Дисертації з теми "IRM fonctionelle de repos"

L'objectif principal de cette thèse est d'explorer la connectivité cérébrale et celle des réseaux de neurones artificiels d'un point de vue de leur connectivité. Un modèle par graphes pour l'analyse de la connectivité structurelle et fonctionnelle a été largement étudié dans le contexte du cerveau humain mais, un tel cadre d'analyse manque encore pour l'analyse des systèmes artificiels. Avec l'objectif d'intégrer l'analyse de la connectivité dans les système artificiels, cette recherche se concentre sur deux axes principaux. Dans le premier axe, l'objectif principal est de déterminer une caractérisation de la signature saine de la connectivité fonctionnelle de repos du cerveau humain. Pour atteindre cet objectif, une nouvelle méthode est proposée, intégrant des statistiques de graphe traditionnelles et des outils de réduction de réseau, pour déterminer des modèles de connectivité sains. Ainsi, nous construisons une comparaison en paires de graphes et un classifieur pour identifier les états pathologiques et identifier les régions cérébrales perturbées par une pathologie. De plus, la généralisation et la robustesse de la méthode proposée ont été étudiées sur plusieurs bases de données et variations de la qualité des données. Le deuxième axe de recherche explore les avantages de l'intégration des études de la connectivité inspirée du cerveau aux réseaux de neurones artificiels (ANNs) dans la perspective du développement de systèmes artificiels plus robustes. Un problème majeur de robustesse dans les modèles d'ANN est représenté par l'oubli catastrophique qui apparaît lorsque le réseau oublie dramatiquement les tâches précédemment apprises lors de l'adaptation à de nouvelles tâches. Notre travail démontre que la modélisation par graphes offre un cadre simple et élégant pour étudier les ANNs, comparer différentes stratégies d'apprentissage et détecter des comportements nuisibles tels que l'oubli catastrophique. De plus, nous soulignons le potentiel d'une adaptation à de nouvelles tâches en contrôlant les graphes afin d'atténuer efficacement l'oubli catastrophique et jetant ainsi les bases de futures recherches et explorations dans ce domaine
The main objective of this thesis is to explore brain and artificial neural network connectivity from agraph-based perspective. While structural and functional connectivity analysis has been extensivelystudied in the context of the human brain, there is a lack of a similar analysis framework in artificialsystems.To address this gap, this research focuses on two main axes.In the first axis, the main objective is to determine a healthy signature characterization of the humanbrain resting state functional connectivity. To achieve this objective, a novel framework is proposed,integrating traditional graph statistics and network reduction tools, to determine healthy connectivitypatterns. Hence, we build a graph pair-wise comparison and a classifier to identify pathological statesand rank associated perturbed brain regions. Additionally, the generalization and robustness of theproposed framework were investigated across multiple datasets and variations in data quality.The second research axis explores the benefits of brain-inspired connectivity exploration of artificialneural networks (ANNs) in the future perspective of more robust artificial systems development. Amajor robustness issue in ANN models is represented by catastrophic forgetting when the networkdramatically forgets previously learned tasks when adapting to new ones. Our work demonstrates thatgraph modeling offers a simple and elegant framework for investigating ANNs, comparing differentlearning strategies, and detecting deleterious behaviors such as catastrophic forgetting.Moreover, we explore the potential of leveraging graph-based insights to effectively mitigatecatastrophic forgetting, laying a foundation for future research and explorations in this area

L’étude des réseaux cérébraux en IRM fonctionnelle au repos est de plus en plus utilisée chez les patients victimes d’accidents vasculaires cérébraux. La majorité des études se sont focalisés sur les déficits moteurs, attentionnels ou phasiques. Dans ce travail, nous avons étudié l’impact du handicap global sur la connectivité fonctionnelle de grands réseaux corticaux à la phase subaiguë d’infarctus cérébraux. Ce travail a porté sur 50 patients ayant subi un premier infarctus sus-tentoriel (29 hommes, 22 AIC gauche, 57 ± 14 ans, délai médian après l’AIC = 4.5 semaines) et 75 témoins (27 hommes, 55 ± 15 ans). Sept réseaux de repos ont été étudiés à partir d’une analyse en graine et nous avons distingué pour chacun les connectivités fonctionnelles interhémisphérique, ipsi et contralésionnelle. Les 22 patients sans handicap (mRS = 0/1) avaient une connectivité normale alors qu’une diminution diffuse et bilatérale était observée chez les 28 patients avec handicap, expliquant 22% de la variance. Les analyses post-hoc ont montré que ces différences s’observaient essentiellement entre les patients sans handicap et ceux avec handicap léger et portaient surtout sur le mode par défaut et un réseau exécutif. Nous avons calculé pour chacun un score d’intégrité de la connectivité fonctionnelle permettant de résumer l’ensemble de ces altérations. Cet outil simple permettait de prédire le handicap résiduel avec une spécificité de 91% et une sensibilité de 86%. Nous avons donc observé une diminution diffuse de la connectivité fonctionnelle des réseaux de repos chez les patients ayant un handicap résiduel, alors qu’une connectivité normale marquait un excellent pronostic fonctionnel
Resting-state functional MRI is increasingly used to investigate brain networks in stroke patients. Most studies focused specifically on motor, attentional and language deficits. Here we have investigated the relationships between global post-stroke disability and functional connectivity of seven major cortical networks in subacute ischemic stroke patients. We have studied 50 patients with first-ever unilateral hemispheric stroke (29 men, 22 left strokes, 57 ± 14 years) with a median post-stroke delay of 4.5 weeks and 75 healthy volunteers (27 men, 55 ± 15 years). Seven cortical networks were characterized with a seed-based approach and for each network we distinguished inter-hemispheric, ipsi- and contra-lesional functional connectivity. The 22 patients without disability (modified Rankin’s scale 0-1) had normal functional connectivity in all networks whereas the 28 disabled patients had widespread and bilateral decreases in functional connectivity explaining 22 % of the variance. Secondary analyses showed that abnormalities mainly differentiate no disability from mild disability and may predominate in default-mode and top-down control networks. We have computed for each subject a functional connectivity index that summarizes all these abnormalities. This simple tool was strongly predictive of residual disability with a specificity of 91% and a sensitivity of 86%. In conclusion, widespread and bilateral alterations in cortical connectivity occur in disabled subacute stroke patients, whereas normal indicate excellent global outcome

