Στην παρούσα μελέτη παρουσιάσαμε τα αποτελέσματα της λειτουργικής απεικόνισης με SPECT αιμάτωσης εγκεφάλου σε δύο διαφορετικές παθολογικές καταστάσεις, την νόσο του Παρκινσον και τη δευτεροπαθή δυστονία. Στο πρώτο μέρος της μελέτης διερευνήσαμε την ακεραιότητα της μελανοραβδωτής οδού και την αιματική εγκεφαλική ροή στα διάφορα στάδια της νόσου Parkinson. Στη μελέτη συμμετείχαν συνολικά 53 ασθενείς (27 άνδρες, 26 γυναίκες) που πληρούσαν τα κριτήρια της Ιδιοπαθούς νόσου του Parkinson και αξιολογήθηκαν σύμφωνα με την κλίμακα Unified Parkinson Disease Rating Scale (UPDRS) καθώς και την κλίμακα Hoehn-Yahr. Οι ασθενείς χωρίστηκαν σε 4 ομάδες σύμφωνα με την κλίμακα Hoehn-Yahr. Το πρωτόκολλο μελέτης των 53 ασθενών περιελάμβανε 2 απεικονιστικές εξετάσεις: Α) το SPECT εγκεφάλου με το ραδιοφάρμακο 123Ι- Ioflupane (DaTSCAN) και Β) το SPECT αιμάτωσης εγκεφάλου με το ραδιοφάρμακο 99m Tc-ECD (Neurolite ). Η νόσος Πάρκινσον είναι ένα υποκινητικό σύνδρομο και όπως καταδείξαμε από τη μέλετη ασθενών σε διάφορα στάδια της νόσου, το πρότυπο της αιμάτωσης του εγκεφάλου είναι αυτό της σταδιακής προσβολής περιοχών του φλοιού ως συνέπεια της απόσχισης των συνδέσεων του κυκλώματος βασικών γαγγλίων με το φλοιό. Συγκεκριμένα αποδείξαμε ότι στα αρχικά στάδια της νόσου παρατηρείται υποαιμάτωση περιοχών του μετωπιαίου λοβού (κινητικών, προκινητικών και περιοχών του προμετωπαίου λοβού) ενώ σε πιο προχωρημένα στάδια η προσβολή του φλοιού επεκτείνεται σε περιοχές του βρεγματικού και κροταφικού λοβού. Επίσης βρέθηκε θετική συσχέτιση μεταξύ της ειδικής σύνδεσης του ρ/φ στον αριστερό κερκοφόρο πυρήνα και της αιματικής εγκεφαλικής ροής στην περιοχή DLPFC του προμετωπιαίου λοβού αριστερά, καθώς επίσης και μεταξύ της ειδικής σύνδεσης του ρ/φ στο αριστερό κέλυφος και της αιματικής εγκεφαλικής ροής στην πρωτοταγή κινητική περιοχή αριστερά. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας μελετήσαμε 21 ασθενείς με Ιδιοπαθή νόσο Parkinson που πληρούσαν τα κριτήρια για χειρουργική αντιμετώπιση με εν τω βάθει εγκεφαλικό ερεθισμό (DBS). Οι ασθενείς ήταν 11 γυναίκες και 10 άνδρες, μέσης ηλικίας 63±8 χρόνια, μέσης διάρκειας της νόσου 11.5±4.8 και σταδίου 2.9±0.8 κατά Hoehn and Yahr. Οι ασθενείς αυτοί υπεβλήθησαν σε 2 ξεχωριστές μελέτες SPECT αιμάτωσης εγκεφάλου, η πρώτη πριν το χειρουργείο (meds off) και η δεύτερη 6 μήνες μετά το χειρουργείο (DBS on/ off meds). Οι δύο αυτές μελέτες συγκρίθηκαν μεταξύ τους με το πρόγραμμα Neurogam και εξετάστηκαν συγκεκριμένα οι μεταβολές στην αιματική εγκεφαλική ροή των κινητικών περιοχών του εγκεφάλου. Παράλληλα εξετάσθηκε η κινητική βελτίωση των ασθενών κλινικά και με βάση την κλίμακα mUPDRS. Τα αποτελέσματα της μελέτης ήταν πολύ καλά καθώς οι 20 ασθενείς παρουσίασαν σημαντική κλινική βελτίωση μειώνοντας την κλίμακα mUPDRS κατά 44% και τη χορηγούμενη δόση levodopa από 850 ± 108 mg πριν το χειρουργείο σε 446 ± 188 mg στο διάστημα επανελέγχου. Επίσης στους 6 μήνες παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση της αιματικής εγκεφαλικής ροής στην προκινητική και πρωτοταγή κινητική περιοχή του εγκεφαλικού φλοιού κατά 10.9% και σημαντική συσχέτιση αυτής με την κινητική βελτίωση των ασθενών (r=.89, p<.001). Από τη μελέτη μας προκύπτει ότι το DBS είναι ικανό να άρει την υποαιμάτωση τουλάχιστον των κινητικών περιοχών του φλοιού, οδηγώντας στην κινητική βελτίωση των ασθενών. Στο τρίτο μέρος της μελέτης μας ασχοληθήκαμε