Les études d'imagerie cérébrale des processus cognitifs, sensoriels et moteurs humains reposent généralement sur des techniques non invasives telles que l'électroencéphalographie (EEG), la magnétoencéphalographie ou l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. Ces techniques présentent soit une résolution temporelle intrinsèquement faible, soit une résolution spatiale limitée, et souffrent d'un faible rapport signal sur bruit et/ou d'une sensibilité médiocre aux hautes fréquences. Elles sont donc sous-optimales pour explorer la dynamique spatio-temporelle brève de nombreux processus cérébraux sous-jacents. En revanche, la technique invasive d'électrocorticographie (ECoG) fournit des signaux cérébraux possédant un rapport signal sur bruit exceptionnellement élevé, une moindre sensibilité aux artefacts que l'EEG, ainsi qu'une haute résolution spatiale et temporelle (c'est-à-dire, <1 cm/<1 milliseconde, respectivement). L'ECoG consiste à mesurer les signaux électriques cérébraux à l'aide d'électrodes implantées sous la dure-mère à la surface du cerveau. Des études récentes ont montré que les amplitudes ECoG dans certaines bandes de fréquence contiennent des informations substantielles sur l'activité liée à la tâche, telles que l'exécution et la planification motrices1, le traitement auditif2 et l'attention visuo-spatiale3. La majeure partie de ces informations est captée dans la bande haute gamma (environ 70-110 Hz). Ainsi, l'activité gamma a été proposée comme un indicateur robuste et général de la fonction corticale locale1-5. L'ECoG peut également révéler la connectivité fonctionnelle et permettre de résoudre des dynamiques spatio-temporelles plus fines liées à la tâche, améliorant ainsi notre compréhension des processus corticaux à grande échelle. Elle s'est révélée particulièrement utile pour faire progresser la technologie des interfaces cerveau-ordinateur (BCI) afin de décoder les intentions d'un utilisateur et d'améliorer ou renforcer la communication6 et le contrôle7. Néanmoins, les données ECoG humaines sont souvent difficiles à obtenir en raison des risques et des limitations liés aux procédures invasives, ainsi que de la nécessité d'enregistrer dans les contraintes des contextes cliniques. Toutefois, la surveillance clinique destinée à localiser les foyers épileptiques offre une opportunité unique et précieuse de recueillir des données ECoG humaines. Nous décrivons ici nos méthodes de collecte des enregistrements ECoG, et montrons comment utiliser ces signaux pour des applications importantes en temps réel, telles que la cartographie clinique et les interfaces cerveau-ordinateur. Notre exemple utilise la plateforme logicielle BCI20008,9 et la méthode SIGFRIED10, une application permettant la cartographie en temps réel des fonctions cérébrales. Cette procédure fournit des informations que les cliniciens peuvent ensuite utiliser pour guider le processus complexe et laborieux de cartographie fonctionnelle par stimulation électrique.
Conditions préalables et planification :
Les patients atteints d'épilepsie partielle résistante aux médicaments peuvent être candidats à une chirurgie résective d'un foyer épileptique afin de réduire la fréquence des crises. Avant la résection, les patients subissent une surveillance à l'aide d'électrodes sous-durales à deux fins : premièrement, localiser le foyer épileptique, et deuxièmement, identifier les zones cérébrales critiques voisines (c'est-à-dire le cortex éloquent) où une résection pourrait entraîner des déficits fonctionnels à long terme. Pour implanter les électrodes, une craniotomie est réalisée afin d'ouvrir le crâne. Ensuite, des grilles et/ou des bandes d'électrodes sont placées sur le cortex, généralement sous la dure-mère. Une grille typique comporte un ensemble de 8 x 8 électrodes en platine-iridium de 4 mm de diamètre (2,3 mm de surface exposée), intégrées dans du silicone avec une distance inter-électrode de 1 cm. Une bande contient généralement 4 ou 6 de ces électrodes alignées en ligne. Les emplacements de ces grilles/bandes sont planifiés par une équipe de neurologues et de neurochirurgiens, sur la base de précédents enregistrements EEG, d'une IRM structurelle du cerveau du patient et de facteurs pertinents de l'historique clinique du patient. Un enregistrement continu sur une période de 5 à 12 jours permet de localiser les foyers épileptiques, et une stimulation électrique par le biais des électrodes implantées permet aux cliniciens de cartographier le cortex éloquent. À la fin de la période de surveillance, l'ablation des électrodes et la résection thérapeutique sont effectuées ensemble lors d'une même procédure.
Outre son objectif clinique principal, la surveillance invasive offre également une occasion unique d'acquérir des données ECoG humaines à des fins de recherche neuroscientifique. La décision d'inclure un patient prospectif dans la recherche repose sur l'emplacement prévu de ses électrodes, sur ses résultats aux évaluations neuropsychologiques et sur son consentement éclairé, lequel suppose qu'il comprenne que la participation à la recherche est facultative et n'a aucun lien avec son traitement. Comme pour toute recherche impliquant des sujets humains, le protocole de recherche doit être approuvé par le comité d'éthique de l'hôpital. La décision de réaliser des tâches expérimentales spécifiques est prise au jour le jour et dépend de l'endurance du patient et de sa volonté de participer. Certains ou tous les essais peuvent être empêchés par des problèmes liés à l'état clinique du patient, tels qu'un gonflement facial postopératoire, une aphasie temporaire, des crises fréquentes, une fatigue et une confusion post-critiques, ou des douleurs ou inconforts plus généraux.
