Cartographie corticale par électroencéphalographie des effets de la stimulation cérébrale profonde chez les patients souffrant de troubles psychiatriques réfractaires et les patients parkinsoniens

Deep Brain Stimulation (DBS) is a chronic clinical tool used to treat symptoms from several diseases, as motor disorders and refractory psychiatric diseases. However, its mechanism are still not well known, especially its large scale effects on brain functional networks. In this PhD, we have developed electroencephalographic imaging of cortical networks modulated by DBS through three studies on different diseases:• the first study on motor inhibition networks in 12 patients with obsessive compulsive disorders, treated with DBS of the associativo-limbic region of the subthalamic nucleus (STN),• the second study on emotional interferences control in 5 severe depressive patients, treated by DBS of the subgenual cingulate cortex,• the last study on emotional interferences control in 16 parkinson’s patients, treated by DBS of the motor region of the STN and compared with 16 healthy subjects.We have used the same EEG methods based on artefact (from stimulation) correction, computation of the cognitive evoked potentials in ON and OFF DBS conditions, source localization and dynamic causal modeling to study cortical-subcortical networks. The first study has shown that STN DBS decreases efferent outputs from the basal ganglia to the right inferior frontal cortex which is a key node of inhibition, simultaneously with an alteration of inhibition performance. The second study has shown that one of the correlates of clinical improvement with DBS in depression would be a decrease of the limbic influence on the ventral visual system (hyperactive in those patients). This effect was concomitant with an increase of vagal activity cardiac indexes with DBS (hypoactive in those patients at risk). Finally, the last study has shown that dopaminergic treatment and STN DBS have different and opposed effects on the emotional interference control in parkinsonian patients. Therefore, these three studies have shown that EEG source reconstruction and DCM are efficient to study DBS effect on the brain and open a way to better understand how DBS modulates neural functional networks.La stimulation cérébrale profonde (SCP) est un outil thérapeutique pour le traitement chronique des symptômes de nombreuses maladies, notamment les troubles moteurs et les maladies psychiatriques réfractaires. Cependant, ses mécanismes d’action sont encore peu connus, notamment en ce qui concerne les effets à large échelle sur les réseaux fonctionnels cérébraux. Dans ce travail de thèse, nous avons développé l’imagerie par électroencéphalographie des réseaux corticaux modulés par la SCP au travers de trois études sur des pathologies différentes :• une étude sur les réseaux de l’inhibition motrice chez 12 patients ayant des troubles obsessionnels compulsifs, traités par stimulation de la partie associativo-limbique du noyau subthalamique (NST),• une étude sur les réseaux du contrôle des interférences émotionnelles chez 5 patients dépressifs sévères, traités par stimulation du cortex cingulaire subgénual,• une étude sur le contrôle des interférences émotionnelles chez 16 patients parkinsoniens, traités par stimulation de la partie motrice du NST et comparés à 16 sujets sains.Nous avons mis en place une méthodologie EEG commune reposant sur la correction des artefacts de stimulation, le calcul des potentiels évoqués cognitifs en condition de stimulation ON et OFF, la localisation de sources et la modélisation causale dynamique permettant d’étudier la connectivité des réseaux corticaux-sous-corticaux. La première étude nous a montré que la SCP du NST diminue les sorties efférentes des ganglions de la base vers le cortex frontal inférieur droit qui est une zone centrale de l’inhibition, concomitante d’une altération des performances à l’inhibition. La deuxième étude a déterminé que l’un des corrélats neuronaux de l’amélioration clinique par la SCP de la dépression serait une diminution de l’influence limbique sur le système visuel ventral (hyper-actifs chez ces patients). Cet effet était accompagné d’une augmentation par la SCP des marqueurs cardiaques de l’activité vagale (sous active chez ces patients à risques). Enfin, la troisième étude a mis en évidence un effet différent et opposé des traitements dopaminergiques et de la SCP du NST sur le contrôle de l’interférence émotionnelle chez les patients parkinsoniens. Ces trois études ont donc montré que l’utilisation de la reconstruction de sources et de la MDC en EEG permet de mettre en évidence les effets de la SCP sur le cerveau et de mieux comprendre comment ce traitement modifie les réseaux neuronaux fonctionnels

Cartographie corticale par électroencéphalographie des effets de la stimulation cérébrale profonde chez les patients souffrant de troubles psychiatriques réfractaires et les patients parkinsoniens

