Cartographie fonctionnelle du cerveau épileptique lors des évaluations préchirurgicales

1. Sous la direction d’Olivier David Cartographie fonctionnelle du cerveau épileptique lors des évaluations préchirurgicales Frédéric GROUILLER GIN - Équipe 5 : Neuroimagerie Fonctionnelle et Métabolique Soutenance de thèse, 15 septembre 2008

2. Introduction : contexte et objectifs • Cartographie des aires fonctionnelles • Principe et intérêts de l’IRMf/EEG • Suppression des artefacts sur l’EEG • Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique • Résultats • Discussion et conclusion

3. Contexte : l’épilepsie • Affection neurologique répandue (prévalence ≈1%) • Différentes formes d’épilepsie • Localisation : épilepsie généralisée ou focale • Origine : épilepsie symptomatique, idiopathique ou cryptogénique • Dysfonctionnement de l’excitabilité neuronale => activité électrique anormale

4. Traitements de l’épilepsie • Traitement pharmaceutique • Nombreux effets secondaires • Onéreux • 25% des patients sont pharmacorésistants • Chirurgie • Résection ou déconnexion • ≈12000 candidats potentiels en France • ≈70% des patients guéris après l’intervention • Le succès de l’intervention requiert une localisation précise du foyer épileptogène

5. Évaluations préchirurgicales • Mesure de l’activité électrique : EEG • Tests cliniques • Évaluations neuropsychologiques • Imagerie structurelle : IRM et Scanner • Spectroscopie • Imagerie fonctionnelle : médecine nucléaire ou IRMf • Couplage de l’IRMf et de l’EEG : IRMf/EEG

6. Objectifs • Développer un outil clinique non invasif • Identifier les réseaux épileptiques • Cartographier les aires fonctionnelles essentielles • Augmenter les chances de guérison • Diminuer les effets secondaires • Comprendre les réseaux épileptiques

7. Introduction : contexte et objectifs • Cartographie des aires fonctionnelles • Principe et intérêts de l’IRMf/EEG • Suppression des artefacts sur l’EEG • Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique • Résultats • Discussion et conclusion

8. L’Imagerie par Résonance Magnétique (I.R.M.) • Technique d’imagerie non invasive • Très bonne résolution spatiale (≈1mm) => cartographie en 3D de l’anatomie cérébrale • Cartographie des fonctions cérébrales (IRM fonctionnelle)

9. Principe de l’IRMf  Activité neuronale • Consommation en O2 (5%)  Flux sanguin local (50%) t  Concentration en désoxyhémoglobine  Signal IRM t Raichle, Sc. American, April 1994

10. Maximum Stimulus bref Undershoot Undershoot initial Principe de l’IRMf FRH (Fonction de Réponse Hémodynamique)  Activité neuronale • Consommation en O2 (5%)  Flux sanguin local (50%)  Concentration en désoxyhémoglobine  Signal IRM t t  MESURE INDIRECTE

11. Cartographie des fonctions essentielles • Pré-chirurgical : localiser les zones fonctionnelles à préserver pendant la chirurgie • Post-chirurgical : vérifier la récupération et la plasticité • Vision, Langage, Motricité, Mémoire, …

12. Tâche d’encodage mnésique Connues Nouvelles Connues Connues Connues Nouvelles Nouvelles TR=3s 192TR 8TR Tâche d’encodage visuel chez un groupe de volontaires sains (N= 10, p=0,005 non corrigée)

13. Introduction : contexte et objectifs • Cartographie des aires fonctionnelles • Principe et intérêts de l’IRMf/EEG • Suppression des artefacts sur l’EEG • Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique • Résultats • Discussion et conclusion

14. EEG et épilepsie • Outil incontournable pour le diagnostic de l’épilepsie • Différence de potentiel électrique entre 2 électrodes placées à la surface • Permet d’observer l’activité épileptique pendant et entre les crises

