Study of the Hemodynamic Response to Interictal Epileptiform Discharges in Human Epilepsy Using Functional Near Infrared Spectroscopy

RÉSUMÉ L'imagerie spectroscopique proche infrarouge fonctionnelle (ISPIf) s'est imposée comme technique d’imagerie neuronale prometteuse. Cette dernière permet une surveillance non invasive de l'évolution chronique de l'activité hémodynamique corticale. Durant la dernière décennie, ISPIf combiné avec l'électroencéphalographie (EEG) a été appliqué dans le contexte de l'épilepsie humaine, et a permi d’explorer le lien entre l’activité neurale et hémodynamique. Cependant, la plupart des travaux antérieurs sont uniquement axés sur l'étude des crises d'épilepsie qui sont aléatoires et se produisent rarement pendant un test de l’EEG-ISPIf. Cette thèse cherche à évaluer la capacité de l'EEG-ISPIf à observer les changements hémodynamiques associés aux décharges épileptiformes intercritiques (DEIs), et à déterminer si ces DEIs peuvent également être utilisés pour extraire de l'information additionnelle servant à la localisation du site d’un foyer épileptique. En se basant sur des données multimodales EEG-ISPIf recueillies sur un grand échantillon de patients (40), combiné à l'utilisation d'un modèle linéaire généralisé (MLG), une première étude a permis la quantification préliminaire de la sensibilité et la spécificité de la technique en utilisant la détection des zones cérébrales activées par des DEIs pour la localisation de la région du foyer épileptique. Dans un sous-groupe de 29 patients atteints au niveau de la région néocorticale, lorsque mesuré durant des évènements de DEIs, des diminutions de la concentration d’hémoglobine désoxygénée (HbR) (chez 62% des sujets) et des augmentations de la concentration de l’hémoglobine oxygénée (HbO) (chez 38% des sujets) ont été observées. De plus, cette variation en HbR et HbO était significativement plus forte dans la région du foyer épileptique (qui donc pourrait conduire à une localisation du foyer épileptique) dans 28% / 21% des patients. Ces estimations modestes de la sensibilité et de la spécificité suggèrent que l'utilisation d'une fonction de réponse hémodynamique (FRH) canonique n’est pas optimale dans l’analyse des DEIs par MLG classique. Par conséquent, une seconde approche a été explorée dans le cadre d’une deuxième étude par modélisation des variations spécifiques à chaque patient dans la construction de la réponse hémodynamique associée aux DEIs. Un terme quadratique a également été ajouté au modèle pour tenir compte de la non-linéarité de la réponse associée à une fréquence plus élevée d’évènements lors de l'enregistrement. Ces nouveaux modèles ont d'abord été validés numériquement par simulations, avant d’être appliqués à l'analyse de données de cinq patients sélectionnés. Lorsque comparée à la FRH canonique, l'utilisation de la FRH spécifique au patient dans l'analyse MLG a non seulement amélioré considérablement les scores statistiques et les étendues spatiales des----------ABSTRACT Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) has emerged as a promising neuroimaging technique as it allows non-invasive and long-term monitoring of cortical hemodynamics. For the last decades, fNIRS combined with electroencephalography (EEG) has been applied in the context of human epilepsy, and has yielded good results. However, most previous work only focused on the study of epileptic seizures which are random and seldom occur during EEG-fNIRS testing. This thesis sought to evaluate the potential of EEG-fNIRS in observing the hemodynamic changes associated with interictal epileptiform discharges (IEDs), and to determine whether these IEDs can also be used to extract useful information in the localization of the epileptic focus site. Based on the EEG-fNIRS data collected from a relatively large number of patients (40) and using a standard general linear model (GLM) approach, the first study of this thesis provided preliminary estimates of the sensitivity and the specificity of EEG-fNIRS in detecting brain areas activated by IEDs and in localizing the epileptic focus region. In the 29 patients with neocortical epilepsies, significant deoxygenated hemoglobin (HbR) concentration decreases and oxygenated hemoglobin (HbO) concentration increases corresponding to IEDs were observed in 62% and 38% of patients respectively. This HbR/HbO response was most significant in the epileptic focus region among all the activations, and thus could lead to successful identification of the epileptic focus site in 28%/21% of the patients. These modest estimates of the sensitivity and the specificity suggested that using a standard GLM with a canonical hemodynamic response function (HRF) might not be the optimal method in the analysis of IEDs. Therefore, the second study of this thesis made a first attempt to model the patient-specific variations in the shape of the hemodynamic response to IEDs. A quadratic term was also added to the model to account for the nonlinearity in the response when frequent IEDs were present in the recording. The new models were first validated through carefully designed simulations, and were then applied in the data analysis of five selected patients. Compared with the canonical HRF, including patient-specific HRFs in the GLM analysis not only significantly improved the statistical scores and the spatial extents of existing activations, but also was able to detect new brain regions activated by IEDs on all of the five patients. These improvements in activation detection also helped obtain more accurate focus localization results in some cases

