Stimulation Transcrânienne Magnétique robotisée : de l'automatisation des protocoles à de nouvelles approches en neuroimagerie fonctionnelle
Robotized Transcranial Magnetic Stimulation : from automatized protocols towards new approaches in functional neuroimaging
Résumé
Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a non invasive cortical stimulation tool.Major technological
evolution has continuously increased the spatial reliability and reproducibility of TMS since its beginning
in the middle of the 80’s, by minimizing the influence of human and experimental factors. Therefore, TMS
established itself as a powerful technique for probing and treating the human brain. The aim of this thesis
is to study the methodological and basics contribution of robotized TMS, as being the last technological
advance to date. By means of the automatic handling of the TMS coil, robotized TMS opens new avenues
for the automation of stimulation protocols, and to new approaches in functional neuroimaging. The
two first studies of this work aim at developing two tools that are still needed to achieve the automation
of set-up procedures of TMS protocols : CortExTool and AutoHS. CortExTool is a toolbox allowing the
automatic analysis of electromyographic signals, while AutoHS is a Bayesian model aiming at automatically
finding the motor hotspot, which are two critical ingredients used during such procedures.We validated
our automatic set-up procedure on both virtual and real data, during an experimental comparison against
manual set-up procedures on 19 healthy volunteers. Results showed that the automatic procedure was at
least as reliable as the manual one, while being faster and more reproducible. The third and last study of this
thesis aims at exploring new basics approaches offered by robotized TMS.We developed a protocol allowing
the extensive mapping of evoked electroencephalographic responses on 18 cortical targets covering the
whole neocortex, and tested it on 22 healthy volunteers. The analysis of the dynamical properties of these
responses revealed regional specificities as well as cortical networks sharing similar properties. Our results
provide the proof of concept of functional cytoarchitectonics, that would guide the parcellation of the
human cortex in vivo based on its intrinsic responses to local perturbations. The results of this thesis are
promising regarding the new possibilities offered by robotized TMS. Its use could decrease the experimental
variability, facilitate the handling of TMS protocols used for research and clinical routine, and finally offer
new functional exploration approaches that could allow a better diagnosis of psychiatric and neurological
pathologies.
La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une technique de stimulation corticale non-invasive.
Depuis son apparition au milieu des années 1980, les évolutions technologiques qu’elle a connues ont
considérablement amélioré sa fiabilité, sa précision ainsi que sa reproductibilité. Ces progrès ont favorisé
l’émergence d’un grand nombre d’applications, tant dans le domaine de la recherche fondamentale en
neurosciences cognitives que dans celui de la recherche clinique. Cette thèse a pour objectif d’étudier
les apports méthodologiques et fondamentaux de la TMS robotisée, dernière avancée technologique du
domaine. Grâce à un placement et un suivi automatisés de la bobine de stimulation, la TMS robotisée
ouvre en effet la voie à l’automatisation des protocoles, ainsi qu’à l’élaboration de nouvelles approches
en neuroimagerie fonctionnelle. Les deux premières études de ce travail abordent ce premier point, en
proposant le développement de deux outils nécessaires à l’automatisation du paramétrage des protocoles
de TMS : CortExTool et AutoHS. CortExTool est une boîte à outils qui permet l’analyse automatisée des
signaux électromyographiques évalués durant le paramétrage, et AutoHS un modèle bayésien assurant
une recherche automatique du point chaud moteur, étape essentielle de la procédure. Testée sur données
virtuelles et comparée expérimentalement à la pratique manuelle d’experts sur 19 volontaires sains, la
procédure automatisée proposée ici apparaît au moins aussi fiable, tout en étant plus rapide et reproductible.
La troisième et dernière étude de cette thèse s’attache quant à elle aux apports fondamentaux
possibles de la TMS robotisée. Elle propose un protocole qui permet la cartographie extensive des réponses
électroencéphalographiques évoquées par la TMS sur 18 aires corticales réparties sur l’ensemble
du néocortex. Appliquée sur 22 volontaires sains, l’analyse des propriétés dynamiques de ces réponses fait
apparaître des spécificités régionales ainsi que des réseaux corticaux partageant des propriétés communes.
Celles-ci étant liées aux caractéristiques cytoarchitecturales des aires stimulées, nos résultats apportent
la preuve de concept pour une nouvelle méthode de parcellisation in vivo du cortex chez l’Homme : la
cytoarchitectonie fonctionnelle. L’ensemble des résultats de cette thèse confirme l’intérêt de la robotisation
de cette technique, qui pourrait à terme faciliter la mise en oeuvre des protocoles de TMS et amener de
nouveaux outils d’exploration fonctionnelle en neurosciences fondamentales, pour aider au diagnostic
des pathologies psychiatriques ou neurologiques.