Enquête approfondie sur les interactions du réseau cérébral (BNI)

Énoncé de recherche SIGNIFICATION Les troubles de la mémoire sont communs à plusieurs troubles neurologiques et psychiatriques, dont la maladie d'Alzheimer et la dépression, et ils imposent un lourd fardeau aux patients, aux familles et à la société (Dickerson et Eichenbaum, 2007). De nouvelles stratégies de traitement et de diagnostic sont nécessaires, et celles-ci peuvent découler d'une meilleure compréhension de la base cérébrale de la mémoire épisodique (Tulving, 1983).

Des études de neuroimagerie moyennées par groupe ont révélé qu'un réseau distribué, connu sous le nom de « réseau par défaut » (DN), augmente l'activité lors de la remémoration d'événements passés (Buckner et al. 2008). Ce réseau occupe des régions comprenant le cortex postéro-médial (PMC), le cortex pariétal postérieur (PPC) et le lobe temporal médial (MTL), ainsi que les cortex préfrontal latéral et latéral et médial. S'appuyant sur les avancées récentes de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf ; Poldrack et al., 2015 ; Laumann et al., 2015), des preuves récentes ont montré que lorsque l'anatomie fonctionnelle est définie chez les individus, le DN comprend au moins deux réseaux juxtaposés, nommés DN-A et DN-B pour plus de commodité (Figure 1). Ce constat nous oblige à reconsidérer le rôle du DN dans les processus épisodiques (voir aussi : Dastjerdi et al., 2011 ; Andrews-Hanna et al., 2010). Nous proposons ici des expériences pour approfondir notre compréhension de ces réseaux en utilisant une approche multimodale qui fournit une résolution spatio-temporelle élevée et une définition du réseau du cerveau entier. Nous combinerons la cartographie IRMf intra-individuelle avec l'électroencéphalographie intracrânienne (iEEG) et la stimulation cérébrale électrique (EBS). Nous enregistrerons directement les potentiels de champ locaux à partir de régions de réseau cartographiées avec précision et appliquerons une stimulation électrique avec une précision millimétrique. Cela fournira de nouvelles informations concernant la mémoire épisodique dans deux domaines qui ne peuvent pas être recueillis par l'IRMf seule : i) caractériser la dynamique temporelle rapide du recrutement du réseau pendant le souvenir épisodique, et ii) établir des interactions causales entre les régions du cerveau pendant le souvenir.

INNOVATION Méthodologiquement, ce projet apportera la preuve de principe que la cartographie IRMf de précision peut être réalisée dans une population clinique et combinée avec succès avec des enregistrements invasifs et une stimulation. L'innovation théorique sera obtenue grâce à une compréhension plus approfondie de la dynamique tâche-réponse, du couplage et des relations causales entre les régions des réseaux distribués, y compris la façon dont l'engagement neuronal change pendant le rappel de la mémoire. Enfin, cette proposition fournit une innovation translationnelle en testant directement si la stimulation intracrânienne guidée par IRMf de précision peut être utilisée pour moduler les performances de la mémoire.

APPROCHE Méthodes générales : Les participants aux expériences proposées seront des patients neurochirurgicaux atteints d'épilepsie focale présumée qui doivent subir une implantation avec des électrodes intracrâniennes pour localiser les foyers épileptiques. La proposition sera réalisée à la Northwestern University Feinberg School of Medicine. Les patients devant subir une surveillance des crises intracrâniennes seront invités à s'inscrire à l'étude et subiront 1 à 4 séances d'IRMf avant l'implantation chirurgicale des électrodes. Après la chirurgie, les patients sont généralement surveillés pendant environ 7 jours au Northwestern Memorial Hospital Comprehensive Epilepsy Center (CEC), au cours desquels ils seront invités à participer aux expériences proposées. Tous les sujets doivent fournir un consentement éclairé avant de participer.

