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Méthodes & Modèles en Imagerie Cérébrale & Stéréotaxie

Imagerie fonctionnelle électromagnétique, MEG, EEG, IRM quantitative, Problèmes inverses, Statistiques

 

Thèmes de recherche:

 

Imagerie fonctionnelle à haute résolution temporelle

Le premier objectif principal de nos recherche vise à enrichir à la fois les modèles physiques et les méthodes de traitement du signal impliqués dans la reconstruction spatiale des cartes d’activité des générateurs neuronaux de la MEG et de l’EEG, en faisant intervenir notamment d’autres modalités d’imagerie (comme l’IRM fonctionnelle et l’IRM de diffusion).

Le deuxième objectif consiste en un traitement plus poussé des cartes d’activité corticale en exploitant davantage la dimension temporelle très riche des données. A travers ce dernier aspect, nous avons pour ambition de mieux appréhender les relations fonctionnelles pouvant voir le jour entre assemblées neuronales distantes en élargissant le concept de carte d’activité en faveur d’une véritable imagerie des réseaux fonctionnels. Par ce biais, nous proposons de développer des outils de traitement du signal et de visualisation spatio-temporelle qui mettent en relief le lien étroit entre la localisation spatiale des structures cérébrales impliquées et les liens dynamiques qui voient le jour lors de leurs activations. Notre collaboration étroite avec l’équipe de Neurodynamique est mise à profit à cette occasion.

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Imagerie quantitative et stéréotaxie

Les méthodes de stéréotaxie fonctionnelle chez l’homme sont en plein essor à l’heure actuelle du fait du développement des méthodes de stimulation cérébrale profonde dans la maladie de Parkinson et dans d’autres pathologies. Le Groupe Hospitalier Pitié Salpêtrière (services de Neurorchirurgie et Fédération de Neurologie) est leader dans le développement de ces méthodes innovantes de traitement. De nombreux travaux de recherche de l’UPR640 reposent sur des données obtenues grâce à des implantations d’électrodes en conditions stéréotaxiques pour explorer des patients atteints d’épilepsies pharmaco-résistantes.


 

Par ailleurs, l’amélioration de l’interprétation des données fonctionnelles cérébrales obtenues en EEG, MEG et IRMf passent par une meilleure prise en compte des données d’imagerie morphologiques individuelle.
L’axe Imagerie Quantitative et Stéréotaxie est né de cette double nécessité d’améliorer les méthodes de repérage stéréotaxique chez l’homme et d’intégrer les données d’imagerie morphologique en imagerie fonctionnelle. Outre la Stéréotaxie, ces projets de recherche sont centrés autour des méthodes de segmentation automatique de l’hippocampe et des noyaux gris centraux, l’IRM haute résolution et le développement d’un atlas automatisé des noyaux gris centraux. La diffusion et la valorisation des méthodes développées sont également au centre des activités de ce groupe.
Exploration de la dynamique des images, des processus et de leur évolution

Une des spécificités du traitement cérébral de l’information réside sans doute dans les mécanismes fondamentaux de sa dynamique fonctionnelle. Cette dimension temporelle est accessible en imagerie électromagnétique cérébrale, dont la résolution temporelle à l’échelle de la milliseconde est un atout remarquable. Mais il s’agit alors de dépouiller une large collection de données multidimensionnelles incluant les dimensions spatiale et temporelle, voire fréquentielle et de liage fonctionnel entre aires cérébrales. Une difficulté majeure subsiste également dans la mise en correspondance entre les sujets ayant pris part à l’expérience, et ce souvent dans de multiples conditions expérimentales. Le dépouillement de données est à ce jour essentiellement manuel, avec pour conséquences immédiates, un investissement en temps excessif et des facteurs de décision empiriques souvent subjectifs. Ce projet a pour objectif spécifique de mettre à profit l’excellente résolution temporelle de l’imagerie fonctionnelle électromagnétique pour la conception d’outils méthodologiques permettant à la fois de mettre en évidence et d’analyser la dynamique des étapes majeures du traitement cérébral de l’information. Il s’agira en priorité de faciliter l’extraction et la visualisation d’informations de haut niveau grâce à la création de nouvelles représentations synoptiques des activations cérébrales et d’assurer leur mise en correspondance quantitative entre sujets et conditions expérimentales. Les défis scientifiques associés mobilisent des outils récents issus des mathématiques appliquées au traitement et à la visualisation du signal et des images, l’analyse statistique, la fouille et la classification de données, ainsi que la mise en oeuvre de grammaires descriptives dédiées. Ces développements méthodologiques seront soumis à des évaluations expérimentales grâce aux contributions d’experts en neurosciences cognitives et cliniques membres des équipes partenaires. Nous mènerons en parallèle des recherches concernant la dynamique de la progression d’anomalies neurologiques. Dans ce domaine d’application en revanche, la dynamique d’évolution est souvent bien moins finement échantillonnée : des séquences de simplement 2 à environ 4 volumes d’images anatomiques sont disponibles. Nous avons choisi d’aborder le suivi de l’évolution de structures morphologiques par le biais des accidents vasculaires cérébraux qui concernent une grande population de sujets et dont la prédiction précoce de l’évolution des zones infarcies est critique dans le pronostic et les choix thérapeutiques en phase aiguë. Une fois validée, ces approches inédites de l’analyse de séquences d’images pourrait contribuer à la mise en évidence de nouveaux mécanismes fondamentaux de la dynamique du fonctionnement cérébral et du développement de pathologies neurologiques.

