L’électro-encéphalographie (EEG) et la magnéto-encéphalographie (MEG) sont des méthodes directes visant à détecter les signaux électriques véhiculés par les neurones, et les régions où se produisent ces décharges électriques. Elles ont pour objectif de repérer quand surviennent les signaux électriques correspondants à une activité cérébrale donnée, et fournissent donc des informations temporelles sur les différentes régions mises en jeu.

Le principe de l’EEG (réalisé pour la première fois chez l’homme en 1924) est de mesurer, à la surface du crâne, les potentiels électriques caractérisant l'influx nerveux grâce à des électrodes posées sur le cuir chevelu (on mesure la différence de potentiel entre deux électrodes).
Les potentiels recueillis, qui se situent entre 10 et 100 microvolts, peuvent être spontanés ou évoqués, c’est-à-dire liés à une tâche exécutée par le sujet pendant l’enregistrement. Pour isoler les potentiels évoqués, on réalise plusieurs enregistrements, dont on fait la moyenne. La pose de nombreuses électrodes (de plusieurs dizaines à une centaine) permet d’obtenir une carte détaillée de l’activité électrique à la surface du crâne.
Cette technique offre une bonne résolution temporelle, de l’ordre de la milliseconde, ce qui permet de visualiser la succession des activités cérébrales dans le temps. Néanmoins, ces mesures à distance ne permettent pas de localiser l’origine des courants enregistrés et donc de connaître les zones cérébrales responsables de cette activité.

La MEG, qui enregistre les champs magnétiques créés par les courants électriques, permet d'obtenir une meilleure résolution spatiale : même si les mesures sont encore effectuées à distance, les signaux sont moins perturbés par la traversée des os du crâne. Par ailleurs, ils reflètent plus précisément l'activité cérébrale.
Les champs magnétiques enregistrés sont extrêmement faibles : un milliard de fois plus faibles que le champ magnétique terrestre. Cet enregistrement est rendu possible par l’emploi de matériaux supraconducteurs à basse température qui permettent de mesurer des champs magnétiques très faibles.
Les courants électriques captés par la MEG sont issus de l’activité d'un grand nombre de neurones, jusqu’à un million de cellules. L’enregistrement des champs magnétiques créés par ces courants électriques s’effectue par des capteurs, regroupés dans un casque, et reliés à des dispositifs supraconducteurs refroidis à très basse température. L’appareil est installé dans une chambre isolante qui atténue tous les champs magnétiques extérieurs.
Les machines actuelles peuvent enregistrer en une seule fois l’intensité du champ magnétique au voisinage du cuir chevelu, grâce à des multicapteurs répartis en 151 points. La résolution spatiale de ce type de machines est d'environ un millimètre et la résolution temporelle de l’ordre de la milliseconde, ce qui permet de réaliser une cartographie des champs magnétiques.
La MEG est un outil puissant pour étudier la distribution de réseaux neuronaux dans différentes régions cérébrales. Elle peut ainsi être d’une grande aide en pathologie clinique, notamment lors d’interventions chirurgicales pour les épilepsies sévères. Les signaux enregistrés en surface permettent en effet de repérer les zones cérébrales impliquées lors d’une crise, et donc d’éviter l’implantation pré-opératoire d’électrodes, ce qui est généralement fait pour repérer ces zones.

La tomographie à émission de positrons (TEP) et la résonance magnétique nucléaire fonctionnelle (RMNf) sont des méthodes indirectes visant à étudier les conséquences d’une activation cérébrale, via les variations de débit sanguin : plus une zone du cerveau est activée, plus le débit sanguin local est important. Ces techniques ont pour objectif de regarder où se produit la consommation d’énergie correspondant à cette activation, et fournissent donc des informations spatiales sur les régions impliquées.
Chaque groupe de techniques a ses propres limites : les premières donnent une bonne résolution au niveau du temps, les secondes au niveau du lieu. Il s’agit donc, pour avoir une réelle vision dynamique des fonctions cérébrales, de coupler ces techniques.
Lors d’une activité cérébrale, la demande d’énergie est comblée par un afflux de sang dans les vaisseaux qui viennent irriguer la région impliquée dans cette activité.
Les techniques hémodynamiques mesurent les variations de débit sanguin consécutives aux activités électriques de deux états différents du cerveau. Pour pouvoir cartographier les régions cérébrales où le débit sanguin augmente, c'est-à-dire les régions activées, on introduit dans le système vasculaire une molécule détectable ou traceur.