15. Evénements intercritiques sur l’EEG Pointes Ondes

16. Dispositif expérimental • IRM : • Philips 1.5T • Bruker 3T • EEG • EEG compatible IRM (Micromed) • 17 électrodes EEG et 2 électrodes ECG Gotman et al., J Clin Neurophysiol, 2004 Salek-Haddadi et al., Brain Res Rev, 2003

17. Principe de l’IRMf/EEG

18. L’IRMf/EEG est une technique simple sur le principe théorique mais difficile à mettre en place : • Artefacts sur l’EEG liés à l’environnement magnétique de l’IRM • Grouiller et al., A comparative study of different artefact removal algorithms for EEG signals acquired during functional MRI. Neuroimage, 2007, 38:124-137. • Grouiller et al., Comparison of different algorithms for correcting MR artefacts in EEG using simulated data. Application to spike detection at 3T. Micromed EEG/fMRI User Meeting, MoglianoVeneto, Italie, 26-27 Octobre 2006. • Modélisation du couplage neurovasculaire • Grouiller et al., Hemodynamic properties of the epileptic human brain in the interictal state. (En révision). • Grouiller et al., Étude de la variabilité de la réponse hémodynamique chez les patients épileptiques par EEG et IRMf simultanés. 12ème Congrès du GRAMM, Lyon, France, 26-28 Mars 2008. • Grouiller et al., Evaluation of the hemodynamic response function for interictal epileptiform discharges. 13th Annual Meeting of the Organization of Human Brain Mapping, Chicago, USA, 10-14 Juin 2007. Ce n’est pas aussi simple ! Résultats ….

19. Introduction : contexte et objectifs • Cartographie des aires fonctionnelles • Principe et intérêts de l’IRMf/EEG • Suppression des artefacts sur l’EEG • Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique • Résultats • Discussion et conclusion

20. Artefacts cardiaques (BCG)

21. Artefacts pendant l’acquisition des images IRMf

22. Grouiller et al., Neuroimage , 2007 Évaluation des algorithmes de suppression d’artefacts • Évaluation de l’influence de : • La fréquence d’acquisition de l’EEG • L’amplitude des artefacts • Le mouvement du sujet • La bande de fréquence d’intérêt • La détection des complexes QRS Modélisation de l’EEG EEG corrigé EEG avec artefacts Modélisation des artefacts de gradients Algorithme de suppression Modélisation des artefacts cardiaques Performance de l’algorithme • Conclusions : • Trop filtrer dégrade le signal EEG • Une fréquence d’acquisition de 2kHz pour l’EEG est suffisante • La correction des artefacts cardiaques n’est pas toujours utile

23. Grouiller et al., Neuroimage , 2007 Application à l’imagerie du rythme alpha • Modulation du rythme alpha (ouverture/fermeture des yeux) • Extraction de la puissance dans la bande alpha sur l’EEG • Comparaison avec le paradigme expérimental

24. Grouiller et al., Neuroimage , 2007 Application à la détection de pointes intercritiques

25. Correction des artefacts • Étude de l’influence des paramètres expérimentaux • Développement d’un ensemble de méthodes pour corriger les artefacts • Correction satisfaisante des artefacts adaptée au dispositif expérimental

26. Résultats avec les hypothèses classiques Londres : 63 patients Montréal : 64 patients • Pas de pointes pour 24 patients • Patients avec décharges bilatérales : 100% d’activations concordantes • Patients avec pointes focales : 45% avec activations concordantes Aghakhani et al., Brain, 2006 Salek-Haddadi et al., Brain Research, 2006 ≈ ⅓ des examens concordants ≈ ⅓ des examens concordants pour les patients avec pointes focales

27. Nos résultats … Activations discordantes (5 patients) Pas de pointes (4 patients) Activations concordantes (6 patients) Pas d’activations (8 patients) Seulement 30% des examens concluants …

28. Exemple de résultats …. Patient avec une dysplasie frontale p<0,005 correction FDR => Activation partiellement concordante

