Le Living Brain dans la Chirurgie de l'Epilepsie

 

Etude du rôle de la modélisation large échelle des réseaux épileptogènes dans

le pronostic de la chirurgie de l’épilepsie

Qu'est-ce que l'Epilepsie ?

L'épilepsie désigne une maladie, mais représente avant tout un ensemble de troubles neurologiques chroniques qui partagent une caractéristique commune : des crises épileptiques répétées. Environ 50 millions de personnes dans le monde souffrent d'épilepsie, ce qui en fait l'une des maladies neurologiques les plus répandues. En France, sa prévalence est d’environ un pourcent de la population. Son incidence est un peu plus élevée chez les enfants et les personnes âgées.

L'épilepsie est l'une des plus anciennes maladies reconnues au monde, avec des écrits datant de 4000 avant JC. Les patients souffrent non seulement de crises de convulsion répétées, mais aussi de troubles cognitifs associés (tels que des problèmes de mémoire ou de concentration) et de troubles émotionnels ou psychologiques (tels que la dépression et l'anxiété). Ces derniers ont une incidence considérable sur la vie familiale, la scolarisation et l'emploi, et contribuent à une moins bonne qualité de vie pour de nombreuses personnes. La peur, l'incompréhension, la discrimination et la stigmatisation sociale entourent encore l'épilepsie de nos jours.

Les Crises Epileptiques

Les crises d'épilepsie sont évoquées par une activité électrique excessive et anormale dans le cortex cérébral. L’observation clinique des crises renseigne sur la région cérébrale initialement à l’origine de la crise et éventuellement sur sa propagation à d’autres régions.
Les crises peuvent impliquer une perte de conscience, des perturbations du mouvement, des hallucinations, des troubles de l'humeur… Elles peuvent être plus ou moins invalidantes pour la personne épileptique.

Chez certains patients, les crises peuvent être déclenchées par des situations telles que:

  • le manque de sommeil
  • le stress
  • la maladie ou fièvre
  • le non-respect du traitement médicamenteux anti-épileptique
  • la consommation de caféine, alcool ou drogues
  • les lumières vives ou clignotantes

Les Causes de l'Epilepsie

L'épilepsie n'est pas contagieuse. Sa cause peut souvent être inconnue mais chez certaines personnes, elle peut être la conséquence de:

  • lésions cérébrales dues à des atteintes prénatales ou périnatales (comme un manque d'oxygénation à la naissance)
  • malformations cérébrales congénitales
  • conditions génétiques
  • accidents vasculaires cérébraux
  • infections du cerveau (méningite, encéphalite…)
  • tumeurs au cerveau


Le diagnostic de l'épilepsie est généralement fait sur la base de la description des crises, accompagnée d'un électroencéphalogramme (EEG) qui permet de rechercher les possibles profils anormaux des rythmes cérébraux. Des études de neuro-imagerie (scanner ou IRM) sont souvent réalisées pour observer la structure du cerveau. La surveillance vidéo associée à l’EEG peut être utile dans les cas difficiles afin d’observer et d’enregistrer la manifestation des crises.

Autour de 70 pourcent des patients épileptiques sont traités avec succès (c.-à-d., leurs crises sont complètement contrôlées) par des médicaments anti-épileptiques. Pour les patients qui ne répondent pas suffisamment au traitement médicamenteux, la neurochirurgie peut quelquefois être bénéfique. Pour n'importe quel candidat à la chirurgie de l'épilepsie, le facteur critique dans la décision sur la stratégie de traitement est d’estimer correctement les chances de succès d’une opération chirurgicale. Cela dépend de nombreux facteurs, notamment la cause de l'épilepsie, la région du cerveau impliquée et la durée de l'épilepsie.

Même si les médecins essaient d’estimer la probabilité d'une chirurgie réussie, aucune procédure standardisée n'existe actuellement pour combiner les divers facteurs pronostiques pour un patient donné. Cela augmente l’incertitude à l’échelle de l’individu dans la prédiction de l’efficacité de la chirurgie. Ceci est le défi que le projet EPINOV aborde.

Modélisation du Cerveau à Grande Echelle

On considère que le fonctionnement cérébral humain émerge de l'interaction de réseaux neuronaux, à plusieurs échelles spatiales et sous des contraintes temporelles.

Dans les années 2000, les recherches sur les simulations de réseaux de neurones se focalisaient principalement sur les niveaux microscopiques et mésoscopiques. En 2005, un nouveau domaine de recherche, dénommé « connectomique » a vu le jour et a permis de produire des cartographies détaillées du câblage entre les structures corticales et sous-corticales.

La modélisation du cerveau à grande échelle a pour but d’étudier les liens entre la connectivité structurelle et la connectivité fonctionnelle et de fournir une meilleure compréhension de la  dynamique des réseaux.

Le Cerveau Virtuel

A la fin des années 2000, les chercheurs en neurosciences ont senti le besoin de développer une approche efficace et modulable permettant d’adresser l’organisation cérébrale au niveau macroscopique afin de simuler, reproduire et approfondir l’immense répertoire des activités et des dynamiques cérébrales.

Cette démarche a donné naissance au Cerveau Virtuel (The Virtual Brain, TVB), environnement neuro-informatique de virtualisation des structures et fonctions cérébrales. TVB combine l‘information structurelle de cerveaux individuels en 3D et la simulation de l’activité du réseau neuronal.

Initialement conçu comme un outil puissant de recherche, le cerveau virtuel offre la possibilité d’utiliser le Big Data et de tester des théories avancées sur la dynamique cérébrale. Le Cerveau Virtuel (TVB) est une partie intégrante du Human Brain Project.

Le cerveau virtuel sait évaluer de manière systématique les paramètres biophysiques afin de refléter les spécificités de chaque individu.

