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

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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, …

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)

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

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

Evénements intercritiques sur l’EEG Pointes Ondes

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

Principe de l’IRMf/EEG

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, 38:124-137. 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, Mogliano Veneto, 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.

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

Artefacts cardiaques (BCG)

Artefacts pendant l’acquisition des images IRMf

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

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

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

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

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

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 …

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

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 …

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

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

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

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

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

Exemple pour l’épilepsie absence : Optimisation de la FRH HRF Classique Couleur froide

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

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

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 !

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

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

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

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

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

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

Épilepsie focale : Cartographie des aires motrices Cartographie des aires épileptiques : Pointes Crises infracliniques

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

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

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

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

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

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

Merci pour votre attention ! Place aux questions !