με την μελέτη ασθενών με δευτεροπαθή δυστονία που αποτελεί ένα υπερκινητικό σύνδρομο με ετερογένεια όσον αφορά την αιτιολογία του. Συγκεκριμένα μελετήσαμε το αποτέλεσμα της δράσης του DBS στην περιοχική αιματική εγκεφαλική ροή των κινητικών περιοχών του φλοιού σε συνάρτηση με το κλινικό αποτέλεσμα. Στο πρωτόκολλο πριελήφθησαν 6 ασθενείς με φαρμακευτικά ανθεκτική δευτεροπαθή δυστονία που υπεβλήθησαν σε DBS. Οι ασθενείς υπεβλήθησαν σε SPECT αιμάτωσης εγκεφάλου σε δύο διαφορετκές λειτουργικές καταστάσεις μετεγχειρητικά: DBS on & DBS off κατάσταση. Οι δύο μελέτες συγκρίθηκαν μεταξύ τους με το πρόγραμμα Neurogam. Η κινητική εκτίμηση των ασθενών έγινε με την κλίμακα Burke–Fahn–Mardsen Dystonia Rating Scale (BFMDRS) στις δυο διαφορετικές καταστάσεις (DBS on & DBS off). Δύο ασθενείς έδειξαν άριστη κλινική βελτίωση στον επανέλεγχο, σε δύο άλλους τα αποτελέσματα ήταν μέτρια και σε δύο τα αποτελέσματα της επέμβασης κρίθηκαν φτωχά. Ο μέσος βαθμός βελτίωσης της κλίμακας BFMDRS ήταν 49.1% (0–90.7%). Επίσης η ανάλυση των SPECT μελετών έδειξε σημαντική μείωση της rCBF στην κατάσταση on DBS κάτι που συσχετίστηκε με την κλινική βελτίωση. Όσον αφορά το μηχανισμό δράσης του εν τω βάθη εγκεφαλικού ερεθισμού, παρά τις πολλαπλές θεωρίες που υπάρχουν, φαίνεται, τουλάχιστον από το δικό μας μικρό δείγμα ασθενών, να λειτουργεί με το να επαναρυθμίζει το υπάρχων παθολογικό λειτουργικό κύκλωμα σε ένα νέο πιο αρμονικό ρυθμό, προσφέροντας στους ασθενείς μία νέα οδό επικοινωνίας του συστήματος των βασικών γαγγλίων με το φλοιό και στις περισσότερες περιπτώσεις να καταφέρνει να προσφέρει κινητική βελτίωση. / In the present study we present the results of functional brain imaging with regional Cerebral Blood Flow SPECT (rCBF SPECT) in two different neurological disorders; Parkinson’ Disease (PD) and Secondary Dystonia. In the first case of Parkinson’s Disease, our first purpose was to investigate the differences and associations between cortical perfusion and nigrostriatal dopamine pathway in different stages of Parkinson’s disease (PD). For that purpose we recruited 53 non-demented PD patients divided into four groups according to the Hoehn and Yahr (HY) staging system. Each patient underwent two separate brain single photon emission computed tomography (SPECT) studies (perfusion and dopamine transporter binding). Perfusion images of each patient were quantified and compared with a normative database provided by the NeuroGam software manufacturers. Compared with controls, PD patients showed impairments of cerebral perfusion that increased with clinical severity. Furthermore Dopamine transporter binding in the left caudate nucleus and putamen significantly correlated with blood flow in the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) and primary motor cortex respectively. We concluded that there are significant perfusion deficits, that are associated with PD progression, implying a multifactorial neurodegeneration process apart from dopamine depletion in the substantia nigra pars compacta (SNc). Given the fact that high-frequency deep brain stimulation (DBS) of the subthalamic nucleus (STN) has become an established therapeutic approach for the management of patients with medically intractable idiopathic Parkinson’s disease (PD), our second purpose was to to assess regional cerebral blood flow (rCBF) changes related to motor improvement