Biophysical and electrophysiological studies of transcranial electrical stimulation in human in-vivo using simultaneous stereoelectroencephalographic recordings in focal drug-resistant epilepsy and face recognition - Université de Lorraine Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Biophysical and electrophysiological studies of transcranial electrical stimulation in human in-vivo using simultaneous stereoelectroencephalographic recordings in focal drug-resistant epilepsy and face recognition

Études biophysiques et électrophysiologiques de la stimulation électrique transcrânienne chez l'homme in-vivo à l'aide d'enregistrements stéréoélectroencéphalographiques simultanés dans l'épilepsie focale pharmacoresistante et en reconnaissance des visages

Résumé

From the electric fish used by the Romans to today's variable current generators, via the Volta battery in the 19th century, human has always spontaneously applied an electric current to the head of patients for therapeutic purposes. However, transcranial electrical stimulation (TES), which consist of applying a weak current through electrodes put on the scalp surface, only became popular at the beginning of the 21st century. The effects of TES are directly related to the electric fields generated, which modify neuronal activity. These effects have been extensively studied in-vitro and intracerebral in-vivo in animals. In humans, effects have also been observed in surface EEG, or at the behavioral level or in the expression of a neurological pathology studied. However, despite these results, there are still debates as to the real effects of TES on cognition or on pathology. One of the main arguments is that the stimulation intensity routinely used (1 to 2 mA) cannot deliver a sufficient electric field on site to induce a modulation of the neuronal electrical activity (1V/m). Another argument is that there are cognitive biases induced by electrical stimulation in behavioral studies. These debates are induced by a lack of knowledge both at the biophysical level (propagation of intracerebral electric fields in humans) and at the level of electrophysiological expression of the pathology or of the intracerebral cognitive response in humans in vivo. This is mainly due to the scientific and technical obstacles which are (1) The difficulty of measuring an intracerebral electric field in humans in-vivo simultaneously with a TES. (2) The intracerebral recording of pathology's electrophysiological expression during a TES. (3) The intracerebral recording of an electrophysiological response associated with a cognitive function during a TES via a robust protocol thus avoiding cognitive biases and test-re test effects.It is in this context that this thesis will attempt to answer the following three scientific questions: (1) Is it possible to generate a sufficient intracerebral electric field during a TES? (2) Is it possible to modulate the electrophysiological activity of a pathology via TES? (3) Is it possible to modulate the electrophysiological activity associated with a cognitive function (face perception) via a TES?The strength and originality of this thesis is based on multiscale recordings (surface and intracerebral EEG (SEEG)) concomitant with TES in patients with focal refractory epilepsy. The study will first focus on the intracerebral recording of the signal decay during transcranial alternative current stimulation (tACS) which will allow to calculate the electric field generated in deep structures. In a second step, the study will focus on the intracerebral measurement of epileptic biomarkers (intercritical paroxysmal discharges) before, during and after transcranial direct current stimulation (tDCS). In a third step, the study will focus on the measurement of electrophysiological biomarkers associated with the cognitive task of face recognition during a Fast Periodic Visual Stimulation (FPVS) before, during and after tDCS, thus overcoming the test-retest effect and the cognitive bias generated by the sensation during stimulation.
Du poisson électrique utilisé par les romains aux générateurs de courant variable d'aujourd'hui en passant par la pile de Volta au XIXe siècle, l'Homme a depuis toujours et spontanément appliqué un courant électrique sur la tête de patients dans un but thérapeutique. Cependant, la stimulation électrique transcrânienne (SET), qui consiste à appliquer un faible courant par le biais d'électrodes placées à la surface du cuir chevelu, n'est devenue populaire qu'au début du XXIe siècle. Les effets de la SET sont directement reliés aux champs électriques générés modifiant ainsi l'activité neuronale. Ces effets ont largement été étudiés in-vitro et en intracérébral in-vivo chez l'animal. Chez l'Homme, des effets ont également été observé en EEG de surface, ou au niveau comportemental ou encore au niveau de l'expression d'une pathologie neurologique étudiée. Or, malgré ces résultats, il subsiste des débats quant aux réels effets de la SET en cognition ou en clinique. Un des principaux arguments avancés est que l'intensité de stimulation utilisée en routine (1 à 2 mA) ne peux délivrer un champs électrique suffisant sur site pour induire une modulation de l'activité électrique neuronale (1V/m). Un autre argument consiste à dire qu'il existe des biais cognitifs induit par la stimulation électrique dans les études comportementales. Ces débats sont induits par un manque de connaissance tant au niveau biophysique (propagation des champs électriques intracérébraux chez l'Homme) que au niveau de l'expression électrophysiologique de la pathologie ou encore de la réponse cognitive en intracérébral chez l'Homme in-vivo. Cela est principalement due aux verrous scientifiques et techniques que sont (1) La difficulté de mesurer un champs électrique intracérébral chez l'Homme in-vivo en simultané à une SET. (2) L'enregistrement intracérébral de l'expression électrophysiologique d'une pathologie durant une SET. (3) L'enregistrement intracérébral d'une réponse électrophysiologique associée à une fonction cognitive lors d'une SET via un protocole robuste évitant ainsi les biais cognitifs et les effets test-re test.Ainsi c'est dans ce contexte que cette s'inscrit cette thèse et tentera de répondre aux trois questions scientifiques suivantes : (1) Est-il possible de générer un champ électrique intracérébral suffisant lors d'une SET ? (2) Est-il possible de moduler l'activité électrophysiologique d'une pathologie via une SET ? (3) Est-il possible de moduler l'activité électrophysiologique associée à une fonction cognitive (perception des visages) via une SET ?La force et l'originalité de la thèse repose sur l'enregistrements multi-échelle (EEG de surface et intracérébrale (SEEG)) concomitant à la SET chez des patients atteint d'épilepsie focale pharmacorésistante. L'étude portera dans un premier temps sur l'enregistrement en intracérébral de la décroissance du signal lors d'une stimulation transcrânienne à courant alternatif (tACS) qui permettra de calculer le champ électrique généré dans des structures profondes. Dans un deuxième temps, l'étude portera sur la mesure intracérébrale de biomarqueurs épileptiques (décharges paroxystiques intercritiques) avant, pendant et après une stimulation transcrânienne à courant continu (tDCS). Dans un troisième temps, l'étude portera sur la mesure de biomarqueur électrophysiologique associés à la tâche cognitive de reconnaissance des visages lors d'une Fast Periodic Visual Stimulation (FPVS) avant, pendant et après une tDCS permettant ainsi de s'affranchir de l'effet test-retest et du biais cognitif généré par la sensation lors de la stimulation.
Fichier principal
Vignette du fichier
DDOC_T_2022_0102_LOUVIOT.pdf (62.77 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03827036 , version 1 (24-10-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03827036 , version 1

Citer

Samuel Louviot. Biophysical and electrophysiological studies of transcranial electrical stimulation in human in-vivo using simultaneous stereoelectroencephalographic recordings in focal drug-resistant epilepsy and face recognition. Human health and pathology. Université de Lorraine, 2022. English. ⟨NNT : 2022LORR0102⟩. ⟨tel-03827036⟩
67 Consultations
45 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More