Sous la direction d’Olivier David

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1 Sous la direction d’Olivier David
Cartographie fonctionnelle du cerveau épileptique lors des évaluations préchirurgicales Sous la direction d’Olivier David 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 Cartographie des aires fonctionnelles
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 t t  Activité neuronale Consommation en O2 (5%)
 Flux sanguin local (50%)  Concentration en désoxyhémoglobine  Signal IRM t Raichle, Sc. American, April 1994 t

10 Principe de l’IRMf FRH t  MESURE INDIRECTE  Activité neuronale
Consommation en O2 (5%)  Flux sanguin local (50%)  Concentration en désoxyhémoglobine  Signal IRM t Stimulus bref Undershoot initial Maximum FRH (Fonction de Réponse Hémodynamique) 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
8TR Connues Nouvelles TR=3s 192TR Tâche d’encodage visuel chez un groupe de volontaires sains (N= 10, p=0,005 non corrigée)

13 Principe et intérêts de l’IRMf/EEG
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
Salek-Haddadi et al., Brain Res Rev, 2003 Gotman et al., J Clin Neurophysiol, 2004 IRM : Philips 1.5T Bruker 3T EEG EEG compatible IRM (Micromed) 17 électrodes EEG et 2 électrodes ECG

17 Principe de l’IRMf/EEG

18 Résultats …. Ce n’est pas aussi simple !
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: 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, Mogliano Veneto, Italie, 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, 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, Juin 2007.

19 Suppression des artefacts sur l’EEG
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 Évaluation des algorithmes de suppression d’artefacts
Grouiller et al., Neuroimage , 2007 Évaluation des algorithmes de suppression d’artefacts Évaluation de l’influence de : Le mouvement du sujet La fréquence d’acquisition de l’EEG La bande de fréquence d’intérêt L’amplitude des artefacts La détection des complexes QRS EEG avec artefacts Algorithme de suppression EEG corrigé Modélisation de l’EEG Modélisation des artefacts cardiaques Modélisation des artefacts de gradients 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 Application à l’imagerie du rythme alpha
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 Application à la détection de pointes intercritiques
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 Expliquer activation concordantes et discordantes ≈ ⅓ des examens concordants pour les patients avec pointes focales ≈ ⅓ des examens concordants

27 Activations concordantes (6 patients)
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 => Activation partiellement concordante
Exemple de résultats …. Patient avec une dysplasie frontale p<0,005 correction FDR => Activation partiellement concordante

29 Activations concordantes (6 patients)
Nos résultats … Activations discordantes (5 patients) Peut mieux faire ! Pas de pointes (4 patients) 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 Optimisation de la Fonction de Réponse Hémodynamique
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 Couleur froide

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

37 Résultats 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 Épilepsie focale : Activité épileptique localisée à proximité du cortex visuel primaire Activation atypique des aires visuelles 8TR

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

45 Épilepsie focale : Cartographie des aires motrices
Cartographie des aires épileptiques : 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 Discussion et conclusion
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, …

51 Bilan Mise en place de l’IRMf/EEG au CHU de Grenoble
Étude comparative des différents algorithmes de correction des artefacts Modélisation de la réponse hémodynamique Sujet multidisciplinaire très enrichissant

52 Merci pour votre attention !
Place aux questions !