Méthodes statistiques pour l’étude des réseaux de connectivité fonctionnelle cérébrale, fusion avec la connectivité anatomique. Vers un nouvel outil diagnostique et pronostique pour l’évaluation des désordres de la conscience - Projet de recherche soutenu par le Réseau National des Systèmes Complexes - Projet financé par l’ANR (2010-2013)
Sophie ACHARD (Gipsa-Lab)
Chantal DELON-MARTIN (GIN)
L'étude des mécanismes cérébraux qui permettent à une activité neuronale complexe de s'établir de façon coordonnée a donné quelques unes des découvertes les plus spectaculaires des neurosciences, et promet toujours un potentiel de compréhension colossal, à l'heure où des outils technologiques et surtout méthodologiques novateurs voient le jour. La neurophysiologie a permis la compréhension des réseaux de neurones à petite échelle, et l'étude des lésions du cerveau a, pour sa part, permis de localiser les zones du cerveau associées à une certaine fonction. Les techniques d'imagerie cérébrale, telles que l'électro- ou magnéto-encéphalographie et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ont apporté une masse de données impressionnante, d'un type nouveau : des séries chronologiques multivariées représentant les dynamiques locales, en chaque site ou source à travers le cerveau entier. Ces données ont déjà démontré que, de façon univariée, les processus neurophysiologiques ont un comportement longue-mémoire et fractal. Elles ont également permis d'exhiber, à l'aide d'une analyse de corrélation multi-échelles utilisant les ondelettes, une organisation sous la forme d'un réseau topologique complexe. Ces découvertes suggèrent que les dynamiques et réseaux du cerveau ont d'importantes propriétés statistiques en commun avec de nombreux systèmes complexes tels que ceux
étudiés plus largement en physique statistique. Ce projet vise à étudier les désordres de la conscience (état qui suit le coma), un enjeu capital de santé publique. La compréhension du processus de déconnexion du cerveau est cruciale pour améliorer le suivi au quotidien de ces patients. Du fait des progrès des services des urgences, de plus en plus de patients survivent avec des dommages sévères au niveau du cerveau. Les désordres de la conscience peuvent être "aigus" et réversibles ou permanents et irréversibles. Dans ce contexte, le but de ce projet est de caractériser des jeux de données neurophysiologiques multivariés pour comprendre le traitement de l'information et sa propagation dans le cerveau humain. La neuro-imagerie fournit un ensemble de séries chronologiques associées aux différents voxels (pixel en 3D). L'analyse de ces séries au cours du temps permet de localiser l'activité cérébrale. En étudiant la nature temporelle de chaque série chronologique, ces données ont permis de mettre en avant la nature dynamique du cerveau. L'analyse spatio-temporelle de ce type de données, quant à elle, reste une piste relativement peu explorée. La compréhension de ce qu’elle peut apporter en termes de quantification et de circulation d'information est un problème complexe et fondamental, et constitue une révolution encore à venir dans la compréhension du cerveau. S'inscrivant dans cette direction, ce projet permettra également de fournir aux médecins de nouveaux outils de diagnostic et d'établir de meilleures prédictions quant à la possible guérison de ces patients. Cette étude sera également à la base de nouvelles opportunités pour comprendre les fluctuations de l'activité cérébrale de patients sains observés au repos. D'un point de vue plus général, à la suite du travail pionnier de Geschwind en neurologie et neuropsychiatrie, les pathologies ont pu être décrites en fonction des syndromes de déconnexion. Dans ce sens, l'approche décrite dans ce projet pourrait être appliquée pour d'autres pathologies telles que la sclérose en plaques, l'épilepsie, l'apoplexie, la maladie d'Alzheimer, la schizophrénie. Ce projet est par nature pluridisciplinaire car il nécessite un ensemble de compétences large recouvrant les domaines de traitement statistique du signal, d'analyse et visualisation de réseaux complexes, des neurosciences.
