Clinical study and modeling of neuronal plasticity in patients with low grade diffuse gliomas who underwent awake surgery

Introduction Les gliomes de bas grade sont des tumeurs cérébrales de progression lente qui affectent l’adulte jeune. Ce mode d’évolution laisse le temps aux réseaux neuraux de se réorganiser de façon massive ce qui permet d’expliquer pourquoi les patients ne présentent habituellement aucun déficit neurologique au diagnostic bien que la tumeur concerne des zones dites «éloquentes». Ces lésions sont donc un sujet d’étude particulièrement intéressant dans la compréhension des mécanismes de plasticité cérébrale.Ces patients bénéficient, comme traitement optimal, d’une chirurgie en condition éveillée permettant une résection la plus importante possible tout en préservant les fonctions neurologiques du patient pour qu’il conserve la meilleure qualité de vie possible.L'imagerie fonctionnelle de repos est un outil robuste en IRM pour étudier la connectivité fonctionnelle et la plasticité cérébrale. Elle est basée sur l’analyse du signal BOLD et présente plusieurs avantages : 1) la possibilité d’être réalisée chez des patients non coopérants 2) la possibilité d’analyser l’ensemble des réseaux neuraux simultanément.Dans ce travail nous souhaitions mesurer les fluctuations de connectivité fonctionnelle durant la période péri-opératoire d’une chirurgie éveillée pour gliome diffus de bas grade afin d’évaluer la plasticité fonctionnelle engendrée par la résection de la tumeur.Dans un second temps, nous avons tenté d'expliquer ces données fonctionnelles péri-opératoires à l’aide de l’imagerie multimodale en analysant l’évolution péri-opératoire de la connectivité anatomique et des paramètres hémodynamiques.Méthodes L’analyse principale portait sur une cohorte de 82 patients porteurs de gliomes diffus de bas grade et opérés en chirurgie éveillée. Pour chaque patient une IRM avec séquences fonctionnelles de repos était réalisée à trois temps : pré-opératoire, post-opératoire immédiat et lors du suivi à 3 mois. Toutes les IRM étaient effectuées pour chaque patient sur la même machine au cours du suivi, soit un système IRM 3.0 Tesla (Skyra, Siemens), soit un système IRM 1.5 Tesla (Avanto, Siemens). Après des étapes classiques de prétraitement, les données fonctionnelles étaient traitées à l’aide du logiciel CONN v16.a.La connectivité anatomique a secondairement été analysée par imagerie de diffusion anisotropique en IRM en se concentrant sur le corps calleux.Enfin les conséquences hémodynamiques de la chirurgie étaient évaluées d’une part via des séquences de perfusion en IRM et d’autre part par une analyse innovante du signal BOLD.RésultatsNous avons constaté de façon surprenante, durant la période post-opératoire immédiate, une altération significative transitoire globale quasi-exclusive de la connectivité interhémisphérique entre régions miroirs, nommée connectivité homotopique.Des modifications de connectivité anatomique concernant le corps calleux et des modifications hémodynamiques régionales et globales ont également été constatées de façon concomitante en période post-opératoire immédiate et à plus long terme après la chirurgie sans qu’un lien direct avec nos données fonctionnelles n’ait pu être mis en évidence.L’analyse des données hémodynamiques a enfin mis une lumière une région intéressante : le striatum. Cette structure pourrait être une région centrale dans le maintien de la connectivité homotopique et son atteinte alors mener aux modifications fonctionnelles observées.Conclusion La rupture d’homotopie fonctionnelle transitoire que nous constatons en période post-opératoire immédiate est probablement d’origine multifactorielle. La prise en compte des données anatomiques et hémodynamiques, dans l’interprétation des résultats fonctionnelles en IRM, est indispensable tant en période post-opératoire immédiate que à plus long terme après la chirurgie. Des travaux d’analyse de la vasoréactivité cérébrale d’une part et de modélisation d’autre part pourraient aider à mieux comprendre les différents phénomènes intriqués.IntroductionDiffuse low-grade gliomas (DLGG) are slow-growing brain tumors occurring in young adults. This slow progression induces extensive neuroplasticity and explains why patients most of the time do not show any obvious neurological deficit at the time of diagnosis although tumors are located in ‘eloquent’ areas. Therefore DLGG provide an interesting model in understanding mechanisms of neuroplasticity.Awake surgery with direct cortical and subcortical electrostimulation mapping is recommended as first-line treatment of DLGG, allowing to maximize tumoral resection and limiting postoperative neurological deficit, maintaining patients quality of life.Resting-state fMRI, based on BOLD signal analysis, is used to study functional connectivity and neural plasticity. This technique allows robust evaluation of neural networks without performing a task. Consequently, it bypasses the impact of confusion, sedation or neurological deficits on task execution. In this thesis, we aimed to investigate perioperative functional connectivity modifications in order to evaluate neural plasticity after awake surgery.Subsequently we explained the functional results using multimodal MRI imaging to analyze anatomic connectivity and hemodynamic parameters.Methods82 patients with DLGG who underwent awake surgical resection were included in the principal study. MRI acquisitions were performed successively before, within 36 h after and three months post-surgery. All scans were executed on the same MRI magnet for each patient, i.e. either a 3.0 T magnet (Skyra, Siemens) or a 1.5 T magnet (Avanto, Siemens). First, data were preprossed using a standardized classical pipeline and analyzed with the CONN toolbox v16.a.Second, anatomic connectivity was evaluated using diffusion tensor imaging of the corpus callosum.Finally hemodynamic changes induced by surgery were assessed with traditional perfusion imaging as well as using an innovative analysis of the BOLD signal’ s temporal shift.ResultsSurprisingly, it was found that specifically a diffuse transient postoperative interhemispheric disconnectivity occurred between homologous regions, known as homotopic connectivity.In parallel, immediate and long-term postoperative alterations in the anatomic connectivity of the corpus callosum were observed. Immediate and long-term postoperative modifications were also found regarding both regional and global hemodynamics characteristics. Yet, no significant link between the homotopic connectivity findings and the anatomical and hemodynamic changes could have been established at this point.Nevertheless, the hemodynamic analysis allowed the identification of a a specific brain region : the striatum. It was hypothesized that it acts as a central region for the maintenance of homotopic connectivity, explaining simultaneously the decreased post-surgical homotopic connectivity observed.ConclusionThe highlighted transient postoperative functional homotopy is probably due to multifactorial causes To start entangling these causes, the use of anatomic and hemodynamic imaging data analyses seems crucial to interpret functional connectivity data both immediate and long-term postoperative.Cerebral vasoreactivity and modelling studies provide thereby a very promising tool to better understand the interrelated processes underlying postoperative functional connectivity modifications

