Projections corticospinales

Les projections corticospinales ont été mesurées à l’aide de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS). Tel que décrit dans la section 2.2.1, la TMS est une méthode non-invasive afin d’évaluer l’intégrité et l’excitabilité de la voie corticospinale, reflétant ainsi les projections corticospinales (Abbruzzese et Trompetto, 2002).

Les impulsions magnétiques ont été délivrées en utilisant une bobine en forme de cône double, connectée à un appareil Magstim 200² (impulsion monophasique unique; Magstim Co., Dyfed, UK). Afin d'enregistrer les potentiels évoqués moteurs (PEM), le système PicoEMG (Cometa, Milan, Italie) a été positionné sur le vastus lateralis de la jambe atteinte

d’arthrose, en s’appuyant sur les recommandations SENIAM

(http://seniam.org/sensor_location.htm), et de façon à obtenir les meilleurs signaux électromyographiques possibles. Ces derniers ont été amplifiés directement au niveau du système d'enregistrement PicoEMG (échantillonnés à 2000 Hz), puis transférés vers l’ordinateur d'acquisition à l'aide de l’interface Power 1401 mk II et du logiciel Spike 2 (version 7.10 ; Cambridge Electronic Design Limted, Cambridge, Royaume-Uni). À noter que l’emplacement des électrodes a été documenté (mensuration de la distance entre la crête iliaque et le milieu de l’électrode) pour chaque participant afin de repositionner les électrodes au même endroit lors des visites de suivi. Un logiciel de neuronavigation (Brainsight, version 2.3.12 ; Rogue Research Inc., Montréal, Canada) a également été utilisé pour assurer un emplacement optimal de la bobine TMS. Par conséquent, chaque patient a préalablement été invité à prendre part à une séance d’imagerie par résonance magnétique (IRM) afin d’obtenir une image anatomique pondérée (T1; 1,0 mm X 1,0 mm X 1,0 mm, 3T Philips Medical system) de leur cerveau afin que cette dernière puisse être importée dans le logiciel de neuronavigation, et ainsi rendre son utilisation maximale.

L'emplacement optimal de la bobine pour obtenir des PEM du vastus lateralis (hotspot) a d’abord été trouvé (hotspot). Subséquemment, l'outil d'évaluation nommé TMS Motor

Threshold Assessment Tool, (MTAT 2.0), disponible en ligne

(http://www.clinicalresearcher.org/software.htm), a été utilisé afin de déterminer le seuil moteur au repos (SM) pour chaque participant; le SM étant défini comme l'intensité minimale de stimulation requise pour induire des PEM d'une amplitude supérieure à 50 µV (considéré comme PEM valide). Par la suite, toujours avec le muscle au repos, 8 blocs d'intensité de stimulation différente (c'est-à-dire 90, 100, 105, 110, 120, 130, 140 et 150% du SM) ont été randomisés et administrés, chaque bloc étant constitué de 5 stimuli magnétiques (le délai entre chaque stimulation variait de 5 à 8 secondes). Notez que les intensités de stimulation à 100, 105, 120 et 140% du SM ont été ajoutées plus tard au cours de l'étude afin de complémenter les courbes de recrutement (décrivant la relation entre l'amplitude des PEM et les intensités de la TMS). L'amplitude des PEM a été mesurée et la moyenne des différentes intensités a été calculée pour chaque participant. Les pentes des courbes de recrutement, via Excel, ont été calculées et utilisées comme mesure pour refléter l’intégrité des projections corticospinales

Période de silence

Une mesure d’inhibition, nommée la période de silence (SP), a également été documentée à l’aide de la TMS. La SP est un phénomène inhibiteur dû, d’une part, à une inhibition (de très courte durée) des mécanismes spinaux, et d’autre part à des mécanismes inhibiteurs intracorticaux situés au niveau de M1 (Rossini et al., 2015 ; Goss et al., 2012). Pour ce faire, 5 impulsions magnétiques délivrées à 120% du SM, ont été induites pendant que les participants contractaient activement leur quadriceps de la jambe atteinte d’arthrose (10% de la contraction volontaire maximale; ~15 secondes entre chaque stimulation). La durée de la SP, soit le temps qui s’écoule entre le début du PEM et le retour de l’activité tonique volontaire de l’électromyographie, a été calculée grâce à un script MATLAB automatisé.

Ainsi, une fois le script lancé, chaque tracé électromyographique y était présenté essai par essai (tracé de 5 secondes suivant la stimulation TMS). À ce moment, il suffisait d’indiquer manuellement la fin de la période de silence (retour de l’activité EMG), ce qui permettait au

logiciel de calculer adéquatement la durée totale de la période de silence. La valeur moyenne individuelle des 5 essais a été utilisée pour les analyses ultérieures.