after Deep Brain Stimulation of the Subthalamic Nucleus (STN DBS). For that purpose we studied twenty-one PD patients (11 females and 10 males, mean age 63±8, mean disease duration 11.5±4.8, mean Hoehn and Yahr stage:2.9±0.8), that underwent two rCBF SPECT studies at rest, once preoperatively in the off-meds state and the other postoperatively (at 6±2 months) in the off-meds/on-stimulation state. Patients were classified according to the Unified Parkinson Disease Rating Scale (UPDRS) and Hoehn and Yahr (H&Y) scale. Neurogam software was used to register, quantify and compare two sequential brain SPECT studies of the same patient in order to investigate rCBF changes during STN stimulation in comparison with preoperative rCBF. The results showed that all patients presented clinical improvement during the first months after surgery resulting in a 44% reduction of the UPDRS motor score. The administered mean daily levodopa dose significantly decreased from 850 ± 108 mg before surgery to 446 ± 188 mg during off meds state (p < .001, paired t-test). At the 6 month postoperative assessment we noticed rCBF increases in the pre-supplementary motor area (pre-SMA) and the premotor cortex (PMC) (mean rCBF increase=10.9%), the dorsolateral prefrontal cortex and in associative and limbic territories of the frontal cortex (mean rCBF increase=8.2%). A correlation was detected between the improvement in motor scores and the rCBF increase in the pre-SMA and PMC (r=.89, p<.001). Our study suggests that STN stimulation leads to improvement in neural activity in the frontal motor/associative areas. The correlation between motor improvement and rCBF increase in higher order motor cortical areas suggests that even the short term stimulation achieves its therapeutic benefit by restoring the activity within these cortical regions. In the third part of our study we investigated the effect of deep brain stimulation (DBS) on regional cerebral blood flow (rCBF) in cases of secondary dystonia in correlation with clinical outcomes. For that purpose we studied six patients with medically intractable secondary dystonia who underwent DBS surgery. Burke–Fahn–Mardsen Dystonia Rating Scale (BFMDRS) was used for the assessment of dystonia, in the on & off DBS state. Single photon emission computed tomography (SPECT) of the brain was performed postoperatively in the two stimulation states (ON-DBS and OFFDBS) and the changes of rCBF in the three following brain regions of interest (ROIs): primary motor cortex, premotor and supplementary motor cortex, and prefrontal cortex were evaluated. Two patients exhibited excellent response to DBS, two patients got moderate benefit after the procedure, and in two patients, no clinical improvement was achieved. A mean improvement of 49.1% (0–90.7%) in BFMDRS total scores was found postoperatively. Brain SPECT data analysis revealed an overall decrease in rCBF in the investigated ROIs, during the ON-DBS state. Clinical improvement was significantly correlated with the observed decrease in rCBF in the presence of DBS. We concluded that when conservative treatment fails to relieve severely disabled patients suffering from secondary dystonia, DBS may be a promising therapeutic alternative. Moreover, thiat study indicates a putative role of brain SPECT imaging as a postoperative indicator of clinical responsiveness to DBS.

