Étude quantifiée par des méthodes d'entropie de la période postcritique dans les épilepsies focales humaines

Quantification of the postictal state using entropy methods in human focal epilepsies

• Auteur / Autrice : Ionut-Flavius Bratu
• Direction : Fabrice Bartolomei, Agnès Trebuchon da-fonseca
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie-Santé - Spécialité Neurosciences
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de la vie et de la santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INS - Institut de Neurosciences des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : INS - E4 - Cartographie cérébrale

Mots clés

Mots clés libres

État postcritique

Entropie de permutation

Déficit postcritique

Stéréo-électroencéphalographie

Réseaux épileptogènes

Épilepsie focale

Postictal state

Permutation entropy

Postictal deficit

Stereo-electroencephalograpy

Epileptogenic networks

Focal epilepsy

Résumé

Contexte: La chirurgie de l'épilepsie a actuellement deux principales limitations: un risque d'échec d'environ 40% (1) et un risque fonctionnel notamment au niveau langage et mémoire de 40% (2). Les enjeux de la recherche appliquée dans ce domaine sont d'améliorer les résultats de la chirurgie et de mieux apprécier le pronostic fonctionnel. Le développement de nouvelles techniques pour évaluer les réseaux épileptogènes et les réseaux cérébraux fonctionnels afin d'éviter le déficit cognitif post-opératoire sont ainsi nécessaires. L'analyse des enregistrements EEG intracrâniens a mis en évidence l'existence «d'états» de réseau distincts (pré/post-ictal, ictal et interictal) (3,4). La complexité du signal EEG enregistré dans ces états peut être évalué avec une mesure d'entropie: entropie de permutation (EP). L'EP est un outil simple et robuste qui estime la complexité d'un système dynamique en capturant les relations d'ordre entre les valeurs d'une série temporelle et en extrayant une distribution de probabilité des modèles ordinaux (5). Nous proposons d'analyser les enregistrements de stéréo-électroencéphalographie (SEEG) en utilisant l'EP, avec deux objectifs principaux: 1/ mieux définir les réseaux épileptogènes en particulier les systèmes neuraux impliqués dans la genèse des crises (EZN, Epileptogenic zone network), en se basant notamment sur les modifications postictales régionales; 2/ corréler les modifications d'entropie observées dans les crises et particulièrement l'état postcritique avec les déficits fonctionnels post-critiques. Nous analyserons les valeurs obtenues dans les différents réseaux impliquées dans les crises (réseaux épileptogènes, de propagation et de zones non-impliquées - EZN, PZN et NIZ), comme dans les réseaux cognitifs. Nous validerons l'intérêt de la méthode avec le devenir des patients en post opératoire (liberté de crises et absence de trouble fonctionnel). Le développement de cet outil s'intègre dans une problématique de recherche de notre laboratoire (6,7). Objectifs: Mettre en évidence l'intérêt de la mesure d'entropie (EP) dans la détermination des réseaux pathologiques et fonctionnels au travers des mesures suivantes: 1) L'analyse des modifications de la EP au niveau des structures cérébrales et leurs relations avec l'EZN. 2) Quantification de la période postictale et du déficit postcritique (mémoire, conscience, attention, fonction motrice, langage, perception du temps). 3) Évaluation des changements de complexité cérébrale lors de tâches cognitives effectuées pendant l'exploration SEEG (langage et mémoire). Méthodes: L'analyse de l'entropie dans les différents états étudiés (Intercritique, crise, postcritique) sera réalisée à l'aide d'outil développe au sein d'INS (équipe Dynamap). Cette étude sera réalisée sur les enregistrements SEEG de patients épileptiques pharmacorésistantes dans le cadre du bilan pre-chirurgical. Les analyses seront menées à deux niveaux: niveau du contact de l'électrode SEEG et niveau de la région anatomo-fonctionnelle de l'atlas VEP (Virtual Epileptic Patient) (8). Résultats et avantages attendus: Nous souhaitons développer d'un nouveau biomarqueur facile à utiliser de l'EZN basé sur des paramètres dérivés de l'EP. Nous espérons mettre en évidence de meilleurs prédicteurs des résultats de la chirurgie de l'épilepsie et optimiser des outils disponibles pour identifier les réseaux fonctionnels au niveau individuel. Nos travaux doivent également mieux décrire les mécanismes sous-tendant la période postcritique et les déficits fonctionnels avec comme perspective une meilleure évaluation des risques fonctionnels post-opératoires. Adéquation avec les neurosciences: Inférences basées sur le cerveau épileptique: modèles de changements de complexité dans diverses structures cérébrales et leur pertinence dans les processus physiologiques (processus de l'hippocampe et de la mémoire - par exemple l'encodage; les réseaux de langage et les patterns de déficit).

