Cross validation of experts versus registration methods for target localization in deep brain stimulation.

In the last five years, Deep Brain Stimulation (DBS) has become the most popular and effective surgical technique for the treatent of Parkinson's disease (PD). The Subthalamic Nucleus (STN) is the usual target involved when applying DBS. Unfortunately, the STN is in general not visible in common medical imaging modalities. Therefore, atlas-based segmentation is commonly considered to locate it in the images. In this paper, we propose a scheme that allows both, to perform a comparison between different registration algorithms and to evaluate their ability to locate the STN automatically. Using this scheme we can evaluate the expert variability against the error of the algorithms and we demonstrate that automatic STN location is possible and as accurate as the methods currently used.

Influence of the implanted pulse generator as reference electrode in finite element model of monopolar deep brain stimulation.

Electrical deep brain stimulation (DBS) is an efficient method to treat movement disorders. Many models of DBS, based mostly on finite elements, have recently been proposed to better understand the interaction between the electrical stimulation and the brain tissues. In monopolar DBS, clinically widely used, the implanted pulse generator (IPG) is used as reference electrode (RE). In this paper, the influence of the RE model of monopolar DBS is investigated. For that purpose, a finite element model of the full electric loop including the head, the neck and the superior chest is used. Head, neck and superior chest are made of simple structures such as parallelepipeds and cylinders. The tissues surrounding the electrode are accurately modelled from data provided by the diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI). Three different configurations of RE are compared with a commonly used model of reduced size. The electrical impedance seen by the DBS system and the potential distribution are computed for each model. Moreover, axons are modelled to compute the area of tissue activated by stimulation. Results show that these indicators are influenced by the surface and position of the RE. The use of a RE model corresponding to the implanted device rather than the usually simplified model leads to an increase of the system impedance (+48%) and a reduction of the area of activated tissue (-15%).

Combination of diffusion tensor and functional magnetic resonance imaging during recovery from the vegetative state

Background: The rate of recovery from the vegetative state (VS) is low. Currently, little is known of the mechanisms and cerebral changes that accompany those relatively rare cases of good recovery. Here, we combined functional magnetic resonance imaging (fMRI) and diffusion tensor imaging (DTI) to study the evolution of one VS patient at one month post-ictus and again twelve months later when he had recovered consciousness. Methods fMRI was used to investigate cortical responses to passive language stimulation as well as task-induced deactivations related to the default-mode network. DTI was used to assess the integrity of the global white matter and the arcuate fasciculus. We also performed a neuropsychological assessment at the time of the second MRI examination in order to characterize the profile of cognitive deficits. Results: fMRI analysis revealed anatomically appropriate activation to speech in both the first and the second scans but a reduced pattern of task-induced deactivations in the first scan. In the second scan, following the recovery of consciousness, this pattern became more similar to that classically described for the default-mode network. DTI analysis revealed relative preservation of the arcuate fasciculus and of the global normal-appearing white matter at both time points. The neuropsychological assessment revealed recovery of receptive linguistic functioning by 12-months post-ictus. Conclusions: These results suggest that the combination of different structural and functional imaging modalities may provide a powerful means for assessing the mechanisms involved in the recovery from the VS.

Combination of diffusion tensor and functional magnetic resonance imaging during recovery from the vegetative state

Background: The rate of recovery from the vegetative state (VS) is low. Currently, little is known of the mechanisms and cerebral changes that accompany those relatively rare cases of good recovery. Here, we combined functional magnetic resonance imaging (fMRI) and diffusion tensor imaging (DTI) to study the evolution of one VS patient at one month post-ictus and again twelve months later when he had recovered consciousness. Methods fMRI was used to investigate cortical responses to passive language stimulation as well as task-induced deactivations related to the default-mode network. DTI was used to assess the integrity of the global white matter and the arcuate fasciculus. We also performed a neuropsychological assessment at the time of the second MRI examination in order to characterize the profile of cognitive deficits. Results: fMRI analysis revealed anatomically appropriate activation to speech in both the first and the second scans but a reduced pattern of task-induced deactivations in the first scan. In the second scan, following the recovery of consciousness, this pattern became more similar to that classically described for the default-mode network. DTI analysis revealed relative preservation of the arcuate fasciculus and of the global normal-appearing white matter at both time points. The neuropsychological assessment revealed recovery of receptive linguistic functioning by 12-months post-ictus. Conclusions: These results suggest that the combination of different structural and functional imaging modalities may provide a powerful means for assessing the mechanisms involved in the recovery from the VS.

