Responsable :
L. KOESSLER
L’équipe de recherche clinique en neurosciences (ERCN) systèmes du laboratoire IMoPA UMR7365 vise à contribuer à la compréhension des mécanismes cérébraux sains et pathologiques de la cognition humaine, en s’appuyant essentiellement sur l’étude multi-modale et multi-échelle de populations cliniques, en particulier les patients épileptiques pharmaco-résistants.
Chez l’être humain, la forme la plus aboutie de reconnaissance est la reconnaissance faciale, qui se base sur la modalité sensorielle dominante – la vision – et des circuits cérébraux denses et complexes, latéralisés, avec une spécificité propre à notre espèce. Une autre forme de reconnaissance visuelle critique est celle de formes significatives – les lettres et les mots – apprises formellement au cours du développement et qui permettent de communiquer pour vivre en société. Ces deux fonctions – reconnaissance faciale et du langage écrit – ainsi que leur sélection et modulation par les mécanismes d’attention visuelle tout au long de la voie occipito-temporal ventrale du cerveau peuvent être considérées comme des modèles sur lesquels l’équipe s’appuie largement pour réaliser son programme de recherche.
L’équipe se focalise sur trois axes principaux :
Mots clés : Neurosciences, Reconnaissance/Mémoire visuelle, Lecture, Électrophysiologie, Épilepsies rares, Neuroimagerie, Technologies pour la Santé, devenir cognitif en neurologie et psychiatrie
· Compléter et affiner la cartographie spatiale de la reconnaissance faciale et du langage écrit dans le cerveau humain, à la fois en basses et hautes fréquences électrophysiologiques, ainsi que déterminer les paramètres méthodologiques optimaux pour établir ces cartographies.
· Continuer à développer et optimiser des paradigmes originaux de ‘frequency-tagging’ en EEG (haute résolution : 128 canaux, Biosemi) pour mesure les fonctions cognitives de reconnaissance visuelle des visages et du langage, et de l’attention.
· Déterminer la dynamique temporelle de ces activités de reconnaissance visuelle dans le réseau occipito-temporal ventral en se basant à la fois sur les activités électrophysiologiques de basses et (surtout) de hautes fréquences.
· Renforcer et étendre les relations causales entre les activités neurales liées à la reconnaissance visuelle telles qu’identifiées par nos paradigmes et le comportement à l’aide de la stimulation électrique intracérébrale (Figure 5).
· Élucider la connectivité cérébrale fonctionnelle et effective de façon originale en stimulant électriquement les contacts intracérébraux tout en enregistrant l’activité électrophysiologique périodique sur les contacts à distance. Ce projet fait l’objet d’une thèse de doctorat en cours (L. Angelini).
· Étudier et décoder à l’échelle unitaire (enregistrement des potentiels d’action de populations de neurones et de neurones uniques) les mécanismes cellulaires de reconnaissance faciale.
· Comparer le modèle du singe rhésus à l’humain sur le plan de la reconnaissance faciale, avec plusieurs modalités (IRMf, EEG, enregistrements cellulaires). Il s’agit d’une collaboration avec B. Cotterau (CerCo, Toulouse) et T. Brochier (INT, Marseille), financée par un projet ANR 2023 (PREFER).
· Déterminer les mécanismes de modulation de ces réseaux neuro-fonctionnels par l’attention spatiale et sélective.
· Mettre en lumière les mécanismes cérébraux de la reconnaissance visuelle du langage écrit (lettres, mots), de la sémantique et la dénomination. Il s’agit d’une collaboration de plusieurs PIs de l’équipe (J. Jonas, L. Maillard, B. Rossion) avec l’Université du Luxembourg (A. Lochy, C. Schiltz) et Cambridge MRC (M. Lambon Ralph ; O. Hauk)
· Cartographier les réseaux cérébraux épileptiques afin de définir des schémas d’implantation d’électrodes intracérébral et d’exérèse optimaux
· Étudier la relation entre réseau épileptique et anomalie structurelle, retentissement fonctionnel dans les malformations corticales de développement (MCD) complexe (PI. L. Tyvaert).
