Modélisation des potentiels évoqués par stimulation directe et leurs liens à l'électromyographie

Modeling of cortical evoked potentials by direct stimulation and their link to electromyography

• Auteur / Autrice : Emeline Manka
• Direction : Theodore Papadopoulo
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Automatique traitement du signal et des images
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Modélisation des résaux dynamiques cérébraux

Mots clés

Mots clés libres

Chirurgie éveillée

Électroencéphalographie

Électromyographie

Potentiels évoqués

Awake surgery

Electroencephalography

Electromyography

Evoked potentials

Résumé

L'objectif de ce projet est d'améliorer notre compréhension fondamentale de l'électrophysiologie enregistrée lors d'une chirurgie éveillée. L'objectif à long terme est d'améliorer la qualité de vie des patients qui nécessitent une résection tumorale et qui ne peuvent pas subir une intervention chirurgicale éveillée. Pour ces patients, le chirurgien doit s'appuyer davantage sur l'électrophysiologie et l'imagerie. Les potentiels évoqués sont des réponses électriques produites par le cerveau suite à un stimuli. Généralement, ils sont provoqués à l'aide de stimuli externes (visuels, auditifs, sensori-moteurs, etc) et enregistrés de manière non invasive, par exemple via l'électroencéphalographie ou la magnétoencéphalographie. Si l'aspect non invasif de ces enregistrements présente des avantages évidents, leur analyse est difficile en raison de l'effet diffusif du crâne sur les potentiels électriques et de leur faible rapport signal à bruit. Cependant, dans des situations très spécifiques comme les chirurgies du cerveau, les potentiels évoqués peuvent également être induits par stimulation électrique directe du cerveau et enregistrés à partir d'électrodes placées sur la surface corticale [2]. Grâce à notre collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire de Nice, notre équipe a accès à de tels potentiels évoqués corticaux enregistrés lors d'une chirurgie éveillée [1], ce qui n'est le cas que de très peu d'équipes de recherche dans le monde. Bien qu'il existe de plus en plus de preuves que ces potentiels évoqués contiennent des informations sur la fonction de la région stimulée [3], le mécanisme sous-jacent à leur génération reste mal compris. L'électromyographie, quant à elle, mesure des signaux électriques produits par la contraction musculaire. Il s'agit donc, dans cette thèse, de modéliser les sources physiologiques et les processus physiques qui sous-tendent les potentiels évoqués corticaux et de les relier aux données d'électromyographie, enregistrées simultanément. Cette approche a de nombreux avantages. Premièrement, elle permet de s'appuyer sur des mesures quantitatives du mouvement, via la contraction musculaire, plutôt que sur son observation visuelle qualitative actuellement utilisée. Deuxièmement, cela nous permet potentiellement de créer une cartographie directe entre des régions corticales stimulées et des contractions de muscles ou de groupes de muscles d'un membre. Troisièmement, cela peut conduire à l'évaluation de la santé fonctionnelle des régions corticales motrices et sensori-motrices même lorsque le patient n'est pas éveillé. Les grandes étapes de ce projet sont : • Modéliser avec précision la propagation des courants dans le volume de la tête, en tenant compte des réalités de la chirurgie éveillée telles qu'une section de la boite crânienne manquante, le cerveau exposé et une tumeur réséquée (enlevée). • Développer et valider un modèle de sources cérébrales expliquant les potentiels évoqués corticaux observés. • Établir et développer des outils pour reconstruire les potentiels d'action des unités motrices à partir de données d'électromyographie adaptées aux réalités du bloc opératoire tels qu'un nombre limité de capteurs. • Développer un modèle pour relier les potentiels d'action musculaired des unités motrices reconstruites de l'avant-bras au modèle des sources cérébrales dérivées des potentiels évoqués corticaux, permettant éventuellement d'obtenir une somatotopie détaillée des muscles (ou groupes de muscles) du cortex moteur.

The goal of this project is to improve our fundamental understanding of the electrophysiology recorded during awake surgery. The long-term goal is to improve the quality of life and prognostic of patients who require tumor resection and cannot undergo awake surgery. For these patients, the surgeon must rely more on electrophysiology and imaging. Evoked potentials are electrical responses produced by the brain following stimuli. Generally, they are provoked using external stimuli (visual, auditory, sensorimotor, etc.) and recorded non-invasively, for example via electroencephalography or magnetoencephalography. Although the non-invasive aspect of these recordings has obvious advantages, their analysis is difficult due to the diffusive effect of the skull on electrical potentials and their low signal-to-noise ratio. However, in very specific situations such as brain surgeries, evoked potentials can also be induced by direct electrical stimulation of the brain and recorded from electrodes placed on the cortical surface [2]. Thanks to our collaboration with the Nice University Hospital, our team has access to such cortical evoked potentials recorded during awake surgery [1], which is the case for very few research teams in the world. Although there is growing evidence that these evoked potentials contain information about the function of the stimulated region [3], the mechanism underlying their generation remains poorly understood. Electromyography, for its part, measures electrical signals produced by muscle contraction. This thesis therefore involves modeling the physiological sources and physical processes underlying cortical evoked potentials and linking them to electromyography data, recorded simultaneously. This approach has many advantages. First, it makes it possible to rely on quantitative measurements of movement, via muscle contraction, rather than on the qualitative visual observation currently used. Second, it potentially allows us to create a direct mapping between stimulated cortical regions and contractions of muscles or muscle groups of a limb. Third, it can lead to the assessment of the functional health of motor and sensorimotor cortical regions even when the patient is not awake. The main stages of this project are: • Accurately model the propagation of currents within the volume of the head, taking into account the realities of awake surgery such as a missing section of the skull, exposed brain, and a resected (removed) tumor. • Develop and validate a brain source model explaining the observed cortical evoked potentials. • Establish and develop tools to reconstruct motor unit action potentials from electromyography data adapted to the realities of the operating room such as a limited number of sensors. • Develop a model to relate muscular action potentials from reconstructed motor units of the forearm to the model of brain sources derived from cortical evoked potentials, potentially allowing detailed somatotopy of the muscles (or muscle groups) of the forearm to be obtained. motor cortex.