Sujet de Thèse
Titre :
Neuromodulation des réseaux épileptiques et cognitifs de la voie visuelle ventrale par stimulations électriques transcraniennes basées sur le principe de réciprocité.
Dates :
2018/10/02 - 2021/09/30
Etudiant :
Autre(s) encadrant(s) :
DMOCHOWSKI Jacek (jdmochowski@ccny.cuny.edu)
Description :
Les déséquilibres d'excitabilités électriques neuronales sont très souvent à la source de pathologies (maladie de parkinson, épilepsie, maladies psychiatriques et mentales, ...) et de troubles cognitifs (mémoire, langage, motricité, émotions, ...). La stimulation électrique cérébrale, qui consiste à envoyer de faibles impulsions électriques au niveau du cortex, permet d'exciter ou d'inhiber les populations de neurones (Reato et al., 2013 ; Rahman et al., 2017). La stimulation permet ainsi de déréguler certains processus électriques pathologiques ou bien à l'opposé de restaurer un fonctionnement électrique nécessaire au déroulement de processus cognitifs physiologiques. L'application la plus connue et remarquable concerne la stimulation cérébrale profonde dans la maladie de Parkinson (Benabid, Nature Med., 2014). Dans le domaine de la chirurgie des épilepsies, la stimulation intracérébrale module transitoirement les réseaux neuronaux impliqués dans des processus cognitifs spécifiques (Jonas et al., 2012, 2014 ; Trebuchon et al., 2016) permettant ainsi d'établir une cartographie individuelle des aires corticales fonctionnelles.
De façon moins invasive, la stimulation électrique peut aussi être réalisée depuis la surface du cuir chevelu. Cette méthode dite transcrânienne a montré des résultats très intéressants dans de nombreux domaines d'application (Chrysikou et al., 2017) et cela malgré une diffusion spatiale très large du courant dans le cerveau. Cette large diffusion est liée essentiellement à des verrous méthodologiques à savoir : 1. le faible nombre d'électrodes de stimulation (n=2 ; une anode et une cathode) ; 2/ la calibration incertaine des modèles biophysiques (les conductivités des tissus in-vivo chez l'Homme sont méconnues) ; 3.le choix des paramètres de stimulation (position des capteurs et intensité de stimulations) reposant sur des simulations numériques.
Grâce au recueil de plus en plus précis des signaux EEG de surface (Koessler et al., 2015) et aux développements méthodologiques de la stimulation électrique cérébrale transcrânienne, une nouvelle méthode de stimulation électrique non-invasive plus précise et plus efficace est apparue. Cette technique s'appelle la closed-loop stimulation. Elle repose sur le principe suivant : le trajet emprunté par les ondes électriques cérébrales de la source aux capteurs et le même que celui pour aller des capteurs vers la source. D'un point de vue théorique cette relation est connue sous le nom de principe de réciprocité (Dmochowski et al., 2011,2017). A l'aide de multiples électrodes en surface du cuir chevelu, il est alors possible de réinjecter dans le cerveau le champ électrique émis par une source cérébrale sur le scalp. Cette méthode de stimulation par réciprocité permet : 1) de focaliser plus efficacement la stimulation et ainsi d'éviter de stimuler les aires cérébrales avoisinantes ; 2) de limiter l'intensité de stimulation en surface du cuir chevelu et ainsi réduire encore les effets indésirables de la stimulation transcrânienne.
A présent, il reste des verrous scientifiques à lever pour vérifier notre hypothèse suivante : la stimulation électrique par réciprocité permet de moduler efficacement l'activité des réseaux neuronaux quand le champ électrique appliqué est focalisé sur la zone de production de l'activité électrique neuronale.
Le premier verrou consiste à valider in-vivo chez l'Homme l'efficacité du ciblage de cette nouvelle méthode de stimulation.
Le second verrou consiste à caractériser la neuromodulation liée à la stimulation électrique en utilisant les réponses électrophysiologiques (patterns, topographie) et comportementales (vitesse de réaction, efficience) comme biomarqueurs. Deux études seront menées sur ce second verrou à savoir :
1) est-il possible de neuromoduler l'amplitude et/ou la fréquence des décharges épileptiques liées à l'hyperexcitabilité neuronale ?
2) est-il possible de neuromoduler les réponses neuronales évoquées par la stimulation visuelle rapide dans le cadre d'expériences cognitives perceptivo-mnésiques ?
Nous focaliserons notre attention sur la région temporo-occipital (voie visuelle ventrale). Cette région est au centre du programme de recherche du projet Neurosciences du CRAN et elle est très adaptée à ce projet en raison de sa proximité avec les électrodes de surface.
L'originalité et la force de ce projet repose :
1) sur l'utilisation de stimulation par réciprocité qui est maîtrisée par très peu de centres au niveau international dont le département de bioingénierie du City College of New-York,
2) sur l'utilisation d'enregistrements concomitants de l'EEG de surface (EEG), de l'EEG intracérébral (SEEG) avec électrodes multi-contacts, de la stimulation par réciprocité et enfin de stimulations cognitives par stimulation visuelle périodique rapide. Seul le centre régional universitaire de Nancy dispose de cette modalité d'acquisition et de stimulation couplés simultanément.
3) sur le modèle d'étude proposée puisque les épilepsies focales pharmaco-résistantes représentent une des rares pathologies où une combinaison simultanée EEG-SEEG-tDCS peut être réalisée.
Les résultats attendus sont la caractérisation électrophysiologique de la stimulation tDCS par réciprocité. En d'autres termes, il s'agira de valider, in-vivo chez l'Homme, le critère focal et intense de cette stimulation non invasive. Pour cela des analyses fréquentielles, de puissance et d'amplitude des signaux intracérébraux seront réalisés afin de quantifier la stimulation électrique au niveau de la cible mais aussi des régions environnantes. D'autre part, nous souhaitons montrer que la stimulation tDCS par réciprocité (surtout cathodique) inhibe le comportement des neurones épileptiques. Une baisse d'amplitude et de fréquence des décharges épileptiques devrait être observée en utilisant une stimulation hyperpolarisante (cathodique). Une comparaison quantitative des décharges épileptiques (n>100) avant, pendant et après stimulation devrait démontrer statiquement ce phénomène. Enfin, nous souhaitons montrer une neuromodulation des réseaux cérébraux cognitifs en utilisant les réponses cérébrales à la stimulation visuelle périodique rapide comme biomarqueurs fonctionnels. L'amplitude et la distribution anatomique topographique des biomarqueurs seront analysées avant, pendant et après la stimulation tDCS.
Mots clés :
Neuromodulation, Réseaux neuronaux, Epilepsie, Cognition, Stimulation électrique transcrânienne
Département(s) : 
Biologie, Signaux et Systèmes en Cancérologie et Neurosciences