La Tomographie par Émission de Positons (TEP) est une méthode d'imagerie médicale nucléaire permettant de mesurer l'activité métabolique d'un organe par la dégradation d'un radio-traceur injecté. Cette méthode d'imagerie peut être utilisée pour l'observation de l'activité métabolique cérébrale à l'aide d'un radio-traceur adéquat, tel que le 18F-Fluorodésoxyglucose. Dans le cadre d'une étude clinique, des patients cérébro-lésés ayant des troubles de la conscience ont eu une chirurgie d'implantation d'électrodes de Stimulation Cérébrale Profonde (SCP). Afin d'effectuer un suivi des patients avant et après la procédure de SCP, et parce qu'elle est compatible avec la présence d'électrode, l'imagerie TEP est utilisée. Nous nous posons la question suivante, comment caractériser les variations entre deux imageries TEP afin de mesurer précisément l'éffet d'un traitement ? Par construction les valeurs obtenues en imagerie TEP dépendent de nombreux facteurs. Si le poids du patient ainsi que la quantité injectée de radio-traceur marqué sont classiquement normalisés en utilisant la méthode des 'Standard Uptake Value' (SUV), la glycémie, entre autre ne l'est pas. Pour cette raison, calculer les variations d'activités entre deux imageries TEP est un problème délicat. Nous proposons une fonction pour calculer les cartes de variation métabolique de deux acquisitions TEP basée sur une approche voxel du ratio des imageries TEP. Nous l'appliquons à l'étude des patients stimulés (SCP) avec troubles de la conscience. Plus spéciffiquement, nous nous intéressons à la comparaison des imageries TEP intra-patient (avant versus après SCP), mais aussi à la comparaison interpatient (patient versus référence). Dans le processus de création des cartes intra-patient, les imageries TEP sont recalées rigidement avec une acquisition pondérée T1 d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) structurelle. Du fait de déformations majeures liées aux lésions cérébrales, un masque cérébral précis est créé manuellement par un expert clinique. Dans le processus de création des cartes inter-patient, les imageries TEP des patients sont recalées de manière élastique à une imagerie de référence, un atlas (groupe témoin), que nous construisons. Dans ce cas, un masque semi-automatique de l'intérieur de la boîte crânienne est réalisé. Les résultats peuvent être affinés par l'application supplémentaire d'un masque manuel déformé. Un des points clefs de la méthode est de calculer une normalisation spécifique à chaque imagerie, les rendant comparables, afin de calculer une caractérisation quantitative des variations métaboliques cérébrales. Les cartes de variation métabolique cérébrale obtenues sont ensuite comparées aux évaluations et effets cliniques observés afin de juger de leur pertinence. / Positron Emission Tomography is a nuclear medicine imaging method, allowing measure of an organe metabolic activity through degradation of an injected radio-tracer. This methode can be used, with the appropriate radio-tracer, such as 18F-Fluorodeoxyglucose, for observation of cerebral metabolic activity. Through a clinical study, brain damaged patients with counciousness disorders had an implantation surgery of Deep Brain Stimulation (DBS) electrodes. To be able to do the follow up of the patient before and after the DBS procedure, and because it's compatible with electrodes, PET imaging is used. We ask ourself the following question, how to characterize variations between two PET images, to precisely mesure the impact of a treatment ? By construction, PET imaging obtained values depend of numerous factors. If patient weight and injected radio-tracer are classicaly normalized, using the `Standard Uptake Value' (SUV) method, glycemia for exemple is not. For this reason, compute activity variations between two PET images is a delicate problem. We propose a specific function to allow computation of metabolic variation maps for two PET acquisitions, based on a voxel approach of the PET imaging ratio. We apply it to the study of stimulated patients (DBS) with counciousness disorders. More specifically, we are interested in intra-patient PET imaging comparison (before versus after DBS), but also in inter-patient comparison (patient versus reference). During the intra-patient maps creation process, PET patient images are rigidly registered with a T1 weighted structural Magnetic Resonance Imaging (MRI) acquisition. Due to major deformation caused by cerebral injuries, a precise brain mask is created by a clinical expert. During the inter-patient maps creation process, PET patient imaging are non-rigidly registered to a reference imaging, an Atlas we build. In this case, a semi automatic mask of the inside skull is computed. Results can be further improved by the supplementary application of a deformed manual mask. One of the method key elements, is to estimate a specific normalization for each imaging, making them comparable, in order to calculate quantitative charaterisation of cerebral metabolic variations. Cerebral metabolic variation maps obtained are then compared to observed clinical assesments and effects to judge their relevance.

