Etude par neuroimagerie IRM de la représentation centrale des mouvements de la main chez les sujets sains et chez les patients après chirurgie de la main

Multimodal MRI Neuroimaging for the study of anatomo-functional reorganization of sensory-motor areas after functional peripheric rehabilitation.

• Auteur / Autrice : Fabrizio Pizzagalli
• Direction : Chantal Delon-Martin, Michel Dojat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 08/11/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : François Moutet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Habib Benali
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Mangin, Jean-Philippe Ranjeva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Main

Mots clés libres

IRMf

Recalage d'images

Plasticité fonctionnelle

Somatotopie

FMRI

Image registration

Functional plasticity

Somatotopy

Résumé

Après une déprivation sensorielle ou après une réhabilitation sensorielle périphérique, les aires sensori-motrices primaires du cerveau se réorganisent anatomiquement et fonctionnellement. Dans le cas du transfert tendineux, une réhabilitation des fonctions manuelles est opérée grâce à une inversion de certaines fonctions de flexion en extension. Chez les patients opérés, la commande centrale de ces mouvements élémentaires repose sur des processus de plasticité cérébrale, processus encore mal connus, lents qui se stabilisent en une année et qui présentent une co-occurrence avec la récupération manuelle. Nous faisons l'hypothèse que l'IRM fonctionnelle de haute résolution permet de détecter la plasticité cérébrale liée à cette récupération motrice. Cette thèse a pour but de mettre en place des méthodes de suivi longitudinal individuel à partir des images fonctionnelles cérébrales des patients pour étudier la plasticité cérébrale lors de la récupération fonctionnelle. On a d’abord cherché à obtenir des cartes de référence de la motricité fine de la main sur un groupe de sujets contrôles. Ces cartes sont ensuite utilisées pour évaluer, à partir des données obtenues lors du suivi longitudinal de patients, la plasticité cérébrale liée au transfert tendineux. Pour mieux comprendre la représentation des mouvements de flexion et d'extension de la main dans le cortex moteur primaire, nous avons mis en place une étude en IRM fonctionnelle de haute résolution à 3T sur un groupe de 13 sujets sains. Pour généraliser les résultats individuels obtenus pour chaque mouvement au niveau de la population, il faut pouvoir réaligner les cerveaux individuels dans un référentiel commun afin d'effectuer une analyse statistique sur le groupe. Or, la variabilité anatomique inter-individuelle des aires motrices primaires constituait un verrou scientifique car celles-ci ne se réalignaient pas correctement par les méthodes classiques. Dans un premier temps, nous avons donc évalué différentes méthodes de recalage non-linéaires au niveau du cortex moteur pour assurer un alignement inter-individuel robuste. Nous avons comparé une méthode locale, Demons qui permet des déformations locales très importantes des images, une méthode classique non-linéaire (SPM), qui permet un alignement global des images, et une méthode de recalage global difféomorphique (DARTEL) utilisant de nombreux degrés de liberté. De plus, nous avons appliqué une méthode récente basée sur l’alignement des sillons corticaux au préalable à l’utilisation de DARTEL (DISCO+DARTEL) en partenariat avec l’équipe du LSIS, (CNRS Marseille) qui ajoute un caractère local à la technique globale de recalage. Nous montrons que cette dernière méthode produit le meilleur alignement sur des critères à la fois anatomiques (distance de Hausdorff, superposition des masques de tissus, et caractéristiques du champ de déformations) et fonctionnels (précision de la localisation et robustesse statistique des activations détectées). Nous avons alors pu établir des cartes de référence en haute résolution des mouvements élémentaires de la main, selon la dominance manuelle, selon la direction du mouvement et selon le segment de la main. Ces cartes présentent de multiples foyers d’activation et un chevauchement important dans la région dite du « hand-knob ». Dans un deuxième temps, nous avons évalué la robustesse de nos résultats, en réalisant une deuxième série d’examens sur les mêmes sujets contrôles (test-retest). Deux patients ont été suivis longitudinalement: avant la chirurgie (M0), à 1 mois (M1), à 3 (M3), 6 (M6) et 12 mois (M12) après la chirurgie. On a observé le recrutement au cours de la récupération de la SMA, de M1 et S1 ipsilatéral, de S1 contralatéral et des lobules V et VI du cervelet. Par rapport aux sujets sains, les patients mettent en place une réorganisation compensatoire au cours de la récupération fonctionnelle.

After a sensory deprivation or a peripheral sensory rehabilitation, primary sensorimotor areas undergo anatomical and functional reorganization. The hand tendon transfer is a rehabilitative surgery that restores the hand extension function by changing the insertion of chosen flexor muscles. During rehabilitation, the central control of the flexion and extension movements is based on elementary processes of brain plasticity, still poorly understood, but known to be slow, taking up to one year and occurring simultaneously with manual recovery. We hypothesize that high-resolution functional MRI (fMRI) may reveal brain plasticity linked to motor-behavior recovery.This PhD thesis aims to develop fMRI methods for individual patient follow-up after hand tendon transfer surgery. We first defined reference maps, based on a group of healthy subjects, for fine cortical representation of voluntary hand movements. These maps were then used to evaluate brain plasticity linked to the hand tendon surgery. To better understand the representation of the hand’s movements of flexion and extension in the primary motor cortex, we carried out a high-resolution, functional MRI study (using a static magnetic field of 3 Tesla), on a group of 13 healthy subjects. It was necessary to register all individual brains into a common reference system in order to perform a group statistical analysis. However, the inter-individual anatomical variability of the primary motor areas prevented us from performing the registration by conventional methods. We evaluated various methods of nonlinear registration to ensure a robust inter-individual alignment of central sulci. We compared: 1. a local method (Demon), which allows for important local deformations, 2. a standard non-linear method (SPM), which allows for a global image alignment and 3. a global diffeomorphic registration method (DARTEL) with a large number of degrees of freedom. In addition, we applied a fourth, more recent method, in partnership with LSIS, (CNRS Marseille) which iteratively reinforces the alignment of identified sulci before applying DARTEL (DISCO+DARTEL). This adds a local sulci-based constraint to the global deformation. We found that the fourth method produced the best alignment according to both anatomical criteria (Hausdorff distance, mask tissues overlaps and characteristics of the deformations field) and functional criteria (localization accuracy and statistical robustness of activations detected). We were then able to establish high spatial resolution reference maps of the elementary movements of the hand. These maps showed multiple foci of activity and significant overlaps in the region known as the "hand-knob."This first step of testing completed, we entered into a second round of testing where we evaluated the reproducibility of our initial results by performing a second series of tests on the same control group (“test-retest”).Two patients were followed up: before surgery (M0) and 1 month (M1), 3 (M3), 6 (M6) and 12 months (M12) after surgery. Functional recruitment was observed during recovery in SMA, M1, ispilateral and contralateral S1 and lobules V-VI of the cerebellum. Compared with healthy subjects, these two patients presented compensatory cortex reorganization during progressive recovery of hand function.