Resting-state dynamics in epilepsy : mechanistic insights from large-scale brain network modeling

par Julie Courtiol

Thèse de doctorat en Biologie santé. Neurosciences

Sous la direction de Viktor K. Jirsa.

Le président du jury était Aileen McGonigal.

Les rapporteurs étaient Krasimira Tsaneva-Atanasova, Gustavo Deco.

  • Titre traduit

    Modélisation à large échelle de la dynamique de l'état de repos des réseaux neuronaux dans l'épilepsie


  • Résumé

    Les progrès en neuroimagerie fonctionnelle fournissent des preuves irréfutables que l’épilepsie induit une altération des réseaux neuronaux aussi pendant les périodes interictales, et à l’état de repos. Pourtant, les mécanismes dynamiques qui sous-tendent ces modifications sont encore élusifs et les observations cliniques se contredisent. J‘ai développé une nouvelle approche de modélisation des réseaux neuronaux au repos pour l’épilepsie : le Resting Epileptic Brain (REB), faisant usage de la plateforme neuroinformatique, The Virtual Brain, pour révéler les principes fondamentaux de l’activité épileptique au repos interictal observée par neuroimagerie fonctionnelle non invasive. J’ai couplé un nouveau type de modèle mathématique de l’état de repos dans l’épilepsie avec des informations anatomiques (non invasives) spécifiques à des patients, et utilisé des techniques d’ajustement de hauts standards pour systématiquement explorer et charactériser la dynamique au repos interictal des réseaux neuronaux dans l’épilepsie. Ceci permet de montrer que le cerveau épileptique au repos interictal opère dans un régime dynamique différent du cerveau sain, les régions épileptogènes présentent une signature dynamique spécifique comparées aux régions saines et, la présence in silico de spikes interictaux n’impacte pas la connectivité fonctionnelle au niveau globale. Les résultats suggèrent que le REB fournit une nouvelle stratégie spécifique à chaque patient pour tester l’hypothèse d’épileptogénicité. Cette recherche constitue une étape supplémentaire dans la compréhension des processus épileptiques pendant le repos interictal et sur la voie de la médecine personnalisée.


  • Résumé

    Advances in functional neuroimaging provide compelling evidence for epilepsy-related brain network alterations also during the interictal periods and in the resting-state (RS). Yet, the dynamical mechanisms underlying these changes are still elusive and the clinical observations are contradictory .In this thesis, I developed a novel large-scale brain network modeling approach in RS for epilepsy: the Resting Epileptic Brain (REB), making use of the neuroinformatics platform, The Virtual Brain, to reveal the fundamental principles of the epileptic brain activity in interictal RS observed by noninvasive neuroimaging. I coupled a new type of mathematical model of RS in epilepsy with patients-specific non-invasive anatomical information and used high standards fitting techniques to systematically investigate and characterize the network dynamics of epileptic brain. This allows to show that the epileptic brain during interictal RS operates at a different dynamical regime compared with healthy brain, the epileptogenic regions present a specific dynamical signature compared with healthy regions, and the in silico presence of interictal spikes does not impact the functional connectivity at the global level. Therefore, the results suggest that, even in the absence of visible epileptic discharges, the REB provides a novel patient-specific strategy for epileptogenicity hypothesis testing to improve outcomes after epilepsy surgery. This research contributes as a further step in the understanding of the epileptic processes during the interictal RS period and toward personalized medicine in epilepsy.


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