Stimulation transcrânienne pendant le sommeil pour améliorer la cognition dans l'épilepsie

Épilepsie et dysfonctionnement cognitif Des études récentes suggèrent que plus de 60 % des patients épileptiques souffrent de troubles cognitifs, tels que des troubles de la mémoire, de l'attention et de l'exécutif (Elger et al., 2004, Lin et al., 2012). La gravité et le profil des troubles cognitifs sont hétérogènes et dépendent du syndrome épileptique, de l'âge d'apparition, du contrôle des crises, de la fréquence de l'activité intercritique, des anomalies cérébrales structurelles et de l'utilisation de médicaments antiépileptiques (Elger et al., 2004, Helmstaedter et Witt, 2012, Zeman et al., 2012).

L'altération de la mémoire déclarative est la plainte cognitive la plus courante chez les patients atteints d'épilepsie du lobe temporal et d'autres épilepsies liées à la localisation (Oyegbile et al., 2004, Hoppe et al., 2007, Helmstaedter et Witt, 2012). Trois types de déficits de mémoire associés à l'épilepsie ont été décrits : l'amnésie épileptique transitoire, l'oubli accéléré à long terme et la perte de mémoire à distance (Butler et Zeman, 2008, Zeman et al., 2012). En particulier, l'oubli accéléré à long terme - défini comme une difficulté à conserver des souvenirs initialement capables d'être acquis - a récemment été signalé comme étant plus répandu qu'on ne le pensait auparavant (Witt et al., 2012).

Les approches thérapeutiques actuelles comprennent la gestion des médicaments antiépileptiques, la surveillance des effets secondaires et la diminution de la fréquence des crises et des intercritiques. Cependant, même optimisés, les traitements n'ont montré qu'une efficacité limitée et ne modulent pas la physiopathologie sous-jacente (Meador, 2011, Lin et al., 2012). En effet, malgré la prévalence de la comorbidité cognitive chez les patients épileptiques, aucun traitement efficace n'existe.

Consolidation de la mémoire liée au sommeil Il y a deux étapes principales dans l'apprentissage : 1) assister à l'information et l'encoder et 2) stabiliser ou consolider l'information codée de façon transitoire (Squire, 1992). Ces étapes impliquent différents mécanismes physiologiques, différents états cérébraux et différents types d'interactions entre les circuits hippocampiques et néocorticaux. L'acquisition de nouvelles informations peut être affectée dans la phase d'acquisition ou de consolidation. Par conséquent, les stratégies visant à améliorer la formation de la mémoire peuvent cibler l'une ou l'autre de ces étapes.

Le sommeil, de plus en plus reconnu pour son rôle essentiel dans la consolidation de la mémoire, offre une opportunité intrigante d'intervention thérapeutique. La consolidation de la mémoire, deuxième étape du processus d'apprentissage, est l'activité de transformation des traces mnésiques à court terme en représentations stables à long terme (Dudai, 2012). L'un des points de vue prédominants est que la consolidation se produit via l'interaction hippocampique-néocorticale pendant l'état de sommeil « hors ligne » du cerveau (Buzsaki, 1989 ; Diekelmann et Born, 2010). Le schéma électrophysiologique clé responsable de cette interaction est l'ondulation d'onde aiguë de l'hippocampe (SPW-R), au cours de laquelle les schémas spatio-temporels de déclenchement neuronal associés à l'apprentissage précédent sont rejoués dans des échelles de temps compressées (O'Neill et al., 2010) . L'apprentissage affecte à la fois l'incidence et le contenu neuronal des SPW-R au cours du sommeil ultérieur. Inversement, la modification des SPW-R par divers moyens affecte le processus de consolidation. Par exemple, l'élimination sélective des SPW-R chez les rongeurs altère l'apprentissage de manière aussi dramatique que l'ablation chirurgicale de l'hippocampe, même si une telle manipulation expérimentale laisse inchangés d'autres aspects du sommeil post-apprentissage (Girardeau et al., 2009). En plus des SPW-R, deux autres oscillations liées au SWS ont été impliquées dans la consolidation de la mémoire : l'amplitude et la cohérence des oscillations lentes et la densité du fuseau du sommeil sont augmentées lorsque le SWS est précédé de tâches de mémoire déclarative dépendantes de l'hippocampe (Gais et al., 2002, Molle et al., 2004) ou l'apprentissage de compétences procédurales (Huber et al., 2004). Les SPW-R sont modulés par des fuseaux de sommeil (12-16 Hz), qui sont à leur tour orchestrés par des oscillations lentes (0,5-1,5 Hz) et ultra-lentes (0,1 Hz) (Steriade 1993, Sirota 2003, Isomura 2006, Molle 2006, Sullivan 2011 ). Un tel couplage interfréquence suggère qu'un système neuronal complexe et distribué coordonne l'activité du cortex néocortico-entorhinal (EC)-hippocampique.

Récemment, il a été démontré que les corrélations IRMf à basse fréquence (0,01 - 0,1 Hz) dépendantes du niveau d'oxygène dans le sang (BOLD) peuvent être améliorées pendant les périodes de repos après l'encodage par rapport aux périodes de repos de base avec l'inclusion de certaines formes d'apprentissage. 7-11. De plus, nous avons démontré, chez tous les participants, que l'ampleur des changements dans la connectivité de repos hippocampique-corticale est liée aux performances ultérieures de la mémoire associative 10.