Inscription : Un minimum de 40 à 50 patients devraient être suivis au CEC au cours des 3 prochaines années. Les emplacements des électrodes sont déterminés par les besoins cliniques du patient. 60 à 70 % des patients sont généralement implantés avec une couverture dense des lobes temporaux médiaux obtenue grâce à des électrodes de profondeur avec des trajectoires qui permettent l'échantillonnage des cortex temporaux latéraux. Un petit nombre d'électrodes sont également généralement implantées dans le cortex préfrontal cingulaire postérieur, pariétal inférieur latéral et ventromédian. En raison de la nature distribuée des réseaux à l'étude, qui contiennent des régions dans plusieurs zones corticales, il est probable que nous aurons une couverture sur les régions cérébrales pertinentes dans de nombreux cas. Certains patients sont également susceptibles d'être implantés avec une couverture corticale plus large à l'aide de grilles sous-durales. Les résultats préliminaires ont montré que même lorsqu'un patient est implanté uniquement avec des électrodes de profondeur, qui ne sont pas placées sur la surface corticale mais pénètrent dans le cerveau, la couverture des différentes régions candidates du réseau était souvent obtenue le long de la trajectoire des électrodes. Avec des estimations prudentes, 20 à 30 sujets seront de bons candidats pour les objectifs du projet décrits ci-dessous. Compte tenu du rapport signal/bruit élevé de l'iEEG (généralement une augmentation du signal évoquée par la tâche de 200 à 300 % par rapport à la ligne de base ; Parvizi et Kastner, 2017), des effets fiables peuvent généralement être trouvés chez les individus. Toutes les analyses proposées seront effectuées chez des individus, par conséquent, plusieurs sujets sont nécessaires pour généraliser les résultats, et non pour augmenter la puissance statistique. Par conséquent, un petit nombre de sujets (aussi bas que n = 12) serait suffisant (par ex. Braga et Buckner, 2017 ; Foster et al., 2013).

Acquisition de neuro-imagerie : les scans IRM seront collectés en 1 à 4 sessions pour chaque patient. Les données préliminaires ont montré que dans cette population clinique, 2 à 3 séances d'IRM sont souhaitables pour permettre l'exclusion des analyses non conformes (par ex. ceux contenant un mouvement excessif de la tête). Nous collecterons 6 à 8 séries de données IRMf par session, ce qui donnera entre 42 et 224 minutes de données IRMf par patient. Cela permettra des estimations robustes et fiables de la topographie du réseau. La somnolence du sujet sera surveillée par une caméra de suivi oculaire intégrée au scanner. L'observance peut être améliorée en permettant aux patients de regarder des films à l'intérieur du scanner en cas de besoin, avec des analyses pilotes montrant des cartes comparables obtenues à l'aide de données de film et de tâche de fixation visuelle. Par conséquent, les deux tâches seront administrées pour améliorer la conformité.

Définition du réseau au sein des individus : Les réseaux seront définis au sein des individus en utilisant deux méthodes pour assurer la robustesse. Le prétraitement IRM sera effectué à l'aide d'un pipeline personnalisé « iProc » qui optimise l'alignement intra-sujet et minimise le flou. Les régions de semences individuelles seront sélectionnées à la main et les cartes de corrélation seront seuillées à r > 0,2 pour supprimer les régions de faible certitude. Les réseaux d'intérêt, DN-A et DN-B, seront ciblés et identifiés en utilisant la distribution anatomique attendue de chaque réseau (décrit en détail dans Braga et Buckner, 2017). Une fois les régions de semences candidates sélectionnées, la définition des réseaux sera à nouveau effectuée chez chaque individu à l'aide d'un regroupement basé sur les données, ce qui réduit le biais potentiel de l'expérimentateur. Les réseaux de l'analyse de clustering qui correspondent le mieux aux réseaux définis manuellement seront sélectionnés et étiquetés comme DN-A et DN-B. Des cartes de réseau seront utilisées pour étiqueter les contacts des électrodes (chaque « électrode » peut avoir plusieurs « contacts » le long de son arbre ou de sa grille) par leur emplacement approximatif dans ou à proximité de chaque réseau.

