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Thèse Année : 2021

Non invasive multimodal analysis of epileptic spikes

Modélisation multimodale non-invasive des pointes épileptiques

Résumé

Interictal Epileptic spike (IIS) is a key feature of the epileptic network. They are characterized by an increased neural synchronization of a large population of neurons. IIS are the results from a disturbance of the functional balance between various neuronal (synaptic and non-synaptic), vascular, and metabolic compartments. To better characterize the complex interactions at different scales a simultaneous multimodal-multiscale approach of the activity of these different compartments around the IIS is mandatory. In an epileptic rat model, we simultaneously evaluated (1) the synaptic dynamic by combining electrocorticography and multiunit activity recording in the time and time-frequency domain; (2) the non-synaptic dynamic by recording modifications in light scattering induced by changes in the membrane configuration related to cell activity using the fast optical signal; (3) the vascular dynamic around IIS using functional near infrared spectroscopy and, independently recorded but synchronized to the IIS, the changes in cerebral blood flow using diffuse correlation spectroscopy. The first observed alteration in the measured signals was in the hemodynamic compartments a few seconds before the peak of the IIS. These hemodynamic changes were followed by changes in coherence and then synchronization between the deep and superficial neural networks in the 1 sec preceding the IIS peaks. Finally, changes in light scattering that occurred before the epileptic spikes support the idea of a change in membrane configuration that occurs before the IIS. Our multimodal and multiscale approach highlights the complexity of (1) interactions between neuronal, vascular, and extracellular compartments, (2) neural interactions between various layers, (3) the synaptic mechanisms (coherence and synchronization), and (4) non-synaptic mechanisms that take place in the neuronal network around IISs in a very specific cerebral hemodynamic environment
La pointe épileptique interictal (IIS) est une caractéristique clé du réseau épileptique. Elles se caractérisent par une synchronisation neuronale accrue d'une large population de neurones. Les IIS sont les résultats d'une perturbation de l'équilibre fonctionnel entre divers compartiments neuronaux (synaptiques et non synaptiques), vasculaires et métaboliques. Pour mieux caractériser les interactions complexes à différentes échelles, une approche multimodale-multi-échelles simultanée de l'activité de ces différents compartiments autour de l'IIS est obligatoire. Dans un modèle de rat épileptique, nous avons évalué simultanément (1) la dynamique synaptique en combinant l'électrocorticographie et l'enregistrement de l'activité multi-unitaires dans le domaine temporel et temps-fréquence; (2) la dynamique non synaptique en enregistrant les modifications de la diffusion de la lumière induites par les modifications de la configuration de la membrane liées à l'activité cellulaire en utilisant le signal optique rapide; (3) la dynamique vasculaire autour de l'IIS en utilisant la spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge et, indépendamment enregistrée mais synchronisée avec l'IIS, les changements dans le flux sanguin cérébral en utilisant la spectroscopie de corrélation de diffusion. La première altération dans les signaux mesurés était observée dans les compartiments hémodynamiques quelques secondes avant la pointe de l'IIS. Ces changements hémodynamiques ont été suivis de changements de cohérence puis de synchronisation entre les réseaux de neurones profonds et superficiels dans les 1 s précédant les pointes épileptiques. Enfin, les changements dans la diffusion de la lumière qui se sont produits avant les pointes épileptiques soutiennent l'idée d'un changement de configuration de la membrane survenant avant la pointe épileptique. Notre approche multimodale et multi-échelles met en évidence la complexité (1) des interactions entre les compartiments neuronaux, vasculaires et extracellulaires, (2) des interactions neuronales entre différentes couches, (3) des mécanismes synaptiques (cohérence et synchronisation), et (4) non synaptiques mécanismes qui ont lieu dans le réseau neuronal autour des pointes épileptiques dans un environnement hémodynamique cérébral très spécifique
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03617865 , version 1 (23-03-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03617865 , version 1

Citer

Cristian Arnal-Real. Non invasive multimodal analysis of epileptic spikes. Neurons and Cognition [q-bio.NC]. Université de Picardie Jules Verne, 2021. English. ⟨NNT : 2021AMIE0004⟩. ⟨tel-03617865⟩
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