Chez les enfants présentant une épilepsie sévère associée à des lésions étendues à tout un hémisphère, la déconnexion hémisphérique s'avère le traitement chirurgical le plus efficace. Le sujet de cette thèse concerne la plasticité cognitive développementale, en partictdier dans le domaine du langage, à partir de cette situation privilégiée pour aborder la question de l'asymétrie hémisphérique au cours du développement. Pour la première fois, nous rapportons l'évolution- neuropsychologique post-opératoire dans une large population de patients opérés durant l'enfance, parfois dès les premiers mois de la vie. Une première étude sur le devenir à long terme de 83 patients a mis en -évidence- un pronostic neurocognitif plus sombre chez les enfants ayant débuté leur épilepsie en bas âge. Trente enfants ont participé à une évaluation neuropsychologique approfondie qui a montré des difficultés linguistiques plus importantes après ablation fonctionnelle de l'hémisphère gauche en faveur de son rôle spécifique dans le développement du langage. Nous rapportons également de faibles capacités de mémoire de travail chez ces patients qui se caractérisent par ailleurs par d'étonnantes capacités d'apprentissage verbal en situation de rappel d'une liste de mots. Chez treize enfants, la réalisation d'une IRM fonctionnelle de langage a permis d'explorer les zones cérébrales impliquées dans le langage en post-opératoire de l'hémisphère droit ou gauche. Des régions homologues est été mises en évidence en faveur d'une réorganisation controlatérale des réseaux de langage avec, chez les sujets opérés sur leur hémisphère dominant, une implication supplémentaire du cortex frontal dorso-ïatéral
Children with catastrophic epilepsy associated with extensive lesions of one hemisphere are the best candidates for hemispheric disconnection in order to cure epilepsy. The topic of this research is based on developmental cognitive plasticity, peculiarly in the field ef toguage &om the amazing siteation e£ living with one hemisphere in order to analyse hemispheric dominance according to the brain development. Post-operative neuropsychological evaluation was done for the first time in a large population of childr-ea who underwent surgery during infancy, sometimes during the month of the life. We firstly demonstrated a bad neuropsychological outcome in 2, population of 83 children when epilepsy onset early in life. Thirty children participated to a detailed neuropsychological assessment which pointed out more difficulties in linguistic abilities when patients underwent left hemispheric disconnexion; this results ace ia favour of a left hemispheric specialisation for language. We also found impairment in short term memory although normal verbal long term memory in situation of learning and recalling a list of words was normal. Functional MRI of language was finally performed in thirteen children in order to analyse cerebral map implicated in language on the right or left hemisphere in the post-operative course. Homologous cerebral regions were exhibited suggesting controlateral reorganisation of language networks; moreover, activations were found in the dorso-lateral frontal cortex when children were operated on their dominant hemisphere and have to reorganize their language on the controlateral hemisphere

La mémoire de reconnaissance nous permet à la fois de détecter rapidement un stimulus précédemment perçu (familiarité), et de récupérer des informations relatives au contexte de notre rencontre avec ce stimulus (recollection). Les modèles neuro-anatomiques d'Aggleton et Brown (1999) puis d'Aggleton et al. (2011) postulent que le noyau antérieur (NA) du thalamus et le tractus mamillo-thalamique (TMT) du fait de leurs connexions avec l'hippocampe font partie du circuit de la recollection tandis que le noyau dorso-médian (DM) participerait à la familiarité en raison de ses connexions avec le cortex périrhinal. Dans cette thèse nous avons testé cette hypothèse d'indépendance. 12 patients avec un infarctus thalamique gauche ont été recrutés ainsi qu'un groupe de sujets contrôles appariés. Tous les participants ont été soumis à un bilan neuropsychologique, à trois tâches expérimentales de mémoire de reconnaissance et à un examen d'IRM morphologique et d'IRM fonctionnelle de repos. Selon les tâches nous avons estimé la contribution de la recollection et de la familiarité à la réponse sur la base de la verbalisation de la source, du degré de confiance dans la réponse ou de la catégorisation des réponses. Les lésions thalamiques ont été quantifiées et localisées automatiquement grâce à une nouvelle approche méthodologique que nous avons développée. Le profil neuropsychologique des patients a mis en évidence une amnésie antérograde verbale et un trouble exécutif modéré (Etude 1). Les lésions atteignaient principalement le DM alors que le NA était intact chez tous. Le TMT était lésé chez les 7 patients les plus amnésiques (Etudes 1 et 2). La recollection était altérée chez les patients quelle que soit la tâche alors que la familiarité était préservée. De plus l'indice de recollection corrélait avec la lésion du DM (Etude 2). Enfin, des corrélations ont été trouvées dans l'étude en connectivité fonctionnelle entre la disconnexion thalamo-frontale et la recollection (Etude 3). En somme, ces résultats signifient i\ qu'une lésion du NA n'est pas nécessaire pour causer une amnésie ii\ qu'une lésion du DM est suffisante pour causer un défaut de recollection mais pas nécessaire pour atteindre la familiarité iii\ qu'une lésion du TMT prédit une amnésie sévère, enfin iv\ que le réseau reliant fonctionnellement le DM au cortex préfrontal semble être impliqué dans l'expérience subjective de la mémoire de reconnaissance plutôt que dans ses contenus. Ils suggèrent de plus que le modèle d'Aggleton et al (2011) devrait être révisé en ce qui concerne la relation familiarité / DM
Recognition memory allows determining whether a stimulus has been previously encountered based on either a rapid detection process (familiarity) or a longer retrieval of the context associated with the stimulus (recollection). Aggleton and Brown's model (1999) and Aggleton and colleagues (2011) postulated that recollection and familiarity are anatomically and functionally independent. They hypothesized that the anterior nucleus (AN) / mamillothalamic tract (MTT) complex of the thalamus would be critical for recollection due to its connections with the hippocampus. The Mediodorsal (MD) nucleus would support familiarity owing to its links with the perirhinal cortex. In this thesis we tested this independence hypothesis. The 12 subjects with a pure left thalamic infarction were included along with a healthy matched control group. Every subject underwent a neuropsychological assessment, three experimental verbal recognition memory tasks, a high-resolution structural volumetric MRI scan and resting state functional imaging. Recollection and familiarity estimations were derived from subjective reports or responses categorization. We specifically developed the methods used to automatically analyse the volume and localization of the lesions. Patients performed worse than controls on verbal memory and to a lesser extent on executive tasks (Study 1). Most of the lesions were located in the MD while no lesion of the AN was found. The seven patients exhibiting MTT damage had the lowest memory performance (Studies 1 and 2). Recollection was lower in patients than in controls in all the three tasks whereas familiarity was systematically normal. In addition we found a significant correlation between the recollection index and the DM damage, suggesting that DM is directly involved in recollection (Article 2). Finally the functional connectivity results showed a correlation between recollection and a pattern of thalamofrontal disconnection in the patients, helping to understand the DM-recollection relationship. Overall, the findings of the different studies mean that i\ AN damage is rare and is not necessary to cause an amnesia, ii\ MD damage is sufficient to cause a recollection impairment but not necessary to impair familiarity, iii\ MTT damage predicts the severity of the amnesia, iv\ the network linking functionally the MD with the prefrontal cortex seems to be involved in the subjective experience associated with recognition memory

