifères non humains dépend davantage des réactions émotionnelles et de l’apprentissage émotionnel (9).

En ce qui concerne le rôle des oscillations alpha dans l’EEG humain, on peut en déduire que le développement des fonctions cérébrales supérieures repose fortement sur des mécanismes inhibiteurs ou d’autres fonctions associées aux oscillations alpha, telles que la mémoire de travail et la représentation mentale d’objets et d’événements (9). Il convient d’ajouter qu’à mesure que les enfants grandissent, le pourcentage et la puissance des ondes lentes dans leur cerveau diminuent, tandis que la puissance alpha augmente considérablement avec l’âge (12). Donc oui, les ondes alpha sont bien plus qu’un simple état de repos du cerveau.

Ondes bêta

La bande bêta (12-30 Hz) est le plus souvent étudiée en relation avec le comportement sensorimoteur ; on sait que la puissance de cette bande diminue pendant la préparation et l’exécution des mouvements volontaires, puis qu’elle augmente brusquement après la fin de l’action (13). Mais ce n’est pas tout : le cerveau réagit de la même manière lorsque l’on observe ou imagine le mouvement. Même lorsqu’elle n’est accompagnée d’aucune activité musculaire, la simulation mentale d’un acte moteur implique dans une large mesure les mêmes zones corticales que celles activées lors du mouvement réel (14). C’est ainsi qu’il devient possible de contrôler une main robotique par la seule force de l’imagination.

S’il est largement admis que l’activité dans la bande alpha joue un rôle important dans le comportement attentionnel, celle de la bande bêta a, quant à elle, fait l’objet de beaucoup moins d’attention. Cependant, des études ont montré que l’activité dans la bande bêta sert également de vecteur à l’activation attentionnelle (15) : elle favorise la vigilance ou l’éveil qui nous permettent de percevoir des stimuli, même lorsqu’ils ne sont présentés que très brièvement (16).

Ondes gamma

La bande gamma (30-50 Hz ou plus) est associée à la construction de la représentation des objets. Elle implique la liaison de parties distinctes d’un même objet par des processus ascendants, ainsi que l’activation, la récupération ou la répétition d’une représentation interne par un processus descendant (17). Comme la puissance de la bande gamma augmente lors de tâches complexes et exigeantes en termes d’attention, l’activité gamma induite est souvent interprétée comme le substrat neuronal des processus cognitifs (ibid.). 

On sait que les différentes propriétés des objets ou des événements sont encodées et traitées dans différentes parties du cerveau, et c’est peut-être grâce aux oscillations gamma que nous percevons des représentations cohérentes. Par exemple, il a été démontré que l’activité gamma joue un rôle dans la mise en relation de caractéristiques spatialement distinctes d’objets visuels et reflète les associations entre les mots et leurs significations. Elle a également été associée à l’intégration des processus sensoriels et moteurs pendant le mouvement (17).

Comme mentionné précédemment, la méditation induit une synchronisation de l’activité dans la bande gamma (3), ce qui a été associé à la capacité d’intégrer différents aspects de la perception en un concept cohérent et unitaire (17). C’est peut-être ce qui explique également l’état de conscience modifié dont font état les personnes qui méditent régulièrement.

Mesurer les processus mentaux ? Pas de problème.

Nous avons démontré ici que la structure des oscillations cérébrales reflète à la fois le passé évolutif et le processus de maturation cérébrale chez l’être humain. Mais ce qui importe davantage, c’est que la motivation, les émotions, l’attention et les processus cognitifs supérieurs sont étroitement liés aux ondes cérébrales dans différentes bandes de fréquences. Cela indique que l’étude des variations spécifiques à certaines fréquences dans les données EEG peut fournir des informations précieuses sur la manière dont les participants à l’étude traitent ou réagissent à différents stimuli.

Notez que le logiciel iMotions calcule automatiquement les valeurs de densité spectrale de puissance pour toutes les bandes de fréquences et tous les sites d’électrodes. L’analyse du spectre de puissance EEG pourrait peut-être également s’avérer utile pour vos (futures) études.

