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

Abstract

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