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Projet Etude des Signaux Physiologiques application à la Cognition et à l'Epilepsie (ESPaCE)
Animateur : Valérie Louis Dorr
Participants : Olivier Caspary, Thierry Cecchin, Steven Le Cam, Laurent Koessler , Valérie Louis-Dorr, Louis Maillard, Romain Postoyan, Radu Ranta, Eric Ternisien, Hervé Vespignani, Jean-Pierre Vignal.

Objectifs

Les deux orientations stratégiques de ce projet sont :

Améliorer la compréhension, le diagnostic et le traitement des épilepsies partielles pharmacorésistantes;

Etudier les bases neurales de la mémoire de reconnaissance humaine et ses relations avec la voie visuelle ventrale.

Si la première orientation est à visée clinique directe, la seconde relève d'un questionnement à caractère systémique et fonctionnel. Ces deux objectifs sont toutefois intimement liés car l'épilepsie du lobe temporal est un modèle d'atteinte fonctionnelle sélective de la mémoire humaine.

Verrous scientifiques

Les modalités principales sont l'EEG de scalp et de profondeur appelée SEEG (StéréoElectroEncephalographie) car leur résolution temporelle (milliseconde) est à l'échelle des processus étudiés. Les dicultés scientiques sont de deux ordres et sont imbriquées. La première, plus fondamentale, est relative à la compréhension des processus hiérarchiques spatiodynamiques qui interagissent entre une stimulation visuelle et la mémoire de reconnaissance, ou entre les sources, et le réseau épileptogène engendré. La contribution électrophysiologique des diérentes structures du lobe temporal temporal et leurs interactions peuvent être également établies au travers de protocoles de stimulations électriques corticales appliquées en clinique ou de potentiels évoqués visuels. La seconde d'ordre méthodologique concerne la modélisation du système multi-échelle EEG et la résolution du problème direct et inverse scalp-profondeur (i.e. comment les sources se projettent elles sur le cuir chevelu et comment retrouver les sources situées en profondeur à partir uniquement des données d'EEG de scalp).

Les différentes actions à mener sont :

modéliser les milieux de propagation à travers des mesures in vivo des conductivités cerveau, os, peau via la stimulation électrique cérébrale, ce qui améliorera les solutions du problème direct (i.e. la modélisation des mesures de scalp en connaissant les sources et le milieu de propagation) et, par conséquent, apportera des connaissances supplémentaires à l'atlas anatomique. Les questions sur la modélisation et l'identication électrophysiologique concernent à la fois la propagation selon la morphologie des structures anatomiques traversées mais également la transmission physiologique en réseaux via les axones. Pour ces études, les stimulations électriques intracérébrales eectuées en clinique procurent un support expérimental intéressant car la source dans ce cas possède une localisation ponctuelle et précise et le signal généré est parfaitement déterministe,

contribuer à la résolution du problème inverse en améliorant son conditionnement à travers une étape de prétraitement (séparation de sources, débruitage par ondelettes) ainsi qu'en modélisant et introduisant des a prioris de plausibilité neurophysiologique (en utilisant l'inférence bayésienne et les résultats de l'étape précédente) an de restreindre les solutions du problème inverse admissibles.

concevoir et développer des électrodes EEG multi-échelles de profondeur et de surface compatibles avec les contraintes neurochirurgicales actuelles. Ceci dans le but d'améliorer la qualité des signaux enregistrés en EEG multi-échelles, d'améliorer le confort pour le patient et de respecter le niveau d'asepsie.

• l'étude des mécanismes cérébraux de la perception des visages chez l'Homme à partir d'enregistrements intra-cérébraux de neurones individuels et de populations de neurones doit permettre de définir les fonctions respectives et l'organisation intrinsèque des aires corticales distribuées dans le cortex occipito-temporal ventral

• exploiter les modèles macroscopiques de populations de neurones an de mieux comprendre les phénomènes de génération de source de synchronisation et de propagation des crises.

• recaler l'ensemble des modalités d'imagerie anatomique et fonctionnelle (IRM, PET-SCAN, CTSCAN, Imagerie de sources électriques, IRMf,. . . ) dans un même espace 3D individuel ou normé (Référentiel de Talairach ou MNI) , ce qui permettra (i) l'interprétation qualitative et quantitative de nos données neuroscientiques et (ii) la création d'un atlas probabiliste de structures labellisées utilisable pour formaliser des connaissances spatiales a priori. Ce problème de normalisation et de recalage spatial doit particulièrement être robuste vis à vis de la position des gyrus et sillons, a fortiori des méthodes locales de type traitement par bloc sont à préconiser contrairement à des méthodes globales,

Projets et Financements

PHRC National (2009), PIR CNRS (2010), Projet émergent Région Lorraine 2010, Ligue Française contre l'Epilepsie, Rotary, INSERM (bourse d'un an),CHU de Nancy, Bonus Qualité Recherche INPL (2010), Fédération pour la Recherche Clinique (2012), ANR JCJC SEPICOT (2012 Etude du réseau épileptique à l'aide de l'automatique), ANR SAMENTA CAUSA MAP 2012 (CAnnabis USe And MAgnocellular Processing), Projet innovant Région 2013, Comunauté Urbaine du Grand Nancy (2013), Fédération pour la Recherche sur le Creveau (2013).