Au décours d’un AVC, près de 50% des patients vont développer un trouble de la cognition dans les six premiers mois suivant l’accident. Ces déficits ont la particularité de pouvoir être de natures différentes, en touchant plusieurs domaines cognitifs distincts, parfois simultanément. A l’aide de batteries de tests neuropsychologiques dédiés, ces altérations cognitives ont pu être largement décrites et caractérisées. En revanche, les mécanismes sous-jacents l’apparition de ces troubles sont encore mal compris.Grâce aux possibilités d’analyse structurelle et fonctionnelle du cerveau, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique de plus en plus utilisée pour identifier de nouveaux marqueurs diagnostiques des maladies neurodégénératives. L’objectif principal de de travail de thèse était de mieux comprendre les mécanismes physiopathologiques impliqués dans l’apparition de troubles cognitifs post-AVC à l’aide de méthodologies avancées en IRM.La première étude est une étude transversale comportant un versant pré-clinique chez des rats ischémiés et un versant clinique chez des patients victimes d’un AVC. Chez l’Homme, les résultats ont montré des anomalies morphologiques de l’hippocampe ainsi que des anomalies structurelles du cortex entorhinal chez les patients présentant un déficit cognitif 6 mois après AVC. Chez le rongeur, l’imagerie a montré des déformations des contours de l’hippocampe chez les rats ischémiés présentant des anomalies cognitives 6 mois après occlusion de l’artère cérébrale moyenne.Nous avons ensuite analysé les anomalies de connectivité fonctionnelle spécifiques aux troubles cognitifs survenant dans les 6 mois après un AVC chez l’Homme car certains travaux ont démontré l’importance des anomalies de communication fonctionnelle dans l’apparition des troubles cognitifs post-AVC. Nous avons ainsi identifié un réseau fonctionnel spécifique organisé autour du lobe frontal supérieur et temporal. De plus, chaque fonction cognitive était associée à un motif spécifique de connexions fonctionnelles altérées.Enfin, à l’aide d’algorithmes d’apprentissage machine, nous avons montré que ce réseau fonctionnel impliqué dans la génèse des troubles cognitifs post-AVC était un excellent marqueur prédictif des altérations cognitives chez l’Homme 3 ans après l’AVC.Ainsi, les mesures morphométriques du lobe temporal médian et de connectivité fonctionnelle globale apparaissent comme des marqueurs IRM complémentaires dans la caractérisation des troubles cognitifs post-AVC. L’ensemble de ces résultats suggèrent ainsi que des mécanismes physiopathologiques spécifiques seraient impliqués dans la survenue de des troubles cognitifs, permettant d’envisager dans l’avenir des prises en charge personnalisées pour les fonctions cognitives des patients victimes d’AVC
After a stroke, nearly 50% of the patients are prompt to develop cognitive disorders in the first 6 months. These deficits can be various, affecting distinct cognitive functions and sometimes simultaneously. Using specific cognitive battery, these disorders can be well described and characterized. However, the mechanisms leading to the development of these cognitive impairments are poorly understood.In that sense, magnetic resonance imaging offers many possibilities for the detection of occurring cognitive disorders after a stroke. The aim of this study of to better define imaging markers that could help to better understand the physiopathology and potentially, using advances methods, predict the long-term outcome of stroke patients.First, a translational study highlighted morphological deformations of hippocampus and structural changes of entorhinal cortex in patients with a cognitive disorder 6 month after stroke compared to patients without. These alterations have also been found in a rat model of ischemia, that presented deformations of hippocampus 6 months after the ischemia compared to control animals.Second, many imaging studies reported that the post-stroke cognitive disorders could be more associated with spread dysfunctions rather than focal alteration at the lesion site. In that sense, we analyzed the functional alterations that could exist in patients with a cognitive disorder 6 months post-stroke compared to patients without. We then identified a functional network that seemed to be organized around regions in superior frontal and temporal lobes. Moreover, each cognitive function presented specific pattern of correlated connections in this network.Lastly, using machine learning algorithms, we showed that this identified functional network 6 months post-stroke can predict the diagnosis of cognitive impairment 30 months later, and also predict alterations of specific cognitive domains at the same time.Then, morphological measures of the medial temporal lobe and the global functional connectivity analyses appeared to be complementary MRI markers for the characterization of patients developing a cognitive disorder after stroke. All these results suggest then that specific physiopathological mechanisms could be involved in the appearance of post-stroke cognitive disorders, permitting to imagine potential new personalized care of post-stroke cognitive disorders

L'IRMf de repos qui repose sur l'étude des fluctuations du signal BOLD chez un sujet au repos, pourrait permettre d'explorer les mécanismes du handicap dans la Sclérose En Plaques (SEP). En utilisant l'IRMf de repos, ce travail a eu pour objectif de caractériser la réorganisation fonctionnelle des patients atteints de SEP et ses liens avec leur handicap.Nous avons d'abord réalisé une étude combinant IRMf de repos et d'activation au stade précoce de la SEP et montré l'existence d'une corrélation entre la plasticité fonctionnelle du système moteur des patients au repos et durant la tâche. Nous avons ensuite montré l'existence d'une augmentation diffuse du niveau de connectivité fonctionnelle des patients présentant une SEP débutante, corrélée à leurs performances. Dans la 3ème partie, nous avons objectivé l'existence d'un déclin dynamique de la topologie fonctionnelle corrélée à la progression du handicap grâce à une étude longitudinale utilisant la théorie des graphes. Enfin, nous avons démontré que le gain fonctionnel obtenu par la rééducation chez les patients SEP était corrélé à une augmentation de connectivité fonctionnelle du réseau cérébral par défaut et central exécutif et de densité de substance grise dans le cortex frontal.Nos travaux montrent l'existence d'une réorganisation cérébrale fonctionnelle complexe et dynamique dans la SEP qui pourrait correspondre à des phénomènes compensatoires, dont le déclin avec l'évolution de la maladie participe à la progression du handicap. Ils démontrent l'intérêt de l'IRMf de repos pour la compréhension des substrats anatomo-fonctionnels du handicap dans la SEP et comme potentiel instrument futur d'évaluation thérapeutique
Resting-state fMRI (rs-fMRI) may provide important clue concerning disability in multiple sclerosis (MS) by exploring the spontaneous BOLD fluctuations at rest in the whole brain. The aim of this work is to depict the functional reorganization of resting-state networks in MS patients and to assess its potential relationships with disability.In the first part, we performed an fMRI protocol combining a rs-fMRI and task-associated fMRI during a motor task, in a group of early MS patients. This study evidenced a direct association between reorganization of connectivity at rest and during activation in the motor system of patients. In the second rs-fMRI study, we evidenced an increased of the global level of connectivity in most of the rs-networks, strongly associated with the level of disability of patients. In the third part, we evidenced in a 2-year longitudinal study using graph theoretical approach that MS patients exhibited a dynamical alteration of functional brain topology that significantly correlated with disability progression. In the last part, we evidenced that the transient clinical improvement following physical rehabilitation in MS patients is associated with reversible plasticity mechanisms located in the default mode network, the central executive network and in the left fronto-orbital cortex. These works evidence that MS patients exhibit a complex and dynamical functional reorganization of rs-networks, significantly associated with disability progression. This PhD thesis confirms that rs-fMRI is a relevant biomarker of pathophysiology leading to disability in MS and represents a promising tool for therapeutic assessment of MS patients in the future

De récentes études ont montré que l'activité spontanée du cerveau observée au repos permet d'étudier l'organisation fonctionnelle cérébrale en complément de l'information fournie par les protocoles de tâches. A partir de ces signaux, nous allons extraire un atlas fonctionnel du cerveau modélisant la variabilité inter-sujet. La nouveauté de notre approche réside dans l'intégration d'a-prioris neuroscientifiques et de la variabilité inter-sujet directement dans un modèles probabiliste de l'activité de repos. Ces modèles seront appliqués sur de larges jeux de données. Cette variabilité, ignorée jusqu'à présent, cont nous permettre d'extraire des atlas flous, donc limités en terme de résolution. Des challenges à la fois numériques et algorithmiques sont à relever de par la taille des jeux de données étudiés et la complexité de la modélisation considérée
Recent studies have shown that resting-state spontaneous brain activity unveils intrinsic cerebral functioning and complete information brought by prototype task study. From these signals, we will set up a functional atlas of the brain, along with an across-subject variability model. The novelty of our approach lies in the integration of neuroscientific priors and inter-individual variability in a probabilistic description of the rest activity. These models will be applied to large datasets. This variability, ignored until now, may lead to learning of fuzzy atlases, thus limited in term of resolution. This program yields both numerical and algorithmic challenges because of the data volume but also because of the complexity of modelisation

