Early Deformation of Deep Brain Stimulation Electrodes Following Surgical Implantation: Intracranial, Brain, and Electrode Mechanics

IntroductionAlthough deep brain stimulation is nowadays performed worldwide, the biomechanical aspects of electrode implantation received little attention, mainly as physicians focused on the medical aspects, such as the optimal indication of the surgical procedure, the positive and adverse effects, and the long-term follow-up. We aimed to describe electrode deformations and brain shift immediately after implantation, as it may highlight our comprehension of intracranial and intracerebral mechanics.Materials and MethodsSixty electrodes of 30 patients suffering from severe symptoms of Parkinson’s disease and essential tremor were studied. They consisted of 30 non-directional electrodes and 30 directional electrodes, implanted 42 times in the subthalamus and 18 times in the ventrolateral thalamus. We computed the x (transversal), y (anteroposterior), z (depth), torsion, and curvature deformations, along the electrodes from the entrance point in the braincase. The electrodes were modelized from the immediate postoperative CT scan using automatic voxel thresholding segmentation, manual subtraction of artifacts, and automatic skeletonization. The deformation parameters were computed from the curve of electrodes using a third-order polynomial regression. We studied these deformations according to the type of electrodes, the clinical parameters, the surgical-related accuracy, the brain shift, the hemisphere and three tissue layers, the gyration layer, the white matter stem layer, and the deep brain layer (type I error set at 5%).ResultsWe found that the implanted first hemisphere coupled to the brain shift and the stiffness of the type of electrode impacted on the electrode deformations. The deformations were also different according to the tissue layers, to the electrode type, and to the first-hemisphere-brain-shift effect.ConclusionOur findings provide information on the intracranial and brain biomechanics and should help further developments on intracerebral electrode design and surgical issues

La conscience altérée : recherche de corrélats anatomo-fontionnels et étude de stimulation cérébrale profonde

Consciousness can be divided into two major components: arousal and awareness. Awareness encompasses self-awareness and external awareness. Three core cerebral networks have been described. The default mode network is involved in self-related mental activity, and is internally-mediated. The central executive network is involved in externally-driven cognitive functions. The salience network is involved in the detection of salient internal and external stimuli, and plays a causal role in switching between the default mode and the central executive networks, thus mediating attention to internal and external worlds, respectively.Following a coma, some patients are left with chronic disorders of consciousness, either with unresponsive wakefulness syndrome, or in minimally conscious state. The unresponsive wakefulness syndrome is characterised by the absence of signs of awareness. The minimally conscious state is associated with minimal behavioural evidence of awareness, like visual pursuit or simple command following. The level of awareness can be underestimated by clinical assessment, owing to frequent motor and cognitive associated disorders.This thesis aims at improving awareness assessment via the detection of potential residual covert abilities, at characterising neural correlates of consciousness disorders, and at studying the effects of deep brain stimulation on conscious behaviour in patients with chronic disorders of consciousness.For the purpose of enhancing awareness detection in these non-communicative patients, we proposed a functional MRI protocol with graduated emotional charge to detect potential residual covert language-related behaviour. We then investigated the functional connectivity at rest of subcortical structures and cortical networks involved in internal and external awareness, in a group of thirteen patients with chronic disorders of consciousness. We highlighted a disruption of the functional connections between the salience and the default mode networks, as well as with the thalami and pallidums. We proposed beforehand a method to improve the automatic segmentation of these subcortical structures. Finally, we conducted a low frequency deep brain stimulation study in five patients with chronic disorders of consciousness, by dual pallido-thalamic targeting. Two patients showed improved conscious behaviour following stimulation, associated with an increase of metabolism in cortical regions involved in internal awareness.La conscience comporte deux composantes, l’éveil et l’expérience consciente. L’expérience consciente englobe la conscience de soi ou conscience interne, et la conscience de l’environnement ou conscience externe. Trois réseaux cérébraux majeurs ont été décrits. Le réseau du mode par défaut sous-tend l’activité mentale tournée vers soi. Le réseau exécutif central est impliqué dans des activités cognitives tournées vers l’environnement. Le réseau de la saillance sous-tend la détection de stimuli saillants internes et externes, et permet une bascule dynamique entre le réseau du mode par défaut et le réseau exécutif central.Suite à un coma, certains patients restent en état chronique de conscience altérée, soit avec un syndrome d’éveil non répondant, soit en état de conscience minimale. Le syndrome d’éveil non répondant est caractérisé par une absence de comportements conscients. L’état de conscience minimale s’accompagne de comportements conscients, comme la poursuite visuelle ou la réponse à une commande, qui apparaissent de manière fluctuante. Des déficits moteurs et cognitifs associés peuvent compliquer la détection de signes de conscience au chevet de ces patients cérébrolésés, et entraîner une sous-évaluation de leur état de conscience.Les objectifs principaux de ce travail sont d’affiner l’évaluation de l’état de conscience en détectant d’éventuelles capacités résiduelles cachées ; de caractériser des corrélats anatomo-fonctionnels de l’altération de la conscience ; et d’étudier l’effet de la stimulation cérébrale profonde sur l’apparition de comportements conscients chez des patients avec altération chronique de la conscience.Concrètement, nous avons développé un protocole d’IRM fonctionnelle de traitement du langage avec charge émotionnelle graduée, pour permettre de détecter d’éventuelles capacités résiduelles cachées chez ces patients non communicants. Nous avons ensuite mené une étude de connectivité fonctionnelle au repos de régions sous-corticales et de réseaux corticaux impliqués dans la conscience interne et externe, dans un groupe de treize patients avec altération chronique de la conscience. Nous avons mis en évidence une dégradation des interactions entre le réseau de la saillance et le réseau du mode par défaut, ainsi qu’avec les thalami et les pallidums. Nous avons au préalable développé une méthode d’amélioration de la segmentation automatique de ces régions sous-corticales. Enfin, nous avons mené une étude de stimulation cérébrale profonde auprès de cinq patients avec altération chronique de la conscience, en ciblant les thalami et les pallidums. La stimulation a permis l’apparition de comportements conscients chez deux d’entre eux, associée à une augmentation du métabolisme des régions cérébrales impliquées dans la conscience interne. L’ensemble de ces résultats permet d’alimenter la réflexion sur de nouvelles pistes thérapeutiques pour les patients en état de conscience altérée