Combination of diffusion tensor and functional magnetic resonance imaging during recovery from the vegetative state

Background: The rate of recovery from the vegetative state (VS) is low. Currently, little is known of the mechanisms and cerebral changes that accompany those relatively rare cases of good recovery. Here, we combined functional magnetic resonance imaging (fMRI) and diffusion tensor imaging (DTI) to study the evolution of one VS patient at one month post-ictus and again twelve months later when he had recovered consciousness. Methods fMRI was used to investigate cortical responses to passive language stimulation as well as task-induced deactivations related to the default-mode network. DTI was used to assess the integrity of the global white matter and the arcuate fasciculus. We also performed a neuropsychological assessment at the time of the second MRI examination in order to characterize the profile of cognitive deficits. Results: fMRI analysis revealed anatomically appropriate activation to speech in both the first and the second scans but a reduced pattern of task-induced deactivations in the first scan. In the second scan, following the recovery of consciousness, this pattern became more similar to that classically described for the default-mode network. DTI analysis revealed relative preservation of the arcuate fasciculus and of the global normal-appearing white matter at both time points. The neuropsychological assessment revealed recovery of receptive linguistic functioning by 12-months post-ictus. Conclusions: These results suggest that the combination of different structural and functional imaging modalities may provide a powerful means for assessing the mechanisms involved in the recovery from the VS.

Responders to Wide-Pulse, High-Frequency Neuromuscular Electrical Stimulation Show Reduced Metabolic Demand: A 31P-MRS Study in Humans.

Conventional (CONV) neuromuscular electrical stimulation (NMES) (i.e., short pulse duration, low frequencies) induces a higher energetic response as compared to voluntary contractions (VOL). In contrast, wide-pulse, high-frequency (WPHF) NMES might elicit-at least in some subjects (i.e., responders)-a different motor unit recruitment compared to CONV that resembles the physiological muscle activation pattern of VOL. We therefore hypothesized that for these responder subjects, the metabolic demand of WPHF would be lower than CONV and comparable to VOL. 18 healthy subjects performed isometric plantar flexions at 10% of their maximal voluntary contraction force for CONV (25 Hz, 0.05 ms), WPHF (100 Hz, 1 ms) and VOL protocols. For each protocol, force time integral (FTI) was quantified and subjects were classified as responders and non-responders to WPHF based on k-means clustering analysis. Furthermore, a fatigue index based on FTI loss at the end of each protocol compared with the beginning of the protocol was calculated. Phosphocreatine depletion (ΔPCr) was assessed using 31P magnetic resonance spectroscopy. Responders developed four times higher FTI's during WPHF (99 ± 37 ×103 N.s) than non-responders (26 ± 12 ×103 N.s). For both responders and non-responders, CONV was metabolically more demanding than VOL when ΔPCr was expressed relative to the FTI. Only for the responder group, the ∆PCr/FTI ratio of WPHF (0.74 ± 0.19 M/N.s) was significantly lower compared to CONV (1.48 ± 0.46 M/N.s) but similar to VOL (0.65 ± 0.21 M/N.s). Moreover, the fatigue index was not different between WPHF (-16%) and CONV (-25%) for the responders. WPHF could therefore be considered as the less demanding NMES modality-at least in this subgroup of subjects-by possibly exhibiting a muscle activation pattern similar to VOL contractions.

