Applications en neurosciences fondamentale et clinique des cartographies robotisées de stimulation corticale

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a powerful tool to probe the human brain. Thanks to increasing technological and methodological development, the technique is now widely used in clinical and fundamental research, such as a measurement of drugs’ efficiency, a biomarker for different pathologies or a treatment for neurologic and psychiatric diseases. Robotization of the TMS coil opened new possibilities for cortical stimulation mapping protocols in clinical and functional neuroimaging. The aim of this thesis is to study both fundamental and clinical applications of robotized TMS mapping as the latest technological advance to date. In the first axis, we explored methodological development of the coupling of TMS and electroencephalography (EEG). In the second axis, we tested these developments as diagnostic and treatment tools in two pathological contexts. The first axis is composed of two studies aiming at using robotized mapping to better define two key parameters of TMS-EEG coupling. First, we assessed the influence of stimulation intensity on the evoked response of three different cortical targets. To do so, we introduced new analytics, the Regression Quality Score, to derive region-specific input-output curves redefining cortical excitability in non-motor areas. Such results are of particular interest in the context of stimulation individualization across cortical targets and subjects. The second study aims at exploring the spatial resolution of TMS-EEG, by comparing the evoked dynamics of 9 neighboring targets over the sensorimotor cortex. We showed that the spatial resolution of TMS-EEG might be at least as low as 10 mm, while some overlap between the evoked dynamics can yet be found between neighboring sites, especially when the latter share common cytoarchitectonics. Overall, these findings suggest that TMS-EEG is an accurate technique for mesoscale brain mapping and provide new insights about its spatial resolution to be considered for future clinical applications. The second axis of this manuscript was to develop robotized TMS mapping in clinical settings. First, we performed a high-resolution mapping of the visual areas in a patient suffering from continuous visual hallucinations following the resection of a tumor. We found a deafferented area in her right visual hemisphere involved in the hallucinations. With a single rTMS session, we managed to temporary reduce the intensity of her hallucinations. In a second study, we used robotized mapping to explore the effects of Deep Brain Stimulation (DBS) on the motor control network in Parkinsonian patients. Preliminary results tend to show that DBS re-established motor inhibitory processes in the cortex and lowered the cortical hyper-excitability induced by the disease. Overall, these results show that robotized mapping can be a powerful tool in multiple contexts. The ability to perform thorough explorations of the cortex provided by this technique can be used both to further the knowledge about cortical stimulation itself and expand its use in clinical and cognitive neurosciences.La stimulation magnétique transcrannienne (TMS) est un outil permettant l’exploration fonctionnelle du cerveau humain. Grâce aux développements méthodologiques et techniques qu’elle a récemment connus, la TMS est désormais utilisée dans une grande variété de protocoles de recherche clinique et fondamentales, comme biomarqueurs de certaines pathologies et de l’efficacité leur traitement, ou encore comme thérapeutique pour certaines pathologies neurologiques et psychiatriques. L’utilisation d’un robot pour manipuler la bobine TMS offre de nouvelles opportunités pour les protocoles de recherche en neuroimagerie fonctionnelle et clinique. L’objectif de cette thèse est d’explorer les applications fondamentales et cliniques des cartographies en TMS robotisée, dernière avancée matérielle à ce jour, sur deux axes : le premier axe propose des développements méthodologiques dans le couplage entre la TMS et l’électroencéphalographie (EEG), et le deuxième axe utilise ces développements dans deux contextes cliniques différents. Le premier axe de cette thèse est composé de deux premières études qui ont pour but de préciser deux des paramètres de stimulation pour le couplage TMS-EEG. Premièrement, nous avons étudié l’influence de l’intensité de stimulation sur les réponses évoquées, en évaluant les courbes d’entrée-sortie de trois aires corticales distantes à l’aide du Score de Qualité de Régression, score que nous avons proposé pour mieux définir la notion d’excitabilité corticale au sein d’aires corticales non motrices. Dans la deuxième étude, nous avons mesuré la résolution spatiale du couplage TMS-EEG en établissant une cartographie de 9 cibles voisines situées dans les régions prémotrice, moteur et somesthésique primaires. Cette étude nous a permis de montrer que des cibles distantes de 10 mm génèrent des dynamiques de réponses différentiables ; dynamique modulées par des facteurs anatomiques et cytoarchitectoniques. Le deuxième axe de ce travail de thèse était d’appliquer ces cartographies TMS robotisées dans un contexte clinique. Premièrement, nous avons mis en place une cartographie du cortex visuel chez une patiente souffrant d’hallucinations visuelles continues depuis l’ablation d’une tumeur. Nous avons pu identifier une zone de cortex désafférenté impliquée dans la génération de ces hallucinations. Nous avons réussi à réduire temporairement l’intensité de celles-ci en proposant à la patiente une séance de rTMS inhibitrice sur la zone optimale repérée en amont. Le deuxième protocole clinique portait sur l’utilisation des cartographies TMS-EEG pour étudier les effets de la stimulation cérébrale profonde (SCP) au niveau cortical chez les patients parkinsoniens. Dans cette étude, nous avons montré que la SCP réduisait l’excitabilité corticale des patients en rétablissant l’activité des processus inhibiteurs. Ces résultats nous montrent que les cartographies robotisées sont un puissant outil dans de nombreux contextes. Cette technique offre la possibilité de réaliser une exploration minutieuse et détaillée du cortex, pouvant être utilisée pour améliorer les connaissances relatives à la stimulation cérébrale elle-même, et pour étendre ses applications en neurosciences cliniques et cognitives