· Décrire, comprendre et prédire le devenir cognitif dans les épilepsies avec notamment l’étude de la reconnaissance visuelle, la dénomination et la lecture grâce à des études de connectivité et de stimulation électrique cérébrale
· Modéliser et utiliser l’intelligence artificielle pour prédire le devenir des jeunes enfants présentant des souffrances cérébrales à la naissance
· Comprendre les comorbidités psychiatriques des pathologies neyrologiques en particulier de l’épilepsie et des crises non épileptiques psychogènes.
· Étudier la latéralisation du langage chez les patients épileptiques.
Potentiels évoqués N170 enregistrés simultanément en EEG et SEEG (à gauche) et distribution spatiale de ces potentiels en amplitude et en latence sur une reconstruction réaliste anatomique (vue ventrale de la partie occipito-temporale) (d’après Jacques et al., 2019).
· Identifier de nouveaux biomarqueurs épileptiques (notamment ceux liés à la baisse d’amplitude de signal ou ceux issus du cortex insulaire) afin de mieux diagnostiquer les épilepsies
· Identifier de nouveaux biomarqueurs électrophysiologiques de la mémoire notamment dans la maladie d’Alzheimer et dans les mécanismes attentionnels
· Définir les meilleures références et protocoles d’acquisition de signaux en fonction des échelles anatomiques étudiées.
· Caractériser les relations biophysiques entre les signaux enregistrés aux différentes échelles afin de pouvoir développer des outils automatisés d’extraction de ces biomarqueurs et à plus long terme, s’appuyer sur notre grande base de données pour tester des algorithmes d’intelligence artificielle (machine learning ou deep learning) afin de mieux diagnostiquer et classer les différents types d’épilepsie.
· Comprendre le codage de l’information électrique, notamment comment les processus et biomarqueurs s’organisent et sont reliés au différentes échelles anatomiques (du neurone, aux populations de neurones, aux réseaux cérébraux).
· Caractériser les effets électrophysiologiques de la stimulation électrique chez l’être humain in-vivo grâce à l’EEG intracérébral (ANR EpiThera, 2024)
· Définir des cartes de connectivité fonctionnelle permettant de mieux comprendre les réseaux épileptiques et cognitifs de la voie visuelle ventrale
· Développer de nouveaux modes de stimulations électriques cérébrales directement en intracérébral ou depuis la surface afin de réhabiliter les réseaux cérébraux
· Caractériser les modèles biophysiques de conduction des courants EEG afin de stimuler plus précisément et intensément les sources cérébrales d’intérêts (conductivité électrique des tissus; montage d’électrodes, intensité seuil, …)
· Développer des technologiques embarqués pour réaliser des enregistrements EEG couplés à la FPVS en dehors des services cliniques (1er prix de l’incubateur lorrain en 2024, LabCom CNRS en cours, ANR EpiThera 2024)
Couplage simultané de la stimulation électrique transcrânienne et de la stéréo-electroencéphalo-graphie pour la mesure des champs électriques intracérébraux in vivo chez l’être humain.
Ce programme de recherche est original sur le plan méthodologique par la focalisation sur l’enregistrement de l’activité directe (c.a.d., électrique) du cerveau à de multiples échelles spatiales (neurones individuels, petites populations de neurones, aires cérébrales, enregistrements de scalp ; Koessler et al., 2015 ; Ramantani et al., 2016 ; Quiroga et al., 2024), le plus souvent simultanément, et par l’établissement de son lien intelligible avec le comportement.
EEG multi-échelle des sources électriques cérébrales profondes (d’après Koessler et al., 2015).
Nous montrons ici la contribution statistiquement significative des sources électriques cérébrales profondes (ici l’hippocampe) à l’EEG de surface (Koessler et al., 2015) malgré leur distance aux capteurs de surface (profondeur), le bruit de fond cérébral (Rapport signal sur bruit) et la configuration géométrique de ces sources (champ électrique « fermé »).
Ces liens sont facilités par le recours à une approche de stimulation visuelle à fréquence fixe présentant des avantages considérables en termes de sensibilité (haut rapport signal-sur-bruit, SNR), permettant de “suivre à la trace les messages du cerveau” de façon objective selon l’intuition initiale d’Adrian (1934). Longtemps marginalisée parce mal comprise sur le plan conceptuel et technique et limitée à l’étude de fonctions sensorielles de bas-niveau, cette approche de marquage par la fréquence (‘frequency-tagging’) a été étendue à l’étude de la reconnaissance visuelle (et de la cognition en général) depuis plus de dix ans (Rossion & Boremanse, 2011; Norcia et al., 2015 ; ERC Consolidator ‘facessvep’ 2011 et ERC Advanced ‘humanface’ en 2022 obtenues par B. Rossion).