Deep Brain Stimulation (DBS) is a chronic clinical tool used to treat symptoms from several diseases, as motor disorders and refractory psychiatric diseases. However, its mechanism are still not well known, especially its large scale effects on brain functional networks. In this PhD, we have developed electroencephalographic imaging of cortical networks modulated by DBS through three studies on different diseases:• the first study on motor inhibition networks in 12 patients with obsessive compulsive disorders, treated with DBS of the associativo-limbic region of the subthalamic nucleus (STN),• the second study on emotional interferences control in 5 severe depressive patients, treated by DBS of the subgenual cingulate cortex,• the last study on emotional interferences control in 16 parkinson’s patients, treated by DBS of the motor region of the STN and compared with 16 healthy subjects.We have used the same EEG methods based on artefact (from stimulation) correction, computation of the cognitive evoked potentials in ON and OFF DBS conditions, source localization and dynamic causal modeling to study cortical-subcortical networks. The first study has shown that STN DBS decreases efferent outputs from the basal ganglia to the right inferior frontal cortex which is a key node of inhibition, simultaneously with an alteration of inhibition performance. The second study has shown that one of the correlates of clinical improvement with DBS in depression would be a decrease of the limbic influence on the ventral visual system (hyperactive in those patients). This effect was concomitant with an increase of vagal activity cardiac indexes with DBS (hypoactive in those patients at risk). Finally, the last study has shown that dopaminergic treatment and STN DBS have different and opposed effects on the emotional interference control in parkinsonian patients. Therefore, these three studies have shown that EEG source reconstruction and DCM are efficient to study DBS effect on the brain and open a way to better understand how DBS modulates neural functional networks.La stimulation cérébrale profonde (SCP) est un outil thérapeutique pour le traitement chronique des symptômes de nombreuses maladies, notamment les troubles moteurs et les maladies psychiatriques réfractaires. Cependant, ses mécanismes d’action sont encore peu connus, notamment en ce qui concerne les effets à large échelle sur les réseaux fonctionnels cérébraux. Dans ce travail de thèse, nous avons développé l’imagerie par électroencéphalographie des réseaux corticaux modulés par la SCP au travers de trois études sur des pathologies différentes :• une étude sur les réseaux de l’inhibition motrice chez 12 patients ayant des troubles obsessionnels compulsifs, traités par stimulation de la partie associativo-limbique du noyau subthalamique (NST),• une étude sur les réseaux du contrôle des interférences émotionnelles chez 5 patients dépressifs sévères, traités par stimulation du cortex cingulaire subgénual,• une étude sur le contrôle des interférences émotionnelles chez 16 patients parkinsoniens, traités par stimulation de la partie motrice du NST et comparés à 16 sujets sains.Nous avons mis en place une méthodologie EEG commune reposant sur la correction des artefacts de stimulation, le calcul des potentiels évoqués cognitifs en condition de stimulation ON et OFF, la localisation de sources et la modélisation causale dynamique permettant d’étudier la connectivité des réseaux corticaux-sous-corticaux. La première étude nous a montré que la SCP du NST diminue les sorties efférentes des ganglions de la base vers le cortex frontal inférieur droit qui est une zone centrale de l’inhibition, concomitante d’une altération des performances à l’inhibition. La deuxième étude a déterminé que l’un des corrélats neuronaux de l’amélioration clinique par la SCP de la dépression serait une diminution de l’influence limbique sur le système visuel ventral (hyper-actifs chez ces patients). Cet effet était accompagné d’une augmentation par la SCP des marqueurs cardiaques de l’activité vagale (sous active chez ces patients à risques). Enfin, la troisième étude a mis en évidence un effet différent et opposé des traitements dopaminergiques et de la SCP du NST sur le contrôle de l’interférence émotionnelle chez les patients parkinsoniens. Ces trois études ont donc montré que l’utilisation de la reconstruction de sources et de la MDC en EEG permet de mettre en évidence les effets de la SCP sur le cerveau et de mieux comprendre comment ce traitement modifie les réseaux neuronaux fonctionnels

Cortical mapping by electroencephalography of deep brain stimulation effects in patients suffering from psychiatric resistant pathologies and parkinsonian patients.