Localisation des électrodes : les emplacements des électrodes seront déterminés à l'aide d'une tomodensitométrie (CT). Les estimations du centre de chaque contact dans l'espace CT seront obtenues à l'aide de BioImage Suite. L'image CT sera enregistrée sur l'image anatomique T1 (contenant les emplacements du tissu cérébral) à l'aide d'une transformation linéaire, permettant aux coordonnées de chaque contact d'être projetées dans l'espace T1. Les données préliminaires ont montré que l'erreur inter-évaluateurs dans ce processus de localisation est généralement d'environ 1 mm. Une sphère de rayon de 2 mm sera générée centrée sur chaque coordonnée de contact pour se rapprocher du volume d'échantillonnage de chaque contact, qui est étendu en raison de la conductance des tissus. Les contacts qui échantillonnent principalement la matière blanche seront supprimés en excluant les contacts dont la sphère ne chevauche pas le ruban de matière grise (estimé à l'aide de FreeSurfer). Le chevauchement entre les sphères et la matière grise sera utilisé pour les analyses de connectivité fonctionnelle (FC) basées sur la surface et sur le volume. Des cartes FC seront créées pour chaque contact et les cartes résultantes seront visualisées. Si un contact ne parvient pas à produire une carte FC avec des régions éloignées de forte corrélation (indiquant que le contact échantillonne un réseau distribué), le contact sera exclu. Si la carte FC du contact ressemble à DN-A et DN-B, tel que défini à l'aide des analyses basées sur le regroupement et définies manuellement, ce contact sera étiqueté comme échantillonnage DN-A et DN-B et inclus pour une analyse plus approfondie. Deux électrodes voisines, l'une située en DN-A et l'autre en DN-B, seront sélectionnées a priori dans deux zones corticales différentes (ex. PMC vs PPC, basé sur la couverture).

Traitement iEEG : tous les contacts dans la zone épileptique ou corrompus par un bruit externe seront supprimés de l'analyse ultérieure. Les signaux bruts seront filtrés par encoche à 60, 120 et 180 Hz pour éliminer le bruit électrique et les harmoniques. Les signaux filtrés par encoche seront référencés en soustrayant la moyenne commune, après suppression des signaux pathogènes ou épineux, ainsi que ceux qui se présentent comme des valeurs aberrantes claires dans les tracés des spectres de puissance. Les données seront filtrées passe-bande pour extraire les informations d'amplitude et de phase à différentes bandes de fréquences. Le signal à large bande à haute fréquence (HFB; 70-140 Hz) est un substitut important de l'activité de la population neuronale locale et correspond à des corrélations à basse fréquence du signal dépendant du niveau d'oxygénation du sang (Logothetis et al., 2001). La puissance limitée en bande HFB sera calculée et filtrée passe-bas à <0,1 Hz. Des corrélations par paires dans la puissance HFB seront utilisées pour estimer la connectivité fonctionnelle.

Stimulation corticale directe : les risques associés au protocole de stimulation de recherche sont considérés comme incrémentiels et sont encore réduits en effectuant la stimulation sous la supervision d'un chercheur clinique, lorsque les patients prennent des médicaments antiépileptiques, et en maintenant la stimulation dans les limites de sécurité. Une stimulation à impulsion unique à basse fréquence (1 Hz) sera appliquée aux régions du DN-A et du DN-B pour cartographier les potentiels évoqués cortico-corticaux (CCEP). Cela sera utilisé pour estimer la force, ainsi que pour fournir des données sur la directionnalité des connexions entre les régions. Contrairement aux plans originaux, sur la base de découvertes récentes (Hermiller et al. 2019), la stimulation par rafale thêta (stimulation par bande gamma appliquée par intermittence aux fréquences thêta) sera appliquée aux régions des régions ADN-A dans les régions temporale latérale, postéro-médiale et cortex préfrontal lors d'une tâche de remémoration pour tester si la stimulation de régions ADN-A distantes peut conduire à des améliorations de la remémoration épisodique médiée par l'hippocampe. Les courants seront administrés à un seuil inférieur à celui qui provoque les post-décharges (généralement autour de 6-8 mA).