La seconde originalité reponse sur l’intrication forte des activités de recherche fondamental avec l’activité de soins et de recours du service de neurologie du CHRU de Nancy. L’équipe de recherche est en effet constituée d’une majorité de cliniciens-chercheurs (7/10) et est donc intégrée étroitement avec l’activité clinique du service de neurologie du CHRU de Nancy, tant pour les projets de recherche fondamentale s’appuyant sur l’étude de populations neurologiques (épilepsie réfractaire à la médication; également d’autres pathologies neurologiques affectant les fonctions de reconnaissance telles que la maladie d’Alzheimer ou la sclérose en plaques), que pour les projets de recherche clinique et méthodologique proprement dits (définition des capacités cognitives des patients aux stades pré- et post-chirurgicaux en neuropsychologie et par les biomarqueurs électrophysiologiques, genèse des crise d’épilepsie chez l’enfant, crises psychogènes).
L’équipe, à la différence des autres équipes d’IMoPA, est localisée au sein de l’hôpital central du CHRU-Nancy, à proximité du service de neurologie et de la plateforme d’acquisition de données de l’unité d’épileptologie (Pavillon Krug, 1e étage, 500m2 de locaux). L’intrication scientifique et médicale de l’équipe avec le CHRU s’effectue avec le centre de référence des épilepsies rares du service de Neurologie (Pr. Maillard), l’unité de neurochirurgie fonctionnelle (Pr. Colnat-Coulbois), l’unité d’exploration fonctionnelle neurologique (Pr. Jonas) et le service de neuropédiatrie de l’hôpital d’enfants (Dr. Kuchenbuch).
Enregistrement EEG multi-échelle par macro et micro-électrodes :
Contexte
Cette plateforme permet d’accéder à l’enregistrement in vivo chez l’Homme (et plus particulièrement le patient épileptique) de l’activité électrique cérébrale à différentes échelles anatomiques. La dynamique des processus cérébraux impose actuellement des méthodes d’investigation dont la résolution temporelle doit être de l’ordre de la milliseconde. L’électroencéphalographie (EEG) est une des seules méthodes qui répondent à ce critère. L’étude du fonctionnement cérébral peut se réaliser à différentes échelles spatiales : réseaux de neurones qui utilisent l’EEG de surface, population de neurones qui nécessitent l’EEG intracérébral (encore appelé Stéréo-EEG) ou neurones unitaires qui nécessitent l’EEG dit unitaire (encore appelé Single-unit recording). En collaboration avec le CHRU de Nancy, nous bénéficions sur un même site de l’ensemble de ces méthodes EEG.
L’autre aspect original repose sur le développement à Nancy depuis 2016 de l’EEG unitaire. Pour ce type d’enregistrement EEG unitaire chez l’homme in vivo, nous tirerons parti des enregistrements EEG intra-cérébraux utilisant des sondes macro-contacts (Stéréo-ElectroEncéphaloGraphie : SEEG) prescrits et réalisés en routine clinique chez des patients ayant une épilepsie partielle réfractaire aux médicaments. Ces explorations sont réalisées dans cadre d’un bilan pré-chirurgicale et au sein de l’Unité d’Épileptologie (centre de référence nationale et européen des épilepsies rares) dans le service de Neurologie du Centre Hospitalier Universitaire de Nancy.
Objectifs scientifiques
Le premier objectif scientifique est d’évaluer les capacités spécifiques de reconnaissance des visages de neurones individuels comparativement à leur capacité de détection d’objets dans le lobe temporal médial et dans le cortex temporal ventral. Le second objectif consiste à comprendre le fonctionnement des processus physiologiques à différentes échelles. Les liens entre ces signaux mesurés à des échelles spatiales différentes sont loin d’être compris surtout au niveau des relations entre les enregistrements des microélectrodes et les macroélectrodes.
