Évaluation de l’hyperexcitabilité cérébrale par stimulation magnétique transcrânienne et électroencéphalographie

Résumé

Source : Shafi, M. M., et al. Une méthode basée sur l’imagerie multimodale et la stimulation pour évaluer l’excitabilité cérébrale liée à la connectivité chez les patients atteints d’épilepsie. J. Vis. Exp. (2016)

La vidéo montre la procédure d’utilisation de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de l’électroencéphalographie (EEG) pour évaluer l’excitabilité neuronale chez les patients atteints d’épilepsie. Il détaille les étapes à suivre pour aligner la tête du patient à l’aide d’un scanner cérébral préenregistré, positionner la bobine TMS sur une cible corticale fonctionnellement connectée et appliquer une stimulation pour activer les circuits neuronaux. Le processus comprend le suivi des réponses motrices, l’enregistrement des signaux EEG et la comparaison de l’activité cérébrale avec celle de témoins sains pour identifier l’hyperexcitabilité et localiser la zone d’apparition des crises.

Protocole

Toutes les procédures impliquant des participants humains ont été effectuées conformément aux directives institutionnelles, nationales et internationales en matière de bien-être humain et ont été examinées par le comité d’examen institutionnel local.

1. Sélection du sujet

1. Sélection du patient pour le protocole de recherche.
   1. Identifier les patients atteints d’épilepsie active (crises au cours de la dernière année) ou d’épilepsie à distance (crises antérieures, mais sans crises au cours des cinq dernières années, avec ou sans médicament) et d’hétérotopie nodulaire périventriculaire sur l’imagerie cérébrale structurelle.
   2. Exclure les patients sans antécédents de convulsions. De plus, exclure les patients présentant d’autres étiologies possibles pour les convulsions (par exemple, des antécédents de lésion cérébrale traumatique, un accident vasculaire cérébral, une méningo-encéphalite) ou avec des résultats EEG compatibles avec un diagnostic alternatif (par exemple, épilepsie généralisée idiopathique, épilepsie du lobe temporal mésial).
   3. Exclure les patients atteints d’une autre maladie neurologique ou psychiatrique, ou de toute autre condition médicale instable. Excluez également les patients ayant des antécédents de chirurgie cérébrale, une incapacité à tolérer l’imagerie par résonance magnétique (IRM), une consommation récente de substances illicites ou d’alcool, ou une contre-indication spécifique à l’IRM ou à la SMT.
2. Sélection du sujet de contrôle sain.
   1. Pour chaque patient atteint d’hétérotopie nodulaire périventriculaire (HPN) (dans notre étude précédente publiée, 8 patients, âgés de 20 à 43 ans, moyenne 30,25 ; 3 hommes, 5 femmes), identifiez un témoin sain apparié selon l’âge et le sexe.
   2. Exclure les sujets atteints d’une maladie neurologique ou psychiatrique en cours ou prenant des médicaments psychoactifs, de toute autre condition médicale instable, d’antécédents de chirurgie cérébrale, d’incapacité à tolérer l’IRM, la consommation de substances illicites ou d’alcool, ou toute autre contre-indication spécifique à l’IRM ou à la SMT.