Des troubles cognitifs sévères peuvent apparaître de façon précoce au cours de la sclérose en plaques(SEP). Nous avons analysé les modifications de connectivité fonctionnelle de repos au sein des réseauxcérébraux et les modifications structurelles cérébrales qui les sous-tendent.Nous avons inclus des patients atteints de SEP dont la durée de la maladie est comprise entre 3 et 5ans, sans trouble cognitif (n=20) et avec un trouble cognitif (n=15) ainsi que des sujets contrôles(n=20). Après une évaluation neuropsychologique approfondie, les patients et contrôles ont eu uneIRM multimodalité à 3T comportant des séquences anatomiques T1 et T2, une séquence en tenseur dediffusion pour l’évaluation de la connectivité anatomique, et une IRM fonctionnelle de repos pourl’évaluation de la connectivité fonctionnelle.Les patients avec atteinte cognitive ont des performances diminuées pour l’ensemble des domainesneuropsychologiques testés en dehors du stockage mnésique. La connectivité fonctionnelle est altéréechez les patients avec atteinte cognitive au sein des réseaux impliqués dans les processus cognitifscomme le réseau du mode par défaut et les réseaux attentionnels. Ces modifications fonctionnelles nereflètent pas de façon stricte la connectivité anatomique évaluée par l’IRM de diffusion. En revanche,les patients avec atteinte cognitive ont une atrophie marquée de la SG dans des régions connectées auréseau du mode par défaut.La diminution de connectivité fonctionnelle au sein des réseaux impliqués dans la cognition pourraitlimiter les mécanismes de compensation fonctionnelle en réponse à l’atteinte structurelle cérébrale
Severe cognitive impairment involving multiple cognitive domains can occur early during the course of multiple sclerosis (MS). We investigated resting state functional connectivity changes in large-scale brain networks and related structural damage underlying cognitive dysfunction in patients with early MS.We included MS patients with 3 to 5 years of disease duration, either without cognitive impairment (n=20), or with cognitive impairment (n=15), and 20 controls. After a standardized neuropsychological evaluation, all subjects underwent a multimodal 3T MRI including anatomical T1 and T2 images, diffusion imaging to assess anatomical connectivity and resting state functional MRI to assess functional connectivity.Patients with cognitive dysfunction were impaired in all cognitive domains tested except for mnesic storage. Functional connectivity was altered in patients with cognitive impairment only, within associative networks relevant for cognition, especially the default mode and the attentional networks. This functional disconnection did not parallel diffusion abnormalities in white matter tracts. In patients with cognitive impairment, atrophy was localized in cortical regions connecting the default mode network. Disconnection in these networks may deprive the brain of compensatory mechanisms required to face widespread structural damage

La mentalisation, ou la capacité d’élaborer des hypothèses sur les états mentaux d’autrui, a fait l’objet de nombreuses études durant les 20 dernières années dans le champ des neurosciences sociales. Toutefois, les bases neurales de cette fonction particulièrement complexe restent mal comprises, notamment en termes de connectivité structurale. Récemment, une organisation anatomo-fonctionnelle en double voie a été proposée. Selon ce modèle, les aspects réflexifs, inférentiels, de la mentalisation seraient sous-tendus par le faisceau cingulaire. Les aspects préréflexifs, identificatoires, seraient médiés, quant à eux, par le complexe faisceau arqué/partie latérale du faisceau longitudinal supérieur (FLS). L’objectif général de ce travail est d’apporter des données originales sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du réseau neural impliqué dans la mentalisation basée sur les visages. Pour ce faire, nous avons utilisé comme modèle physiopathologique d’étude le gliome diffus de bas grade. Cette tumeur cérébrale primitive s’avère particulièrement intéressante pour l’étude du rôle de la substance blanche dans la cognition et ce pour deux raisons : (i) les cellules tumorales se propagent préférentiellement le long des fibres blanches ; (ii) l’exérèse chirurgicale est souvent réalisée en condition éveillée avec cartographie fonctionnelle peropératoire pour permettre d’identifier, et ainsi de préserver, les structures fonctionnelles, notamment de substance blanche.Dans une première étude, grâce aux stimulations électriques peropératoires, nous avons pu identifier un vaste réseau cortico-sous-cortical impliqué dans la mentalisation. L’analyse des déconnexions induites par les stimulations de la substance blanche nous a permis de mettre clairement en évidence, et ce pour la première fois, le rôle du faisceau occipito-frontal inférieur (FOFI) tout en confirmant celui du FLS. Dans une deuxième étude, en utilisant des techniques de cartographie lésionnelle chez des patients ayant été opérés, nous avons démontré que les troubles permanents, non compensables, de la mentalisation étaient expliqués par l’atteinte du faisceau arqué. Enfin, dans une dernière étude, en combinant l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle de repos (IRMfr) et les sites corticaux démasqués pendant la chirurgie, nous avons pu générer de véritables cartographies fonctionnelles du réseau cortical de la mentalisation, très similaires à celles observées en imagerie fonctionnelle classique.De façon générale, nos découvertes suggèrent que la mentalisation basée sur les visages reposerait sur l’intégrité d’au moins deux faisceaux associatifs de substance blanche. Elles permettent également de valider l’utilisation combinée de l’IRMfr et des stimulations corticales en tant qu’approche originale pour cartographier les réseaux neurocognitifs.En plus de ces considérations fondamentales, nos résultats ont des implications cliniques, notamment pour la cartographie fonctionnelle peropératoire. Ils permettent en outre de mieux comprendre les pathologies cérébrales caractérisées par un trouble de la mentalisation et une atteinte des voies de substance blanche
Mentalizing, or the ability of human beings to make assumptions about other people’s mental states, has been the subject of many studies over the last 20 years. The neural bases and especially the white matter connectivity of this complex cognitive function is still poorly understood. Recently, an anatomo-functional organization into two neural pathways has been proposed. According to this model, it is assumed that the reflective, inferential aspects of mentalizing is underpinned by the cingulum. The reflexive, identificatory aspects of mentalizing are thought to be mediated, for their part, by the arcuate fascicle and the lateral part of the superior longitudinal fascicle. The main purpose of this scientific work is to provide original data on the anatomo-functional organization of the neural network involved in the face-based mentalizing. We used as a pathophysiological study model diffuse low-grade gliomas. These primary brain tumors are particularly interesting for the study of the functional role of the white matter for two reasons: (i) the tumor cells propagate preferentially along the white matter fibers; (ii) the surgical resection is often performed in awake condition with intraoperative functional mapping to identify, and thus to preserve functional structures, including the white matter.In our first study, using intraoperative electrical stimulation, we were able to identify a large cortico-subcortical mentalizing network. The analysis of the disconnections induced by the stimulation of the white matter allowed us to clearly highlight, for the first time, the role of the inferior fronto-occipital fascicle. We also confirmed the already established role of the superior longitudinal fascicle in mentalizing. In a second study, using lesion mapping analyses in patients operated on for a diffuse low-grade glioma, we demonstrated that the long-term, non-compensatory mentalizing deficit was explained by the involvement of the arcuate fascicle. Finally, in a third study combining resting-state functional MRI and the cortical sites unmasked during surgery, we were able to identify a large cortical mentalizing networks, which were very similar to those identified by classical task-based functional imaging.In general, our findings suggest that the face-based mentalizing would require the integrity of at least two associative white matter fascicles. They also validate the combined use of resting-state functional MRI and direct cortical stimulations as an original approach to map neurocognitive networks.In addition to these fundamental considerations, our results have also clinical implications, especially regarding the intraoperative functional mapping. They also provide a better understanding of brain pathologies characterized by both mentalizing deficit and white matter impairment