Etude et modélisation de la plasticité cérébrale chez des patients porteurs de lésions gliales de bas grade opérés en chirurgie éveillée

IntroductionDiffuse low-grade gliomas (DLGG) are slow-growing brain tumors occurring in young adults. This slow progression induces extensive neuroplasticity and explains why patients most of the time do not show any obvious neurological deficit at the time of diagnosis although tumors are located in ‘eloquent’ areas. Therefore DLGG provide an interesting model in understanding mechanisms of neuroplasticity.Awake surgery with direct cortical and subcortical electrostimulation mapping is recommended as first-line treatment of DLGG, allowing to maximize tumoral resection and limiting postoperative neurological deficit, maintaining patients quality of life.Resting-state fMRI, based on BOLD signal analysis, is used to study functional connectivity and neural plasticity. This technique allows robust evaluation of neural networks without performing a task. Consequently, it bypasses the impact of confusion, sedation or neurological deficits on task execution. In this thesis, we aimed to investigate perioperative functional connectivity modifications in order to evaluate neural plasticity after awake surgery.Subsequently we explained the functional results using multimodal MRI imaging to analyze anatomic connectivity and hemodynamic parameters.Methods82 patients with DLGG who underwent awake surgical resection were included in the principal study. MRI acquisitions were performed successively before, within 36 h after and three months post-surgery. All scans were executed on the same MRI magnet for each patient, i.e. either a 3.0 T magnet (Skyra, Siemens) or a 1.5 T magnet (Avanto, Siemens). First, data were preprossed using a standardized classical pipeline and analyzed with the CONN toolbox v16.a.Second, anatomic connectivity was evaluated using diffusion tensor imaging of the corpus callosum.Finally hemodynamic changes induced by surgery were assessed with traditional perfusion imaging as well as using an innovative analysis of the BOLD signal’ s temporal shift.ResultsSurprisingly, it was found that specifically a diffuse transient postoperative interhemispheric disconnectivity occurred between homologous regions, known as homotopic connectivity.In parallel, immediate and long-term postoperative alterations in the anatomic connectivity of the corpus callosum were observed. Immediate and long-term postoperative modifications were also found regarding both regional and global hemodynamics characteristics. Yet, no significant link between the homotopic connectivity findings and the anatomical and hemodynamic changes could have been established at this point.Nevertheless, the hemodynamic analysis allowed the identification of a a specific brain region : the striatum. It was hypothesized that it acts as a central region for the maintenance of homotopic connectivity, explaining simultaneously the decreased post-surgical homotopic connectivity observed.ConclusionThe highlighted transient postoperative functional homotopy is probably due to multifactorial causes To start entangling these causes, the use of anatomic and hemodynamic imaging data analyses seems crucial to interpret functional connectivity data both immediate and long-term postoperative.Cerebral vasoreactivity and modelling studies provide thereby a very promising tool to better understand the interrelated processes underlying postoperative functional connectivity modifications.Introduction Les gliomes de bas grade sont des tumeurs cérébrales de progression lente qui affectent l’adulte jeune. Ce mode d’évolution laisse le temps aux réseaux neuraux de se réorganiser de façon massive ce qui permet