Proton magnetic resonance spectroscopy of the frontal, cingulate and perirolandic cortices and its relationship to skin conductance in patients with schizophrenia

The aim of the present study was to determine whether specific subgroups of schizophrenic patients, grouped according to electrodermal characteristics, show differences in the N-acetylaspartate/creatine plus choline (NAA / (Cr + Cho)) ratios in the frontal, cingulate and perirolandic cortices. Skin conductance levels (SCL) and skin conductance responses to auditory stimulation were measured in 38 patients with schizophrenia and in the same number of matched healthy volunteers (control). All subjects were submitted to multivoxel proton magnetic resonance spectroscopic imaging. When compared to the control group, patients presented significantly lower NAA / (Cr + Cho) ratios in the right dorsolateral prefrontal cortex (schizophrenia = 0.95 ± 0.03; control = 1.12 ± 0.04) and in the right (schizophrenia = 0.88 ± 0.02; control = 0.94 ± 0.03) and left (schizophrenia = 0.84 ± 0.03; control = 0.94 ± 0.03) cingulates. These ratios did not differ between electrodermally responsive and non-responsive patients. When patients were divided into two groups: lower SCL (less than the mean SCL of the control group minus two standard deviations) and normal SCL (similar to the control group), the subgroup with a lower level of SCL showed a lower NAA / (Cr + Cho) ratio in the left cingulate (0.78 ± 0.05) than the controls (0.95 ± 0.02, P < 0.05) and the subgroup with normal SCL (0.88 ± 0.03, P < 0.05). There was a negative correlation between the NAA / (Cr + Cho) ratio in the left cingulate of patients with schizophrenia and the duration of the disease and years under medication. These data suggest the existence of a schizophrenic subgroup characterized by low SCL that could be a consequence of the lower neuronal viability observed in the left cingulate of these patients.

NAA and NAAG variation in neuronal activation during visual stimulation

N-acetyl-aspartyl-glutamate (NAAG) and its hydrolysis product N-acetyl-L-aspartate (NAA) are among the most important brain metabolites. NAA is a marker of neuron integrity and viability, while NAAG modulates glutamate release and may have a role in neuroprotection and synaptic plasticity. Investigating on a quantitative basis the role of these metabolites in brain metabolism in vivo by magnetic resonance spectroscopy (MRS) is a major challenge since the main signals of NAA and NAAG largely overlap. This is a preliminary study in which we evaluated NAA and NAAG changes during a visual stimulation experiment using functional MRS. The paradigm used consisted of a rest period (5 min and 20 s), followed by a stimulation period (10 min and 40 s) and another rest period (10 min and 40 s). MRS from 17 healthy subjects were acquired at 3T with TR/TE = 2000/288 ms. Spectra were averaged over subjects and quantified with LCModel. The main outcomes were that NAA concentration decreased by about 20% with the stimulus, while the concentration of NAAG concomitantly increased by about 200%. Such variations fall into models for the energy metabolism underlying neuronal activation that point to NAAG as being responsible for the hyperemic vascular response that causes the BOLD signal. They also agree with the fact that NAAG and NAA are present in the brain at a ratio of about 1:10, and with the fact that the only known metabolic pathway for NAAG synthesis is from NAA and glutamate.

Représentation corticale de la mémoire à court-terme tactile chez l'humain pour une stimulation de la main : étude par magnétoencéphalographie

L'activité cérébrale, reliée spécifiquement à la rétention d'information en mémoire à court-terme tactile, a été investiguée à l'aide de l'enregistrement des champs magnétiques produits par l'activité neuronale générée durant la période de rétention par une tâche de mémoire tactile. Une, deux, trois ou quatre positions, sur une possibilité de huit sur les phalangines et les phalangettes, de la main gauche ou droite, lors de blocs d'essai différents, ont été stimulées simultanément. Le patron de stimulation tactile devait être retenu pendant 1800 ms avant d'être comparé avec un patron test qui était, soit identique, soit différent par une seule position. Nos analyses se sont concentrées sur les régions du cerveau qui montraient une augmentation monotone du niveau d'activité soutenu durant la période de rétention pour un nombre croissant de positions à retenir dans le patron de stimulation. Ces régions ont plus de chance de participer à la rétention active de l'information à maintenir en mémoire à court-terme tactile. Le gyrus cingulaire (BA32), le gyrus frontal supérieur droit (BA 8), le precuneus gauche (BA 7, 19), le gyrus postcentral gauche (BA 7), le gyrus precentral droit (BA 6), le gyrus frontal supérieur gauche (BA 6) et le lobule pariétal inférieur droit (BA 40) semblent tous impliqués dans un réseau mnésique qui maintient les informations sensorielles tactiles dans un système de mémoire à court-terme spécialisé pour l'information tactile.