Le développement de nouveaux médicaments, la validation et la standardisation des marqueurs de neuroimagerie et biochimie de la Maladie d'Alzheimer (MA) seront les principaux objectifs de la recherche de cette maladie dans les années à venir. La présente thèse vise à aborder ces questions cruciales. La première partie de la thèse fait le point sur l’application correcte des Procédures Opérationelles Standards (SOPs) pour l'acquisition de protocoles de neuroimagerie structurelle et l’application des marqueurs de neuroimagerie cérébrale dans 10 cliniques italiennes spécialisées dans les troubles de la mémoire. La deuxième partie traite de l'application de plusieurs marqueurs de neuroimagerie structurelle et fonctionnelle dans le cadre des études cliniques sur des patients ayant des troubles précoces de la maladie d'Alzheimer. Les résultats ont révélé que la mise en oeuvre des SOPs pour l’acquisition des séquences d’imagerie par résonance magnétique (IRM), au niveau multicentrique, réduit la variance des mesures des marqueurs de neuroimagerie détectée par différents scanners. En outre, les résultats de la deuxième partie de la thèse ont montré un impact significatif des thérapies anticholinestérasiques pour réduire l'atrophie de l'hippocampe, l'amincissement cortical ainsi que une augmentation de l'activation de zones du cerveau liées à l'IRM fonctionnelle chez des patients ayant des troubles précoces de la MA. Ces résultats prometteurs confirment l'hypothèse que les marqueurs de neuroimagerie structurelle et fonctionnelle appliqués avec SOPs pourraient être utilisés comme critère d'évaluation substitutif dans les études cliniques pour les patients ayant des troubles précoces de la maladie d'Alzheimer
The development of new drugs and the validation and standardization of neuroimaging and biological markers for Alzheimer’s Disease (AD) clinical treatment trials is expected to be one of the major goals of AD research in the upcoming years. The present thesis aims to adress these critical issues. The first part of the thesis is focused on the proper application of Standard Operating Procedures (SOPs) for the structural neuroimaging protocols of acquisition and the implementation of neuroimaging markers in 10 Italian Memory Clinics. The second part of the thesis deals with the application of several structural and functional neuroimaging markers in the context of clinical trials investigation in mild cognitive impairment individuals. Results revealed that the implementation of SOPs at multicentre level reduces the variance of neuroimaging markers measurement detected by different scanners. Moreover, results from the employment of neuroimaging markers in pre-dementia trials in mild cognitive impairment individuals showed a significant impact of anticholinesterase therapies in reducing the hippocampal rate of atrophy, the cortical thinning as well as in increasing the activation of brain areas related to functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) face and location macthing tasks. These promising results support the hypothesis that structural and functional neuroimaging markers applied in a standardized manner migh be utilized as candidate surrogate outcomes in future pre-dementia trials for AD

Le microcèbe murin (Microcebus murinus) est un primate attirant l’attention de la recherche neuroscientifique. Son anatomie cérébrale est encore mal décrite et ses réseaux cérébraux n'ont jamais été étudiés. Le premier objectif de cette thèse était de développer de nouveaux outils menant à la création d’un atlas numérique 3D du cerveau du microcèbe. Cet atlas est un outil fondamental car pouvant être utilisé pour extraire automatiquement des biomarqueurs cérébraux de diverses neuropathologies. Par la suite, nous avons mis en place des protocoles IRM et informatiques pour analyser la connectivité neuronale du microcèbe murin. Nous avons évalué pour la première fois les réseaux cérébraux de cet animal et révélé que son cerveau est organisé en régions fonctionnelles intégrées dans des réseaux fonctionnels à plus grande échelle. Ces réseaux ont été classés et comparés à des réseaux similaires chez l'homme. Cette comparaison multi-espèces a mis en évidence des règles d'organisation communes mais aussi des divergences. L'imagerie du glutamate par transfert de saturation et par échange chimique (gluCEST) est une méthode permettant de créer des cartes 3D de la distribution du glutamate. Dans une troisième étude, nous avons comparé l’activité neuronale locale, la connectivité fonctionnelle et le contraste gluCEST dans diverses régions du cerveau. Nous avons ainsi mis en évidence différentes associations entre ces trois biomarqueurs. Enfin, l’impact du vieillissement sur la connectivité fonctionnelle, l’activité neuronale locale et le contraste gluCEST a été évalué en comparant deux cohortes de microcèbes murins
The mouse lemur (Microcebus murinus) is a primate that has attracted attention within neuroscience research. Its cerebral anatomy is still poorly described and its cerebral networks have never been investigated. The first objective of this study was to develop new tools to create a 3D digital atlas of the brain of this model and to use this atlas to automatically follow-up brain characteristics in cohorts of animals. We then implemented protocols to analyze connectivity in mouse lemurs so we could evaluate for the first time the cerebral networks in this species. We revealed that the mouse lemur brain is organised in local functional regions integrated within large scale functional networks. These latter networks were classified and compared to large scale networks in humans. This multispecies comparison highlighted common organization rules but also discrepancies. Additionally, Chemical Exchange Saturation Transfer imaging of glutamate (gluCEST) is a method that allows the creation of 3D maps weighted by the glutamate distribution. In a third study, we compared local neuronal activity, functional connectivity and gluCEST contrast in various brain regions. We highlighted various associations between these three biomarkers. Lastly, the impact of aging on local neuronal activity, functional connectivity and gluCEST has been analyzed by comparing two cohorts of lemurs