d’expliquer pourquoi les patients ne présentent habituellement aucun déficit neurologique au diagnostic bien que la tumeur concerne des zones dites «éloquentes». Ces lésions sont donc un sujet d’étude particulièrement intéressant dans la compréhension des mécanismes de plasticité cérébrale.Ces patients bénéficient, comme traitement optimal, d’une chirurgie en condition éveillée permettant une résection la plus importante possible tout en préservant les fonctions neurologiques du patient pour qu’il conserve la meilleure qualité de vie possible.L'imagerie fonctionnelle de repos est un outil robuste en IRM pour étudier la connectivité fonctionnelle et la plasticité cérébrale. Elle est basée sur l’analyse du signal BOLD et présente plusieurs avantages : 1) la possibilité d’être réalisée chez des patients non coopérants 2) la possibilité d’analyser l’ensemble des réseaux neuraux simultanément.Dans ce travail nous souhaitions mesurer les fluctuations de connectivité fonctionnelle durant la période péri-opératoire d’une chirurgie éveillée pour gliome diffus de bas grade afin d’évaluer la plasticité fonctionnelle engendrée par la résection de la tumeur.Dans un second temps, nous avons tenté d'expliquer ces données fonctionnelles péri-opératoires à l’aide de l’imagerie multimodale en analysant l’évolution péri-opératoire de la connectivité anatomique et des paramètres hémodynamiques.Méthodes L’analyse principale portait sur une cohorte de 82 patients porteurs de gliomes diffus de bas grade et opérés en chirurgie éveillée. Pour chaque patient une IRM avec séquences fonctionnelles de repos était réalisée à trois temps : pré-opératoire, post-opératoire immédiat et lors du suivi à 3 mois. Toutes les IRM étaient effectuées pour chaque patient sur la même machine au cours du suivi, soit un système IRM 3.0 Tesla (Skyra, Siemens), soit un système IRM 1.5 Tesla (Avanto, Siemens). Après des étapes classiques de prétraitement, les données fonctionnelles étaient traitées à l’aide du logiciel CONN v16.a.La connectivité anatomique a secondairement été analysée par imagerie de diffusion anisotropique en IRM en se concentrant sur le corps calleux.Enfin les conséquences hémodynamiques de la chirurgie étaient évaluées d’une part via des séquences de perfusion en IRM et d’autre part par une analyse innovante du signal BOLD.RésultatsNous avons constaté de façon surprenante, durant la période post-opératoire immédiate, une altération significative transitoire globale quasi-exclusive de la connectivité interhémisphérique entre régions miroirs, nommée connectivité homotopique.Des modifications de connectivité anatomique concernant le corps calleux et des modifications hémodynamiques régionales et globales ont également été constatées de façon concomitante en période post-opératoire immédiate et à plus long terme après la chirurgie sans qu’un lien direct avec nos données fonctionnelles n’ait pu être mis en évidence.L’analyse des données hémodynamiques a enfin mis une lumière une région intéressante : le striatum. Cette structure pourrait être une région centrale dans le maintien de la connectivité homotopique et son atteinte alors mener aux modifications fonctionnelles observées.Conclusion La rupture d’homotopie fonctionnelle transitoire que nous constatons en période post-opératoire immédiate est probablement d’origine multifactorielle. La prise en compte des données anatomiques et hémodynamiques, dans l’interprétation des résultats fonctionnelles en IRM, est indispensable tant en période post-opératoire immédiate que à plus long terme après la chirurgie. Des travaux d’analyse de la vasoréactivité cérébrale d’une part et de modélisation d’autre part pourraient aider à mieux comprendre les différents phénomènes intriqués

