Effets de la stimulation cérébrale profonde dans l'épilepsie focale motrice

Effects of Deep Brain Stimulation on control of focal motor epilepsy

• Auteur / Autrice : Shivadatta Prabhu
• Direction : Stéphan Chabardès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mouvement et Comportement pour la santé et l'Autonomie
• Date : Soutenance le 28/01/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : INSERM U836, équipe 11, Fonctions cérébrales et neuromodulation
• Jury : Président / Présidente : Marc Guénot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alim-louis Benabid
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arnaud Biraben, Driss Boussaoud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épilepsie

Neurochirurgie

Mots clés libres

Neurochirurgie fonctionnelle

Stimulation cérébrale profond

Ganglions de la base

Épilepsie

Épilepsie chez le primate

Functional neurosurger

Deep brain stimulation

Basal ganglia

Epilepsy

Primate model of epilepsy

Résumé

Les crises d'épilepsie proviennent d'une synchronisation pathologique de réseaux neuronaux du cortex. Les crises motrices, générées à partir du cortex moteur primaire, sont souvent pharmaco-résistantes. La résection neurochirurgicale du foyer épileptique est rarement l'option thérapeutique de choix au regard des risques de deficits moteurs potentiellement induits par la résection. Les ganglions de la base ont un rôle important dans la propagation des crises. Des enregistrements par micro-électrode réalisés dans une précédente étude ont montré que les activités des structures d'entrée des ganglions de la base telles que le Putamen, le noyau caudé et le noyau sous-thalamique (NST) sont fortement modifiées pendant des crises motrices. Le taux de décharge moyen des neurones du NST et du Putamen augmente et le pourcentage de neurones oscillants synchronisés avec l'EEG durant la période ictale est plus élevé durant les crises que pendant la période inter-ictale. Des études pilotes chez l'humain ont montré un effet bénéfique potentiel de la stimulation cérébrale profonde (SCP) chronique du NST pour traiter les crises motrices pharmaco-résistantes. Le but de notre étude est d'évaluer les effets thérapeutiques de la SCP des structures d'entrée des ganglions de la base. Nous avons dans un premier temps développé un modèle primate de crise d'épilepsie motrice focale stable et reproductible par injection intra-corticale de pénicilline. Nous avons ensuite caractérisé la pharmaco-résistance du modèle. Nous avons implanté stéréotactiquement des électrodes de SCP dans le NST et le Putamen. Le stimulateur a été placé sous la peau dans le dos de l'animal. Un protocole de stimulation à 130 Hz à un voltage inférieur à l'apparition d'effets secondaires a été réalisé dans le NST. Le stimulateur était mis en marche au moment de l'injection de la pénicilline. Un protocole de stimulation à 0 volt a été réalisé comme condition contrôle. Chaque primate étant son propre contrôle. L'apparition des crises, leur nombre et leur durée ont été comparés par période de 1 heure entre la condition stimulée et non stimulée. Chaque session expérimentale a été menée sur une durée de plus de six heures. Nous avons évalué l'effet préventif de la SCP à haute fréquence (130 Hz) du NST sur les crises motrices. Nous avons également étudié l'effet préventif de la SCP à basse fréquence (5-20 Hz) du Putamen sur ce même modèle. Enfin, sur un autre primate, nous avons étudié l'effet combiné de la SCP du NST à haute fréquence et du Putamen à basse fréquence sur les crises motrices. Résultats : Les effets de la SCP chronique du NST à haute fréquence ont été analysés à partir de 1572 crises apparues au cours de 30 sessions expérimentales chez 3 primates. Les effets de la SCP préventive du NST ont été évalués sur 454 crises motrices durant 10 sessions expérimentales chez un primate. L'effet de la SCP du Putamen à basse fréquence a été analysé sur 289 crises durant 14 sessions chez 2 primates. Enfin l'effet combiné de la SCP du NST et du Putamen a été évalué sur 477 crises durant 10 sessions. Les meilleurs résultats ont été obtenus par SCP chronique du NST. L'apparition de la première crise était significativement retardée lorsque le primate était stimulé. Le temps total passé en situation de crise motrice était diminué en moyenne d'environ 69 % (p ≤0.05) par rapport à la condition non-stimulé au regard de la diminution significative du nombre de crises particulièrement durant les 3 heures après le début de la stimulation. La durée de chaque crise était modérément réduite. Les modes de stimulation mono-polaire ou bi-polaire avaient une efficacité similaire. La SCP préventive du NST n'a pas eu d'effet supérieur à la stimulation chronique du NST. La SCP chronique du Putamen à basse fréquence avait un effet positif mais principalement durant les deux premières heures de stimulation. L'effet combiné de la SCP du NST et du Putamen était inférieur à la SCP chronique du NST ou du Putamen.

Epileptic seizures arise from pathological synchronization of neuronal ensemble.Seizures originating from primary motor cortex are often pharmacoresistant, and many times unsuitable for respective surgery because of location of epileptic focus in eloquent area. Basal ganglia play important role in seizure propagation. Micro electrode recordings performed during previous studies indicated that input structures of basal ganglia such as GPe, Putamen and Subthalamic nucleus (STN) are strongly modified during seizures. For example the mean firing rate of neurons of the STN and Putamen increased and the percentage of oscillatory neurons synchronized with the ictal EEG was higher during seizures as compared to interictal periods. Pilot studies in humans have shown the possible beneficial effect of chronic DBS applied to STN in treatment of pharmacoresistant motor seizures. Our study was aimed at studying the therapeutic effect of electrical stimulation of input structures of basal ganglia . We first developed a stable, predictable primate model of focal motor epilepsy by intracortical injection of penicillin and we documented it's pharmacoresistence. We then stereotactically implanted DBS electrodes in the STN and Putamen. The stimulator was embedded at the back of the animals. Subthreshold electrical stimulations at 130 Hz were applied to STN. Stimulator was turned ON when penicillin was injected. Sham stimulation at 0 volt was used as a control situation, each monkey being its own control. The time course, number and duration of seizures occurring in each epochs of 1 h were compared during ON and sham stimulation periods. Each experimental session lasted uptoo 6 hours,We also studied preventive high frequency stimulation of STN and subthershold low frequency stimulation of Putamen with 5 Hz and 20 Hz in the same model .Finally we studied combined effects of high frequency STN and low frequency Putamen stimulation in one monkey Results: Data was analysed from 1572 seizures in 30 experiments in three monkeys for chronic STN stimulation , 454 seizures in 10 experiments in one moneky during preventive STN stimulation ,289 seizures from 14 experiments in two monkeys during LFS putamen stimulation and 477 seizures from 10 sessions during combined STN and Putamen stimulation in one monkey The best results were observed during chronic STN stimulation The occurrence of first seizure was significantly delayed as compared to sham situation. Total time spent in focal seizures was significantly reduced by ≥69% on an average (p ≤0.05) after STN stimulation, due to a significant decrease in the number of seizures especially so during the first 3 hours after stimulation. The duration of individual seizures reduced moderately. Bipolar and monopolar stimulation modes were equally effective Preventive HFS STN (in one specimen) was not found to be superior to acute stimulation. LFS Putamen alone was effective but mainly in first two hours of stimulation .In a combined HFS STN and LFS Putamen stimulation the effect of stimulation in terms of seizure control was modest and poor compared to HFS STN alone or LFS Putamen alone. This study provides original data in primates showing the potential therapeutic effect of chronic HFS-STN DBS to treat focal motor seizures . A discussion explaining these results and comparison with STN DBS in human motor seizures as well as future translational perspective in human therapeutics is provided.