IRM de diffusion Acquisition d’image

Les images IRM ont été acquises à l’aide d’un appareil de Phillips Medical system 3 Tesla.

Pour chaque participant, un balayage 3D pondéré en T1 (1mm isotropique), suivi par une acquisition d'imagerie de diffusion à haute résolution angulaire (HARDI) avec 60 directions (résolution de 1.8mm isotropique) ont été effectués. Malgré le fait que les images IRM ont été obtenues chez tous les participants, les analyses des images issues de l’IRM de diffusion ont été réalisées seulement chez les participants ayant complété la séance TMS en raison des objectifs visés (évaluer la présence d’association avec la région d’intérêt liée à l’arthrose du genou, déterminée avec la TMS).

Prétraitement

Le prétraitement des images pondérées en diffusion inclut le débruitage, la correction de l'inhomogénéité du champ, les artefacts de distorsion, les courants de Foucault, les corrections de mouvement et l'extraction du cerveau. Par la suite, les images de diffusion ont été normalisées et suréchantillonnées à une résolution isotropique de 1mm (même résolution que la T1). Les images anatomiques T1 ont également été débruitées et corrigées. La T1 a ensuite été alignée de manière non linéaire dans l'espace natif de chaque participant en utilisant des ANTs; Advanced Neuroimaging Tools (Avants et al., 2011). Des masques de matière blanche, de matière grise et de liquide céphalorachidien ont ensuite été générés à l'aide du modèle T1 (FSL-FAST) (Zhang et al., 2001).

Traitement des images de diffusions

Après ces prétraitements, le modèle du tenseur de diffusion (DTI) a été calculé avec ses différentes mesures de diffusion (anisotropie fractionnelle, diffusivité moyenne et densité de fibre apparente, volume) (Le Bihan et al., 2001). Les fonctions de distribution de l'orientation des fibres (fODF) ont été calculées en utilisant la déconvolution sphérique sous contrainte

positive avec une réponse de fibre fixée à 15, 4, 4] x10^-4 s/mm2 (Tournier et al., 2007) afin de mieux estimer les directions de la structure de la matière blanche.

Les prétraitements des images de diffusion jusqu’à la reconstruction des modèles de diffusion a été réalisé à l'aide du pipeline TractoFlow (Theaud et al., 2020), basé sur la bibliothèque Diffusion Imaging for Python (DIPY), MRtrix ainsi que les bibliothèques logicielles FMRIB (FSL) et ANTs (Tournier et al., 2019 ; Garyfallidis et al., 2014 ; Jenkinson et al., 2012 ; Avants et al., 2011).

Surfaces

Les surfaces corticales ont été reconstruites à partir de l'image anatomique (T1) en combinaison avec le logiciel CIVET (Kim et al., 2005). Ces surfaces comportent la surface de la matière blanche (interface WM-GM) et la surface de la matière grise.

Tractographie

Les fODF combiné aux cartes anatomiques et surface corticale ont été employés pour la tractographie afin de reconstruire les trajectoires de la matière blanche. L’algorithme Surface-Enhanced Tractography (SET) (St-Onge et al., 2018) avec les paramètres par défauts incluant une approche probabiliste et une initialisation a l’interface matière blanche / matière grise (5 millions sur l’ensemble du cortex et 10 millions spécifiquement dans la région motrice) a été utilisé.

Ensuite, le faisceau de la voie corticospinale fut automatiquement segmenté par RecoBundles (Garyfallidis et al., 2018) à partir un d’atlas de faisceaux (Yeh et al., 2018). Finalement, toutes les trajectoires du faisceau de la voie corticospinale finissant dans un rayon de 10mm de l’endroit où les stimulations TMS ont été envoyées (hotspot) ont été extraites définissant ainsi le faisceau d’intérêt, affilié au genou (Figure 8). Les métriques dérivées de l’IRM de diffusion (FA, MD, AFD totale, volume) pour ces deux faisceaux en particulier (ensemble de la voie corticospinale et genou) ont été calculées. À noter que pour ces différentes métriques, les faisceaux ont été segmentés en 5 sections, et les valeurs de la section centrale (#3) ont été retenues pour les analyses afin d’obtenir davantage de précision. Cela génère,

entre autres, des valeurs plus réalistes que celles obtenues en moyennant chaque métrique en raison de la variation entre le début et la fin des faisceaux. C’est également pour cette raison que la segmentation du centre a été conservée pour les analyses. L’analyse des images d’IRM de diffusion n’a malheureusement pas pu être réalisée chez deux participants en raison d’un artefact majeur, rendant ainsi l’analyse quasi impossible.

Figure 8: Visualisation du faisceau de la voie corticospinale (bleu) ainsi que de la sphère de segmentation du faisceau d’intérêt affilié au genou arthrosique (vert)

(Image produite et autorisée par le laboratoire de Maxime Descoteaux)