Disorders of consciousness : anatomo-functional correlates and deep brain stimulation

La conscience comporte deux composantes, l’éveil et l’expérience consciente. L’expérience consciente englobe la conscience de soi ou conscience interne, et la conscience de l’environnement ou conscience externe. Trois réseaux cérébraux majeurs ont été décrits. Le réseau du mode par défaut sous-tend l’activité mentale tournée vers soi. Le réseau exécutif central est impliqué dans des activités cognitives tournées vers l’environnement. Le réseau de la saillance sous-tend la détection de stimuli saillants internes et externes, et permet une bascule dynamique entre le réseau du mode par défaut et le réseau exécutif central.Suite à un coma, certains patients restent en état chronique de conscience altérée, soit avec un syndrome d’éveil non répondant, soit en état de conscience minimale. Le syndrome d’éveil non répondant est caractérisé par une absence de comportements conscients. L’état de conscience minimale s’accompagne de comportements conscients, comme la poursuite visuelle ou la réponse à une commande, qui apparaissent de manière fluctuante. Des déficits moteurs et cognitifs associés peuvent compliquer la détection de signes de conscience au chevet de ces patients cérébrolésés, et entraîner une sous-évaluation de leur état de conscience.Les objectifs principaux de ce travail sont d’affiner l’évaluation de l’état de conscience en détectant d’éventuelles capacités résiduelles cachées ; de caractériser des corrélats anatomo-fonctionnels de l’altération de la conscience ; et d’étudier l’effet de la stimulation cérébrale profonde sur l’apparition de comportements conscients chez des patients avec altération chronique de la conscience.Concrètement, nous avons développé un protocole d’IRM fonctionnelle de traitement du langage avec charge émotionnelle graduée, pour permettre de détecter d’éventuelles capacités résiduelles cachées chez ces patients non communicants. Nous avons ensuite mené une étude de connectivité fonctionnelle au repos de régions sous-corticales et de réseaux corticaux impliqués dans la conscience interne et externe, dans un groupe de treize patients avec altération chronique de la conscience. Nous avons mis en évidence une dégradation des interactions entre le réseau de la saillance et le réseau du mode par défaut, ainsi qu’avec les thalami et les pallidums. Nous avons au préalable développé une méthode d’amélioration de la segmentation automatique de ces régions sous-corticales. Enfin, nous avons mené une étude de stimulation cérébrale profonde auprès de cinq patients avec altération chronique de la conscience, en ciblant les thalami et les pallidums. La stimulation a permis l’apparition de comportements conscients chez deux d’entre eux, associée à une augmentation du métabolisme des régions cérébrales impliquées dans la conscience interne. L’ensemble de ces résultats permet d’alimenter la réflexion sur de nouvelles pistes thérapeutiques pour les patients en état de conscience altérée.Consciousness can be divided into two major components: arousal and awareness. Awareness encompasses self-awareness and external awareness. Three core cerebral networks have been described. The default mode network is involved in self-related mental activity, and is internally-mediated. The central executive network is involved in externally-driven cognitive functions. The salience network is involved in the detection of salient internal and external stimuli, and plays a causal role in switching between the default mode and the central executive networks, thus mediating attention to internal and external worlds, respectively.Following a coma, some patients are left with chronic disorders of consciousness, either with unresponsive wakefulness syndrome, or in minimally conscious state. The unresponsive wakefulness syndrome is characterised by the absence of signs of awareness. The minimally conscious state is associated with minimal behavioural evidence of awareness, like visual pursuit or simple command following. The