Diminution transitoire de la connectivité fonctionnelle interhémisphérique entre régions homologues en post-opératoire immédiat d’une chirurgie éveillée chez des patients porteurs de lésions gliales.

National audience..

Homotopic redistribution of functional connectivity in insula-centered diffuse low-grade glioma

International audienceObjective: In the event of neural injury, the homologous contralateral brain areas may play a compensatory role to avoid or limit the functional loss. However, this dynamic strategy of functional redistribution is not clearly established, especially in the pathophysiological context of diffuse low-grade glioma. Our aim here was to assess the extent to which unilateral tumor infiltration of the insula dynamically modulates the functional connectivity of the contralesional one.Methods: Using resting-state functional connectivity MRI, a seed-to-ROI approach was employed in 52 insula-centered glioma patients (n = 30 left and 22 right) compared with 19 age-matched healthy controls.Results: Unsurprisingly, a significant decrease of the inter-insular connectivity was observed in both patient groups. More importantly, the analyses revealed a significant increase of the contralesional insular connectivity towards both cerebral hemispheres, especially in cortical areas forming the visual and the sensorimotor networks. This functional redistribution was not identified when the analyses were performed on three control regions for which the homologous area was not impaired by the tumor. This overall pattern of results indicates that massive infiltration of the insular cortex causes a significant redeployment of the contralesional functional connectivity.Conclusion: This general finding suggests that the undamaged insula plays a role in the functional compensation usually observed in this patient population, and thus provides compelling support for the concept of homotopic functional plasticity in brain-damaged patients

Transient immediate postoperative homotopic functional disconnectivity in low-grade glioma patients

