Marquant une étape importante sur la voie de la réalisation des objectifs de l'initiative NIH BRAIN, la recherche du chef du département de génie biomédical de Carnegie Mellon, Bin He, avance l'électroencéphalographie à haute densité (EEG) en tant que futur paradigme de la neuroimagerie fonctionnelle dynamique.
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L'initiative NIH Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) motive les chercheurs à « produire une nouvelle image dynamique révolutionnaire du cerveau qui, pour la première fois, montre comment les cellules individuelles et les circuits neuronaux complexes interagissent à la fois dans le temps et dans l'espace ».
Une technique idéale pour l'imagerie fonctionnelle du cerveau humain – l'une des principales priorités de l'initiative – représenterait l'activité cérébrale avec une résolution temporelle élevée, une résolution spatiale élevée et une large couverture spatiale.
Carnegie Mellon's He a fait un grand pas en avant dans le domaine de la neuroimagerie fonctionnelle. Une étude financée par les NIH, qui dure plusieurs années et examine des dizaines de patients atteints d'épilepsie, a produit une nouvelle technologie d'imagerie source qui utilise des enregistrements EEG haute densité pour cartographier les réseaux cérébraux sous-jacents.
Publiée dans Nature Communications, cette recherche est un grand pas vers l'établissement de la capacité à l'image dynamique du fonctionnement et du dysfonctionnement du cerveau humain. Cela pourrait fournir des informations importantes sur où et comment le traitement sous-jacent de l'information se produit.
L'EEG est depuis longtemps l'une des méthodes fonctionnelles les plus efficaces disponibles pour la cartographie du cerveau humain. Il prend des lectures en quelques millisecondes, mais la technologie a encore du mal à déterminer l'étendue spatiale de l'activité dans le cerveau.
L'approche proposée par lui et son équipe peut estimer avec précision pour la première fois la taille et l'étendue des zones actives dans le cerveau à l'aide d'EEG haute densité, ainsi que les interactions entre les régions qui sont fonctionnellement liées. Leurs résultats ont été validés à l'aide d'enregistrements cliniques effectués à la clinique Mayo, analysant un total de 1 027 pointes EEG et 86 crises enregistrées chez 36 patients.
La méthode de l'équipe, qualifiée de technique rapide spatio-temporelle de rééquilibrage itératif des bords (FAST-IRES), utilise l'apprentissage automatique pour estimer objectivement les sources et l'activité des signaux qui varient dans le temps. Contrairement aux techniques d'imagerie antérieures, il ne nécessite aucun algorithme ad hoc ou intervention humaine pour déterminer l'étendue de la source et ne nécessite que des contributions minimales et intuitives de la part des médecins.
FAST-IRES pourrait avoir un impact majeur sur la recherche et le traitement de divers troubles neurologiques et mentaux comme la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson, les accidents vasculaires cérébraux, la douleur chronique et même la dépression. Cependant, cette méthode a un impact unique et le plus immédiat pour ceux qui souffrent d'épilepsie résistante aux médicaments.
Environ un pour cent de la population mondiale souffre d'épilepsie et environ un tiers des cas sont résistants aux médicaments, nécessitant une intervention chirurgicale. Pourtant, jusqu'à présent, aucune modalité d'imagerie non invasive actuelle n'a la spécificité spatiale pour déterminer avec précision la zone épileptogène (EZ), qui représente la quantité minimale de tissu qui doit être retirée pour arrêter les crises.
« En analysant les réseaux d'épilepsie avec notre cadre FAST-IRES proposé, nous avons démontré que l'EZ peut être déterminé de manière objective et non invasive avec une grande précision à partir des enregistrements EEG haute densité du cuir chevelu », ont écrit He et ses co-auteurs.
Ces résultats ont été validés par rapport aux lectures des enregistrements intracrâniens invasifs conventionnels et aux résultats chirurgicaux de chaque patient, prouvant l'efficacité de FAST-IRES.
L'étude marque également l'une des premières utilisations d'EEG haute densité pour étudier les crises d'épilepsie. La technologie d'imagerie plus puissante, contenant plus du double des électrodes généralement utilisées en milieu clinique, est désormais disponible pour les patients traités à la clinique Mayo. Il pense qu'au cours des cinq prochaines années, la méthodologie FAST-IRES commencera à avoir un impact sur la façon dont nous comprenons un certain nombre de troubles neurologiques.
Ce travail démontre que l'imagerie source EEG peut devenir le paradigme non invasif à haute résolution spatiale et temporelle pour la technologie d'imagerie du cerveau humain, un objectif important de l'initiative BRAIN. «
Bin He, Carnegie Mellon
Il a été membre du groupe de travail multi-conseil du NIH BRAIN de 2015 à 2019.
Ses recherches peuvent changer la vie de ceux qui souffrent d'épilepsie et pourraient profiter aux chercheurs et aux médecins dans le domaine de la neurologie, de la neurochirurgie et des neurosciences humaines. Ce travail rapproche le NIH et la communauté scientifique d'une nouvelle image révolutionnaire et dynamique du cerveau.
Sources:
Collège d'ingénierie, Université Carnegie Mellon