Dans l'unité de surveillance de l'épilepsie du centre médical d'Albany à Albany, New York, la surveillance clinique est mise en œuvre en continu à l'aide d'un système de surveillance Neurofax à 192 canaux de Nihon-Kohden. Les enregistrements de recherche sont réalisés en collaboration avec le Wadsworth Center du département de la Santé de l'État de New York, situé également à Albany. Les signaux provenant des électrodes ECoG sont transmis simultanément aux systèmes de recherche et clinique via des connecteurs diviseurs. Afin de garantir que les systèmes clinique et de recherche ne s'interfèrent pas mutuellement, les deux systèmes utilisent généralement des mises à la terre distinctes. En effet, une bande d'électrodes épidurales est parfois implantée afin de fournir une mise à la terre pour le système clinique. Qu'il s'agisse du système d'enregistrement de recherche ou clinique, l'électrode de référence est choisie de manière à être éloignée du foyer épileptique présumé ainsi que des zones corticales d'intérêt pour la recherche. Notre système de recherche est composé de huit unités amplificatrices/numériseurs synchronisées g.USBamp à 16 canaux (g.tec, Graz, Autriche). Ces unités ont été sélectionnées car elles sont certifiées en termes de sécurité et approuvées par la FDA pour les enregistrements invasifs, présentent un bruit de fond très faible dans la gamme de hautes fréquences où se trouvent les signaux d'intérêt, et sont fournies avec un kit de développement logiciel (SDK) permettant leur intégration à des logiciels de recherche personnalisés. Afin de capturer précisément le signal en haute fréquence gamma, nous acquérons les signaux à une fréquence d'échantillonnage de 1200 Hz, nettement supérieure à celle d'une expérience typique d'EEG ou à celle de nombreux systèmes de surveillance clinique. Un filtre passe-bas intégré empêche automatiquement le repliement spectral des signaux dont la fréquence dépasse celle que le numériseur peut capturer. Le regard du patient est suivi à l'aide d'un moniteur équipé d'un système de suivi oculaire Tobii T-60 intégré (Tobii Tech., Stockholm, Suède). Des accessoires supplémentaires tels qu'un joystick, une manette Wiimote Bluetooth (Nintendo Co.), un gant de saisie de données (5e Dimension Technologies), un clavier, un microphone, des écouteurs ou une caméra vidéo sont connectés selon les besoins de l'expérience spécifique.
La collecte des données, la présentation des stimuli, la synchronisation avec les différents accessoires d'entrée/sortie, ainsi que l'analyse et la visualisation en temps réel sont réalisées à l'aide de notre logiciel BCI20008,9. BCI2000 est un système logiciel généraliste, librement accessible, destiné à l'acquisition, au traitement et à la rétroaction de signaux biosignaux en temps réel. Il comprend un ensemble de modules prédéfinis qui peuvent être configurés de manière flexible pour de nombreuses applications différentes, et qui peuvent être étendus par du code personnalisé écrit par les chercheurs en C++, MATLAB ou Python. BCI2000 se compose de quatre modules qui communiquent entre eux via un protocole compatible réseau : un module Source qui gère l'acquisition des signaux cérébraux en provenance de l'un des 19 systèmes matériels différents provenant de divers fabricants ; un module de traitement du signal qui extrait les caractéristiques pertinentes de l'ECOG et les traduit en signaux de sortie ; un module Application qui délivre les stimuli et la rétroaction au sujet ; et un module Opérateur qui fournit une interface graphique à l'investigateur.
Un certain nombre d'expériences différentes peuvent être réalisées avec un patient donné. La priorité des expériences sera déterminée par l'emplacement des électrodes du patient concerné. Toutefois, nous commençons généralement nos expérimentations en utilisant la méthode de cartographie SIGFRIED (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection), qui détecte et affiche en temps réel une activité significative liée à la tâche. La carte fonctionnelle obtenue nous permet d'ajuster davantage les protocoles expérimentaux ultérieurs et peut également servir de point de départ utile pour une cartographie traditionnelle par stimulation électrocorticale (ECS).
Bien que la cartographie par ECS reste la référence pour prédire le résultat clinique d'une résection, ce processus est long et présente d'autres problèmes, tels que des décharges post-ictales ou des crises. Ainsi, une technique de cartographie fonctionnelle passive pourrait s'avérer utile pour obtenir une estimation initiale du locus du cortex éloquent, estimation qui pourrait ensuite être confirmée et affinée par l'ECG. Les résultats obtenus avec notre technique de cartographie passive SIGFRIED ont révélé une concordance importante avec ceux obtenus par la cartographie par ECS10.
Le protocole décrit dans cet article établit une méthodologie générale pour la collecte de données ECoG humaines, avant d'illustrer comment des expériences peuvent être lancées à l'aide de la plateforme logicielle BCI2000. Enfin, à titre d'exemple précis, nous décrivons comment réaliser une cartographie fonctionnelle passive en utilisant le système SIGFRIED basé sur BCI2000.