Collaborations Nationales et internationales

Prétraitement et traitement de données EEG

  • LORIA (UHP), équipe Cortex : Laurent Bougrain
  • IECN (UHP) : Aurélie Muller Gueudin, Samy Tindel, Céline Lacaux
  • Nancy CloTEP et le service de Médecine Nucléaire (CHU Nancy) : Pierre-Yves Marie (PU-PH) ; Sylvain Poussier (IR) ; Gilles Karcher (PU-PH)
  • LTSI UMR INSERM: Fabrice Wendling (DR INSERM)
  • Programme ECOS (Mexico, Mexique) : Leija L. Cinvestav

Imagerie de source électrique des épilepsies et modélisation des milieux de propagation

  • Brain dynamic Institute (INSERM) et le service de neurophysiologie clinique de l'AP-HM, Marseille : Christian Bénar (CR), Jean-Michel Badier (IR), Martine Gavaret (MCU-PH), Fabrice Bartolomei (PU-PH), Patrick Chauvel PUPH
  • INRIA (Soa Antipolis) : M. Clerc DR INRIA(mesure de conductivité in vivo), Grégoire Malandain (Imagerie TEP) DR INRIA
  • Epilepsiezentrum (Universitätsklinikum Freiburg, Allemagne) : A. Schultze-Bonhage (PU-PH), Matthias Dümpelmann (CR), Georgia Ramantani (PH)
  • Service de neurochirurgie, CHU Nancy (S. Colnat-Coulbois)

Interaction discrimination visuelle-reconnaissance : vers un modèle représentationnel hiérarchique

  • CERCO (UMR CNRS, Toulouse) : Emmanuel Barbeau
  • Brain dynamic Institute (INSERM) et le service de neurophysiologie clinique de l'AP-HM, Marseille : Catherine Liégois Chauvel (DR)
  • Center for Cognitive and Systems Neuroscience (University of Louvain) : Bruno Rossion (reconnaissance des visages)
  • Service de Psychiatrie, CHU Nancy, Centre d'Investigation Clinique CIC-INSERM 9501: Raymund Schwann (PU-PH)et Vincent Laprévote (PH), psychiatres (santé mentale et addictions)
  • Université de Melbourne Department of Electrical and Electronic Engineering Dragan Nesic (Analysis and design of nonlinear sampled-data control systems

Plateformes techniques

La plate forme clinique EEG et SEEG du CHU de Nancy sur laquelle nous prélevons nos données de recherche comprend : 4 chambres EEG-vidéo numérique 64 canaux, 1024 Hz, 1 chambre SEEG-vidéo numérique 128 canaux, 1024 Hz, 2 stations de relecture des tracés, 1 bloc opératoire avec système de Neuronavigation (Brainlab) et Stéréotaxie (Leksell). Il existe également une plateforme de stimulations cognitives (Eprime 2.0) interfacée au système d'acquisition EEG-SEEG. Dans le bilan préchirurgical sont associées des données de types : IRM 1,5T et 3T, PET-Scan et tomoscintigraphe d'émission monophotonique (GE Healthcare).

EEG Haute Résolution du CRAN financée par l'Université Plate forme embarquée d'acquisition EEG haute résolution temporelle 5 ke/s et spatiale 256 canaux possédant un très bon rapport signal sur bruit. Ce système doit permettre de développer des outils de traitement du signal dans le domaine de la mémoire et de la cognition, basés sur les potentiels évoqués de scalp de haute résolution. Augmenter l'information mesurée en surface ne peut que favoriser la résolution du problème inverse et de fait améliorer les connaissances sur les processus fonctionnels cérébraux. Il est à noter que ce système est compatible et pourra être couplé aux acquisitions SEEG de profondeur selon l'emplacement disponible sur le scalp apprécié par le neurochirurgien.

Système d'acquisition micro-electrodes financée par la région Lorraine et la Fédération de Recherche sur le Cerveau : les électrodes spéciques micro/macro permettent d'enregistrer simultanément les potentiels de champ (SEEG) et l'activité neuronale unitaire. Ces enregistrements unitaires requièrent des amplicateurs de haute qualité et un système d'acquisition dédié.

Serveur de données pour l'archivage et la mise à disposition des données multi-centriques