L’échographie transcrânienne focalisée induit une activation corticale localisable par source chez des sujets au repos lorsqu’elle est appliquée simultanément à une stimulation électrique transcrânienne

Affiner le cerveau sans chirurgie

Imaginez pouvoir stimuler doucement un point très précis du cerveau sans ouvrir le crâne — aidant les médecins à traiter la dépression, l’épilepsie ou les troubles du mouvement avec moins d’effets secondaires. Cette étude examine si deux méthodes non invasives — des courants électriques faibles appliqués sur le cuir chevelu et des ondes ultrasonores focalisées — peuvent être combinées pour « réveiller » sélectivement une petite zone du cortex humain pendant que la personne est simplement au repos, les yeux fermés. Le travail contribue à trancher un débat majeur : l’ultrason focalisé agit-il véritablement sur des zones cérébrales spécifiques, ou ses effets sont-ils principalement une conséquence de sons perçus par l’oreille ?

Deux manières différentes de stimuler les neurones

Les chercheurs ont utilisé deux outils qui influent chacun le cerveau d’une façon différente. La stimulation transcrânienne par courant continu (tDCS) fait passer un courant électrique très faible et constant entre des électrodes posées sur le cuir chevelu. À elle seule, elle ne déclenche généralement pas l’excitation des cellules cérébrales ; elle modifie plutôt légèrement leur probabilité de répondre à d’autres entrées. L’échographie transcrânienne focalisée (tFUS), en revanche, envoie des ondes sonores à travers le crâne qui peuvent être focalisées sur de petites régions de quelques millimètres seulement. Des études animales et humaines ont suggéré que ces ondes de pression pourraient agir sur de minuscules capteurs mécaniques des membranes cellulaires, changeant subtilement la facilité d’activation des neurones. La question centrale était de savoir si la tFUS, seule, peut déclencher de manière fiable une activité dans une zone choisie du cortex humain, ou si son effet principal consiste simplement à produire un battement audible qui active le système auditif.

Un nouveau mélange : électricité plus ultrasons

L’équipe a étudié 27 volontaires sains au repos, en enregistrant leur activité cérébrale par électroencéphalographie (EEG) couvrant l’ensemble du crâne. Ils ont testé trois conditions principales ciblant le cortex moteur gauche, la région qui contrôle les mouvements de la main droite. Dans la première, ils ont appliqué uniquement la tDCS. Dans la seconde, uniquement la tFUS, avec différents schémas d’impulsions visant soit à exciter soit à inhiber les neurones. Dans la troisième, appelée stimulation électro-acoustique transcrânienne (tEAS), ils ont appliqué tDCS et tFUS simultanément, de sorte qu’un faible déplacement électrique et une poussée mécanique atteignent ensemble le même groupe de neurones. Ils ont également utilisé des configurations de contrôle visant l’ultrason sur une autre région cérébrale pour distinguer les effets locaux véritables des réponses globales ou auditives.

Ce que les signaux cérébraux ont révélé

L’EEG a permis aux scientifiques d’examiner non seulement les signaux de surface, mais aussi de reconstruire mathématiquement d’où dans le cerveau ces signaux provenaient vraisemblablement. Lorsqu’ils ont analysé les 200 premières millisecondes après chaque stimulation, ils ont constaté que la tFUS seule produisait des pics d’activité clairs et répétables à environ 30, 90 et 170 millisecondes. Toutefois, ces réponses étaient réparties de manière symétrique des deux côtés de la tête et se rattachaient principalement aux aires auditives et à des structures profondes — pas au cortex moteur ciblé. De façon frappante, le même type de réponse apparaissait que l’ultrason soit dirigé vers le cortex moteur ou vers le cortex préfrontal, et des tests statistiques avancés ont montré que ces schémas étaient essentiellement identiques. Des analyses de connectivité supplémentaires ont montré que l’ultrason augmentait le flux d’information depuis le cortex auditif primaire vers des régions cérébrales profondes, même lorsque la fréquence des impulsions était trop élevée pour être perçue consciemment. En bref, les puissants signaux EEG issus de la tFUS seule ressemblaient et se comportaient comme des réponses induites par l’audition, et non comme une stimulation corticale focale.

Quand deux poussées douces se combinent

Le tableau a changé lorsque la tDCS et la tFUS ont été combinées en tEAS. Dans ces essais, l’imagerie source EEG a montré une augmentation robuste et statistiquement significative de l’activité dans la région du cortex moteur directement sous le site de stimulation, comparée à la même zone du côté opposé du cerveau. Cette réponse focalisée est apparue pour les polarités tDCS excitatrice et inhibitrice, le signe du signal EEG s’inversant en fonction de l’orientation du courant. Il est important de noter qu’aucune des deux méthodes prises isolément — ni la tDCS seule ni la tFUS seule — n’a produit une activation aussi localisée et localisable par source dans les mêmes conditions de repos, et que la simple addition de leurs effets séparés dans l’analyse ne pouvait pas reproduire le schéma observé en tEAS. Les auteurs ont également élargi les paramètres ultrasonores — en modifiant les fréquences d’impulsion, les cycles de service, et en augmentant même la pression intracérébrale dans les limites de sécurité — et n’ont toujours trouvé aucune preuve que la tFUS seule induise une réponse corticale claire et spécifique au site chez des sujets humains au repos.

Une nouvelle interprétation de l’action des ultrasons sur le cerveau

Pour interpréter ces résultats, les chercheurs ont utilisé un modèle mathématique classique des cellules nerveuses, le modèle de Hodgkin–Huxley, auquel ils ont ajouté une voie représentant des canaux ioniques mécanosensibles. Les simulations ont montré qu’un effet mécanique sous-seuil (provenant des ultrasons) et un déplacement électrique sous-seuil (provenant de la tDCS) peuvent se combiner pour franchir le seuil d’excitation et générer des potentiels d’action complets. Cela concorde avec l’observation expérimentale selon laquelle seule la condition combinée tEAS produisait une activation corticale focale et localisable par source. Les auteurs soutiennent que, chez l’humain et à des niveaux de pression sûrs, l’ultrason focalisé agit probablement comme un co-modulateur sous-seuil : il modifie la propension des neurones à répondre, mais a généralement besoin d’une autre entrée — comme la tDCS, une stimulation sensorielle ou l’attention — pour provoquer des décharges fortes et spécifiques à un emplacement. Ce cadre conceptuel aide à réconcilier pourquoi certaines études observent des effets comportementaux puissants de la tFUS lorsqu’elle est associée à d’autres tâches ou stimuli, tandis que d’autres enregistrent principalement une activité liée à l’audition lorsqu’elle est utilisée seule.

Citation: Kosnoff, J., Gonsisko, C., Yu, K. et al. Transcranial focused ultrasound induces source localizable cortical activation in resting state humans when applied concurrently with transcranial electric stimulation. Nat Commun 17, 2023 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69853-8

Mots-clés: échographie transcrânienne focalisée, stimulation cérébrale non invasive, imagerie source EEG, neuromodulation, tDCS