Lélectroencéphalographie quantitative est la quantification par des méthodes de traitement du signal électrique en physique des électroencéphalogrammes (EEG) et du rythme cérébral, qui sont enregistrés sur le cuir chevelu par des enregistreurs polygraphiques et numériques. Ces signaux électrophysiologiques ont été quantifiés ultérieurement par des méthodes et techniques d'analyse du signal comme la transformée de Hilbert et l'analyse de modulation, les ondelettes qui sont de plus en plus sophistiquées. Toutefois l’analyse spectrale de Joseph Fourier de l’EEG, les potentiels évoqués, la cartographie EEG en haute et basse résolution, sont parmi les quantifications les plus utilisées en recherche, en neurosciences, en médecine et en psychologie. Cet article est une revue de 1924 à nos jours de l'électroencéphalographie quantitative qui est réalisée par des appareils spécialisés, des ordinateurs et des programmes spécifiques qui sont de plus en plus performants en imagerie cérébrale.
Historique De Hans Berger à Zénon Drohocki Dès 1924, le médecin neurologue allemand Hans Berger découvre l'activité électrique spontanée enregistrée sur le cortex (électrocorticogramme) d'un jeune garçon de au cours d'une opération neurochirurgicale. Il découvre ensuite, et obtient, le tracé de l’activité électrique spontanée enregistrée sur le scalp à la surface du crâne humain et qu’il appelle l’électroencéphalogramme (EEG) ; découverte qu'il publie en 1929 (Berger H. Berger, , Arch. Psychiat , Nervenk, 1929, ., voir aussi Gloor P. Gloor, Hans Berger , Electroenceph. Clin. Neurophysiol, 1969, Supp. 28 et Mary Brazier , 1968.). Il constate ensuite l’existence de deux rythmes cérébraux différents (associés à l'état d’éveil actif et d’éveil calme) qu’il dénomme respectivement alpha et beta. C’est sur les conseils de Hans Berger que Dietsch G. Dietsch, Fourier-, Pflügers Arch. Ges. Physiol. , 1932, (1932) effectue une première décomposition manuelle en sinusoïdes simples, par analyse de séries de Fourier appliquée à de courtes périodes d’EEG. Mais les séries de Fourier sont applicables à des signaux périodiques déterministes et ce n’est pas le cas de l’électroencéphalogramme qui sera mieux étudié par la suite par l'analyse spectrale de Fourier.
Dès 1937, Zenon DrohockiZ. Drohocki, Die spontane elektrische spannungs-produktion der grosshirnrinde in wach-und Ruhezustand, Pflügers Arch. Ges. , 1937, décrit une première analyse quantitative de l’EEG, puis il développe au Collège de France une première technique délectrospectrographie qui devient ensuite<ref>Z. Drohocki, J. Drohocka, L’électroencéphalographie quantitative du cerveau à l’état de veille et pendant la narcose, C.R. Soc. Biol. , Paris, 1939, </ref> la méthode intégrative de l’EEG. Hans Berger en 1938 utilise et applique ensuite la méthode intégrative de DrohockiZ. Drohocki, II. Revue critique des essais d'électroencéphalographie quantitative, L’Année Psychologique , 1946, .II. Revue critique des essais d'électroencéphalographie quantitative..
L’électroencéphalographie et les différentes méthodes d’analyse quantitative de l’EEG se sont depuis développées de plus en plus à partir de méthodes du traitement du signal qui sont issues de la physique mathématique et des mathématiques, comme récemment les ondelettes. C’est ce dont témoigne tout d'abord, la publication en 16 volumes du Handbook of electroencephalography and clinical neurophysiologyA. A. Remond, Handbook of électroencephalography and clinical neurophysiology, Elsevier, Amsterdam, 1972 , qui s’est échelonnée sur six ans, et dont quatre volumes traitent de l’étude méthodologique de l’électroencéphalographie quantitative.
