Activités Electro-Hemodynamiques Cerebrales en Epilepsie Inserm U 1105

Cartographie multimodale 2D and 3D Notre objectif IRM Outils NIRS EEG Digitalisation Ségmentation EEG – NIRS Trait. de signal Modèle animal Modèle réaliste Sélection d’événements Cartographie multimodale 2D and 3D 2D 3D Epilepsie Pointes interictales Langages Souffrance cérébrale néonatale Problèmes directes – Inverses Applications/Validations 2

Cartographie multimodale 2D and 3D Notre objectif IRM Outils NIRS EEG Digitalisation Ségmentation EEG – NIRS Trait. de signal Modèle animal Modèle réaliste Sélection d’événements Cartographie multimodale 2D and 3D 2D 3D Epilepsie Pointes interictales Langages Souffrance cérébrale néonatale Problèmes directes – Inverses Applications/Validations 3

Cartographie multimodale 2D and 3D Notre objectif IRM Outils NIRS EEG Digitalisation Ségmentation EEG – NIRS Trait. de signal Modèle animal Modèle réaliste Sélection d’événements Cartographie multimodale 2D and 3D 2D 3D Epilepsie Pointes interictales Langages Souffrance cérébrale néonatale Problèmes directes – Inverses Applications/Validations 4

Outils d’évaluation de la fonction cérébrale chez le nouveau né A – Introduction A 1 Problématique technique Outils d’évaluation de la fonction cérébrale chez le nouveau né Structure IRM Scanner Fonction EEG slow NIRS fast NIRS TEP SPECT IRMf Echo TF EEG Slow NIRS Électrique Hémodynamique (HbO2 et HHb) EEG slow NIRS

Outils d’évaluation de la fonction cérébrale chez le nouveau né A – Introduction A 1 Problématique technique Outils d’évaluation de la fonction cérébrale chez le nouveau né Structure IRM Scanner Fonction EEG slow NIRS fast NIRS TEP SPECT IRMf Echo TF EEG Fast NIRS - Électrique - Perturbation membranaire EEG fast NIRS

A – Introduction A 1 Les techniques utilisées pour l’analyse de la fonction cérébrale A 2 Le couplage neurovasculaire Neur et astrocytes Pas d’orientation Pas de synchro. msec (fast), sec (slow) Fast NIRS Slow NIRS EEG N Pyramidaux Perp. Surface Nb Important Synchro. Résolution msec

A – Introduction A 1 Les techniques utilisées pour l’analyse de la fonction cérébrale A 2 Le couplage neurovasculaire Le baloon modele

A – Introduction A 2 l’épilepsie De manière très schématique on considère: les éléments interictaux (entre les crises) Les pointes, les polypointes…..interictales Les crises (classification sémeiologique) Les crises généralisées diffuses (absences, spasmes, CGTC……) Les crises partielles (focales) Les crises (classification syndromique) Symptomatiques Idiopathiques Cryptogéniques

A – Introduction A 2 l’épilepsie Mécanisme Les pointes: - Hypersynchronisation de neurones pyramidaux plus ou moins étendue  dysfonctionnement de la balance excitarice-inhibitrice  perturbation de la synchronisation courte et longue distance Inconnue - Mécanisme de déclenchement des pointes - Mécanisme de déclenchement des crises - Mécanisme d’arrêt des crises

B – Objectifs Qu’apporte la NIRS pour évaluer ce qui se passe avant les pointes dans la mesure ou: la NIRS permet de visualiser à la fois HbO et HbR (IRM) La NIRS a une meilleure résolution temporelle que l’IRM La NIRS ne tient pas compte des phénomènes de synchronisation (EEG) La NIRS ne tient pas compte du type et de l’orientation des cellules (EEG) La NIRS permet de mettre en évidence des modifications hémodynamiques préalables aux crises partielles et absences Qu’apporte la fast NIRS par rapport à la slow NIRS qui ont des résolutions temporelles différentes

D – Méthodes. D1 Étude préalable chez l’animal D – Méthodes D1 Étude préalable chez l’animal D2 Premiers résultats chez l’enfant D1 Etude chez 8 rats Anesthésie: Uréthane Déclenchement des pointes: Injection de bicicculine (Gaba-) Analyse: ECoG-NIRS simultanée Détecteurs NIRS ECoG Emetteurs NIRS

D – Méthodes. D1 Étude préalable chez l’animal D – Méthodes D1 Étude préalable chez l’animal D2 Premiers résultats chez l’enfant Sélections des pointes Filtres: 3-15 Hz Classification temporelle: Template matching (Aarabi et al., 2008) Détection de Pic: Définition de séries temporelles autour des pointes Moyennage EEG et NIRS à partir du pic des pointes

D – Méthodes. D1 Étude préalable chez l’animal D – Méthodes D1 Étude préalable chez l’animal D2 Premiers résultats chez l’enfant Les séries temporelles autour des pointes

D – Résultats. D1 Résultats chez l’animal D – Résultats D1 Résultats chez l’animal D2 Premiers résultats chez l’enfant Dans un premier temps, +- 6 sec avant l’activation hypersynchrone neuronale Augmentation puis baisse HbO, Diminution puis augmentation HbR Le pic de modifications hémo- dynamiques initiale précède toujours la pointe de 0.35+-01 sec Puis restauration biphasique en 6 sec après la pointe Hbo en rouge HbR en bleu HbT en vert