A Newcomer\u27s Guide to Functional Near Infrared Spectroscopy Experiments

This review presents a practical primer for functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) with respect to technology, experimentation, and analysis software. Its purpose is to jump-start interested practitioners considering utilizing a non-invasive, versatile, nevertheless challenging window into the brain using optical methods. We briefly recapitulate relevant anatomical and optical foundations and give a short historical overview. We describe competing types of illumination (trans-illumination, reflectance, and differential reflectance) and data collection methods (continuous wave, time domain and frequency domain). Basic components (light sources, detection, and recording components) of fNIRS systems are presented. Advantages and limitations of fNIRS techniques are offered, followed by a list of very practical recommendations for its use. A variety of experimental and clinical studies with fNIRS are sampled, shedding light on many brain-related ailments. Finally, we describe and discuss a number of freely available analysis and presentation packages suited for data analysis. In conclusion, we recommend fNIRS due to its ever-growing body of clinical applications, state-of-the-art neuroimaging technique and manageable hardware requirements. It can be safely concluded that fNIRS adds a new arrow to the quiver of neuro-medical examinations due to both its great versatility and limited costs

Apport de nouvelles techniques dans l’évaluation de patients candidats à une chirurgie d’épilepsie : résonance magnétique à haut champ, spectroscopie proche infrarouge et magnétoencéphalographie

L'épilepsie constitue le désordre neurologique le plus fréquent après les maladies cérébrovasculaires. Bien que le contrôle des crises se fasse généralement au moyen d'anticonvulsivants, environ 30 % des patients y sont réfractaires. Pour ceux-ci, la chirurgie de l'épilepsie s'avère une option intéressante, surtout si l’imagerie par résonance magnétique (IRM) cérébrale révèle une lésion épileptogène bien délimitée. Malheureusement, près du quart des épilepsies partielles réfractaires sont dites « non lésionnelles ». Chez ces patients avec une IRM négative, la délimitation de la zone épileptogène doit alors reposer sur la mise en commun des données cliniques, électrophysiologiques (EEG de surface ou intracrânien) et fonctionnelles (tomographie à émission monophotonique ou de positrons). La faible résolution spatiale et/ou temporelle de ces outils de localisation se traduit par un taux de succès chirurgical décevant. Dans le cadre de cette thèse, nous avons exploré le potentiel de trois nouvelles techniques pouvant améliorer la localisation du foyer épileptique chez les patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie d’épilepsie : l’IRM à haut champ, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) et la magnétoencéphalographie (MEG). Dans une première étude, nous avons évalué si l’IRM de haut champ à 3 Tesla (T), présentant théoriquement un rapport signal sur bruit plus élevé que l’IRM conventionnelle à 1,5 T, pouvait permettre la détection des lésions épileptogènes subtiles qui auraient été manquées par cette dernière. Malheureusement, l’IRM 3 T n’a permis de détecter qu’un faible nombre de lésions épileptogènes supplémentaires (5,6 %) d’où la nécessité d’explorer d’autres techniques. Dans les seconde et troisième études, nous avons examiné le potentiel de la SPIR pour localiser le foyer épileptique en analysant le comportement hémodynamique au cours de crises temporales et frontales. Ces études ont montré que les crises sont associées à une augmentation significative de l’hémoglobine oxygénée (HbO) et l’hémoglobine totale au niveau de la région épileptique. Bien qu’une activation contralatérale en image miroir puisse être observée sur la majorité des crises, la latéralisation du foyer était possible dans la plupart des cas. Une augmentation surprenante de l’hémoglobine désoxygénée a parfois pu être observée suggérant qu’une hypoxie puisse survenir même lors de courtes crises focales. Dans la quatrième et dernière étude, nous avons évalué l’apport de la MEG dans l’évaluation des patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie. Il s’est avéré que les localisations de sources des pointes épileptiques interictales par la MEG ont eu un impact majeur sur le plan de traitement chez plus des deux tiers des sujets ainsi que sur le devenir postchirurgical au niveau du contrôle des crises.Epilepsy is the most common chronic neurological disorder after stroke. The major form of treatment is long-term drug therapy to which approximately 30% of patients are unfortunately refractory to. Brain surgery is recommended when medication fails, especially if magnetic resonance imaging (MRI) can identify a well-defined epileptogenic lesion. Unfortunately, close to a quarter of patients have nonlesional refractory focal epilepsy. For these MRI-negative cases, identification of the epileptogenic zone rely heavily on remaining tools: clinical history, video-electroencephalography (EEG) monitoring, ictal single-photon emission computed tomography (SPECT), and a positron emission tomography (PET). Unfortunately, the limited spatial and/or temporal resolution of these localization techniques translates into poor surgical outcome rates. In this thesis, we explore three relatively novel techniques to improve the localization of the epileptic focus for patients with drug-resistant focal epilepsy who are potential candidates for epilepsy surgery: high-field 3 Tesla (T) MRI, near-infrared spectroscopy (NIRS) and magnetoencephalography (MEG). In the first study, we evaluated if high-field 3T MRI, providing a higher signal to noise ratio, could help detect subtle epileptogenic lesions missed by conventional 1.5T MRIs. Unfortunately, we show that the former was able to detect an epileptogenic lesion in only 5.6% of cases of 1.5T MRI-negative epileptic patients, emphasizing the need for additional techniques. In the second and third studies, we evaluated the potential of NIRS in localizing the epileptic focus by analyzing the hemodynamic behavior of temporal and frontal lobe seizures respectively. We show that focal seizures are associated with significant increases in oxygenated haemoglobin (HbO) and total haemoglobin (HbT) over the epileptic area. While a contralateral mirror-like activation was seen in the majority of seizures, lateralization of the epileptic focus was possible most of the time. In addition, an unexpected increase in deoxygenated haemoglobin (HbR) was noted in some seizures, suggesting possible hypoxia even during relatively brief focal seizures. In the fourth and last study, the utility of MEG in the evaluation of nonlesional drug-refractory focal epileptic patients was studied. It was found that MEG source localization of interictal epileptic spikes had an impact both on patient management for over two thirds of patients and their surgical outcome