D’un point de vue méthodologique, les enregistrements EEG unitaires et cliniques sont couplés à des stimulations visuelles périodiques qui génèrent des potentiels évoqués électriques évoqués dans les aires corticales activées sélectivement par les protocoles cognitifs définis.
Description
Le système d’acquisition de 256 canaux est couplé à la vidéo permettant de mesurer simultanément par des micros et macro-contacts des signaux générés par un seul neurone et par une population de neurones. L’ensemble des mesures obtenues sur les 256 canaux est synchronisé pour pouvoir étudier les relations entre les signaux obtenus aux différentes échelles anatomiques (neurones versus populations de neurones). Les sondes à implanter par neurochirurgie contiennent des micro-contacts à profondeur d’exploration ajustable (fils d’un diamètre de 25 μm) et des macro-contacts (d’un diamètre de 0,8 mm) conventionnels tels que ceux utilisés en routine clinique. Les amplificateurs des signaux neuronaux présentent des caractéristiques remarquables telles qu’amplifier des signaux de quelques nanovolts avec un taux de rejection mode commun supérieur à 90 dB à 50 Hz. Si les fréquences d’échantillonnage des systèmes d’acquisition SEEG peuvent être limitées à 4 KHz, la fréquence d’échantillonnage pour l’enregistrement de l’activité unitaire peuvent aller jusqu’à 30 KHz. Une plateforme de recherche est associée à ce dispositif d’enregistrements vidéo-EEG afin de pouvoir :
Plateforme EEG haute densité
Objectifs scientifiques
L’objectif scientifique est d’enregistrer l’activité neurale chez le sujet humain sain ou les patients neurologiques de façon non-invasive à l’aide de l’électroencéphalogramme (EEG) à haute densité. L’enregistrement typique dans le laboratoire se fait lors de stimulation visuelle à fréquence relativement élevée, par exemple des images de scènes visuelles alternant à un rythme de 6 fois/seconde.
Le cerveau a cette propriété de produire des réponses électriques évoquées (biomarqueurs) exactement à la même fréquence que celle de la stimulation visuelle, ceci de façon spécifique ce qui permet d’identifier objectivement, dans un spectre de fréquence, la réponse cérébrale liée au type de stimulations cognitives. Cette réponse peut être quantifiée, et apporter des informations quant à l’intégrité des processus de traitement de l’information (de reconnaissance visuelle pour notre objectif), leur développement, leur localisation sur le scalp (ex. hémisphère droit postérieur, sur les régions temporales) ainsi que leur dimension temporelle (i.e., si des visages familiers sont distingués de visages inconnus, à quelle vitesse sont-ils reconnus par le cerveau par exemple, à partir de quelle qualité d’image, etc.).
Description
Le système EEG est produit par le fabricant BIOSEMI. Il permet l’enregistrement de l’activité électrique sur le scalp de la personne avec un grand nombre de canaux, 128. Il est modulable (une base peut être accompagnée par plusieurs modules d’amplification qui permettent de faire varier le nombre de canaux enregistrés (de 8 à 256) et il inclut des électrodes actives permettant une pré amplification du signal au niveau de l’électrode, ce qui diminue le bruit des mesures parce que l’impédance électrique est la plus basse possible (<1 Ohm). Le système enregistre les variations de potentiel électrique sur le scalp (en microvolts), signaux qui sont amplifiés, échantillonnés (jusqu’à 2048 Hz) et filtrés pour être ensuite analysé en rapport avec les stimulations présentées au sujet. Un stimulateur visuel est synchronisé à l’EEG, ainsi qu’un clavier de réponse pour le participant. Un système d’eye tracker permet de s’assurer que le participant focalise bien son attention sur les images présentés et de mesurer son niveau attentionnel.
Photo | Neuropsychologue – HDR ; section CNU 16 |
Photo | Praticien Hospitalier – Professeur d’Université ; section CNU 49 |
Photo | Praticien Hospitalier – Professeur d’Université ; section CNU |
Photo | Praticien Hospitalier – Professeur d’Université ; section CNU 42 |
Photo | Directeur de Recherche CNRS ; section 28 CoNRS ; page perso : https://laurent-koessler.webnode.fr/ |
Photo | Praticien Hospitalier – Maître de conférence ; section CNU 54 |
Photo | Praticien Hospitalier – Professeur d’Université ; section CNU 49 |
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