On injecte dans le circuit sanguin du patient une eau préparée avec un marqueur radioactif : de l’oxygène de masse 15 qui émet des positrons (particule élémentaire qui est l’équivalent positif de l’électron). L’émission des positrons est proportionnelle au débit sanguin. Au moyen d’une caméra à positrons on peut donc repérer les zones du cerveau associées à des flux de sang plus importants, signes d’une activité cérébrale locale.
La caméra à positrons est constituée de dizaines de milliers de détecteurs de radiation, disposés en couronnes autour de la tête du sujet. Lorsque le débit sanguin augmente suite à une activation cérébrale, l’intensité du rayonnement (les positrons) augmente également.
Développée depuis le milieu des années 70, cette technique permet de repérer et de cartographier les zones où le débit sanguin s’est accru. Mais sa résolution temporelle reste assez faible (de l’ordre de la minute). Par ailleurs, plusieurs injections sont nécessaires, avec un délai de 15 minutes à chaque fois (la quantité totale de radioactivité reçue par le sujet restant inférieure à celle reçue en un an par la radioactivité naturelle). La résolution spatiale des images, obtenues directement en trois dimensions, atteint, quant à elle, quatre millimètres.

Les techniques de résonance magnétique nucléaire exploitent une propriété physique de base du noyau de certains atomes, notamment l’hydrogène (dont le noyau est le proton). Sous un fort champ magnétique, ces noyaux peuvent absorber des ondes radio. Les signaux associés à ces phénomènes d’absorption peuvent être traités par une grande variété de méthodes électroniques permettant des mesures très précises. La position spatiale des noyaux, source de signaux particuliers, peut être repérée et traduite sous la forme d’une image tri-dimentionnelle.
Au cours de l’activité cérébrale, les composantes chimiques du sang qui permettent les échanges d’énergie, comme l’hémoglobine, subissent des modifications : certains de leurs états moléculaires ont des propriétés magnétiques qui permettent de repérer ponctuellement les zones actives du cerveau par des mesures RMNf, sans qu’il soit besoin de recourir à des injections de traceurs radioactifs, comme c’est le cas avec la TEP.
La résolution spatiale de la RMNf est élevée : moins d'un millimètre. Sa résolution temporelle est meilleure que celle de la TEP : moins d’une seconde. Mais c'est encore trop long : s'agissant des fonctions cérébrales, le temps se compte en général en millisecondes.

Ces nouvelles techniques d’imagerie (TEP, RMNf, MEG), en permettant de visualiser directement les zones malades du cerveau, ont rendu possible le développement d’une neurochirurgie de très haute précision. Le traitement de certaines tumeurs a pu en bénéficier. La pose de microélectrodes sur des régions anatomiques précises du cerveau a permis également d’enregistrer des progrès dans le traitement de l’épilepsie et, depuis peu, de la maladie de Parkinson.
Pour autant, faute d’avoir encore compris les causes exactes des maladies (psychiques, neurodégénératives, tumorales, …), la plupart de ces pathologies restent aujourd’hui peu accessibles à des traitements réellement efficaces.
Dès lors, agir sur le cerveau se limite souvent à des traitements palliatifs dans lesquels on tente de corriger tel ou tel défaut dans la sécrétion de certaines substances (dépression, Parkinson,…).
Grâce à la rééducation (orthophonie ou ergothérapie, par exemple), des malades peuvent cependant récupérer des déficits liés à des dégâts cérébraux (notamment dans le cas d’accidents vasculaires cérébraux).
Enfin, il faut constater que certaines thérapies, comme la psychanalyse ou les psychothérapies comportementales, enregistrent de réels succès dans le traitement de névroses. Mais toucher à l’inconscient est-ce encore "agir sur le cerveau" ?