Valorisation et diffusion

BrainStorm : plate-forme Matlab pour l’imagerie MEG-EEG (traitements & visualisation)

(Participants : S. Baillet – en collaboration avec SIPI/USC et LANL)

Depuis maintenant presque 4 ans, un effort important d’intégration logicielle des méthodes de modélisation MEG-EEG pour la résolution des problèmes direct et inverse a été produit afin que ces techniques puissent être évaluées par le plus grand nombre. C’est avec cet objectif que BrainStorm a vu le jour en avril 2000, avec une première version mise à disposition gratuitement sur http://neuroimage.usc.edu/brainstorm.

 

Depuis, près de 2000 personnes ont téléchargé ce logiciel qui s’enrichit constamment des interactions avec ses utilisateurs. Une nouvelle version plus complète est programée pour la fin novembre 2003 avec notamment la mise à disposition de techniques réalistes de modélisation des tissus cérébraux. Un interfaçage pratique avec brainVISA est également disponible.

Développement d’un nouveau logiciel de repérage stéréotaxique

(Participants : E. Bardinet, D. Dormont, D. Hasboun – en lien amvec l’IFR 49)

Depuis plusieurs années les services de neurologie, neurochirurgie et neuroradiologie du site Pitié-Salpêtrière utilisent des techniques stéréotaxiques pour l’implantation d’électrodes intra-cérébrales dans le domaine du bilan pré-chirurgical des épilepsies et pour le traitement chirurgical de la maladie de Parkinson. Les nouvelles fonctionnalités de notre logiciel sont développées dans un environnement de programmation ouvert (brainVISA).

 

 

 

Intégration de modules de traitement d’images et de signaux dans la plateforme BrainVisa

(Participants : D. Schwartz, S. Baillet, E. Bardinet – en lien avec l’IFR 49)

brainVISA est un logiciel développé en commun par l'UNAF (SHFJ Orsay), l'UPR 640 CNRS et l'Inserm U494 (Salpêtrière) qui incarne une plateforme de traitement d'images et de traitement du signal. Les méthodes de localisation (problème direct, inverse, pré et post traitement du signal MEEG) sont implémentées dans ce cadre logiciel afin d'être distribuées avec la distribution standard. Les algorithmes utilisés seront appelées directement à partir de la boite à outils Brainstorm. De même les méthodes de segmentation de l’hippocampe et des zones infarcies conséquemment à des accidents vasculaires cérébraux (AVC) sont développées dans le formalisme d’Anatomist, logiciel de visualisation accompagnant Brain Visa.

Développement du site Neuranat : site de Neuroanatomie (avec Dominique Hasboun – financement RESCIF)

Le site Neur@nat développé depuis 1998 a pour mission d’offrir un ensemble d’outils pédagogiques orientés vers les Neurosciences et tout particulièrement la neuroanatomie et l’imagerie. Il comprend une section d’anatomie descriptive du système nerveux central, un atelier de dissection cérébrale en vidéo enrichie, des animations Flash, des atlas anatomiques et radiologiques interactifs et 3D. Plusieurs projets ont démarré.

L’anatomie fonctionnelle est actuellement en développement dans le cadre d’un projet soutenu par le RESCIF. L’application générique Dyn@slice (brevet prévu avec la DRITT de Paris VI) va permettre de générer un ensemble de ressources pédagogiques touchant la neuroanatomie et l’embryologie. Un atlas fournira les corrélations anatomiques entre un cerveau reconstruit en 3D et un cerveau gonflé dont les sillons sont déplissés. Ce site est hébergé par l’université Pierre et Marie Curie.
Axe épilespie

Extraction et étude de la morphologie et de la connectivité fonctionnelle de structures médiales du lobe temporal telles que l’hippocampe et l’amygdale à partir de l’IRM anatomique.

Exploitation de ces informations dans l’estimation des régions impliquées dans les activations interictales en épilepsie partielle du lobe temporal à partir des signaux MEG et EEG.

Evaluation des performances des méthodes d’imagerie des générateurs de la MEG grâce à des enregistrements simultanés par électrodes implantées chez des patients en cours d’évaluation pré-chirurgicale.

Mise en évidence de la structure de réseaux rassemblant de multiples aires cérébrales impliquées dans la genèse de l’activité intercritique en épilepsie partielle.

Mise à disposition des outils d’imagerie des générateurs de l’EEG au pied du lit du patient en cours d’observation EEG-vidéo.

Couplage des techniques d’imagerie corticale EEG avec les méthodes d’anticipation des crises développées par le groupe de neurodynamique pour tenter de mieux comprendre comment le régime intercritique voit sa structure spatio-temporelle évoluer vers la crise.

 

 

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