La stimulation cérébrale profonde (SCP) est un outil thérapeutique pour le traitement chronique des symptômes de nombreuses maladies, notamment les troubles moteurs et les maladies psychiatriques réfractaires. Cependant, ses mécanismes d’action sont encore peu connus, notamment en ce qui concerne les effets à large échelle sur les réseaux fonctionnels cérébraux. Dans ce travail de thèse, nous avons développé l’imagerie par électroencéphalographie des réseaux corticaux modulés par la SCP au travers de trois études sur des pathologies différentes :• une étude sur les réseaux de l’inhibition motrice chez 12 patients ayant des troubles obsessionnels compulsifs, traités par stimulation de la partie associativo-limbique du noyau subthalamique (NST),• une étude sur les réseaux du contrôle des interférences émotionnelles chez 5 patients dépressifs sévères, traités par stimulation du cortex cingulaire subgénual,• une étude sur le contrôle des interférences émotionnelles chez 16 patients parkinsoniens, traités par stimulation de la partie motrice du NST et comparés à 16 sujets sains.Nous avons mis en place une méthodologie EEG commune reposant sur la correction des artefacts de stimulation, le calcul des potentiels évoqués cognitifs en condition de stimulation ON et OFF, la localisation de sources et la modélisation causale dynamique permettant d’étudier la connectivité des réseaux corticaux-sous-corticaux. La première étude nous a montré que la SCP du NST diminue les sorties efférentes des ganglions de la base vers le cortex frontal inférieur droit qui est une zone centrale de l’inhibition, concomitante d’une altération des performances à l’inhibition. La deuxième étude a déterminé que l’un des corrélats neuronaux de l’amélioration clinique par la SCP de la dépression serait une diminution de l’influence limbique sur le système visuel ventral (hyper-actifs chez ces patients). Cet effet était accompagné d’une augmentation par la SCP des marqueurs cardiaques de l’activité vagale (sous active chez ces patients à risques). Enfin, la troisième étude a mis en évidence un effet différent et opposé des traitements dopaminergiques et de la SCP du NST sur le contrôle de l’interférence émotionnelle chez les patients parkinsoniens. Ces trois études ont donc montré que l’utilisation de la reconstruction de sources et de la MDC en EEG permet de mettre en évidence les effets de la SCP sur le cerveau et de mieux comprendre comment ce traitement modifie les réseaux neuronaux fonctionnels.Deep Brain Stimulation (DBS) is a chronic clinical tool used to treat symptoms from several diseases, as motor disorders and refractory psychiatric diseases. However, its mechanism are still not well known, especially its large scale effects on brain functional networks. In this PhD, we have developed electroencephalographic imaging of cortical networks modulated by DBS through three studies on different diseases:• the first study on motor inhibition networks in 12 patients with obsessive compulsive disorders, treated with DBS of the associativo-limbic region of the subthalamic nucleus (STN),• the second study on emotional interferences control in 5 severe depressive patients, treated by DBS of the subgenual cingulate cortex,• the last study on emotional interferences control in 16 parkinson’s patients, treated by DBS of the motor region of the STN and compared with 16 healthy subjects.We have used the same EEG methods based on artefact (from stimulation) correction, computation of the cognitive evoked potentials in ON and OFF DBS conditions, source localization and dynamic causal modeling to study cortical-subcortical networks. The first study has shown that STN DBS decreases efferent outputs from the basal ganglia to the right inferior frontal cortex which is a key node of inhibition, simultaneously with an alteration of inhibition performance. The second study has shown that one of the correlates of clinical improvement with DBS in depression would be a decrease of the limbic influence on the ventral visual system (hyperactive in those patients). This effect was concomitant with an increase of vagal activity cardiac indexes with DBS (hypoactive in those patients at risk). Finally, the last study has shown that dopaminergic treatment and STN DBS have different and opposed effects on the emotional interference control in parkinsonian patients. Therefore, these three studies have shown that EEG source reconstruction and DCM are efficient to study DBS effect on the brain and open a way to better understand how DBS modulates neural functional networks

Electroencephalographic read-outs of the modulation of cortical network activity by deep brain stimulation

International audienceAbstractDeep brain stimulation (DBS), a reversible and adjustable treatment for neurological and psychiatric refractory disorders, consists in delivering electrical currents to neuronal populations located in subcortical structures. The targets of DBS are spatially restricted, but connect to many parts of the brain, including the cortex, which might explain the observed clinical benefits in terms of symptomatology. The DBS mechanisms of action at a large scale are however poorly understood, which has motivated several groups to recently conduct many research programs to monitor cortical responses to DBS. Here we review the knowledge gathered from the use of electroencephalography (EEG) in patients treated by DBS. We first focus on the methodology to record and process EEG signals concurrently to DBS. In the second part of the review, we address the clinical and scientific benefits brought by EEG/DBS studies so far

Cortical hemodynamic mechanisms of reversal learning using high-resolution functional near-infrared spectroscopy: A pilot study

