Carte topographique totale de l’indice 1/f dans la maladie de Parkinson

Auteur : Pascal Helson, Daniel Lundqvist, Per Svenningsson, Mikkel C. Vinding, Arvind Kumar

Contexte de la recherche

La maladie de Parkinson (Parkinson’s Disease, PD) est une maladie cérébrale progressive et débilitante, principalement caractérisée par des troubles moteurs, mais affectant également les traitements perceptifs et cognitifs. En raison de la généralité des symptômes et des projections cérébrales de divers neuromodulateurs tels que la dopamine, de nombreuses régions cérébrales sont simultanément affectées par la PD. Pour caractériser les changements fonctionnels neuronaux associés à la maladie à l’échelle cérébrale, cette étude a analysé le magnétoencéphalogramme (Magnetoencephalogram, MEG) au repos des patients atteints de PD et des témoins sains.

Les analyses spectrales traditionnelles ont montré une augmentation des activités neuronales de faible fréquence (ondes θ et α) chez les patients atteints de PD, tandis que les fréquences élevées (ondes β et γ) diminuent. Les analyses dynamiques montrent également des corrélations entre les symptômes moteurs et cognitifs. Cependant, il y a relativement peu d’études sur les changements dans les pics de fréquence. Cette étude analyse le spectre de puissance du MEG en ajustant une fonction de loi de puissance κ/f^λ—où f est la fréquence, κ et λ sont les paramètres d’ajustement—pour quantifier les composantes non périodiques de l’activité neuronale (comme l’indice 1/f, λ) et étudier leur relation avec l’âge et l’échelle unifiée de notation de la PD (UPDRS).

Source de l’article

Cet article a été écrit par Pascal Helson, Daniel Lundqvist, Per Svenningsson, Mikkel C. Vinding et Arvind Kumar, les auteurs étant affiliés à l’Institut royal de technologie KTH, à l’Institut Karolinska et à l’Hôpital universitaire de Copenhague, entre autres institutions. Cette recherche a été publiée en 2023 dans la revue « npj Parkinson’s Disease ».

Processus de recherche

Cette étude a utilisé les données MEG au repos des patients atteints de PD et des témoins sains, suivant les étapes suivantes :

Collecte et prétraitement des données

1. Les données MEG ont été collectées à l’aide de 306 capteurs et prétraitées en signaux d’activité cérébrale de 44 régions cérébrales basées sur la carte HCP-MMP1.
2. Les données ont été divisées en “état OFF médicament” et “état ON médicament” pour les patients atteints de PD, ainsi que deux mesures pour les témoins sains.

Analyse spectrale

1. La densité spectrale de puissance (PSD) a été calculée utilisant la méthode de Welch.
2. Le spectre a été ajusté avec l’algorithme FOOOF pour extraire les composantes non périodiques et périodiques.
3. Les fréquences maximales des composantes gaussiennes totales et l’indice de loi de puissance (λ) ont été estimés.

Principaux résultats

Ralentissement des pics spectraux

L’étude a révélé un ralentissement généralisé des pics spectraux à toutes les fréquences chez les patients atteints de PD, et le traitement médicamenteux n’a pas amélioré ce ralentissement voire l’a aggravé. De plus, les pics spectraux dans les bandes α et β sont réduits chez les patients PD, avec une absence notable de pics dans la bande γ, résultats plus marqués dans les régions sensorielles et motrices.

Changement de l’indice 1/f (λ)

L’étude montre que λ est significativement plus élevé dans les régions sensorielles et motrices des patients atteints de PD par rapport aux témoins sains. En outre, λ présente un gradient positif d’avant en arrière, non observé chez les témoins sains. Le traitement médicamenteux ne modifie pas la distribution spatiale de λ, indiquant que les modifications de λ dans la PD ne sont pas significativement influencées par la thérapie de remplacement de la dopamine.

Relation entre l’âge et λ

λ est corrélé positivement à l’âge, mais sans relation avec le score UPDRS-III, suggérant que, chez les patients atteints de PD, l’âge influence davantage le réseau cérébral que les symptômes moteurs. Spécifiquement, λ tend à être plus élevé chez les patients PD âgés dans les régions sensorielles, suggérant un impact plus grand des modifications chroniques de la dopamine sur les réseaux cérébraux chez les patients plus âgés.

Analyse de la variabilité temporelle

La variabilité temporelle de λ diffère, l’étude ayant constaté une moindre fluctuation de λ chez les patients atteints de PD, surtout dans les régions sensorielles, où cela est plus stable. Le traitement médicamenteux n’a pas eu d’effet significatif sur la variabilité temporelle de λ, bien qu’il semble réduire les fluctuations temporelles dans certaines régions cérébrales (notamment le cortex préfrontal).

Conclusion et signification

Cette étude est la première à fournir une carte topographique complète de l’indice de loi de puissance (λ) à l’échelle cérébrale chez les patients atteints de PD et les témoins sains. Les principales conclusions incluent : 1. Chez les patients atteints de PD, λ est significativement plus élevé dans les régions sensorielles et motrices, avec un gradient marqué d’avant en arrière. 2. Le traitement médicamenteux a peu d’impact sur la distribution spatiale de λ. 3. λ est positivement corrélé avec l’âge et non avec les scores moteurs de la PD.

En analysant λ, cette étude propose de nouvelles hypothèses sur les connexions neuronales dans les réseaux corticaux chez les patients atteints de PD, y compris l’éventuel impact sur l’équilibre excitation-inhibition dans les régions sensorielles. Ces découvertes fournissent non seulement une nouvelle perspective théorique sur la compréhension de la PD, mais aussi des directions pour vérifier ces hypothèses via des technologies non invasives et des modèles animaux. De plus, cette étude attire l’attention sur d’autres troubles sensoriels potentiellement affectés par la PD, comme les troubles visuels et auditifs, élargissant ainsi la compréhension des symptômes de la PD et des dysfonctionnements cérébraux.

Points forts de la recherche

1. Analyse à l’échelle cérébrale : analyse topographique de l’indice de loi de puissance sur l’ensemble des régions néocorticales, montrant l’impact de la PD sur la fonction cérébrale.
2. Combinaison quantitative et qualitative : analyse quantitative des pics spectraux et analyse qualitative de λ, dévoilant les caractéristiques d’activité dans différentes régions cérébrales chez les patients atteints de PD.
3. Nouvelles hypothèses : les résultats montrent que la PD affecte non seulement les régions motrices, mais a également un impact significatif sur les régions sensorielles, proposant ainsi de nouvelles hypothèses de recherche.

Innovation méthodologique

Cette étude a utilisé des méthodes avancées d’analyse des données MEG, y compris l’algorithme FOOOF et la méthode de Welch, pour quantifier avec une très haute précision les composantes périodiques et non périodiques du spectre d’activité cérébrale. Grâce à ces méthodes, cette recherche a non seulement confirmé les changements spectraux connus, mais a également révélé des changements dans les composantes non périodiques (comme l’indice 1/f) qui n’avaient pas été profondément étudiés auparavant.

Valeur appliquée

Les résultats de cette étude sont importants pour développer des stratégies de diagnostic et de traitement de la PD plus précises. Notamment, une étude plus approfondie des troubles sensoriels et des fonctions cognitives pourrait mener à de nouvelles stratégies thérapeutiques. De plus, les hypothèses proposées peuvent être vérifiées par des expériences futures sur des modèles animaux, fournissant ainsi une base scientifique plus détaillée pour comprendre les mécanismes neuronaux de la PD.