William Grey Walter et le toposcope. Les nappes spatio-temporelles Le neurophysiologiste britannique d'origine américaine William Grey Walter est un pionnier de la neurophysiologieW.G. Walter, An automatic low frequency analyser, Electronic Engineering , 1943a, ; 16, 3-13.W.G. Walter, An improved low frequency analyser, Electronic Engineering , 1943b, et aussi de la cybernétique. Il invente un toposcope fait de tubes cathodiques qui permettaient de visualiser des différences de phases de 22 dérivations EEG enregistrées simultanément pour des périodes successives de 0.25s. Ce toposcope (Walter et Shipton, 1951)W.G. Walter, H.W. Shipton, A new toposcopic display system, Electroenceph. Clin. Neurophysiol , 1951, peut être considéré comme l’ancêtre de la cartographie EEG (EEG brain mapping ou EEG topography) une cartographie cérébrale qui sera inventée ensuite à partir d’enregistrements simultanés de signaux EEG enregistrés sur le scalp. Rémond et Offner (en 1952)A. Remond, F. Offner, Études topographiques de l’activité EEG de la région occipitale, Rev. Neurol. , Paris, 1952, ., décrivent ensuite un appareillage analogue qui conduisit après à l’étude des nappes iso-potentielles bi-dimensionnelles sur la surface du scalp.
Léonide Goldstein et la méthode intégrative de Zénon Drohocki Le comte Zenon Drohocki perfectionne sa méthode intégrative de l’EEG en 1938, puis il réalise un premier intégrateur électronique en 1948Z. Drohocki, L’intégrateur de l'électroproduction cérébrale pour l’électroencéphalographie quantitative, Rev. Neurol. , Paris, 1948a, pour ce qui va devenir ensuite la méthode de l’électroencéphalographie quantitative. De nombreux travaux sont publiés ensuite à partir des intégrateurs de DrohockiZ. Drohocki, Dispositif intégrateur électronique pour des tensions irrégulièrement variables en amplitude et fréquence a19, Brevet France, CNRS, 1955.. Cette méthode réduit considérablement les données de l’EEG tout en perdant l’information de fréquence et de phase. C’est une suite de mesures de tension efficace de l’électroencéphalogramme. Elle utilise un redresseur à double alternance suivie d’un intégrateur qui somme les amplitudes du signal électrophysiologique EEG sur une période de temps T qui peut être d’une seconde ou plus (2,53 s sur ordinateur ensuite), jusqu'à une minute. La suite de ces mesures successives, appliquée à des enregistrements EEG sur des temps longs ( et plus), permet ensuite d'obtenir par des statistiques simples (moyenne (m), écart-type à la moyenne, coefficient de variation (C.V.)) qui caractérisent les EEGs enregistrés selon des protocoles spécifiques. thumb|Le professeur Léonide Goldstein est devant son polygraphe Grass d'enregistrement EEG avec les deux intégrateurs de Drohocki au-dessus, situé dans le Neuropharmacology Dept, New Jersey Neuropsychiatric Institute (NJNPI) de Princeton en 1965. Léonide Goldstein est en France le pionnier de l'électroencéphalographie quantitative qui a travaillé avec Zénon Drohocki au Collège de France à Paris avant la Seconde Guerre mondiale. Il part ensuite aux États-Unis avec des intégrateurs de Drohocki qui sont placés en dérivations de son polygraphe d'enregistrement EEG.
