Functional Neuro-Imaging Study of Deep Brain Stimulation Mechanisms for the Restoration of Consciousness Using a Non-Human Primate Mode
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Severe brain injuries may lead to the disruption of long-range inter-region brain communications resulting in chronic Disorders of Consciousness (DoC). Electrical Deep Brain Stimulation (DBS) of the Thalamus has been reported to modulate arousal and ameliorate behavior in Minimally Conscious State (MCS) patients. However, there is no clear demonstration of the cerebral mechanisms for the specific and causal restoration of conscious access, i.e. awareness, with DBS. Here we hypothesized that specific thalamic DBS might restore both arousal and awareness through the restoration of thalamo-cortical activity and the subsequent reorganization of cortical dynamics. We first designed an experimental set-up combining DBS and functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) in Non-Human Primate (NHP) and applied finely tuned anesthesia to suppress consciousness. We recorded whole brain activity and developed a preprocessing pipeline, Pypreclin, to tackle the electrode-induced artifact. During deep sedation, Centro-Median Thalamic (CMT) DBS robustly induced arousal in an ON-OFF fashion. When CMT DBS was switched ON, fMRI signal increased in prefrontal, parietal and cingulate cortices, and gradually returned to baseline seconds after the stimulator was turned OFF. Moreover, CMT DBS led to a reconfiguration of Resting State cortical dynamics bydecreasing the function-structure similarity, previously described as a consciousness signature. Finally, CMT DBS restored a broad hierarchical response to global auditory regularities that was disrupted under general anesthesia. Thus, CMT DBS restored the two main dimensions of consciousness, i.e. arousal and awareness, paving the way to its therapeutical translation in patients with chronic DoC.
Abstract FR:
Les traumatismes crâniens les plus sévères peuvent altérer les communications entre des régions cérébrales distantes et conduire à des désordres chroniques de la conscience. Il a été rapporté que la Stimulation Cérébrale Profonde (SCP) du Thalamus module l'éveil et améliore le comportement des patients en état de conscience minimale. Cependant, il n'existe aucune démonstration évidente des mécanismes cérébraux pour la restauration spécifique et causale de l˅accès conscient, i.e. la prise de conscience, par la stimulation électrique. Dans cette étude, nous dressons l'hypothèse que la stimulation thalamique spécifique pourrait restaurer à la fois la vigilance et la prise de conscience à travers la restauration de l'activité thalamo-corticale et de la réorganisation des dynamiques corticales subséquentes.Nous avons créé une installation expérimentale qui combine la SCP et l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle 'IRMf' chez le Primate Non-Humain (PNH) et appliqué une anesthésie finement contrôlée pour supprimer la conscience. Nous avons enregistré l'activité cérébrale du cerveau entier et développé un module de pré-traitement des images, Pypreclin, pour résoudre le problème d'artéfact lié à l'électrode. Sous sédation profonde, la stimulation électrique du noyau Centro-Median du Thalamus (CMT) a induit une forte vigilance de façon binaire. Lorsque la SCP du CMT a été déclenchée, le signal IRMf mesuré a augmenté dans les cortex préfrontal, pariétal et cingulaire, pour retourner progressivement à la valeur de référence quelques secondes après que le stimulateur a été éteint. De plus, la SCP du CMT a conduit à une reconfiguration des dynamiques corticales des états de repos en diminuant la similarité entre fonction et structure, précédemment décrite comme signature de la conscience. Enfin, la SCP du CMT a rétabli une vaste réponse hiérarchique à la régularité auditive globale qui était interrompuesous anesthésie générale. Ainsi, la SCP du CMT a restauré les deux dimensions principales de la conscience que sont l˅éveil et le contenu conscient, ouvrant la voie vers une application thérapeutique chez les patients atteint de désordres chroniques de la conscience.