level of awareness can be underestimated by clinical assessment, owing to frequent motor and cognitive associated disorders.This thesis aims at improving awareness assessment via the detection of potential residual covert abilities, at characterising neural correlates of consciousness disorders, and at studying the effects of deep brain stimulation on conscious behaviour in patients with chronic disorders of consciousness.For the purpose of enhancing awareness detection in these non-communicative patients, we proposed a functional MRI protocol with graduated emotional charge to detect potential residual covert language-related behaviour. We then investigated the functional connectivity at rest of subcortical structures and cortical networks involved in internal and external awareness, in a group of thirteen patients with chronic disorders of consciousness. We highlighted a disruption of the functional connections between the salience and the default mode networks, as well as with the thalami and pallidums. We proposed beforehand a method to improve the automatic segmentation of these subcortical structures. Finally, we conducted a low frequency deep brain stimulation study in five patients with chronic disorders of consciousness, by dual pallido-thalamic targeting. Two patients showed improved conscious behaviour following stimulation, associated with an increase of metabolism in cortical regions involved in internal awareness

Resting-State Functional Connectivity following Phonological Component Analysis: The Combined Action of Phonology and Visual Orthographic Cues

International audienceAnomia is the most frequent and pervasive symptom for people with aphasia (PWA). Phonological component analysis (PCA) is a therapy incorporating phonological cues to treat anomia. Investigations of neural correlates supporting improvements following PCA remain scarce. Resting-state functional connectivity (rsFC) as a marker of therapy-induced neuroplasticity has been reported by our team. The present study explores the efficacy of PCA in French and associated therapy-induced neuroplasticity using whole-brain rsFC analysis. Ten PWA participated in a pre-/post-PCA fMRI study with cognitive linguistic assessments. PCA was delivered in French following the standard procedure. PCA led to significant improvement with trained and untrained items. PCA also led to changes in rsFC between distributed ROIs in the semantic network, visual network, and sub-cortical areas. Changes in rsFC can be interpreted within the frame of the visual and phonological natureof PCA. Behavioral and rsFC data changes associated with PCA in French highlight its efficacy and point to the importance of phonological and orthographic cues to consolidate the word-retrieval strategy, contributing to generalization to untrained words

Inter-individual variations and hemispheric asymmetries in structural connectivity patterns of the inferior fronto-occipital fascicle: a diffusion tensor imaging tractography study

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Increased links between language and motor areas: A proof-of-concept study on resting-state functional connectivity following Personalized Observation, Execution and Mental imagery therapy in chronic aphasia

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Variation Maps of 18F-fluorodesoxyglucose Pet-Scans of Severe Brain Injured Patients: Individual Comparison of Deep Brain Stimulation in On and Off Conditions

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Le connectome du langage dans le cerveau humain: Etude en tractographie et IRM fonctionnelle

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Application des technologies innovantes dans les états de conscience altérée : IRM fonctionnelle, traitement du langage et charge émotionnelle

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Visual Hallucinations with Disembodiment and Self-Motion Illusion on Eye Closure after Brain Cyst Drainage: A Case Report

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