Microstructural and metabolic changes in the brains of concussed athletes

Les commotions cérébrales ont longtemps été considérées comme une blessure ne comportant que peu ou pas de conséquences. Cependant, la mise à la retraite forcée de plusieurs athlètes de haut niveau, liée au fait d'avoir subi des commotions cérébrales multiples, a porté cette question au premier plan de la culture scientifique et sportive. Malgré la sensibilisation croissante du public et la compréhension scientifique accrue des commotions cérébrales, il reste encore beaucoup d’inconnus au sujet de ces blessures. En effet, il est difficile de comprendre comment cette atteinte peut avoir des effets si profonds malgré le fait qu’elle n’entraîne apparemment pas de conséquences physiques apparentes lorsque les techniques traditionnelles d’imagerie cérébrale sont utilisées. Les techniques de neuroimagerie fonctionnelle ont cependant contribué à répondre aux nombreuses questions entourant les conséquences des commotions cérébrales ainsi qu'à accroître la compréhension générale de la physiopathologie de commotions cérébrales. Bien que les techniques de base telles que l'imagerie structurelle comme les scans TC et IRM soient incapables de détecter des changements structurels dans la grande majorité des cas (Ellemberg, Henry, Macciocchi, Guskiewicz, & Broglio, 2009; Johnston, Ptito, Chankowsky, & Chen, 2001), d'autres techniques plus précises et plus sensibles ont été en mesure de détecter avec succès des changements dans le cerveau commotionné. Des études d’IRM fonctionelle ont entre autres établi une solide relation entre les altérations fonctionnelles et les symptômes post-commotionels (Chen, Johnston, Collie, McCrory, & Ptito, 2007; Chen et al., 2004; Chen, Johnston, Petrides, & Ptito, 2008; Fazio, Lovell, Pardini, & Collins, 2007). Les mesures électrophysiologiques telles que les potentiels évoqués cognitifs (ERP) (Gaetz, Goodman, & Weinberg, 2000; Gaetz & Weinberg, 2000; Theriault, De Beaumont, Gosselin, Filipinni, & Lassonde, 2009; Theriault, De Beaumont, Tremblay, Lassonde, & Jolicoeur, 2010) et la stimulation magnétique transcrânienne ou SMT (De Beaumont, Brisson, Lassonde, & Jolicoeur, 2007; De Beaumont, Lassonde, Leclerc, & Theoret, 2007; De Beaumont et al., 2009) ont systématiquement démontré des altérations fonctionnelles chez les athlètes commotionnés. Cependant, très peu de recherches ont tenté d'explorer davantage certaines conséquences spécifiques des commotions cérébrales, entre autres sur les plans structural et métabolique. La première étude de cette thèse a évalué les changements structurels chez les athlètes commotionnés à l’aide de l'imagerie en tenseur de diffusion (DTI) qui mesure la diffusion de l'eau dans la matière blanche, permettant ainsi de visualiser des altérations des fibres nerveuses. Nous avons comparé les athlètes commotionnés à des athlètes de contrôle non-commotionnés quelques jours après la commotion et de nouveau six mois plus tard. Nos résultats indiquent un patron constant de diffusion accrue le long des voies cortico-spinales et dans la partie du corps calleux reliant les régions motrices. De plus, ces changements étaient encore présents six mois après la commotion, ce qui suggère que les effets de la commotion cérébrale persistent bien après la phase aiguë. Les deuxième et troisième études ont employé la spectroscopie par résonance magnétique afin d'étudier les changements neurométaboliques qui se produisent dans le cerveau commotionné. La première de ces études a évalué les changements neurométaboliques, les aspects neuropsychologiques, et la symptomatologie dans la phase aiguë post-commotion. Bien que les tests neuropsychologiques aient été incapables de démontrer des différences entre les athlètes commotionnés et non-commotionnés, des altérations neurométaboliques ont été notées dans le cortex préfrontal dorsolatéral ainsi que dans le cortex moteur primaire, lesquelles se sont avérées corréler avec les symptômes rapportés. La deuxième de ces études a comparé les changements neurométaboliques immédiatement après une commotion cérébrale et de nouveau six mois après l’atteinte. Les résultats ont démontré des altérations dans le cortex préfrontal dorsolatéral et moteur primaire dans la phase aiguë post-traumatique, mais seules les altérations du cortex moteur primaire ont persisté six mois après la commotion. Ces résultats indiquent que les commotions cérébrales peuvent affecter les propriétés physiques du cerveau, spécialement au niveau moteur. Il importe donc de mener davantage de recherches afin de mieux caractériser les effets moteurs des commotions cérébrales sur le plan fonctionnel.