Léonide GoldsteinP. Etevenon, L'œuvre du Professeur Léonide Goldstein, Neurophysiol. clin. , 1988, . lorsqu'il a travaillé avec Drohocki au Collège de France, a publié avec luiZ. Drohocki, L. Goldstein, B. Minz, La tension moyenne de l’EEG comme base d’interprétation de l’activité corticale, Rev. Neurol. , Paris, 1956a, . avant de poursuivre l'analyse intégrative de DrohockiZ. Drohocki, Électroencéphalographie quantitative : relations entre niveau et variabilité de l’EEG, Rev. Neurol. , Paris, 1967b, 3, . en appliquant l'électroencéphalographie quantitative en neuropharmacologie et en psychiatrie au New Jersey Neuropsychiatric Institute (NJNPI) de Princeton qui est dirigé par Humphry Osmond. Léonide Goldstein est chercheur dans le département de neuropharmacologie du NJNPI qui est dirigé par le pharmacologue Carl Pfeiffer, et où Pierre Etevenon devient son collaborateur en 1966 après une formation postdoctorale auprès de lui en 1965. Pierre Etevenon publie ensuite les résultats trouvés à Princeton des changements de latéralité cérébrale, de la dominance hémisphériqueP. Etevenon, Dualisme complémentaire ou latéralisation fonctionnelle ?, Diogène- 48-61 dans Revue Internationale des Sciences Humaines, UNESCO, Paris, , décembre 1978 ; traduction : P. Etevenon & J. Ferguson, . Complementary Dualism of Functional Lateral Specialization ?, Diogenes (104) : 36-48 (1978). des structures visuelles cérébrales du lapin, après administration de LSDP. Etevenon, Effets de la stimulation en lumière intermittente (SLI) différentielle sur les structures visuelles du lapin. Variations de l'électrogénèse et de la dominance cérébrale sous l'action du LSD-25, 35-47, 21, Revue de Médecine Aérospatiale, Paris, 1967.P. Etevenon, J.R. Boissier, LSD effects on signal-to-noise ratio and lateralisation of visual cortex and lateral geniculate during photic stimulation, Experientia , 1972, , 1338 - 1340., d'amphétamine et de pentobarbitalP. Etevenon, Effets de la S.L.I. sur les aires cortico-visuelles du lapin. Latéralisation spécifique des réponses électroencéphalographiques et variations après administration d'amphétamine et pentobarbital, Comptes rendus de l’Académie des Sciences , Paris, 1967, ..
De L'Institut Marey à l'introduction de l'informatique dans les neurosciences françaises L'Institut Marey fut actif jusqu'en 1978 et sa disparition fut liée à l'extension des terrains de tennis de la Coupe Davis à Saint-Cloud en lisière du Bois de Boulogne.. Le professeur Alfred Fessard créa en 1947 et dirigea en premier cet Institut de neurophysiologie générale dont les dessous de l'histoire sont mémorables.. Alfred Fessard à l'Institut Marey a accueilli de nombreux chercheurs et visiteurs qui y vinrent au début de leur carrière comme Pierre Etevenon en 1966 de retour des États-Unis. Il fut à l'Institut Marey le précurseur de l'introduction de l'informatique dans les neurosciences françaises comme le décrit Elsa Bonnard en 2010 dans son mémoire en histoire et philosophie des sciences..
Les méthodes actuelles D.O. Walter et l’analyse spectrale, de modulation et de phase thumb|right|upright=1.5|Analyse spectrale d'un tracé d'EEG d'éveil calme enregistré en occipital chez un sujet relaxé les yeux fermés. Le spectre de puissance calculé est représenté en déciBels (dB) en fonction des fréquences (Hz). L'EEG est décomposé en activités électriques selon les bandes de fréquences qui correspondent aux portions du spectre de puissance (delta, theta, alpha, beta).
Le baron Joseph Fourier (1769- 1830) est célèbre en physique avec l’équation de Fourier, les formules de Fourier, les séries de Fourier, l’intégrale de Fourier, la transformation de Fourier, la Transformée de Fourier rapide (ou Fast Fourier Transform, FFT). L’analyse de Fourier s’applique en biologie et spécialement en électroencéphalographie quantitative avec l’analyse spectrale des électroencéphalogrammes. La théorie de Fourier s’applique en électrophysiologie, chaque fois qu’il s’agit d’extraire un signal temporel x(t) tel qu’un signal EEG, à partir d’une observation y(t) qui est obtenue par un appareil comme un polygraphe qui enregistre les rythmes cérébraux des activités électriques spontanées que sont les tracés au cours du temps des électroencéphalogrammes. Alors il est possible d’écrire l’équation y(t) = a*x(t), avec a qui est lié à l’appareil d’enregistrement. On est ensuite amené à résoudre une équation telle que (Transformée de a)*(Transformée de x) = (Transformée de y) où intervient partout la transformée de Fourier rapide de a, de x(t), et de y(t) qui sont alors dans le domaine fréquentiel et qui permettent d'obtenir ensuite l'analyse spectrale de x(t).