Près de 30% des patients ayant survécus à un AVC, développent une dépression (DPAVC) dont le retentissement sur la qualité de vie peut être majeur. Sa physiopathologie est encore méconnue et les critères diagnostiques ne sont pas clairement définis. Notre objectif est d'identifier des facteurs précoces neuropsychologiques et de neuroimagerie prédictifs d'une dépression 3 mois après l’AVC.Cinquante-cinq patients présentant un premier AVC, sans antécédent neurologique ou psychiatrique ont été inclus. Dix jours après l’AVC, la sévérité des symptômes dépressifs et anxieux a été évaluée d’une part, par les échelles standard d’Hamilton et d’autre part, en vie quotidienne durant 7 jours, par la méthode d’échantillonnage des expériences (ESM). Au même temps, un examen d’IRM multimodale a été réalisé (IRM fonctionnelle de repos, DTI et 3D T1) afin d'évaluer les modifications anatomo-fonctionnelles de l’organisation cérébrale. Trois mois après l’AVC, une mesure standard de la sévérité des symptômes dépressifs et anxieux est à nouveau effectuée. A partir de ces données nous avons exploré la relation existant entre 1/ la sévérité des symptômes dépressifs et les données IRM 2/ la sévérité des symptômes dépressifs et les données ESM 3/ la sévérité des symptômes dépressifs mesurée par ESM et les modifications anatomo-fonctionnelles cérébrales. Nous avons mis en évidence une modification de la connectivité fonctionnelle entre les régions postérieures du réseau en "default mode", de la même façon que dans les dépressions majeure et vasculaire ; et entre le cortex temporal moyen et ce réseau. A la phase aigue de l’AVC, 2 profils symptomatologiques se distinguent : le premier est caractérisé par une grande fatigue et une forte anhédonie, le deuxième est définit par de la tristesse, une forte anxiété, des pensées négatives et une forte réactivité émotionnelle. Ce dernier est associé au risque de DPAVC à 3 mois. Enfin, nous avons montré que les modifications fonctionnelles du DMN prédictives de l’AVC étaient associées à la réactivité émotionnelle, alors que le volume de substance grise du cervelet était corrélé à la fréquence des pensées positives et négatives.En conclusion, la physiopathologie de la DPAVC présenterait des similitudes avec celle de la dépression majeure et de la dépression vasculaire, mais aussi des différences comme l’engagement du cortex temporal moyen au sein du réseau en « default mode ». De plus, cette étude suggère qu'à côté de l'implication de la lésion cérébro-vasculaire, des critères de vulnérabilité psychobiologiques antérieurs à l’AVC influenceraient la survenue d’une dépression
30% of stroke survivors will experience Post-Stroke Depression (PSD) that is associated to a poor quality of life. PSD is still under-diagnosed due to the absence of clear diagnostic criteria and its pathophysiology remains unknown. The aim of this study was to identify early imaging and psychiatric risk factors of depression 3 months after stroke. Patients with a first ischemic stroke, without any neurologic and psychiatric history were included. Daily-life symptoms were evaluated using ESM 10 days after stroke. Brain MRI acquisition was performed at 10 days after stroke including DWI, FLAIR/T2, resting state fMRI and anatomical sequences. We explored the association between 1/ the severity of depressive symptoms and MRI data 2/ the severity of depressive symptoms and ESM data 3/ the severity of depressive symptoms measured by ESM and MRI data.Results revealed a modification of the functional connectivity between posterior structures of the DMN (Default Mode Network) and between the middle temporal cortex and the DMN. In the acute phase, depressed patients presented either high fatigue and anhedonia or another profile including high anxiety, negative thoughts and emotional reactivity which is associated to the risk of depression 3 months after stroke. Moreover, we demonstrated that functional connectivity modifications within the DMN and the cerebellum grey matter were respectively associated to emotional reactivity and the frequency of positive and negative thoughts.In conclusion, modifications of the DMN were implicated in the physiopathology of PSD in the same way that major or vascular depression, with a specificity represented by the new contribution of the middle temporal cortex within the DMN. Furthermore, this study suggests that more than a stroke lesion, anterior psychobiological vulnerabilities of an individual patient could mediate PSD occurrence

Les processus de plasticité cérébrale consécutifs à un déficit visuel survenu tardivement sont encore peu connus. En comprendre les mécanismes est pourtant essentiel à l'optimisation de méthodes de rééducation des sujets atteints, au développement de dispositifs visant à substituer l'information normalement apportée par la modalité déficiente, par celle d'une autre modalité sensorielle, et à la conception de systèmes permettant de restaurer une certaine fonction visuelle. Afin d'étudier ces processus, nous avons choisi d'une part, d'analyser la connectivité fonctionnelle du cerveau à l'état de repos par imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), et d'autre part de les explorer par une approche comportementale. Les sujets étudiés avaient soit sélectivement perdu (1) la périphérie du champ visuel, à la suite d'une rétinopathie pigmentaire au stade de " vision tunnellaire ", ou (2) le centre du champ visuel, c'est-à-dire souffrant d'un scotome central des suites d'une dégénérescence maculaire de Stargardt soit (3) l'intégralité du champ visuel, au stade terminal d'une rétinopathie pigmentaire et (4) étaient éventuellement porteurs d'un système de prothèse rétinienne. (A) Études de la connectivité fonctionnelle par IRMf de repos Étude 1. Chez des sujets tardivement atteints dans la périphérie ou dans la totalité du champ visuel, nous avons étudié la connectivité fonctionnelle de l'aire de Broca et des aires visuelles. Comparée à celle des sujets sains, la connectivité fonctionnelle de ces patients est accrue entre l’aire de Broca et, dans V1, les parties privées d’afférences visuelles. Ainsi, à la suite d’une privation visuelle totale ou sectorielle, un processus plastique entre les systèmes de la vision et du langage peut se produire chez l’adulte, au-delà donc de la période sensible du développement. Ces données apportent aussi une contribution au débat sur la possibilité d’une telle plasticité chez le sujet devenu tardivement aveugle. Elles permettent, par ailleurs, de définir les conditions qui accompagnent la plasticité des systèmes de la vision et du langage, c’est-à-dire d’une part le confinement de son développement au niveau des régions visuelles désafférentées et d’autre part la possibilité de son développement alors qu’une partie de la vision est encore fonctionnelle. Étude 2. Chez des sujets présentant des atteintes du champ visuel périphérique ou central, nous avons analysé la connectivité fonctionnelle des parties de V1 où se projettent respectivement le champ visuel central (V1 centrale) et le champ visuel périphérique (V1 périphérique) avec les autres régions du cerveau. Comparée à celle des sujets sains, nous avons observé une augmentation de la connectivité fonctionnelle entre (1) la région afférentée des sujets avec vision tunnellaire (V1 centrale) et des régions impliquées dans le traitement des scènes, de l’espace et de l’intégration multisensorielle, et (2) la région afférentée des sujets avec scotome central (V1 périphérique) et des régions notamment impliquées dans la perception des visages. Quant aux régions désafférentées (V1 périphérique pour les sujets avec vision tunnellaire et V1 centrale pour les sujets avec scotome central), nous leur avons trouvé une connectivité fonctionnelle accrue avec des régions impliquées dans des fonctions supérieures et des mécanismes top-down. Il apparaît que les régions encore afférentées de V1 renforcent leurs connexions avec des régions cérébrales dont les fonctions sont altérées par la désafférentation de l’autre partie de V1, alors que les régions visuelles désafférentées modulent des mécanismes de haut-niveau, préexistants, dans la probable intention de soutenir la vision résiduelle de ces sujets. Ces données apportent des informations nouvelles sur l’adaptation plastique des régions de V1 au traitement de diverses fonctions, suite à la perte d’un secteur périmétrique
Cerebral plasticity processes developing from late visual deficit are not fully understood. Insights into these mechanisms could improve the rehabilitation programs, provide the patients with new sensory substitution devices, and even predict the outcome of some vision restoration treatments. A variety of combined approaches should allow to better define these mechanisms. On the one hand, we investigated the functional connectivity (FC) of the brain by a resting-state fMRI analysis, and on the other hand we carried out a behavioral study. The selected subjects (1) had lost the peripheral visual field due to a pigmentary retinopathy and therefore holding a “tunnel vision”, (2) had lost the central visual field i.e. subjects suffering from central scotoma resulting from a Stargardt macular dystrophy, (3) became lately blind, as the result of pigmentary retinopathy terminal stage and (4) potentially visually-restored by a retinal prosthesis.(A) Resting-state functional connectivity studiesStudy 1. In subjects suffering from peripheral or complete visual loss, we studied the FC of visual and language areas. We found an increased FC in Broca’s and specific visually deprived areas in both groups of patients as compared to sighted controls. Therefore, the plasticity between the visual and language systems can develop in the adult brain i.e. long after the end of a developmental sensitive period, following not only total but also partial visual deprivation. These data also contribute to the debate about the development of such plasticity in the late blind. Furthermore, they reshape the conditions of vision and language systems plasticity, which is (1) constrained to visually deafferented regions and (2) possible even in presence of a residual vision.Study 2. In subjects with converse central or peripheral visual field defects, we studied the FC of V1 subregions – onto which the central visual field (cV1) and the peripheral visual field (pV1) are projected, with the rest of the brain. The results showed an increased FC of (1) tunnel vision subjects afferented region (cV1) with regions involved in space, scene processing and multisensory integration and (2) central scotoma subjects afferented region (pV1) with regions involved in face perception. Moreover, an increased FC was observed between deafferented regions and regions involved in high-order functions and top-down mechanisms. These findings suggest that the afferented regions of V1 strengthen the connections with regions involved in deficient visual functions, whereas the sensory-deafferented V1 tunes-up preexisting high-order mechanisms to assist vision. These data bring new information about the plasticity in sub-regions of V1 that develops to process various functions, following partial visual loss.(B) Behavioural study of blind subjects fitted with a retinal prosthesis Study 3. We finally examined the adaptive behavior of subjects suffering from pigmentary retinopathy fitted with a camera-connected retinal prosthesis for 4 years. Such a device can potentially lead to dissociation between eyes and head-mounted camera; this is incompatible with physiological mechanisms of the spatial localization of visualized images, which depend on the gaze direction. This kind of dissociation is expected to alter the visuomotor coordination in subjects fitted with the considered retinal prosthesis device. We observed that misalignments between gaze and head (i.e. camera) positions occur during visual search, and could not be prevented when following vestibulo-ocular reflexes. This misalignment leads to the illusion of a visual target movement, and affects the visuo-motor coordination that was quantified in this study. After 4 years of current use of their device, the subjects develop compensatory strategies that partially solve these issues

