Optimisation of repetitive transcranial magnetic stimulation using electroencephalographic measurements in patients suffering from mood disorders
Evaluation de l'excitabilité corticale par électroencéphalographie pour l'optimisation de la stimulation magnétique transcrânienne répétée chez les patients souffrant de troubles de l'humeur
Résumé
Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive technique for stimulating the brain. A brief electric current passing through a magnetic coil produces a brief, high-intensity magnetic field which stimulates the brain. Repetitive TMS, application of many magnetic pulses, is able to induce relatively long-lasting excitability changes and nowadays is being developed for various therapeutic and scientific purposes. The after-effects of rTMS over motor cortex are well documented in healthy individuals, however less is known about the stimulation of dorso-lateral prefrontal cortex (DLPFC). The aim of this PhD thesis was to compare different rTMS protocols in healthy subjects and to find neurophysiological EEG biomarkers characteristic for response or not to rTMS therapy in major and bipolar depression. The main originality of presented method is within-subject comparison of between-protocols effects. Additionally, source localisation was performed in both analyses. Here, we studied in 20 healthy subjects how cortical oscillations are modulated by four different active rTMS protocols (1 Hz, 10 Hz, cTBS and iTBS) of the left DLPFC, and by a sham-1Hz protocol used as a control condition, by comparing the spectral power of pre- and post-rTMS electroencephalographic (EEG) recordings of 15 minutes duration. EEG spectrum was estimated with the Fast Fourier transform (FFT) and partitioned using the common physiological frequency. We found for every active protocol a significant decrease of delta and theta power on left prefrontal electrodes, mainly localised in the left DLPFC. In higher frequency bands (beta and gamma), the decrease of power in the DLPFC was also observed additionally in the contralateral DLFPC and depended on the stimulation protocol. Because large delta and theta activity is usually associated with cortical inhibition, these results suggest that rTMS of DLPFC transiently decreases local cortical inhibition. Furthermore, fast EEG oscillations are associated to cortical excitability and it can be concluded that observed decreases in fast activity, unspecific to protocol, localised in the DLPFC also suggest reduced cortical excitability, which accompanies a decrease in cortical inhibition. In the second experiment we worked on two subgroups of patients, with major depressive disorder (MDD) and bipolar disorder (BP). In this open study we aimed to examine whether there are EEG differences in resting brain activity between BP and MADD patients, and between responders and non-responders to 10 Hz repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) by studying EEG biomarkers. Eight MDD (6 females) and 10 BP patients (6 females) were included. The 10 Hz rTMS protocol was the same for MDD and BP. The different patterns of EEG activity in both depressive disorders were studied, by comparing spectral power of pre- and post-rTMS EEG recordings throughout the therapeutic sessions in responders and non-responders.The most important finding is that it is possible to distinguish responders from non-responders to the rTMS treatment. Responders showed significantly higher power of low frequencies. Therefore, an increase of alpha power was observed in ventral cingulate cortex in both groups. The comparison of MDD and BP disorders revealed significantly higher activity in theta and beta bands power in BP patients, mainly localised in prefrontal cortex.
La stimulation magnétique transcranienne (SMT) est une technique non invasive qui permet de stimuler le cerveau. Les SMT répétitives (SMTr), c'est-à-dire l'application de nombreuses impulsions magnétiques, sont capable d'induire des modifications de longue durée de l'excitabilité neuronale. La SMT s'est développée dans un but thérapeutique et scientifique. Les effets après la SMTr sur le cortex moteur sont bien documentés chez les individus sains, mais on en sait moins sur la stimulation du cortex préfrontal dorso-latéral (DLPFC).L'objectif de cette thèse était de comparer différents protocoles SMTr sur des sujets sains et de trouver des marqueurs électroencéphalograpiques (EEG) de la réponse ou pas à la thérapie SMTr dans la dépression majeure et bipolaire. La principale originalité de la méthode présentée est la comparaison intra-sujet d'effets entre-protocoles et le développement de techniques de localisation de sources.Nous avons étudié chez 20 sujets sains comment les oscillations corticales sont modulées suite à quatre protocoles SMTr actifs différents, et à un protocole sham utilisé comme contrôle, du DLPFC gauche et en comparant la puissance spectrale d'EEG avant et après SMTr de durée de 15 minutes. Le spectre EEG a été estimé grâce à la transformée de Fourier rapide (FFT) et partitionné en bandes de fréquence selon la classification commune.Nous avons trouvé pour chaque protocole actif une diminution significative de puissance delta et theta sur les électrodes préfrontales gauches, principalement localisées dans le DLPFC gauche. Dans des bandes de fréquences plus hautes, la diminution de puissance dans le DLPFC a été de plus observée dans le DLFPC controlatéral et dépend du protocole de stimulation. Parce que les activités delta et theta sont généralement associées à l'inhibition corticale, ces résultats suggérent que la SMTr du DLPFC diminue transitoirement l'inhibition corticale locale. Aussi, les oscillations d'EEG rapides sont associées à l'excitabilité corticale et on peut conclure que des diminutions observées non spécifiques dans l'activité rapide localisée dans le DLPFC suggérent également une réduction de l'excitabilité corticale.Dans la deuxième expérience, nous avons travaillé sur groupe de patients, souffrant de trouble dépressif majeur (MDD) et de trouble bipolaire (BP). Dans cette étude ouverte, nous avons cherché à déterminer s'il existe des différences d'EEG de repos dans l'activité cérébrale entre patients BP et MDD, et entre les répondeurs et non-répondeurs à la SMTr à 10 Hz en étudiant des biomarqueurs d'EEG. Le protocole SMTr à 10 Hz étaient le même entre patients MDD et BP. Les propriétés EEG dans les deux troubles dépressifs ont été étudiées, en comparant la puissance spectrale des enregistrements pré- et post-SMTr EEG au cours des sessions thérapeutiques chez les patients répondeurs et non-répondeurs.La conclusion est qu'il est possible de distinguer les répondeurs des non-répondeurs au traitement SMTr. Les répondeurs avaient une puissance en basse fréquence plus importante. Une augmentation de puissance alpha a aussi été observée au niveau du cortex cingulaire ventral dans les deux groupes. La comparaison des MDD et BP a révélé une activité significativement plus élevée dans la puissance des bandes thêta et bêta chez les patients BP, principalement localisée dans le cortex préfrontal.
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