Gamma Knife radiosurgery (GKR) is a neurosurgical stereotactic procedure, combining image guidance, with high-precision convergence of multiple gamma rays, currently emitted by 192 sources of Cobalt-60 (Leksell Gamma Knife ICON®, Elekta Instruments, AB, Sweden). The intimate mechanisms of action are not all very well understood and vary according to the treated pathological condition. In functional disorders, GKR is used either to target a specific anatomical point [e.g. thalamus- ventro-intermediate nucleus (Vim) for tremor] or to target a larger zone, such as an epileptic focus.
The present thesis focuses on Vim GKR for drug-resistant essential tremor (ET). Essential tremor is the most common movement disorder, with the predominant clinical finding being kinetic tremor of the arms. Radiosurgery (RS) has several limitations in this indication: (1) indirect targeting (Vim is not visible on current MR acquisitions), with (2) no intraoperative confirmation of the target, (3) delayed clinical effect, (4) inability to predict the radiological response and a (5) lack of understanding of its radiobiological effect. Moreover, despite a standard radiosurgical procedure, there is a variability of clinical effect, with a lower efficacy rate as compared to standard deep-brain stimulation, the reference technique. Gamma Knife radiosurgery has no access to tissue analysis, and targeting and follow-up evaluation are based only on neuroimaging. We addressed the limitation of the indirect targeting by using high-field 7 Tesla (T) MRI, and combining multimodal imaging for Vim definition, at both 3 and 7 T. The central core of this thesis was the understanding of radiobiology of RS for tremor, using both structural [e.g. T1 weighted (T1-w), voxel-based morphometry (VBM)] and functional resting- state functional MRI (rs-fMRI).
We aimed for a direct Vim visualization using ultra-high field 7 T. The former allows an increased signal to noise ratio, an improved spatial resolution, as well as a superior sensitivity to magnetic susceptibility engendered contrast. Susceptibility-weighted images (SWI) might be an important step to allow a direct visualization of thalamic subparts (including the Vim). We explored 7T SWI advantages, which were done in a qualitative manner. We combined several different methodologies for Vim definition (in healthy subjects of different ages): manual delineation on 7T, quadrilatere of Guiot used in common clinical practice and automated segmentation based on diffusion weighted imaging and atlases (last two performed by and in collaboration with Dr Najdenovska). We concluded that although 7T SWI, alone or in combination with other neuroimaging modalities, is useful, several limitations need to be overcome yet, precluding a standardization of a direct Vim visualization, with the current state-of- the art.
The T1-w and rs-fMRI based studies analyzed the radiobiology effects of Vim GKR for intractable tremor and led to several important contributions. The most relevant and novel was the presence of a visually-sensitive structural and functional network, involved in tremor generation and further arrest after Vim GKR. The patients with this network more integrated pretherapeutically benefited more from RS. The candidate had shaped the term “cerebello- thalamo-cortical” into the “cerebello-thalamo-visuo-motor” network, as a step forward in the understanding of essential tremor’s pathophysiology. Two structures were proposed as main calibrators of this network, in the light of the present thesis: the cerebellum (as the most probable) versus the thalamus itself. Moreover, a more classical basal ganglia network, interconnected with a salience one, as well as a cerebellar, interconnected with the motor and visual one, were reported. Other longitudinal changes involved dorsal attention, insular or supplementary motor area circuitries. Particular phenotypes of ET, including patients with head tremor, were analyzed and discussed. As a perspective and future work, in progress, the dynamics of the extrastriate cortex was further analyzed, using co-activation patterns.
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La radio-neurochirurgie par Gamma Knife (GK) est une procédure de neurochirurgie stéréotaxique, combinant l’utilisation d’une imagerie multimodale, avec la convergence de multiples rayons Gamma émis par 192 sources of Cobalt-60 (Leksell Gamma Knife ICON®, Elekta Instruments, AB, Suède). Ses mécanismes pathophysiologiques ne sont pas complètement élucidés et varient selon la condition traitée. Lors des procédures fonctionnelles, le GK est utilisé pour irradier avec une haute précision, soit un point précis (par exemple, le noyau ventro- intermediare, Vim, du thalamus pour le tremblement), soit une zone plus large, comme un foyer d’épilepsie.