Modulation de l'apprentissage visuel par stimulation électrique transcrânienne à courant direct du cortex préfrontal

Le traitement visuel répété d’un visage inconnu entraîne une suppression de l’activité neuronale dans les régions préférentielles aux visages du cortex occipito-temporal. Cette «suppression neuronale» (SN) est un mécanisme primitif hautement impliqué dans l’apprentissage de visages, pouvant être détecté par une réduction de l’amplitude de la composante N170, un potentiel relié à l’événement (PRE), au-dessus du cortex occipito-temporal. Le cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) influence le traitement et l’encodage visuel, mais sa contribution à la SN de la N170 demeure inconnue. Nous avons utilisé la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SETCD) pour moduler l’excitabilité corticale du CPDL de 14 adultes sains lors de l’apprentissage de visages inconnus. Trois conditions de stimulation étaient utilisées: inhibition à droite, excitation à droite et placebo. Pendant l’apprentissage, l’EEG était enregistré afin d’évaluer la SN de la P100, la N170 et la P300. Trois jours suivant l’apprentissage, une tâche de reconnaissance était administrée où les performances en pourcentage de bonnes réponses et temps de réaction (TR) étaient enregistrées. Les résultats indiquent que la condition d’excitation à droite a facilité la SN de la N170 et a augmentée l’amplitude de la P300, entraînant une reconnaissance des visages plus rapide à long-terme. À l’inverse, la condition d’inhibition à droite a causé une augmentation de l’amplitude de la N170 et des TR plus lents, sans affecter la P300. Ces résultats sont les premiers à démontrer que la modulation d’excitabilité du CPDL puisse influencer l’encodage visuel de visages inconnus, soulignant l’importance du CPDL dans les mécanismes d’apprentissage de base.

La stimulation magnétique transcrânienne et la stimulation électrique fonctionnelle : des outils émergents au secours des cliniciens

Travail d'intégration présenté à Dorothy Barthélemy en vue de l’obtention du grade de Maîtrise professionnelle en physiothérapie

La stimulation du nerf vague pour le traitement de la dépression réfractaire : les résultats après un an de suivi

La stimulation du nerf vague (SNV) a reçu l’approbation de Santé Canada en 2001, comme en Europe, pour le traitement de la dépression réfractaire et en 2005 aux États-Unis. Les études européennes et américaines rapportent un taux de réponse de 50% et de rémission de 30% après un an de traitement. La sélection des patients, encadrée par la recherche de marqueurs biologiques et des critères de résistance, pourrait contribuer à améliorer les taux de réponse. Cette étude décrit le suivi des patients ambulatoires souffrant de dépression réfractaire, d’un spectre unipolaire ou bipolaire (n=13) sous SNV. Une révision exhaustive de l’histoire médicale et thérapeutique précède une évaluation clinique intensive. Si un consensus d’équipe est obtenu, une investigation clinique à la recherche des marqueurs biologiques est effectuée. Ceci inclut une tomographie par émission de photons simples (SPECT), une tomographie par émission de positrons (TEP), une formule sanguine complète, un test de suppression à la dexaméthasone (DST), une collecte d’urine 24h (catécholamines et cortisol), une polysomnographie et une évaluation neuropsychologique abrégée. Après 1 an de traitement, 61,5% (8/13) des patients ont atteint le seuil de réponse (diminution de 50% des symptômes), dont 87.5% (7/8) en rémission. Les patients diagnostiqués d’un trouble bipolaire, présentant un DST anormal et/ou avec déficits cognitifs ont répondu au traitement et poursuivent leur rémission après 2 ans. Une sélection minutieuse des patients pour le SNV serait une méthode efficace pour traiter les dépressions réfractaires, notamment pour prévenir les rechutes, amenant un état euthymique durable pour la plupart des patients.

