EEG-fMRI study of temporal and spatial BOLD signal changes during epileptiform abnormalities

L’épilepsie est une pathologie neurologique caractérisée par une activité neuronale excessive et hypersynchrone soit localisée soit diffuse. L’activité neuronale est principalement évaluée par la mesure de l’activité électrique neuronale en électroencéphalographie (EEG). L’EEG dispose d’une excellente résolution temporelle, mais d’une résolution spatiale médiocre. L’enjeu actuel est de développer une technique non-invasive capable d’explorer et de localiser l’activité neuronale avec une bonne résolution temporo-spatiale afin d’améliorer la prise en charge de l’épilepsie. L’activité neuronale peut également être définie par des modifications hémodynamiques et métaboliques (couplage neurovasculaire). L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) mesure ces dernières au travers de l’étude du signal BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) et permet l’exploration de l’activité neuronale avec une bonne résolution spatiale. L’EEG-IRMf permet l’étude du signal BOLD spécifiquement lors des événements EEG. Si cette technique a démontré un certain intérêt dans la localisation des générateurs des anomalies épileptiformes intercritiques, il n’est pas rare d’observer des discordances entre les réponses observées et le foyer épileptique supposé. En effet, les résultats représentent l’activité globale cérébrale au cours de l’anomalie EEG. Dans une première partie, nous avons cherché à améliorer la spécificité des réponses BOLD observées lors des anomalies intercritiques. Pour cela nous avons exploré l’effet des fluctuations de l’état de vigilance au cours de l’enregistrement EEG-IRMf. Les variations des rythmes EEG physiologiques, reflets de la vigilance, sont responsables de fluctuations du signal BOLD significatives. L’intégration de ces données dans le modèle linéaire général diminue la variance du signal BOLD de la période contrôle. Ainsi, les réponses BOLD obtenues pour les anomalies épileptiformes devraient être améliorées et moins discordantes avec la localisation du foyer supposé. Dans une deuxième partie, nous avons souhaité étudier les crises épileptiques. L’application de la technique d’EEG-IRMf dans les crises permettrait d’obtenir des informations spatiales plus fiables que les anomalies intercritiques (meilleur rapport signal sur bruit) et cruciales dans la définition de la zone épileptogène. Sur une série de 8 patients atteints de malformation de développement cortical, nous avons démontré la faisabilité de l’enregistrement des crises épileptiques en EEG-IRMf mais également l’intérêt des informations obtenues sur les structures impliquées lors de la décharge critique. Cependant, l’analyse actuelle modélise la crise comme un événement stationnaire dans le temps et dans l’espace. Et de façon plus nette que lors de l’étude des anomalies intercritiques, les réponses BOLD obtenues pour les crises sont diffuses et reflètent l’activité globale cérébrale sans distinction claire entre la zone génératrice et la zone de propagation. Au cours d’un deuxième travail, nous avons intégré dans l’analyse statistique les informations temporelles fournies par la mesure du signal BOLD. La résolution temporelle de l’IRMf apporte un bon échantillonnage de la réponse hémodynamique et permet une analyse fiable des variations temporelles du signal BOLD. Nous avons analysé les réponses BOLD des crises de 10 patients avec leur décours temporel. Les zones impliquées dans le départ des crises ont pu être discriminées de celles impliquées secondairement dans la propagation. Dans une troisième partie, nous avons utilisé les données BOLD non plus dans un but localisateur de l’activité neuronale mais afin de définir le rôle des structures impliquées dans l’activité épileptique."Epilepsy is a neurological disorder defined by an excessive and hypersynchronous neuronal activity. This abnormal cerebral activity can be focal or diffuse. The neuronal activity is commonly determined by the neuronal electric activity explored in electroencephalography (EEG). The EEG is characterized by a high temporal resolution and a low spatial resolution. The development of a new technique that can explore and localize the neuronal activity with a good temporal and spatial resolution is real challenge in the epilepsy field. The neuronal activity may also be defined by hemodynamic and metabolic changes (neurovascular coupling). These changes can be explored by the functional magnetic resonance imaging (fMRI).The fMRI records the BOLD signal (Blood Oxygenation Level Dependent) changes and allows the study of neuronal activity with an excellent spatial resolution. The simultaneous EEG-fMRI recording provides information about BOLD changes specifically correlated in time with EEG events. It has been demonstrated that this technique could provide valuable results on the generators of epileptiform interictal events. However, EEG-fMRI studies showed also some discrepancies between the location of BOLD responses and the suspected epileptic focus. Indeed, BOLD responses reflect not only the generator’s activity but also the global cerebral activity occurring at the time of the epileptiform event. In the first part, we tried to improve the specificity of the BOLD responses observed during interictal epileptiform abnormalities. Therefore, we explored the BOLD effect of the alertness fluctuations during prolonged EEG-fMRI recording. Physiological rhythms variations reflecting the brain state changes are responsible for noteworthy BOLD changes. Physiological EEG rhythms may be integrated to the EEG-fMRI analysis in studies with fluctuation of alertness, to eliminate possible confounding factors. The accuracy of the BOLD results obtained for interictal epileptiform events would be improved. In a second part, we proposed to use the EEG-fMRI technique to study epileptic seizures. This new application would provide information with a better spatial definition than the interictal study (better signal to noise ratio) and crucial for the definition of the epileptogenic zone in presurgical exploration. On a population of eight patients with a malformation of cortical development, we demonstrated that the EEG-fMRI recording during seizures is feasible and that the results showed original and valuable information on cerebral structures involved in the ictal discharge. However, the actual method uses a “bloc design” model and then suggests that the seizure is a stationary event in time and in space. With this method, BOLD responses obtained during ictal event are diffuse and reflect the cerebral global activity without discrimination between the seizure onset zone and the structures secondary involved in the propagation. In a second work, we proposed a new method adding in the statistical analysis the temporal information provided by the BOLD signal measurement. The temporal resolution of fMRI and the temporal sampling used in fMRI protocol are sufficient to study with a good accuracy the temporal variations of the BOLD signal. We analyzed the dynamic time course of the BOLD signal in ten patients with seizures inside the MRI