La présente thèse a comme sujet principal la radiochirugie du Vim (RC du Vim) pour le tremblement essentiel (TE). Le TE est un des mouvements anormaux le plus commun, manifesté principalement avec un tremblement d’action de la main. Toutefois, la RC du Vim a plusieurs limitations: (1) le ciblage est indirect (le Vim n’est pas visible sur les séquences IRM classiques),
(2) elle ne permet pas la confirmation électrophysiologique de la cible, (3) l’effet clinique est délayé dans le temps, (4) la réponse radiologique est difficile à prédire et, (5) il manque une compréhension claire de son effet radiobiologique. De plus, malgré le fait que la procédure soit standardisée, il y a une variabilité de son effet clinique. La RC ne permet pas d’analyser le tissu et, le ciblage ainsi que le suivi, sont réalisés uniquement sur la base de la neuroimagerie. Nous avons analysé la limitation du ciblage indirect en utilisant l’IRM à haut champs [7 Tesla (T)] et en la combinant avec une imagerie multimodale, incluant des séquences 3T et 7T, pour la définition du Vim. La partie centrale de la thèse se focalise sur la compréhension de l’effet radiobiologique de la RC du Vim dans le TE. Cette partie se base tant de l’analyse de l’imagerie structurelle (séquence classique T1) que sur l’imagerie fonctionnelle (IRM de repos).
Le but de la première partie de la thèse est la visualisation directe du Vim en utilisant l’IRM 7T, qui a plusieurs avantages par rapport à l’IRM 3T, y compris une meilleure résolution spatiale. Notamment, la séquence SWI a un intérêt particulier, mais elle n’avait encore jamais été explorée que de manière quantitative au niveau du thalamus (qui contient le Vim). Nous avons combinée plusieurs modalités pour définir le Vim (chez des sujets sains de différents âges): visualisation directe sur la 7T, quadrilatère de Guiot tel qu’utilisé en pratique clinique courante, ainsi que segmentation automatique en imagerie de diffusion ou par des atlas (ces dernières deux approches ont été réalisées par, et en collaboration avec, Dr Najdenovska). Nous avons conclu que la séquence 7T SWI, malgré certains avantages, et utilisée seule ou combinée avec d’autres modalités, présente certaines limitations qui ne permettent pas, à l’heure actuelle, de l’utiliser d’une manière standardisée, tant chez les sujets sains que chez les patients atteints de TE.
Dans la deuxième partie, l’étude de la radiobiologie de la radiochirugie pour le TE a permis d’apporter plusieurs contributions. La plus importante est la mise en évidence d’un
« réseau visuel » structurel et fonctionnel, impliqué dans la genèse du tremblement et dans son amélioration après une RC du Vim. Les patients dont ce réseau est mieux intégré avant la procédure ont de meilleures chances d’amélioration clinique du TE. Dans ce contexte, nous avons proposé d’adapter le terme classique d’ «axe cérébello-thalamo-moteur» en le modifiant en « axe cérébello-thalamo-visuo-moteur», ce qui pourrait aider à une meilleure compréhension de la pathophysiologie du TE. Nous proposons également que deux structures puissent jouer le rôle de neuromodulateur de ce réseau, le cervelet et le thalamus. Une autre contribution est la description de l’interconnexion entre le réseau classique impliquant les noyaux de la base et celui l’attention, ainsi que de l’interconnexion entre le réseau cérébelleux et celui des cortex moteur primaire et visuel associatif. Des phénotypes particuliers du tremblement ont été analysés, incluant par exemple des tremblements du chef. Des travaux en cours incluent l’étude de la dynamique du cortex extra-strié en utilisant de nouvelles approches, comme les patterns de co-activation.