International audienceBackground: Reversal learning is widely used to analyze cognitive flexibility and characterize behavioralabnormalities associated with impulsivity and disinhibition. Recent studies using fMRI have focused onregions involved in reversal learning with negative and positive reinforcers. Although the frontal cortexhas been consistently implicated in reversal learning, few studies have focused on whether reward andpunishment may have different effects on lateral frontal structures in these tasks. Here, in eight healthysubjects, we used functional near infra-red spectroscopy (fNIRS) to characterize brain activity dynamicsand differentiate the involvement of frontal structures in learning driven by reward and punishment.Results: We observed functional hemispheric asymmetries between punishment and reward processingby fNIRS following reversal of a learned rule. Moreover, the left dorsolateral prefrontal cortex (l-DLPFC)and inferior frontal gyrus (IFG) were activated under the reward condition only, whereas the orbito-frontalcortex (OFC) was significantly activated under the punishment condition, with a tendency towardsactivation for the right cortical hemisphere (r-DLPFC and r-IFG). Our results are compatible with thesuggestion that the DLPFC is involved in the detection of contingency change. We propose a newrepresentation for reward and punishment, with left lateralization for the reward process.Conclusions: These results provide insights into the indirect neural mechanisms of reversal learning andbehavioral flexibility and confirm the use of fNIRS imaging in reversal-learning tasks as a translationalstrategy, particularly in subjects who cannot undergo fMRI recordings

Stimulation of subgenual cingulate area decreases limbic top-down effect on ventral visual stream: A DBS-EEG pilot study.

International audienceDeep brain stimulation (DBS) of the subgenual cingulate gyrus (area CG25) is beneficial in treatment resistant depression. Though the mechanisms of action of Cg25 DBS remain largely unknown, it is commonly believed that Cg25 DBS modulates limbic activity of large networks to achieve thymic regulation of patients. To investigate how emotional attention is influenced by Cg25 DBS, we assessed behavioral and electroencephalographic (EEG) responses to an emotional Stroop task in 5 patients during ON and OFF stimulation conditions. Using EEG source localization, we found that the main effect of DBS was a reduction of neuronal responses in limbic regions (temporal pole, medial prefrontal and posterior cingulate cortices) and in ventral visual areas involved in face processing. In the dynamic causal modeling (DCM) approach, the changes of the evoked response amplitudes are assumed to be due to changes of long range connectivity induced by Cg25 DBS. Here, using a simplified neural mass model that did not take explicitly into account the cytoarchitecture of the considered brain regions, we showed that the remote action of Cg25 DBS could be explained by a reduced top-down effective connectivity of the amygdalo-temporo-polar complex. Overall, our results thus indicate that Cg25 DBS during the emotional Stroop task causes a decrease of top-down limbic influence on the ventral visual stream itself, rather than a modulation of prefrontal cognitive processes only. Tuning down limbic excitability in relation to sensory processing might be one of the biological mechanisms through which Cg25 DBS produces positive clinical outcome in the treatment of resistant depression

Long Term Effects of Low Frequency (10 Hz) Vagus Nerve Stimulation on EEG and Heart Rate Variability in Crohn's Disease: A Case Report

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Affective modulation of the associative-limbic subthalamic nucleus: deep brain stimulation in obsessive–compulsive disorder

Abstract Affective states underlie daily decision-making and pathological behaviours relevant to obsessive–compulsive disorders (OCD), mood disorders and addictions. Deep brain stimulation targeting the motor and associative-limbic subthalamic nucleus (STN) has been shown to be effective for Parkinson’s disease (PD) and OCD, respectively. Cognitive and electrophysiological studies in PD showed responses of the motor STN to emotional stimuli, impairments in recognition of negative affective states and modulation of the intensity of subjective emotion. Here we studied whether the stimulation of the associative-limbic STN in OCD influences the subjective emotion to low-intensity positive and negative images and how this relates to clinical symptoms. We assessed 10 OCD patients with on and off STN DBS in a double-blind randomized manner by recording ratings of valence and arousal to low- and high-intensity positive and negative emotional images. STN stimulation increased positive ratings and decreased negative ratings to low-intensity positive and negative stimuli, respectively, relative to off stimulation. We also show that the change in severity of obsessive–compulsive symptoms pre- versus post-operatively interacts with both DBS and valence ratings. We show that stimulation of the associative-limbic STN might influence the negative cognitive bias in OCD and decreasing the negative appraisal of emotional stimuli with a possible relationship with clinical outcomes. That the effect is specific to low intensity might suggest a role of uncertainty or conflict related to competing interpretations of image intensity. These findings may have implications for the therapeutic efficacy of DBS

The influence of emotion and empathy on gaze patterns when exploring controlled static and ecological dynamic faces

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