2. Génération des cibles de stimulation À l’aide d’un

1. système d’IRM 3T, acquérir des coupes structurelles à haute résolution de l’ensemble du cerveau à l’aide d’une séquence pondérée en T1. Utilisez les paramètres d’acquisition suivants : 128 tranches par dalle, une matrice de 256 x 256, champ de vision (FOV) de 256 mm, épaisseur de tranche de 1,33 mm avec espace entre les tranches de 0,63 mm, taille de voxel 1 x 1 x 1,33 mm³, temps de répétition (TR) 2 530 ms, temps d’inversion 1 100 ms, temps d’écho (TE) 3,39 ms, angle de retournement 7°.
2. À l’aide d’un système d’IRM 3T, acquérez des images fonctionnelles à l’état de repos à l’aide d’une séquence écho-planaire sensible au contraste dépendant du niveau d’oxygénation du sang (BOLD). Pendant l’exécution de cet examen, demandez aux patients de se reposer tranquillement, les yeux ouverts, sans effectuer de tâche spécifique. Utilisez les paramètres d’acquisition suivants : FOV 256 mm, taille de voxel 2,0 x 2,0 x 2,0 mm, TR 6 000 ms, TE 30 msec, angle de basculement 90°, temps d’acquisition 6,4 min.
3. À l’aide du logiciel MRICroN, identifiez chaque région discrète d’hétérotopie nodulaire (soit chaque nodule individuel, soit un groupe contigu indissociable de nodules). Utilisez l’outil Plume pour tracer manuellement les régions d’intérêt (ROI) d’hétérotopie, tranche par tranche dans le plan axial sur des images structurelles pondérées en T1.
4. Utilisez la boîte à outils logicielle de connectivité fonctionnelle CONN pour effectuer quatre étapes séquentielles dans le traitement des données fonctionnelles à l’état de repos : Configuration, Prétraitement, Analyse et Résultats.
   1. Pour l’installation, utilisez les choix de menu pour démarrer un nouveau projet et entrez les informations de base de l’expérience. Chargez les images fonctionnelles, réalignées et co-enregistrées dans les images anatomiques de chaque sujet.
   2. Chargez les images structurelles. Chargez les fichiers ROI d’hétérotopie créés à l’étape 2.3. Entrez les détails de la condition expérimentale ; Comme il s’agit d’un état de repos, entrez une seule condition avec un début de 0 seconde et une durée égale à la durée complète de chaque session. La boîte à outils extraira les séries chronologiques d’hétérotopie ROI BOLD. Inspectez les incohérences possibles.
   3. Pour le prétraitement, les sources confondantes de variation BOLD comprennent les modulations induites par la respiration du champ magnétique principal et des pulsations cardiaques, ainsi que le mouvement du sujet. Éliminer les facteurs de confusion à l’aide de la méthode intégrée basée sur les composants principaux qui analyse les données de séries chronologiques provenant de régions peu susceptibles d’être associées à l’activité neuronale, telles que les ventricules et les gros vaisseaux, afin d’identifier les processus de bruit physiologiques. Prévisualisez la variance totale expliquée par chacune des sources de confusion possibles. Appliquez un filtre de fréquence passe-bande (0,01 Hz < f < 0,1 Hz) et un lissage gaussien (6 mm pleine largeur à mi-maximum).
      REMARQUE : La boîte à outils identifiera par défaut les sources de facteurs de confusion possibles, y compris le signal BOLD de la substance blanche et du liquide céphalo-rachidien et les paramètres de réalignement (mouvement du sujet).
   4. Pour l’analyse et les résultats, identifiez les sources d’intérêt comme étant les zones d’intérêt hétérotopiques. Prévisualisez la mesure de connectivité de corrélation (plutôt que de régression) et affichez-la à l’aide de valeurs de seuil pour les coefficients de corrélation.
      1. Pour chaque sujet, créez des cartes de connectivité de la graine au voxel en utilisant chaque région discrète de matière grise hétérotopique comme retour sur investissement de base, démontrant la corrélation entre la série temporelle moyenne du signal BOLD du retour sur investissement et tous les autres voxels du cerveau.
      2. Effectuez des analyses de second niveau pour les contrastes entre sujets ou entre sources (facultatif). Affichez les résultats à l’aide des seuils de hauteur (au niveau du voxel) et d’étendue (au niveau du cluster) ; Les valeurs p corrigées du taux de découverte non corrigées et fausses sont affichées.
5. Utilisez le logiciel MRICroN pour tracer manuellement deux cibles d’intérêt, une cible connectée et une cible non connectée, pour TMS, à l’aide de l’outil Pen. À l’aide de la fonction « Superposition », superposez les cartes de connectivité fonctionnelle créées ci-dessus sur les images structurelles de chaque sujet.
   1. Assurez-vous que la région cible est une région du cortex qui présente une connectivité fonctionnelle significative avec l’hétérotopie de la matière grise comme décrit ci-dessus. Assurez-vous que la cible non connectée est une région de taille similaire qui ne présente pas de connectivité fonctionnelle significative à un retour sur investissement hétérotopique et qui est située à au moins 2,5 cm de la cible connectée sur la surface corticale afin de minimiser le risque d’effets de stimulation du voisinage pendant la TMS.
   2. Choisissez des cibles de telle sorte que la probabilité de gros artefacts induits par TMS soit faible. Plus précisément, évitez de sélectionner des cibles dans les régions temporales latérales ou frontopolaires, car elles sont susceptibles de produire une contraction musculaire importante et/ou des artefacts de mouvement oculaire qui peuvent obscurcir le signal TMS-EEG précoce. Enregistrez les objectifs décrits en tant que nouveaux retours sur investissement cibles.
6. Déterminez les coordonnées de l’INM (Institut neurologique de Montréal) pour chaque retour sur investissement cible dans chaque sujet. Utilisez ensuite ces coordonnées pour identifier les deux sites cibles équivalents chez le sujet témoin sain apparié de chaque sujet.