La stimulation cérébrale profonde (SCP) est actuellement un traitement efficace pour la maladie de parkinson. Cette approche est maintenant fortement envisagée pour le traitement des addictions. Elle consiste à délivrer des impulsions électriques au sein d’une structure cérébrale : le noyau subthalamique. Nous avons montré dans le noyau subthalamique l’existence de signatures associée à la transition vers l’addiction et la prise compulsive de drogue, ainsi que le potentiel thérapeutique de la SCP pour réduire la consommation pathologique et compulsive de cocaïne chez des rats. Nous avons également montré le contrôle spécifique du noyau subthalamique sur la motivation pour la nourriture sucrée et les drogues d’abus. Dans l’ensemble, cette thèse devrait permettre une meilleure compréhension des mécanismes de la SCP, de son potentiel thérapeutique pour les addictions et de ses éventuels effets secondaires. / Deep brain stimulation (DBS) is currently one form of effective treatment for Parkinson’s disease. This approach is currently considered for the treatment of addiction. It consists in the delivery of small electric impulses inside a brain structure: the subthalamic nucleus. We have shown in the subthalamic nucleus the existence of signature associated with the transition to addiction and compulsive drug abuse, as well as the therapeutic potential of DBS to reduce pathological intake and compulsive cocaine abuse in rats. We also established the specific control exerted by the subthalamic nucleus on the motivation for sweet food and drug of abuse. Overall this thesis could allow a better understanding of the mechanisms of DBS, its therapeutic potential in addiction and possible side effects.

Dopamine agonist therapy and deep brain stimulation (DBS) are both linked to increased impulsivity in Parkinson’s disease (PD), but the underlying mechanisms remain unclear. We trained intact and PD-like rats on a rat gambling task (rGT) measuring impulsive choice and premature responding. Animals were then retested with/without treatment, pramipexole (PPX) or DBS, administered chronically prior to rGT testing. Early PD-like rats did not exhibit major differences in rGT performance or treatment response. Our work suggests that DBS and PPX are not intrinsically linked with increases in impulsivity. Neither DBS nor PPX disrupted gambling-like behaviour in our paradigm, while differential effects on premature and perseverant responding in the task were observed with treatment. Based on our findings, the previously reported ability of PPX to increase impulsive choice might not be mediated by the dopamine D3 receptor. Interestingly, our work suggests that the effects of STN-DBS on impulse control might be amplitude-dependent.

Dopamine agonist therapy and deep brain stimulation (DBS) are both linked to increased impulsivity in Parkinson’s disease (PD), but the underlying mechanisms remain unclear. We trained intact and PD-like rats on a rat gambling task (rGT) measuring impulsive choice and premature responding. Animals were then retested with/without treatment, pramipexole (PPX) or DBS, administered chronically prior to rGT testing. Early PD-like rats did not exhibit major differences in rGT performance or treatment response. Our work suggests that DBS and PPX are not intrinsically linked with increases in impulsivity. Neither DBS nor PPX disrupted gambling-like behaviour in our paradigm, while differential effects on premature and perseverant responding in the task were observed with treatment. Based on our findings, the previously reported ability of PPX to increase impulsive choice might not be mediated by the dopamine D3 receptor. Interestingly, our work suggests that the effects of STN-DBS on impulse control might be amplitude-dependent.

Deep brain stimulation (DBS) is a potent symptomatic therapy for Parkinson’s disease, but it is debated whether it causes or prevents neurodegeneration. We used serum neurofilament light chain (NFL) as a reporter for neuronal damage and found no difference between 92 patients with chronic STN-DBS and 57 patients on best medical treatment. Serum NFL transiently increased after DBS surgery whereas the initiation of STN stimulation did not affect NFL levels, suggesting that DBS surgery can be associated with neuronal damage whereas stimulation itself is not.