Ces relations spatiales et temporelles offrent une opportunité remarquable d'influencer l'activité hippocampique, et donc la consolidation de la mémoire, en affectant les oscillations lentes néocorticales et/ou les fuseaux thalamocorticaux du sommeil (Ozen et al., 2010). Plus précisément, les rythmes corticaux peuvent être biaisés par une stimulation non invasive ou des interventions comportementales, améliorant ou interférant ainsi potentiellement avec l'apprentissage.

En effet, plusieurs études ont démontré que les schémas électriques liés au SWS peuvent être améliorés chez des sujets sains par des techniques de stimulation cérébrale non invasives, telles que le TCS, appliquées pendant le sommeil précoce (Marshall et al., 2004, Marshall et al., 2006, Massimini et al., 2007). Plus précisément, le TCS à faible fréquence delta (0,75 Hz) au début du sommeil SWS a augmenté les oscillations endogènes et le gain post-sommeil de la mémoire d'association de paires de mots, une tâche de mémoire déclarative dépendante de l'hippocampe (Marshall et al., 2006, Marshall et al., 2011 ). La modulation du SWS, via le TCS, peut améliorer les résultats d'apprentissage dans une gamme de domaines cognitifs pour les patients souffrant d'épilepsie et d'autres troubles neurologiques.

TCS : Contexte et problèmes de sécurité. Le TCS est une méthode de stimulation cérébrale non invasive qui délivre un courant de faible amplitude à travers des électrodes du cuir chevelu. Les paramètres de courant peuvent être modifiés pour fournir du courant dans un [c'est-à-dire. stimulation transcrânienne à courant continu (TDCS)], en alternance [c.-à-d. stimulation par courant alternatif transcrânien (TACS)], ou de manière aléatoire [c.-à-d. stimulation par bruit aléatoire transcrânien (TRNS)], pour affecter les oscillations cérébrales endogènes dans différentes directions. Des décennies de recherche sur des modèles humains et animaux ont montré que le TCS peut moduler l'activité cérébrale - à la fois pour améliorer et réduire l'excitabilité corticale (revue dans Priori, 2003). Les avantages du TCS comprennent son faible coût, sa facilité d'administration, son profil d'innocuité et sa nature non invasive et indolore.

Le TCS est basé sur l'application d'un faible courant continu sur le cuir chevelu. Des courants de faible amplitude (<2 mA) sont appliqués via les électrodes du cuir chevelu et pénètrent dans le crâne pour pénétrer dans le cerveau. Bien qu'il y ait un important shunt de courant dans le cuir chevelu, suffisamment de courant pénètre dans le cerveau pour modifier le potentiel neuronal transmembranaire comme le montrent deux études de modélisation récentes (Miranda et al., 2006, Wagner et al., 2007), et ainsi, influencent le niveau d'excitabilité et modulent le taux de déclenchement des neurones individuels. Lorsque le TCS est appliqué pendant une durée suffisante, la fonction corticale peut être altérée au-delà de la période de stimulation (Nitsche et Paulus, 2001) et la direction des changements d'excitabilité corticale dépend de l'orientation du courant.

Plusieurs études animales bien menées sur les effets du TCS datant des années 1950 et 1960 démontrent sa capacité à moduler la fonction cérébrale. Ces études ont démontré que les courants polarisants appliqués à la surface du cerveau entraînent une modulation de l'activité corticale. La polarisation anodale de surface du cortex augmente les décharges unitaires spontanées (Burns, 1954, Creutzfeldt et al., 1962) et initie une activité paroxystique (Goldring et O'Leary, 1951), alors que la polarisation cathodique déprime généralement ces événements. Il a également été démontré que la polarisation de surface de bas niveau facilitait l'acquisition de réponses motrices apprises et induisait des changements prolongés dans les modèles de décharges unitaires corticales évoquées (Bindman et al., 1964). De plus, Purpura et al. (1965), étudiant les cellules du tractus pyramidal chez le chat, ont montré que des périodes prolongées de polarisation peuvent produire des modifications progressives du potentiel membranaire et post-synaptique ainsi que des séquelles (Purpura et McMurtry, 1965). Plus récemment, des études extracellulaires et intracellulaires chez le rat ont montré que le TCS peut entraîner de manière fiable des neurones dans des zones corticales étendues, y compris l'hippocampe (Ozen et al, 2010).

Le TCS offre plusieurs avantages par rapport à d'autres techniques de stimulation cérébrale non invasive, telles que la stimulation magnétique transcrânienne répétitive (rTMS). Ceux-ci incluent : (1) la petite taille des électrodes et du stimulateur, permettant ainsi une utilisation portable, (2) une technique simple et peu coûteuse qui peut facilement être traduite pour une utilisation en pratique clinique, (3) des effets durables - les effets modulateurs du TCS durent plus longtemps que la SMTr [par exemple, 13 minutes de TDCS peuvent modifier l'excitabilité cérébrale jusqu'à 2 heures (Nitsche et Paulus, 2001)], (4) plus facilement aveuglé dans le cadre d'essais cliniques (Gandiga et al., 2006 ) et (5) un profil d'innocuité bien établi (Liebetanz et al., 2009).