3. Configuration expérimentale TMS-EEG

1. Téléchargez des scans structurels (généralement des images volumétriques 3D haute résolution pondérées en T1) dans le système de neuronavigation.
2. À l’aide du logiciel de neuronavigation, marquez les cibles souhaitées sur les images. Marquez également les marqueurs anatomiques externes (le nasion, le tragus bilatéral) qui serviront à la coregistration et à la neuronavigation lors de la séance de stimulation. Si vous utilisez un casque EEG avec des électrodes rotatives et des fils d’électrodes, orientez les fils perpendiculairement à l’axe long de la bobine TMS52.
3. Contactez le sujet avant la séance expérimentale pour lui rappeler de ne pas utiliser d’après-shampoings ou d’autres produits capillaires (le shampoing est acceptable) le jour de la séance de TMS-EEG, d’éviter les boissons alcoolisées la veille de la séance de TMS-EEG et de boire sa consommation quotidienne habituelle de caféine avant la séance de TMS.

4. Séance expérimentale

1. Confirmez que le sujet répond aux critères de sécurité du TMS, idéalement via un questionnaire structuré. Confirmez que le sujet n’a pas consommé de boissons alcoolisées la nuit précédente, qu’il n’a pas bu beaucoup plus ou moins que sa consommation quotidienne habituelle de caféine, qu’il n’a pas consommé de somnifères en vente libre qui modifient l’excitabilité corticale (comme la diphénhydramine) la nuit précédente et qu’il a reçu une nuit de sommeil typique (car la privation de sommeil peut augmenter l’excitabilité corticale).
2. Demandez au sujet de s’asseoir dans un fauteuil confortable.
3. Montez le capuchon EEG sur le sujet et préparez les électrodes.
   1. Mesurez la tête du sujet et sélectionnez un capuchon EEG de taille appropriée pour aider à activer de faibles impédances d’électrode.
   2. Nettoyez soigneusement la peau sous chaque électrode à l’aide d’un applicateur à coton-tige et d’alcool.
   3. Ajoutez du gel conducteur à chaque électrode. N’ajoutez pas trop de gel pour qu’il fuie entre les électrodes, car cela pourrait créer un pont et conduire à un signal commun entre différentes électrodes.
   4. Si nécessaire, pour assurer un bon contact entre le cuir chevelu, le gel et l’électrode, essayez d’appuyer sur chaque électrode après avoir ajouté le gel. Pour minimiser les artefacts de charge, assurez-vous que le gel ne se répand pas à l’extérieur du porte-électrode. Réduction homogène des niveaux de conductance pour minimiser les artefacts d’enregistrement.
   5. Placez les électrodes de référence et de terre aussi loin que possible de la bobine de stimulation afin de minimiser le risque que des artefacts d’électrodes induits par TMS contaminent l’ensemble de l’enregistrement. Il est préférable de placer ces électrodes au-dessus des structures osseuses, dans des zones présumées « inactives » avec une activité corticale minimale.
      REMARQUE : Même dans les études pour lesquelles les emplacements cibles sont variables, il est peu probable que les régions frontopolaires soient sélectionnées comme cibles, car la TMS dans ces régions peut entraîner de grands mouvements oculaires, une contraction du frontal et des muscles faciaux, et, fréquemment, des douleurs au cuir chevelu et des maux de tête ; par conséquent, le signal TMS-EEG lors de la stimulation de ces régions est souvent obscurci par de gros artefacts.
   6. Étant donné qu’il est donc peu probable que ces régions soient choisies comme cibles de stimulation, utilisez le front pour placer les électrodes de référence et de terre. Placez-les à quelques centimètres l’un de l’autre pour minimiser le bruit en mode commun.
      REMARQUE : Dans les situations où toutes les cibles de stimulation se trouvent dans un hémisphère, la mastoïde controlatérale serait une autre option.
   7. Vérifiez les impédances des électrodes comme suit : branchez les câbles de sortie EEG dans la prise « impédance » du système d’enregistrement EEG, puis appuyez sur le bouton « mesurer les impédances » du système EEG. Assurez-vous que l’impédance de l’électrode n’est pas supérieure à 5 kΩ.