Les aires cérébrales entretiennent des relations fonctionnelles, formant ainsi des réseaux qui peuvent être altérés dans diverses pathologies. L'étude de ces réseaux de connectivité fonctionnelle pourrait potentiellement aider au diagnostic d'un individu et au traitement de sa pathologie. À travers quatre études, nous avons montré que l'analyse en composantes indépendantes spatiale est une méthode suffisamment sensible, reproductible et spécifique pour mettre en évidence, à l’échelle individuelle et au repos, des réseaux sains et pathologiques fiables. Ainsi, le réseau pathologique sous-tendant les hallucinations acoustico-verbales permet de définir les aires cérébrales à traiter par stimulation magnétique transcrânienne. Parmi les réseaux sains, ceux qui impliquent le cortex cingulaire postérieur et le précunéus semblent profondément altérés dans les troubles de la conscience, et peuvent servir d'outil diagnostic pour distinguer le locked-in syndrome de l'état végétatif. Il est désormais possible de cartographier, à l'échelle individuelle, les relations fonctionnelles entre les aires cérébrales. L’étude à venir de la dynamique et du niveau d’activité des réseaux de connectivité fonctionnelle nous renseignera davantage sur leurs fonctions et leur implication dans la pathologie
Brain areas are functionally connected in networks, even at rest. Since such connectivity networks could be impaired in several pathologies, they could potentially serve for diagnosis and treatment. Based on four studies, spatial independent component analysis has shown sufficient sensitivity, reproducibility and specificity to produce reliable healthy as well as pathological networks at the individual level. Therefore, the network underlying auditory hallucination could define the brain areas to treat by transcranial magnetic stimulation. Among the common resting-state networks, the ones involving the posterior cingular cortex and the precuneus seem deeply altered in disorders of consciousness, and so could be used as a diagnostic tool to distinguish the locked-in syndrome from the vegetative state. We can now map, at the individual level, the functional relationships between brain areas. Further studies on the dynamic and on the level of activity of the functional connectivity networks might provide relevant information about their functions and their involvement in the pathology

ContexteAu cours de la maladie de Parkinson, les agonistes dopaminergiques sont associés à la survenue de troubles du contrôle des impulsions (TCI). Leur physiopathologie est supposée liée à une dérégulation du circuit dopaminergique méso-limbique, impliqué dans l’intégration des conséquences d’une action afin d’adapter les comportements ultérieurs. Les agonistes dopaminergiques, par la stimulation tonique qu’ils entrainent, conduiraient à une surestimation des conséquences positives des actions antérieures et la poursuite de comportements aux conséquences néfastes.Nous avons exploré (i) la connectivité fonctionnelle striato-corticale en IRM fonctionnelle de repos, (ii) des marqueurs électro-encéphalographiques (EEG) d’intégration du feedback au cours d’une tache de pari : feedback-related negativity (FRN), feedback-related positivity (FRP) et oscillations dans la bande de fréquence thêta (4-7 Hz) chez 20 patients parkinsoniens avec TCI actif, 19 patients parkinsoniens sans TCI et 19 contrôles sains.IRM fonctionnelle : Le striatum ventral, le noyau caudé dorsal, le putamen antérieur et postérieur étaient segmentés semi-automatiquement. Pour chaque région d’intérêt, une analyse de connectivité fonctionnelle était réalisée sur les données d’IRM fonctionnelle projetées sur la surface corticale.Approche neurophysiologique : les sujets réalisaient une tâche composée de paris répétés, couplée à un enregistrement EEG. Le signal EEG était moyenné pour chaque condition et pour chaque sujet. L’amplitude de la FRP était mesurée en Cz et l’amplitude de la FRN en Fz sur la courbe de différence entre les potentiels évoqués par les pertes et les potentiels évoqués par les gains. Les spectres de puissance ont été calculés en utilisant une transformation en ondelettes sinusoïdales de Morlet et moyennés par condition. La puissance maximale du signal, dans la bande de fréquence thêta, entre 200 et 500 millisecondes après l’affichage du feedback était mesurée.Analyse de la connectivité striato-corticale : Chez les patients parkinsoniens, l’existence d’un TCI était associée à une déconnexion fonctionnelle entre le putamen antérieur gauche et les gyrus cingulaire antérieur et temporal inférieur gauche. Il existait chez ces patients une tendance à une déconnexion fonctionnelle entre (i) le putamen antérieur gauche et le gyrus frontal inférieur, (ii) le putamen postérieur et les gyrus temporal inférieur, frontal supérieur, cingulaire postérieur et frontal médial à gauche, ainsi que les gyrus frontal médial, cingulaire et frontal moyen à droite, (iii), le noyau caudé dorsal et le gyrus rectus, le gyrus frontal moyen et le gyrus temporal inférieur à gauche.Potentiels évoqués : Chez les patients parkinsoniens sans TCI et chez les contrôles, mais pas chez les patients parkinsoniens avec TCI, la FRP était plus ample après les gains qu’après les pertes suite à un choix peu risqué.Analyse temps-fréquence : En Cz, les gains étaient associés à une augmentation plus importante de la puissance thêta que les pertes chez les patients parkinsoniens sans TCI et chez les contrôles, mais pas chez les patients parkinsoniens avec TCI. Il existait une augmentation de la puissance thêta après un résultat ample inattendu (boost), en Fz chez les contrôles et en FCz chez les parkinsoniens avec TCI, mais pas chez les patients parkinsoniens sans TCI.Il existe chez les patients parkinsoniens ayant un TCI une altération de marqueurs EEG d’intégration de la récompense compatible avec une moins bonne discrimination des gains et des pertes et une plus grande sensibilité aux résultats amples, inattendus (boost), supposés entrainer une activation importante des voies dopaminergiques méso-limbiques. Il semble donc bien exister, chez les patients ayant un TCI une dysfonction des mécanismes d’intégration du feedback. Cette dysfonction s’associe, au repos, à une altération de la connectivité striato-corticale qui va au-delà du seul système limbique
BackgroundIn Parkinson’s disease, dopamine agonists are associated with an increased risk of impulse control disorders (ICD). Their occurrence is supposed to be related with a deregulation of the dopaminergic meso-limbic pathway, involved in the processing of the consequences of previous action to adapt future behaviors. Dopamine agonists, through a tonic stimulation of the dopamine receptors would lead to an overestimation of the positive consequences of actions, and therefore, continuation of a harmful behavior.Method:We investigated (i) the resting-state striato-cortical functional connectivity using functional MRI, and (ii) electro-encephalographic (EEG) markers of feedback processing during a gambling task : the feedback related negativity (FRN), the feedback related positivity, (FRP), and the theta band oscillations (4-7 Hz) in 20 Parkinson’s disease patients with an active ICD, 19 Parkinson’s disease patients without ICD, and 19 healthy subjects.Functional MRI: The ventral striatum, dorsal caudate, and anterior and posterior putamen were semi-automatically segmented. For each region of interest, a seed-based connectivity analysis was performed on preprocessed fMRI data mapped on the ipsilateral cortical surface.Neurophysiological approach: The subjects underwent an EEG while performing a gambling task. The EEG was averaged for each condition and each subject. The FRP amplitude was measured in Cz, and the FRN amplitude was measured in Fz on the difference wave between the potential evoked by losses and by gains. The power spectra were computed by using a sinusoidal Morlet wavelet transform and averaged by condition. The maximum power in the theta frequency band was computed for each participant and each condition.Results:Cortico-striatal connectivity analysis: The presence of an ICD in patients with PD was associated with functional disconnection between the left anterior putamen and both the left inferior temporal and anterior cingulate gyrus. ICD patients also displayed a trend toward a functional disconnection between (i) the left anterior putamen and the inferior frontal gyrus, (ii) the posterior putamen and the inferior temporal gyrus, superior frontal gyrus, posterior cingulate, and medial frontal gyrus on the left, as well as the medial frontal gyrus, middle frontal gyrus, and cingulate gyrus on the right, (iii) the dorsal caudate and the gyrus rectus and orbitofrontal cortex, and the middle frontal and inferior temporal gyrus on the left.Evoked potentials: In Parkinson’s disease patients without ICD and healthy controls, the FRP was greater after gains that after losses following a non-risky choice. There was no difference in FRP amplitude after losses and gains in Parkinson’s disease patients with ICD.Time-frequency analysis: At Cz, positive outcomes (gains) were associated with greater theta power than negative outcomes (losses) in Parkinson’s disease patients without ICD and in healthy controls, but not in Parkinson’s disease patients with ICD. There was an increase in theta power after unexpectedly high outcomes, at Fz in healthy controls and in FCz in Parkinson’s disease patients with ICD, whereas theta power was not modulated by the magnitude of the outcome in PD patients without ICDs.Conclusions:Parkinson’s disease patients with ICD have an alteration in EEG markers of reward in line with an altered discrimination of gains and losses and a greater sensitivity to unexpectedly high outcomes, supposed to lead to a significant activation in the dopaminergic meso-limbic pathways. These findings are in line with a dysfunction in reward processing in ICD in Parkinson’s disease. This dysfunction is associated, at rest, with an alteration in striato-cortical connectivity that goes beyond a pure dopaminergic meso-limbic dysfunction