D – Résultats. D1 Résultats chez l’animal D – Résultats D1 Résultats chez l’animal D2 Premiers résultats chez l’enfant Ipsi Contro avec pointes Contro sans pointes Contrôle Quand il existe une pointe controlatérale les mêmes modifications hémodynamiques sont observées Quand il n’y a pas de pointe controlatérale il n’y a pas de modifications hémodynamiques

D – Résultats. D1 Résultats chez l’animal D – Résultats D1 Résultats chez l’animal D2 Premiers résultats chez l’enfant Etude réalisée chez l’animal en imagerie optique de diffusion. Conclusion: les pointes épileptiques induisent une augmentation de HbR qui ne peut être compensée rapidement par une augmentation du volume ou flux sanguin. Ceci résulterait en un initial dip épileptique prolongé. En NIRS nous montrons certes une augmentation de HbR et une diminution de HbO mais qui précéderait la pointe épileptique avec une inversion hémodynamique au moment de la pointe.

E – Conclusion. E1 Conclusion chez l’animal E – Conclusion E1 Conclusion chez l’animal E2 Premières conclusions chez l’enfant 1- La NIRS permet de mettre en évidence des modifications hémodynamiques locales qui précèdent les pointes intercritiques 2- Ces modifications locales précoces ne sont pas le fait de neurones hypersynchronisés orientés perpendiculairement à la surface 3- Ces modifications locales pourraient être le fait : - d’une activation non synchronisée - d’une activation des cellules gliales 4- La pointe qui suit le pic des modifications hémodynamiques précoces - serait elle l’élément terminal d’un processus d’activation progressif qui aboutirait à une chute de HbO - pourrait elle permettre le rétablissement de l’homéostasie hémodynamique locale? 5- La discussion est ouverte sur un initial dip épileptique

III. Les axes de recherche à Amiens 2. La Spectroscopie proche de l'InfraRouge (NIRS) Pour la Recherche A B 500 ms 1 s 0,2 µV Les pointes épileptiques

Wetherefore conclude that the IIS induces a rapid increase in metabolic demand, which cannot be met by a rapid, initially focal but small increase in CBV that results in a prolonged increase in Hbr (epileptic dip in oxygenated hemoglobin).

D – Résultats. D1 Étude préalable chez l’animal D – Résultats D1 Étude préalable chez l’animal D2 Premiers résultats chez l’enfant D2-1 Slow NIRS Patients: Enfants présentant des pointes intercritiques dans des épilepsies partielles. Acquisition: Vidéo EEG-HR et NIRS simultanée Analyse: - classification temporo- spatiale des pointes - détection de pic + séries temporelles - moyennage Time locked Average EEG-HR data

Topography Voltage Topography Frequency Topography

NIRS averaged signal C E3 E4 E2 B E5 E1 A E6 E8 E7

Ponchel Fournier, en cours Localisation de sources épileptiques A: EEG B: NIRS 2D C: NIRS 3D A B C La NIRS détecte le foyer épileptique principal de l’EEG et met en évidence une seconde région d’activation cérébrale Ponchel Fournier, en cours

D – Méthodes. D1 Étude préalable chez l’animal D – Méthodes D1 Étude préalable chez l’animal D2 Premiers résultats chez l’enfant D2-1 Slow NIRS RAT Enfant Épilepsie partielle NIRS Autre enfant Méthodologie: EEG standard NIRS restreinte Droit HbT HbO HbR La NIRS : Permet d’évaluer les modifications de [HbO2], [HHB] et de volume ([HbT]) au cours de pointes intercritiques . Montre des modifications hémodynamiques qui précèdent les pointes Osharina et al., submitted, 2009

D – Méthodes. D1 Étude préalable chez l’animal D – Méthodes D1 Étude préalable chez l’animal D2 Premiers résultats chez l’enfant D2-1 EEG-IRMf Principe: Déclencher l’analyse des modifications hémodynamiques (Effet BOLD) Par l’IRM à partir des pointes épileptiques Nécessite la synchronisation des machines EEG IRMf Nécessite des capteurs EEG amagnétiques Nécessite des logiciels de traitement de signaux pour réduire le bruit lié aux gradiants:

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

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 Frédéric GROUILLER

Principe de l’IRMf/EEG Frédéric GROUILLER

Artefacts cardiaques (BCG) Frédéric GROUILLER

Artefacts pendant l’acquisition des images IRMf Frédéric GROUILLER

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

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

Pittau et al., 2012

Corrélation EEG NIRS et EEG IRMf au cours des pointes épileptiques D – Discussion D1 Étude préalable chez l’animal D2 Premiers résultats chez l’enfant EEG-fMRI Corrélation EEG NIRS et EEG IRMf au cours des pointes épileptiques EEG-NIRS Droit HbT HbO HbR Rats (Osharina et al., 2010) Enfants Adulte (Hawco et al., 2007)

D – Conclusion Il existe des modifications hémodynamiques préalables aux pointes dont l’origine reste à préciser L’hypothèse selon laquelle les pointes pourraient constituer un phénomène terminal permettant la restauration d’un équilibre mérite d’être approfondit La NIRS, que ce soit la fast ou la slow NIRS, apporte de nouvelles questions et informations avec une résolution temporel qui peut être similaire à l’EEG et avec une pauvre résolution spatiale notamment en profondeur L’IRMf couplé à l’EEG apporte des informations spatiales en profondeur (Gold Standard) mais avec une pauvre résolution temporelle