Les effets de la stimulation électrique transcrânienne à courant direct appliquée au cortex somatosensoriel primaire sur la perception vibrotactile

La stimulation électrique transcrânienne à courant direct (tDCS) est une technique non invasive de neuromodulation qui modifie l’excitabilité corticale via deux grosses électrodes de surface. Les effets dépendent de la polarité du courant, anodique = augmentation de l’excitabilité corticale et cathodique = diminution. Chez l’humain, il n’existe pas de consensus sur des effets de la tDCS appliquée au cortex somatosensoriel primaire (S1) sur la perception somesthésique. Nous avons étudié la perception vibrotactile (20 Hz, amplitudes variées) sur le majeur avant, pendant et après la tDCS appliquée au S1 controlatéral (anodale, a; cathodale, c; sham, s). Notre hypothèse « shift-gain » a prédit une diminution des seuils de détection et de discrimination pour la tDCS-a (déplacement vers la gauche de la courbe stimulus-réponse et une augmentation de sa pente). On attendait les effets opposés avec la tDCS-c, soit une augmentation des seuils (déplacement à droite et diminution de la pente). Chez la majorité des participants, des diminutions des seuils ont été observées pendant et immédiatement suivant la tDCS-a (1 mA, 20 min) en comparaison à la stimulation sham. Les effets n’étaient plus présents 30 min plus tard. Une diminution du seuil de discrimination a également été observée pendant, mais non après la tDCS-c (aucun effet pour détection). Nos résultats supportent notre hypothèse, uniquement pour la tDCS-a. Une suite logique serait d’étudier si des séances répétées de tDCS-a mènent à des améliorations durables sur la perception tactile. Ceci serait bénéfique pour la réadaptation sensorielle (ex. suite à un accident vasculaire cérébral).

Le concept de double-usage de la recherche : un outil diagnostique de l’analyse éthique des risques associés aux usages neuroamélioratifs de la recherche en neurosciences

Les technologies de stimulations transcrâniennes – tel que la tDCS ou la TMS – présentent à l’heure actuelle d’intéressantes perspectives thérapeutiques, tout comme diverses améliorations cognitives chez le sujet « non-malade » dont découlent des applications neuroamélioratives, plus ou moins imminentes, en dehors du cadre clinique ou investigatoire. Est proposé ici d’analyser les risques associés à ces applications, détournées des objectifs premiers de recherche, et aux préoccupations éthiques qui les accompagnent (autonomie, justice, intégrité physique), via un concept généralement associé aux recherches avec des perspectives de sécurité nationale et associées à un niveau de risque élevé. Révisant la trivialité d’une définition dichotomique aux usages « bons » et « mauvais », est proposé d’étendre le concept de « double-usage » pour l’appliquer à la neuroamélioration comme un mésusage de la recherche en neurosciences. Faisant référence au conflit entre, d’une part, le respect de la liberté académique et, d’autre part, la protection de la sécurité et de la santé publique, ce concept s’avère être un outil diagnostique pertinent pour l’évaluation des risques associés à l’usage mélioratif desdites technologies, et plus particulièrement de la tDCS, afin d’alimenter la réflexion sur la régulation de ces dispositifs en amont de leur utilisation, selon un principe de précaution inhérent au double-usage de la recherche. Ce concept permet ainsi de réfléchir à la mise en place d’une gouvernance proactive et contextualisée impliquant une responsabilité partagée d’un large panel d’acteurs, nécessaire au vu des avancées rapides du domaine des neurosciences et de l’imminence de l’arrivée sur le marché de ces dispositifs.