Plasticité corticale et effet antalgique de la neurostimulation

Thanks to the high-density electro-encephalography (HD-EEG) technique, this work aimed to evaluate the human hand somatosensory representation plasticity induced by a non-invasive neurostimulation . Increasing interest in cortical plasticity has prompted the growing use of somatosensory evoked potentials (SEPs) to estimate changes in the cortical representation of body regions. Here we first tested the effect of different sites of hand stimulation and of the density of spatial sampling in the quality of estimation of somatosensory sources. Sources of two SEP components from the primary somatosensory cortex (N20/P20 and P45) were estimated using two levels of spatial sampling (64- vs. 128-channel) and stimulation of four distal sites in the upper limbs, including single digits (1st vs. 5th) and distal nerves with comparable cortical projection (superficial branch of the radial nerve and distal ulnar nerve). The most robust separation of somatosensory sources was achieved by comparing the cortical representations of the 1st digit and the distal ulnar nerve territories on the N20/P20 component of SEPs. While both the 64- and the 128-electrode montages correctly discriminated these two areas, only the 128-electrode montage was able to significantly separate sources in the other cases, notably when using 1st vs. 5th digit stimulation. Trustworthy somatotopic distinction of cortical representations was not obtainable for the P45 component, probably because of greater activation volume, radial orientation of sources in areas 1-2 and increased variability with attention and vigilance, which may need a denser sampling and better covering of the lower part of the head. Assessment of tangential SEP components to stimulation of 1st digit vs. ulnar nerve appears the best option to assess plastic somatosensory changes, especially when using relatively low electrode sampling. Abnormal reorganization of the primary somatosensory cortex (SI) after nerve damage, in particular shrinking of deafferented regions, is thought to participate in the emergence of pain, and pain-relieving procedures have been reported to induce normalization of altered somatotopic maps. Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) of the motor cortex is able to lessen neuropathic pain, but there is no direct evidence that it may also induce plastic somatotopic changes related to pain sensation. In the second study we assessed the ability of two modes of rTMS to induce such plastic phenomena in the primary somatosensory cortex (S1), and the possibility for this effect to be correlated with variations in pain perception in healthy subjects. Source reconstruction of S1 responses elicited by peripheral electrical stimulation and recorded with high-density (128-channel) EEG revealed significant expansion of the cortical representation of the hand following a single 20-min session of high-frequency (20 Hz) rTMS. This was associated with a specific increase of pain thresholds in this same hand. A similar trend was observed using a "theta-burst" rTMS paradigm, but changes in hand representation were significantly lesser, and not associated to pain threshold increase. No plastic somatotopic changes were observed after a sham rTMS session. These results demonstrate in humans the capability of motor cortex stimulation to induce rapid plastic somatosensory changes that may counterbalance those induced by a nerve lesion, and substantiate the use of this technique as a powerful measure to treat human pain.Ce travail de thèse a pour principal objectif d'évaluer, au moyen de l'électro-encéphalographie de haute densité (EEG-HD), la plasticité de la représentation somato-sensorielle de la main chez l'Homme induite par neurostimulation non-invasise. Cette étude a pris sa source dans le constat que la stimulation cérébrale du cortex moteur représente une alternative thérapeutique efficace pour les patients qui souffrent de douleurs neuropathiques pharmaco-résistantes. Les mécanismes responsables de l'analgésie induite par la stimulation magnétique trans-crânienne répétitive (rTMS) sont encore mal connus, mais la séduisante hypothèse selon laquelle la stimulation du cortex moteur pouvait induire une plasticité dans le cortex somatosensoriel a été évoquée. Nos travaux de thèse s'attachent à déterminer, chez le sujet sain, les effets de la rTMS réalisée en regard de l'aire motrice de la main sur sa représentation somatotopique dans le cortex somatosensoriel. Dans le premier chapitre de ce document nous décrivons les réseaux anatomiques de transmission et perception somesthésique, avant de revoir dans le Chapitre 2 la littérature pertinente sur la représentation somatotopique du cortex sensoriel primaire (S1). De nombreuses études démontrent que cette représentation n'est nullement figée, mais peut au contraire évoluer suite à des lésions somatosensorielles sous-corticales ou corticales ; la littérature spécifique à ce phénomène de plasticité post-lésionnelle est revue dans le Chapitre 3, ainsi que les données suggérant le rôle de cette plasticité dans le développement de douleurs neuropathiques. Les patients souffrant de ce type de douleurs peuvent avoir recours à la stimulation du cortex moteur, notamment au moyen de techniques non invasives comme la rTMS. Les particularités techniques et les effets physiologiques de cette méthode sont tout d'abord présentés dans le Chapitre 4, avant d'exposer les effets analgésiques de la rTMS. Les travaux réalisés au cours de cette thèse sont exposés sous forme d'articles (Chapitres 5 & 6). Nous avons dans un premier temps cherché à déterminer une méthodologie robuste qui permet d'évaluer la représentation somatotopique de la main à l'aide des Potentiels Evoqués Somesthésiques (PES) obtenus par la stimulation de quatre sites distincts de la main (Auriculaire-Pouce-Nerf Cubital-Nerf Radial). La détermination de la représentation corticale de la main dans S1 était plus reproductible et robuste sur les réponses précoces de l'aire 3b (N20/P20) que sur celle des aires 1-2 (P45). Une estimation adéquate de l'étendue de la main basée sur le couple " pouce - nerf cubital " était possible avec 64 et 128 électrodes. Lorsque l'étendue de la main était considérée avec le couple de stimulation standard " auriculaire - pouce ", le plus haut niveau d'échantillonnage spatial était nécessaire. C'est pourquoi nous avons choisi le premier couple pour l'étude des possibles changements de la représentation corticale de la main suite à l'application de la rTMS, sous deux modalités distinctes (20 Hz et mode theta-burst intermittent -iTBS). Les deux modes de rTMS entraînent une certaine plasticité de la représentation somatotopique de la main dans S1, avec toutefois quelques nuances : les changements liés au mode " theta burst " étaient variables d'un sujet à l'autre et non significatifs sur la mesure d'étendue de la main. La rTMS à 20 Hz quant à elle, induisait des modifications très significatives et bien reproductibles. De plus, ce mode de stimulation était le seul à induire une augmentation du seuil nociceptif. Ces différences peuvent s'expliquer par des mécanismes d'action différents ou par des différences dans le nombre total de stimuli corticaux administrés. Bien que nos résultats suggèrent que la rTMS à haute fréquence est capable d'induire des modifications plastiques significatives et d'augmenter la représentation corticale de la région stimulée, il reste à déterminer si cette plasticité est à même d'être modifié par la rTMS à 20 Hz chez des patients souffrant de douleurs neuropathiques, et dans ce cas si elle est ou non associée aux effets analgésiques induits par ce type de technique non invasive