Background and purpose: The aim of this longitudinal study is to evaluate large-scale perioperative resting state networks reorganization in patients with diffuse low-grade gliomas following awake surgery. Materials and methods: Eighty-two patients with diffuse low-grade gliomas were prospectively enrolled and underwent awake surgical resection. Resting-state functional images were acquired at three time points: preoperative (MRI-1), immediate postoperative (MRI-2) and three months after surgery (MRI-3). We simultaneously performed perfusion-weighted imaging. Results: Comparing functional connectivity between MRI-1 and MRI-2, we observed a statistically significant functional homotopy decrease in cortical and subcortical supratentorial structures (P < 0.05). A functional homotopy increase was observed between MRI-2 and MRI-3 in parietal lobes, cingulum and putamen (P < 0.05). No significant functional connectivity modification was noticed between MRI-1 and MRI-3. Regional cerebral blood flow appeared transiently reduced on MRI-2 (P < 0.05). No correlation between neurological deficit and interhemispheric connectivity results was found. Conclusion/interpretation: We found a supratentorial widely distributed functional homotopy disruption between preoperative and immediate postoperative time points with a complete restitution three months after surgery with simultaneous variation of regional cerebral blood flow. Keywords: Brain mapping, Functional neuroimaging, Glioma, Magnetic resonance imaging, Neuronal plasticity, Neurosurger

Cerebral Vasoreactivity as an Indirect MRI Marker of White Matter Tracts Alterations in Multiple Sclerosis

International audiencePatients with multiple sclerosis (MS) show a diffuse cerebral perfusion decrease, presumably related to multiple metabolism and vascular alterations. It is assumed that white matter fiber alterations cause a localized cerebral vasoreactivity (CVR) disruption through astrocytes metabolism alteration, leading to hypoperfusion. We proposed to (1) evaluate the CVR disruptions in MS, (2) in relation to white matter lesions and (3) compare CVR disruptions maps with standard imaging biomarkers. Thirty-five MS patients (10 progressive, 25 relapsing-remitting) and 22 controls underwent MRI with hypercapnic challenge, DTI imaging and neuropsychological assessment. Areas with disrupted CVR were assessed using a general linear model. Resulting maps were associated with clinical scores, compared between groups, and related to DTI metrics and white matter lesions. MS patients showed stronger disrupted CVR within supratentorial white matter, linking the left anterior insula to both the precentral gyrus and the right middle and superior frontal gyrus through the corpus callosum (P < 0.05, FWE corrected). Patient's verbal intellectual quotient was negatively associated with a pathway linking both hippocampi to the ispilateral prefrontal cortex (P < 0.05, FWE corrected). Disrupted CVR maps unrelated to DTI metrics and white matter lesions. We have demonstrated for the first time that white matter alterations can be indirectly identified through surrounding vessel alterations, and are related to clinical signs of MS. This offers a new, likely independent marker to monitor MS and supports a mediator role of the astrocytes in the fibers/vessels relationship

Diffuse low-grade glioma: What is the optimal linear measure to assess tumor growth?

International audienceBackground: Radiological follow-up of diffuse low-grade gliomas (LGGs) growth is challenging. Approximative visual assessment still predominates over objective quantification due to the complexity of the pathology. The infiltrating character, diffuse borders and presence of surgical cavities demand LGG-based linear measurement rules to efficiently and precisely assess LGG evolution over time.Methods: We compared optimized 1D, 2D, and 3D linear measurements with manual volume segmentation as a reference to assess LGG tumor growth in 36 patients with LGG (340 magnetic resonance imaging scans), using the clinically important mean tumor diameter (MTD) and the velocity diameter expansion (VDE). LGG-specific progression thresholds were established using the high-grade gliomas-based RECIST, Macdonald, and RANO criteria, comparing the sensitivity to identify progression/non-progression for each linear method compared to the ground truth established by the manual segmentation.Results: 3D linear volume approximation correlated strongly with manually segmented volume. It also showed the highest sensitivity for progression detection. The MTD showed a comparable result, whereas the VDE highlighted that caution is warranted in the case of small tumors with multiple residues. Novel LGG-specific progression thresholds, or the critical change in estimated tumor volume, were increased for the 3D (from 40% to 52%) and 2D methods (from 25% to 33%) and decreased for the 1D method (from 20% to 16%). Using the 3D method allowed a ~5-minute time gain.Conclusions: While manual volumetric assessment remains the gold standard for calculating growth rate, the 3D linear method is the best time-efficient standardized alternative for radiological evaluation of LGGs in routine use