Caractérisation du traitement émotionnel de l’information chez les patients atteints de troubles bipolaires et schizophréniques : étude en IRM fonctionnelle - Projet soutenu par le Pôle en 2011 et 2012
Monica BACIU, Pauline FAVRE, Cédric PICHAT (LPNC)
POLOSAN, FREDEMBACH, DE POURTALES, GARCON (CHU Grenoble)
KRAINIK, LAMALLE, TROPRES (IFR1)
La maladie bipolaire se définit comme une pathologie chronique de l’humeur, et se caractérise par la succession d’épisodes dépressifs et maniaques, ainsi que des périodes intercritiques de stabilisation émotionnelle, qui peuvent être sans symptômes thymiques (périodes euthymiques, d'équilibre émotionnel). Il s’agit d’une maladie fréquente, puisque environ 6 % de la population générale est atteinte d'un trouble du spectre bipolaire qui entraine un handicap fonctionnel significatif et persistant au-delà des phases aigues de la maladie. Ainsi, ce trouble représente un vrai problème de santé publique. Le projet de recherche que nous proposons, a pour but d’étudier le substrat cérébral impliqué dans l’amélioration des troubles de l’humeur de la maladie bipolaire, suite à l’utilisation d’une approche thérapeutique innovante, la psychoéducation. Le substrat anatomique et fonctionnel cérébral sous-tendant ces améliorations sont identifiés dans ce projet avec des méthodes de neuro-imagerie cérébrale. L'étude d'un groupe de patients ayant suivi une psychoéducation pendant trois mois nous a permis de montrer d'une part que la psychoéducation engendre une amélioration comportementale émotionnelle significative, ainsi qu’une amélioration de la qualité de vie des patients avec meilleures techniques de gestion du trouble. D'autre part, nous avons pu mettre en évidence une modification de l'activité cérébrale chez les patients après la psychoéducation. En effet, l'activité de certaines régions cérébrales frontales, pariétales et occipitales semble être augmentée après un programme de psychoéducation de courte durée. Les résultats préliminaires obtenus dans une première phase sont très prometteurs mais demandent validation sur un échantillon plus important de patients. La validation demande également l’utilisation de méthodes complémentaires de neuro-imagerie telle que l’IRMf de repos et l’IRM structurelle de type DTI, qui vont également apporter des données physiopathologiques sur les troubles bipolaires. Ce sera l’objet d’une seconde phase du projet.
Stimulation magnétique transcrânienne neuronaviguée « MRI-less » - « State-Dependency » - Projet soutenu par le Pôle en 2012
Sylvain HARQUEL (LPNC)
Nathalie GUYADER (Gipsa-lab)
Thierry BOUGEROL (CHU-GIN)
Les méthodes usuelles d’analyse du fonctionnement neurocognitif (IRMf, EEG, MEG) offrent des observations extrêmement intéressantes sur les corrélations probables entre cerveau et fonction. Néanmoins, elles ne peuvent établir des relations causales, l'étalon or dans le domaine de la recherche scientifique, puisqu'elles ne sont pas en mesure d’« intervenir » et de « manipuler » à volonté l'activité cérébrale elle-même, ni de mesurer le caractère, la direction et la magnitude des effets qui en dériveraient. C’est pourquoi à ce jour, la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est la seule technique non invasive qui, potentiellement, pourrait permettre de faire des inférences causales sur les fonctions neurocognitives en manipulant directement l’activité cérébrale (celle "atteignable" par la TMS). Cependant, la manipulation de cette activité requiert de disposer de l’IRM anatomique des sujets afin de cibler, via une interface de neuronavigation, la ou les zones à stimuler. Ce passage "obligé" par l’IMR anatomique a un coût temporel et financier. Si pour de nombreuses études fondamentales et cliniques, le recours à l’IRM anatomique est indispensable pour stimuler avec un degré de certitude satisfaisant la zone corticale cible, on peut penser que pour d’autres études, le recours à une IRM « canonique » paramétrable (« Template »), s’adaptant aux caractéristiques anatomiques crâniennes de chaque sujet, pourrait se révéler aussi fiable que le recours à l’IRM anatomique réelle, et beaucoup plus opérationnelle voire économique. Ce pourrait être le cas des études TMS où des critères « extérieurs » permettent d’attester que la zone ciblée est bien atteinte. L’objectif de ce projet de recherche est donc d’étudier la faisabilité et la validité d’une TMS neuronaviguée par IRM « virtuelle ».
Détection estimation conjointe des activités en IRM fonctionnelle - Projet soutenu par le Pôle en 2012
Florence FORBES, Lotfi CHAARI (LJK)
Michel DOJAT (GIN)
Philippe CIUCIU (NEUROSPIN CEA SACLAY)
L'objectif de cette étude est de proposer une solution innovante, basée sur une modélisation statistique bien fondée, à la détermination conjointe de l'activité neuronale et des mécanismes de vascularisation cérébrale en combinant des modalités d'imagerie qualitatives (de contraste) et quantitatives (paramétriques). Le travail consiste essentiellement à étudier les techniques d’analyse en composantes indépendantes pour identifier dans les signaux ASL (Arterial Spin Labelling) les composantes provenant de sources physiologiques telles que la respiration et le rythme cardiaque. Une fois identifiées, ces composantes physiologiques doivent être retirées du signal pour fournir un signal ASL décontaminé. Ce travail montre que les effets physiologiques affectent toutes les composantes du signal et ne sont de ce fait pas facile à extraire du signal sans risquer de retirer du signal utile.