Complexity Analysis on Functional-Near Infrared Spectroscopy Time Series: A Preliminary Study on Mental Arithmetic

It is well known that physiological systems show complex and nonlinear behaviours. In spite of that, functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is usually analyzed in the time and frequency domains with the assumption that metabolic activity is generated from a linear system. To leverage the full information provided by fNIRS signals, in this study we investigate topological entropy in fNIRS series collected from 10 healthy subjects during mental mental arithmetic task. While sample entropy and fuzzy entropy were used to estimate time series irregularity, distribution entropy was used to estimate time series complexity. Our findings show that entropy estimates may provide complementary characterization of fNIRS dynamics with respect to reference time domain measurements. This finding paves the way to further investigate functional activation in fNIRS in different case studies using nonlinear and complexity system theory

fNIRS complexity analysis for the assessment of motor imagery and mental arithmetic tasks

Conventional methods for analyzing functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) signals primarily focus on characterizing linear dynamics of the underlying metabolic processes. Nevertheless, linear analysis may underrepresent the true physiological processes that fully characterizes the complex and nonlinear metabolic activity sustaining brain function. Although there have been recent attempts to characterize nonlinearities in fNIRS signals in various experimental protocols, to our knowledge there has yet to be a study that evaluates the utility of complex characterizations of fNIRS in comparison to standard methods, such as the mean value of hemoglobin. Thus, the aim of this study was to investigate the entropy of hemoglobin concentration time series obtained from fNIRS signals and perform a comparitive analysis with standard mean hemoglobin analysis of functional activation. Publicly available data from 29 subjects performing motor imagery and mental arithmetics tasks were exploited for the purpose of this study. The experimental results show that entropy analysis on fNIRS signals may potentially uncover meaningful activation areas that enrich and complement the set identified through a traditional linear analysis

Issues in the processing and analysis of functional NIRS imaging and a contrast with fMRI findings in a study of sensorimotor deactivation and connectivity

Includes abstract.~Includes bibliographical references.The first part of this thesis examines issues in the processing and analysis of continuous wave functional linear infrared spectroscopy (fNIRS) of the brain usung the DYNOT system. In the second part, the same sensorimotor experiment is carried out using functional magnetic resonance imaging (fMRI) and near infrared spectroscopy in eleven of the same subjects, to establish whether similar results can be obtained at the group level with each modality. Various techniques for motion artefact removal in fNIRS are compared. Imaging channels with negligible distance between source and detector are used to detect subject motion, and in data sets containing deliberate motion artefacts, independent component analysis and multiple-channel regression are found to improve the signal-to-noise ratio