Étude de la perfusion cérébrale par l'électroencéphalogramme frontal au cours d'une anesthésie générale

Study of cerebral perfusion by frontal electroencephalogram during general anesthesia

• Auteur / Autrice : Elsa Manquat
• Direction : Étienne Gayat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biothérapies et biotechnologies
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Hématologie, oncogenèse et biothérapies (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Marqueurs cardiovasculaires en situation de stress (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Mikaël Mazighi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Brassard, Alexandre Gramfort, Hélène Nougué
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Claire Lukaszewicz-Nogrette, Lionel Velly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circulation cérébrovasculaire

Autorégulation

Électroencéphalographie

Mots clés libres

Électro encéphalogramme

Autorégulation cérébrale

Traitement du signal

Perfusion cérébrale

Electroencephalogram

Cerebral autoregulation

Signal processing

Cerebral perfusion

Résumé

La perfusion cérébrale est un paramètre hautement régulé, en raison de la dépendance du cerveau humain à l'égar d'un apport ininterrompu de glucose et d'oxygène. Sous anesthésie générale, l'autorégulation cérébrale (ARC) est un des principaux mécanismes régulateurs. Plusieurs études suggèrent qu'un contrôle plus précis de la perfusion cérébrale pourrait réduire les complications postopératoires. Néanmoins, les techniques disponibles pour le monitorage de la perfusion cérébrale sous anesthésie générale présentent des limites sérieuses, raison pour laquelle ce paramètre est rarement surveillé au bloc opératoire. L'électro encéphalogramme (EEG) frontal, semble être un outil prometteur pour surveiller la perfusion cérébrale en routine. D'une part, il est déjà largement utilisé pour évaluer la profondeur d'anesthésie. D'autre part, le lien entre perfusion cérébrale et activité électrique neuronale est un fait bien établi, en pathologie clinique comme en recherche fondamentale. Toutefois ce lien à peu été exploré lors de l'anesthésie générale (AG), où l'activité cérébrale électrique et métabolique est profondément modifiée par les drogues administrées. Le but de cette recherche est donc d'étudier la relation entre l'EEG et la perfusion cérébrale sous AG, en particulier en réponse à des variations contrôlées pression artérielle moyenne (PAM). Pour cela, nous avons d'abord mis en évidence un lien statistique entre un paramètre d'EEG quantitatif (qEEG) et un indice d'autorégulation cérébrale. Ensuite, nous avons étudié la perfusion cérébrale au cours de variations contrôlées et pharmacologiquement induites de PAM grâce à la mise en œuvre d'un protocole standardisé (mAP challenge). Nous avons montré que l'ARC est altérée chez près de la moitié des patients étudiés. Ainsi, des variations significatives dans la vitesse moyenne du flux sanguin cérébral (Vm), mesurées par Doppler transcrânien, sont observées en réponse aux mAP challenge chez les patients dont l'ARC était altérée. De façon intéressante, la vélocité systolique a été identifiée comme un indicateur de l'efficacité de l'ARC. Après avoir démontré qu'il était possible de faire varier la perfusion cérébrale par le biais d'un contrôle peropératoire de la PAM, nous avons cherché à savoir si ces variations impactent à leur tour le signal EEG. Pour cela, nous avons créé un large dataset combinant les données de doses de médicament, de PAM, de Vm et de paramètres qEEG. De cette façon, nous avons montré qu'en réponse à un mAP challenge : (1) la relation entre la Vm et PAM est linéaire : elle ne présente pas de plateau significatif, ceci ayant pour conséquence que toute variation de PAM en peropératoire se répercute sur la perfusion cérébrale, selon un coefficient de variation plus ou moins important ; (2) deux paramètres qEEG robustes sont associés aux variations de Vm sous AG : la puissance de la bande delta et le delta alpha ratio ; (3) la perfusion cérébrale impacte le signal EEG avec un retard estimé à 380 secondes. Dans ce manuscrit, une revue de la littérature est présentée en première partie. Elle exposera en quoi la pression artérielle moyenne (PAM) est un paramètre central à prendre en compte pour réguler la perfusion cérébrale sous AG. Dans une seconde partie, nous verrons si le cerveau est effectivement protégé contre les variations de PAM, en décrivant l'évolution du concept d'autorégulation cérébrale, depuis ses premières descriptions chez l'homme dans les années 60. Enfin nous décrirons les outils de monitorage disponibles pour l'étude de la perfusion cérébrale. Une partie entière sera dédiée à l'électro encéphalogramme, pour introduire à la fois les notions de traitements du signal et de neurophysiologie sur lesquelles se sont basées cette recherche. La seconde partie expose la réflexion préliminaire ayant conduit à la réalisation de cette thèse. La troisième partie est consacrée aux résultats des travaux de recherche effectués dans le cadre de cette thèse.

Cerebral perfusion is a highly regulated parameter, due to the human brain's dependence on an uninterrupted supply of glucose and oxygen. Under general anesthesia, cerebral autoregulation (CA) is one of the main regulatory mechanisms. Several studies suggest that more precise control of cerebral perfusion could reduce postoperative complications. Nevertheless, the techniques available for monitoring cerebral perfusion under general anesthesia have serious limitations, which is why this parameter is rarely monitored in the operating room. The frontal electroencephalogram (EEG) appears to be a promising tool for routine monitoring of cerebral perfusion. On the one hand, it is already widely used to assess the depth of anesthesia. On the other hand, the link between cerebral perfusion and neuronal electrical activity is well established, both in clinical pathology and in basic research. However, this link has been little explored during general anesthesia (GA), where electrical and metabolic brain activity is profoundly altered by the drugs administered. The aim of this research was therefore to study the relationship between EEG and cerebral perfusion under GA, particularly in response to controlled variations in mean arterial pressure (MAP). To this end, we first demonstrated a statistical link between a quantitative EEG parameter (qEEG) and an index of cerebral autoregulation. We then studied cerebral perfusion during controlled, pharmacologically-induced variations in MAP using a standardized protocol (mAP challenge). We have shown that CA is impaired in almost half the patients studied. Significant variations in mean cerebral blood flow velocity (Vm), measured by transcranial Doppler, were observed in response to mAP challenges in patients whose CA was impaired. Interestingly, systolic velocity was identified as an indicator of CA efficacy. Having demonstrated that it is possible to vary cerebral perfusion through intraoperative control of mAP, we set out to find out whether these variations in turn impact the EEG signal. To this end, we created a large dataset combining data on drug doses, MAP, Vm and qEEG parameters. In this way, we have shown that in response to a mAP challenge: (1) the relationship between Vm and PAM is linear: it does not exhibit a significant plateau, with the consequence that any variation in PAM intraoperatively is reflected on cerebral perfusion, according to a more or less significant coefficient of variation; (2) two robust qEEG parameters are associated with variations in Vm under GA: delta band power and delta alpha ratio; (3) cerebral perfusion impacts the EEG signal with an estimated delay of 380 seconds. In this manuscript, a review of the literature is presented in the first part. It will show how mean arterial pressure (MAP) is a central parameter to be taken into account when regulating cerebral perfusion under GA. In the second part, we will examine whether the brain is indeed protected against MAP variations, by describing the evolution of the concept of cerebral autoregulation, since it was first described in humans in the 1960s. Finally, we will describe the monitoring tools available for studying cerebral perfusion. An entire section will be devoted to the electroencephalogram, to introduce both the notions of signal processing and neurophysiology on which this research is based. The second part outlines the preliminary thinking that led to the realization of this thesis. The third part is devoted to the results of the research work carried out as part of this thesis.