4. Préparez les électrodes EMG sur la main controlatérale (utilisez le premier muscle interosseux dorsal ou le muscle court abducteur ; utilisez le même muscle chez tous les sujets dans une seule étude).
5. Donnez au sujet des bouchons d’oreille pour minimiser le risque de perte auditive et d’acouphènes.
   REMARQUE : Une autre option serait d’utiliser des écouteurs diffusant du bruit blanc ou du bruit coloré (avec des caractéristiques spectrales correspondant à celles du clic TMS) tout au long du processus d’enregistrement, à un volume suffisant pour masquer le clic auditif produit par TMS ; cela aurait l’avantage supplémentaire de minimiser le potentiel de confusion des potentiels évoqués auditifs induits par TMS. Il convient de noter qu’une fine couche de mousse entre la bobine et le cuir chevelu est également nécessaire pour minimiser le potentiel auditif évoqué.
6. Placez les détecteurs infrarouges sur la tête du sujet, en veillant à ce qu’ils soient placés de manière à minimiser le risque de mouvement pendant la séance expérimentale.
7. Co-enregistrez la tête du sujet avec les images IRM en identifiant l’emplacement des marqueurs repères anatomiques externes présélectionnés (section 3.2) sur le sujet à l’aide du pointeur inclus avec l’équipement de neuronavigation.
8. Familiarisez le sujet avec la stimulation en appliquant une impulsion ailleurs (par exemple, le bras du sujet) ou en appliquant une impulsion de stimulation de faible intensité (par exemple, une puissance de stimulation maximale de 5 %) sur le cuir chevelu.
9. Déterminer le seuil du moteur au repos (l’intensité minimale qui produit un potentiel évoqué du moteur d’au moins 50 μV sur 5/10 essais). L’une de ces méthodes, la méthode de la fréquence relative, est la suivante.
   1. Déterminer l’emplacement du cortex moteur du sujet sur l’hémisphère ipsilatéral aux cibles basées sur la connectivité IRMf. Lors de l’utilisation de la neuronavigation, celle-ci se situe généralement dans la région de l'"Oméga » dans le gyrus précentral. Inclinez la bobine perpendiculairement au gyrus, avec la poignée pointant vers l’occipit.
   2. Commencer la stimulation à une intensité qui devrait être inférieure au seuil (p. ex., 35 % de puissance maximale du stimulateur).
   3. Augmentez l’intensité de la stimulation par paliers de 5 % de puissance maximale du stimulateur jusqu’à ce que la SMT évoque de manière cohérente des potentiels évoqués du moteur (MEP) avec des amplitudes > 50 μV dans chaque essai.
   4. Diminuez ensuite l’intensité de la stimulation par paliers de 1 % de la puissance maximale du stimulateur jusqu’à ce que moins de 5 réponses positives sur 10 soient enregistrées.
      REMARQUE : Cette intensité de stimulation plus 1 est définie comme le seuil moteur. Vous pouvez également utiliser des techniques de seuil adaptatif pour identifier le seuil moteur avec moins de stimuli.
10. Pour la stimulation des zones cibles, réglez l’intensité de la TMS sur la valeur souhaitée (par exemple, un seuil moteur de 120 % au repos).
    REMARQUE : Cependant, dans les cas où il existe des variations régionales significatives de la distance entre le cuir chevelu et le cortex (par exemple, chez les patients atteints d’atrophie du lobe frontal), une telle technique peut entraîner une stimulation sous-seuil. Alternativement, avec des systèmes de neuronavigation appropriés capables d’effectuer des estimations en ligne du champ électrique induit, l’intensité de la stimulation peut également être réglée à une amplitude spécifique du champ électrique induit calculé (en V/m) sur la surface corticale.
11. Appliquez des impulsions uniques de TMS à chacune des régions cibles à l’aide du logiciel de neuronavigation, avec un intervalle variable entre les impulsions pour minimiser la plasticité corticale et les effets d’attente du sujet (par exemple, toutes les 4 à 6 secondes, avec un intervalle d’au moins 3 secondes pour éviter les effets cumulatifs). Pour maximiser la cohérence, inclinez la bobine perpendiculairement à l’axe long du gyrus sous-jacent, avec la poignée pointée vers l’arrière-côté.

Matériaux