Cette approche de recherche s’étend naturellement aux applications cliniques car elle permet l’évaluation de paramètres biophysiques prédisant des pronostics cliniques, ce qui permet d’affronter les limites actuelles dans le traitement des maladies neurologiques telles que l’épilepsie.

Le Partenariat EPINOV

Le projet EPINOV est l'un des dix projets retenus dans le cadre du troisième appel à projets « Recherche Hospitalo-Universitaire en santé » (RHU), lancé à l'occasion de la 3ème édition du "Plan d'Investissements d'Avenir" (PIA3) piloté par le gouvernement français et opéré par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) (référence: ANR-17-RHUS-0004).

 

 

Les Partenaires

Le projet EPINOV s’appuie sur un partenariat public-privé coordonné par une institution académique, L’Université d’Aix-Marseille (AMU), et composé d’un partenaire industriel, Dassault Systèmes, de deux établissements de santé publics, l’Assistance Publique - Hôpitaux de Marseille (AP-HM) et les Hospices Civils de Lyon (HCL), ainsi que d’un organisme de recherche publique, l’Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM).

Au-delà de ces cinq partenaires, l’essai clinique multicentrique conduit dans le projet EPINOV rassemblera les principaux centres hospitaliers experts en épilepsie et neurochirurgie localisés à Marseille, Lyon, Lille, Strasbourg, Paris, Grenoble, Bordeaux, Toulouse, Nancy et Rennes.

L'expertise

Ce consortium pluridisciplinaire regroupe des experts reconnus combinant des savoir-faire uniques dans le domaine de l’épilepsie, de la chirurgie, de la neuro-imagerie et de l’analyse du signal, la neuro-informatique et le développement logiciel, mais également dans la statistique et la gestion de protocoles de recherche clinique Le projet EPINOV est coordonné par le professeur Fabrice BARTOLOMÉÏ, professeur de neurologie à l’AMU, praticien hospitalier, chef de service neurophysiologie et épileptologie à l'hôpital de La Timone.

L'Infrastructure

La recherche faite dans le cadre du projet EPINOV est rendue possible par des technologies de pointe comme un cluster de haute performance dédié à la modélisation neuronale, le logiciel de Cerveau Virtuel, une plateforme de MEG, des systèmes d’imagerie IRM 3T et 7T (le seul système 7T installé dans un hôpital en France), des unités de neurophysiologie cliniques expertes en enregistrements EEG stéréotaxiques (sEEG) à La Timone, ainsi qu’un centre de traitement de données cliniques certifié ECRIN.

Les Objectifs du Consortium

Le projet EPINOV vise à guider les stratégies chirurgicales pour améliorer le pronostic chirurgical de l'épilepsie en utilisant une nouvelle approche de modélisation et de simulation cérébrale informatisée à grande échelle basée sur les données de patients épileptiques individuels. Des études pilotes rétrospectives ont confirmé la faisabilité de cette approche et montré des résultats prometteurs quant à la prévisibilité des résultats chirurgicaux. Cette approche sera réalisée par:

  1. la réalisation d'un essai multicentrique impliquant les principaux centres français de chirurgie de l'épilepsie formés à l'utilisation de notre technologie neuro-informatique médicale de pointe; 
  2. développer une approche de simulation basée sur le cerveau virtuel.

Modéliser l'Epilepsie

Phénoménologiquement, une crise d’épilepsie est décrite par un épisode plus ou moins long de décharge neuronale à haute fréquence. Afin de modéliser et de mieux décrire ces décharges épileptiques, les neuroscientifiques du projet EPINOV ont développé un nouveau modèle mathématique qui peut prédire en détail les propriétés des crises. Ce modèle décrit les activités électriques rapides avant, pendant et après les crises épileptiques. Le modèle postule l’existence d’une variable de dynamique lente, qui reste à identifier.

L’analyse mathématique des décharges épileptiques permet de classifier et de prédire les types de crises, ce qui souligne l’importance des recherches théoriques dans le but de comprendre le fonctionnement et les dysfonctionnements du cerveau.

Avec l’objectif de générer des cerveaux virtuels personnalisés de patients épileptiques, les partenaires du projet EPINOV ont fusionné l’approche du cerveau virtuel basé sur la connectivité avec ce modèle mathématique et des méthodes d’ajustement de données, afin de créer le Cerveau Virtuel Epileptique (VEP).

Les simulations du VEP, l’ajustement de données et l’analyse mathématique permettent de prédire la zone et le mode de propagation des crises d’épilepsie les plus probables dans le cerveau de chaque patient, ce qui offre la possibilité d’explorer des stratégies d’intervention cérébrale personnalisées.

Dans le cadre de l’essai clinique déployé dans le projet EPINOV, notre consortium évaluera l’apport du VEP en tant qu’outil d’aide à la décision permettant de guider une stratégie chirurgicale optimale et ainsi pouvoir améliorer les résultats chirurgicaux dans l’épilepsie réfractaire, au niveau de chaque patient.

Journée de Lancement

La journée de lancement du projet EPINOV a eu lieu les 8 et 9 janvier 2018 et a rassemblé les partenaires EPINOV et l'ANR. Ci-dessous les principaux chercheurs, leaders de work-packages et responsables académiques. 

De gauche à droite: Maxime GUYE, Charlie BARLA, Olivier BLIN, Denis BERTIN, Fabrice BARTOLOMEÏ, Viktor JIRSA, Sylvain RHEIMS, Christian-Georges BÉNAR, William SAURIN et Dominique NOBILE.

Couverture Médiatique

 

Accédez à la press release de sélection de l'ANR ainsi que d'autres apparitions du projet dans la presse. 

 

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Aller plus loin

 

Lisez l'article Médecine de Précision sur le Compass Mag.

 

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