Pour plus d’informations sur l’EEG, consultez ci-dessous un guide de poche gratuit qui vous aidera à vous lancer dans vos recherches sur l’EEG :

1. McFarland, D. J., Sarnacki, W. A. et Wolpaw, J. R. (2010). Contrôle électroencéphalographique (EEG) des mouvements tridimensionnels. Journal of neural engineering, 7(3), 036007.
2. Deuel, T. A., Pampin, J., Sundstrom, J. et Darvas, F. (2017). « The Encephalophone : un dispositif novateur de biofeedback musical utilisant le contrôle conscient de l'électroencéphalogramme (EEG) ». Frontiers in Human Neuroscience, vol. 11, n° 213.
3. Lutz, A., Greischar, L. L., Rawlings, N. B., Ricard, M., & Davidson, R. J. (2004). Les pratiquants de méditation de longue date induisent eux-mêmes une synchronisation gamma de forte amplitude pendant la pratique mentale. Actes de l'Académie nationale des sciences des États-Unis d'Amérique, 101(46), 16369-16373.
4. Davidson, R. J., Ekman, P., Saron, C. D., Senulis, J. A., & Friesen, W. V. (1990). Approche-retrait et asymétrie cérébrale : expression émotionnelle et physiologie cérébrale : I. Journal of Personality and Social Psychology, 58(2), 330.
5. Harmon-Jones, E., & Gable, P. A. (2017). Du rôle de l'activité corticale frontale asymétrique dans la motivation d'approche et de retrait : une mise à jour de l'état des connaissances. Psychophysiology.
6. Grimshaw, G. M., & Carmel, D. (2014). Un modèle d'inhibition asymétrique des différences hémisphériques dans le traitement émotionnel. Frontiers in Psychology, 5, 489.
7. Klimesch, W., Sauseng, P., & Hanslmayr, S. (2007). Oscillations alpha de l'EEG : l'hypothèse de l'inhibition et du timing. Brain research reviews, 53(1), 63-88., O. M., & Vernon, D. (2014). Interprétation de l'activité alpha de l'EEG. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 44, 94-110.
8. Bazanova, O. M., & Vernon, D. (2014). Interprétation de l'activité alpha à l'EEG. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 44, 94-110.
9. Knyazev, G. G. (2007). Motivation, émotions et leur contrôle inhibiteur reflétés dans les oscillations cérébrales. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 31(3), 377-395.
10. Aftanas, L., Varlamov, A., Pavlov, S., Makhnev, V., & Reva, N. (2001). Synchronisation et désynchronisation liées à un événement pendant le traitement affectif : émergence d'asymétries hémisphériques dépendantes du temps et liées à la valence dans les bandes thêta et alpha supérieure. International journal of Neuroscience, 110(3-4), 197-219.
11. Aftanas, L. I., Savotina, L. N., Makhnev, V. P., & Reva, N. V. (2004). Synchronisation et désynchronisation de l'EEG liées à un événement lors de la perception de stimuli émotionnels : association avec l'activité du système nerveux autonome. Rossiiskii fiziologicheskii zhurnal imeni IM Sechenova, 90(11), 1314-1323.
12. Soroko, S. I., Shemyakina, N. V., Nagornova, Z. V., & Bekshaev, S. S. (2014). Étude longitudinale de la maturation des fréquences EEG et des variations de puissance chez les enfants du Nord de la Russie. International Journal of Developmental Neuroscience, 38, 127-137.
13. Nam, C. S., Jeon, Y., Kim, Y. J., Lee, I., & Park, K. (2011). Lateralisation de la (dé)synchronisation liée à l'événement (ERD/ERS) associée à l'imagerie motrice : effets de la durée de l'imagerie motrice. Clinical Neurophysiology, 122(3), 567-577.
14. Neuper, C., Scherer, R., Wriessnegger, S., & Pfurtscheller, G. (2009). Imagerie motrice et observation d'actions : modulation des rythmes cérébraux sensorimoteurs lors du contrôle mental d'une interface cerveau-ordinateur. Clinical neurophysiology, 120(2), 239-247.
15. Gola, M., Magnuski, M., Szumska, I., & Wróbel, A. (2013). L'activité de la bande bêta de l'EEG est liée à l'attention et aux déficits attentionnels dans les performances visuelles des personnes âgées. International Journal of Psychophysiology, 89(3), 334-341.
16. Hanslmayr, S., Aslan, A., Staudigl, T., Klimesch, W., Herrmann, C. S., & Bäuml, K. H. (2007). Les oscillations pré-stimulaires permettent de prédire les performances de perception visuelle entre les sujets et au sein d'un même sujet. Neuroimage, 37(4), 1465-1473.
17. Tallon-Baudry, C., & Bertrand, O. (1999). L'activité gamma oscillatoire chez l'être humain et son rôle dans la représentation des objets. Trends in cognitive sciences, 3(4), 151-162.