29. Nos résultats … Activations discordantes (5 patients) Pas de pointes (4 patients) Peut mieux faire ! Activations concordantes (6 patients) Pas d’activations (8 patients) Seulement 30% des examens concluants …

30. Pourquoi ça ne marche pas  Notre modèle de réponse hémodynamique est-il valable pour les tissus épileptiques 

31. Introduction : contexte et objectifs • Cartographie des aires fonctionnelles • Principe et intérêts de l’IRMf/EEG • Suppression des artefacts sur l’EEG • Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique • Résultats • Discussion et conclusion

32. Modèle déformable bi-paramétré du couplage neurovasculaire Dilatation/Contraction Décalage temporel => Base de fonctions

33. Espace des FRH • Fonction de Réponse Hémodynamique (FRH) optimale : • Décalage temporel : • t0 =0s • Facteur de déformation : •  = 1 Exemple pour une tâche motrice chez un volontaire sain

34. Exemple pour l’épilepsie absence : Analyse classique • HRF classique • Epilepsie Absence Juvénile

35. Exemple pour l’épilepsie absence : Optimisation de la FRH HRF Classique

36. Cartes des paramètres hémodynamiques optimaux Carte du décalage temporel Carte du coefficient de dilatation

37. Introduction : contexte et objectifs • Cartographie des aires fonctionnelles • Principe et intérêts de l’IRMf/EEG • Suppression des artefacts sur l’EEG • Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique • Résultats • Discussion et conclusion

38. Résultats après optimisation de la FRH Activations discordantes (5 patients) Pas de pointes (4 patients) Pas de pointes (4 patients) Pas d’activations (2 patients) Activations concordantes (17 patients) Activations concordantes (6 patients) Pas d’activations (8 patients) Seulement 30% des examens concluants … 75% des examens sont concluants !

39. Résultats après optimisation de la FRH • 3 groupes de patients : • Épilepsies Généralisées Idiopathiques • Déconnexions temporales • Épilepsies focales

40. Patients "Déconnectés" • Activité épileptique toujours enregistrée après la déconnexion • Validation de l’IRMf/EEG: • Patient guéri => activation dans le lobe déconnecté • Patient non guéri => activation en dehors du lobe déconnecté

41. Résultats : Déconnexion temporale (patient guéri) p<0,005 correction FDR => Activation dans le lobe déconnecté … mais aussi ailleurs !

42. Épilepsie focale : Patiente 23 ans avec photosensibilité aux rayures : • Cartographie des aires visuelles • Cartographie des aires épileptiques

43. 8TR Épilepsie focale : • Activité épileptique localisée à proximité du cortex visuel primaire • Activation atypique des aires visuelles

44. Épilepsie focale : Patient 20 ans avec atrophie de l’aire motrice supplémentaire

45. Épilepsie focale : • Cartographie des aires épileptiques : • Cartographie des aires motrices • Pointes • Crises infracliniques

46. Épilepsie focale : Cartographie des aires épileptiques : • Réseau activé par les pointes • Réseau activé par les crises => Réseaux activés par les pointes et par les crises partiellement superposés

47. Épilepsie focale : Cartographie des aires motrices : • Mouvement du pied droit • Activité épileptique localisée à proximité des aires motrices

48. Introduction : contexte et objectifs • Cartographie des aires fonctionnelles • Principe et intérêts de l’IRMf/EEG • Suppression des artefacts sur l’EEG • Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique • Résultats • Discussion et conclusion

49. Interprétation des résultats • Activations non restreintes au foyer • Extraction de l’activité épileptique • Projection des activations • Modifications hémodynamiques • Précédence des variations hémodynamiques sur l’activité épileptique enregistrée à l’EEG • Réponse hémodynamique lente : modification du couplage neurovasculaire

50. Perspectives • Problème de validation (pas de Gold-Standard) : que voit-on ? • Développement de la multimodalité (vasoréactivité, diffusion, …) • Autres modélisations des données : ACI, clustering, …