Cartographie fonctionnelle du cerveau épileptique lors des évaluations préchirurgicales

Sous la direction d’Olivier David

Frédéric GROUILLER

Soutenance de thèse, 15 septembre 2008

GIN - Équipe 5 : Neuroimagerie Fonctionnelle et Métabolique

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

2

Contexte : l’épilepsie

Affection neurologique répandue (prévalence ≈1%)

Différentes formes d’épilepsieLocalisation : épilepsie généralisée ou focaleOrigine : épilepsie symptomatique, idiopathique ou

cryptogénique

Dysfonctionnement de l’excitabilité neuronale => activité électrique anormale

3

Traitements de l’épilepsie Traitement pharmaceutique

Nombreux effets secondairesOnéreux25% des patients sont pharmacorésistants

ChirurgieRésection ou déconnexion≈12000 candidats potentiels en France≈70% des patients guéris après l’interventionLe succès de l’intervention requiert une localisation

précise du foyer épileptogène

4

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

5

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

6

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

7

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)

8

Principe de l’IRMf

Raichle, Sc. American, April 1994

t

9

Activité neuronale

Consommation en O2 (5%)

Flux sanguin local (50%)

Concentration en désoxyhémoglobine

Signal IRM

t

Principe de l’IRMf

MESURE INDIRECTE10

Stimulusbref Undershoot

Undershootinitial

Maximum

FRH(Fonction de Réponse

Hémodynamique)

t

Activité neuronale

Consommation en O2 (5%)

Flux sanguin local (50%)

Concentration en désoxyhémoglobine

Signal IRM

t

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, …

11

Tâche d’encodage mnésique

8TR

Connues Nouvelles Connues Nouvelles Connues Nouvelles Connues

TR=3s192TR

Tâche d’encodage visuel chez un groupe de volontaires sains (N= 10, p=0,005 non corrigée)

12

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

13

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

14

Evénements intercritiques sur l’EEG

Pointes Ondes

15

Dispositif expérimental

IRM :Philips 1.5TBruker 3T

EEGEEG compatible IRM

(Micromed)17 électrodes EEG et

2 électrodes ECG Salek-Haddadi et al., Brain Res Rev, 2003

Gotman et al., J Clin Neurophysiol, 2004

16

Principe de l’IRMf/EEG

17

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.

18

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

19

Artefacts cardiaques (BCG)

20

Artefacts pendant l’acquisition des images IRMf

21

Évaluation des algorithmes de suppression d’artefacts

Grouiller et al., Neuroimage , 2007

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

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

22

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 l’imagerie du rythme alpha

Grouiller et al., Neuroimage , 2007

23

Application à la détection de pointes intercritiques

Grouiller et al., Neuroimage , 2007

24

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

25

Résultats avec les hypothèses classiques

≈ ⅓ des examens concordants≈ ⅓ des examens concordants pour les patients avec pointes focales

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

26

Nos résultats …

Seulement 30% des examens concluants …

Pas de pointes (4 patients)

Pas d’activations (8 patients)

Activations concordantes (6 patients)

Activations discordantes (5 patients)

27

Exemple de résultats ….

p<0,005 correction FDR

Patient avec une dysplasie frontale

=> Activation partiellement concordante28

Nos résultats …

Seulement 30% des examens concluants …

Pas de pointes (4 patients)

Pas d’activations (8 patients)

Activations concordantes (6 patients)

Activations discordantes (5 patients)

29

Pourquoi ça ne marche pas

Notre modèle de réponse hémodynamique est-il valable pour les tissus épileptiques

30

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

31

Modèle déformable bi-paramétré du couplage neurovasculaire

=> Base de fonctions

32

Dilatation/Contraction Décalage temporel

Espace des FRH

Exemple pour une tâche motrice chez un volontaire sain

33

Fonction de Réponse Hémodynamique (FRH)

optimale :

Décalage temporel : t0 = 0s

Facteur de déformation : = 1

Exemple pour l’épilepsie absence : Analyse classique

Epilepsie Absence Juvénile

34

HRF classique

Exemple pour l’épilepsie absence : Optimisation de la FRH

HRF Classique35

Cartes des paramètres hémodynamiques optimaux

Carte du décalage temporel Carte du coefficient de dilatation

36

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

37

Résultats après optimisation de la FRH

Seulement 30% des examens concluants …

75% des examens sont concluants !

Pas de pointes (4 patients)

Pas de pointes (4 patients)

Pas d’activations (2 patients)

Pas d’activations (8 patients)

Activations concordantes (17 patients)

Activations concordantes (6 patients)

Activations discordantes (5 patients)

38

Résultats après optimisation de la FRH

39

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

40

Résultats : Déconnexion temporale (patient guéri)

p<0,005 correction FDR

=> Activation dans le lobe déconnecté … mais aussi ailleurs !

41

Épilepsie focale :

Patiente 23 ans avec photosensibilité aux rayures :

Cartographie des aires visuelles

Cartographie des aires épileptiques

42

Épilepsie focale :

Activité épileptique localisée à proximité du cortex visuel primaire

Activation atypique des aires visuelles

43

8TR

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

44

Épilepsie focale : Cartographie des aires motricesCartographie des aires épileptiques :• Pointes

• Crises infracliniques

45

Épilepsie focale :Cartographie des aires épileptiques :Réseau activé par les pointesRéseau activé par les crises

=> Réseaux activés par les pointes et par les crises partiellement superposés

46

Épilepsie focale :Cartographie des aires motrices :

Mouvement du pied droit

Activité épileptique localisée à proximité des aires motrices

47

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

48

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

49

Perspectives Problème de validation (pas de

Gold-Standard) : que voit-on ?

Développement de la multimodalité (vasoréactivité, diffusion, …)

Autres modélisations des données : ACI, clustering, …

50

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

51

Place aux questions !

52