Background: Epilepsy surgery currently faces two main limitations: a 40% risk of failure (1) and a functional risk, particularly concerning language and memory, of 40% (2). The aim of applied research in this field is to improve the results of surgery and to better anticipate the functional prognosis. Development of new techniques to evaluate the epileptogenic networks and the cerebral functional networks in order to avoid the post-surgical cognitive deficit is therefore necessary. Analysis of intracranial EEG recordings highlighted the existence of distinct network ‘states' (pre/post-ictal, ictal and interictal)(3,4). The complexity of the EEG signal recorded during these states can be ascertained using an entropy measure: permutation entropy (PE). PE is a simple and robust tool that estimates the complexity of a dynamic system by capturing the order relations between the values of a time series and extracting the probability distribution of ordinal patterns (5). We propose analyzing stereo-electroencephalography (SEEG) recordings using PE, with two main goals: 1/ better define the epileptogenic networks, particularly the neural systems generating the seizures (EZN, Epileptogenic zone network), taking into consideration mainly the postictal regional modifications; 2/ correlate the observed ictal entropy modifications, particularly the postictal state with the postictal functional deficits. We will analyse the values obtained in the different networks involved in the seizures (epileptogenic, propagation zone network and non-involved zone - EZN, PZN and NIZ), as well as in the cognitive networks. We will validate the interest of this method with the outcome of the operated patients (seizure freedom and absence of cognitive deficit). Development of such tools is one of the research themes of our lab (6,7). Objectives: To highlight the interest of using a measure of entropy (PE) in determining the pathological and functional brain networks through the following analyses: 1) Analysis of PE modifications in brain structures and their relationship with the EZN. 2) Quantification of the postictal period and of the postictal deficit (e.g. memory, consciousness, motor function, language, time perception). 3) Evaluation of cerebral complexity changes during cognitive tasks performed during the SEEG exploration (e.g. language and memory). Methods: The entropy analysis of different states (interictal, ictal and postictal) will be performed using a tool developed at the INS (Dynamap team). This study will be performed on the SEEG recordings of drug-resistant epileptic patients who had undergone presurgical assessment. Research will be carried out at two levels: depth-electrode contact and anatomical-functional VEP (Virtual Epileptic Patient) atlas region (8). Expected outcomes and benefits: Development of a novel and easy-to-use biomarker of the EZN based on PE derived parameters. Highlight of better predictors of epilepsy surgery outcome and improvement of the availbale tools for identifying the individual functional networks. Better describe the mechanisms sustaining the postictal period and the functional deficits while aiming for an improved evaluation of the postsurgical functional risks. Adequacy with neuroscience: Inferences based on the epileptic brain: patterns of complexity changes in various brain structures and their relevance in physiological processes (hippocampus and memory processes - e.g. encoding; language networks and patterns of deficit). References: 1. Cardinale F, Casaceli G, Raneri F, Miller J, Lo Russo G. Implantation of Stereoelectroencephalography Electrodes: A Systematic Review. Journal of Clinical Neurophysiology. 2016;33(6):490-502. doi:10.1097/WNP.0000000000000249 2. Hamberger MJ, Cole J. Language organization and reorganization in epilepsy. Neuropsychol Rev.Sep 2011;21(3):240-51. doi:10.1007/s11065-011-9180-z 3. Iasemidis LD, Shiau DS, Sackellares JC, Pardalos PM, Prasad A. Dynamical resetting of the human brain at epileptic seizures: application of nonlinear dynamics and global optimization techniques. IEEE Trans Biomed Eng. Mar 2004;51(3):493-506. doi:10.1109/tbme.2003.821013 4. Khambhati AN, Davis KA, Oommen BS, et al. Dynamic Network Drivers of Seizure Generation, Propagation and Termination in Human Neocortical Epilepsy. PLoS Comput Biol. Dec 2015;11(12):e1004608. doi:10.1371/journal.pcbi.1004608 5. Bandt C, Pompe B. Permutation entropy: A natural complexity measure for time series. Physical Review Letters. 2002;88(17):1741021-1741024. 174102. 6. El Youssef N, Jegou A, Makhalova J, Naccache L, Bénar C, Bartolomei F. Consciousness alteration in focal epilepsy is related to loss of signal complexity and information processing. Sci Rep. Dec 24 2022;12(1):22276. doi:10.1038/s41598-022-25861-4 7. Chatzikonstantinou S, Jegou A, Brohée S, Singh R, Bénar C, Lagarde S, Bartolomei F. How May a Brief Seizure Lead to Prolonged Epileptic Amnesia? Brain Topogr. 2023 Mar;36(2):129-134. doi:10.1007/s10548-022-00930-z. 8. Wang HE, Scholly J, Triebkorn P, et al. VEP atlas: An anatomic and functional human brain atlas dedicated to epilepsy patients. J Neurosci Methods. Jan 15 2021;348:108983. doi:10.1016/j.jneumeth.2020.108983