La schizophrénie (SZ) est une pathologie psychiatrique chronique et invalidante dont les conséquences fonctionnelles sont principalement liées à des déficits cognitifs. Ceux-ci sont étroitement associés à des déficits de perception auditive précoce d’informations de bas niveaux telle que la hauteur sonore. La perception auditive précoce peut s’évaluer avec un paradigme comportemental simple appelé « tone-matching » (appariement tonal AT), dans le lequel les sujets doivent discriminer activement entre deux sons courts (300-ms) d’une même paire séparés par un intervalle bref (500-ms). Les performances d’AT reflètent un processus cognitif de comparaison préattentionnelle se déroulant au sein du système auditif central (SAC). Le SAC est constitué du noyau géniculé médian du thalamus (MGN), de l’aire corticale auditive précoce (EA) et de l’aire corticale auditive associative (AA). Cependant, les dysfonctionnements du SAC sous-tendant les déficits d’AT dans la SZ restent mal connus. De plus, ces déficits sont élevés mais hétérogènes selon les cohortes. Ce travail de thèse propose de caractériser le fonctionnement du SAC associé aux performances d’AT chez les sujets SZ afin de mieux comprendre la physiopathologie du trouble et de développer des traitements ciblés. L’hypothèse guidant les 4 études expérimentales de ce travail est que des altérations psychophysiques et neurophysiologiques spécifiques du SAC sont impliquées dans les déficits d’AT dans la SZ. Nos études psychophysiques utilisant différents paradigmes de « tone-matching » ont montré 1) un déficit d’AT de magnitude croissante pour l’intensité, la hauteur et la longueur des stimuli auditifs chez les sujets SZ (n=29), 2) un déficit d’appariement de trios de sons médiant une corrélation entre les déficits d’appariement de paires de sons (AT proprement dit) et l’identification de phrases émotionnelles (n=27). Ces résultats démontrent que les sujets SZ présentent différents niveaux de déficits d’AT selon le type de caractéristique acoustique, ainsi que des niveaux de déficits hiérarchiquement organisés entre les types de complexité des stimuli auditifs perçus. 3) Nos approches neurophysiologiques ont montré une distribution bimodale des performances d’AT chez les sujets atteints de SZ (n=310) avec un 1er groupe présentant une réduction significative de ces performances associée à une réduction de la connectivité fonctionnelle de repos à l’IRM entre les différentes régions du SAC (MGN-EA, MGN-AA et EA-AA impliquant particulièrement des sous-régions AA adjacentes à l’EA) et un 2nd ne présentant pas de déficits d’AT mais une réduction plus modérée de la connectivité uniquement entre EA-AA. Ces résultats démontrent que les performances d’AT permettent de séparer deux sous-types de SZ présentant des patterns topographiques spécifiques de dysconnectivité fonctionnelle de repos au sein du SAC. 4) Les résultats préliminaires de l’étude de l’effet d’une procédure de stimulation électrique transcrânienne non invasive (tES) ciblant le SAC gauche (2mA, 10x20min) montrent une modulation significative des performances d’AT après la procédure de stimulation chez les sujets SZ (n=2). Cela suggère que les déficits d’AT pourraient être dépendants de mécanismes d’excitabilité et de plasticité des neurones du SAC modulables par tES. Pris ensembles, ces résultats confirment l’influence d’altérations mécanistiques du SAC sur les déficits d’AT dans la SZ, dont les spécificités anatomo-fonctionnelles seront à confirmer par des études de validation et des explorations neurophysiologiques « temps réel » du SAC en situation d’AT. En perspective, comme les paradigmes de « tone-matching » peuvent être implémentés facilement en pratique clinique, ces nouvelles donnés pourront permettre de différencier facilement des sous-types physiopathologiques de patients, et de développer des approches thérapeutiques ciblées sur le SAC à la fois en tES et en entraînement cognitif sensoriel
Schizophrenia (SZ) is a chronic brain disorder with outcome primarily driven by deficits in cognition. These have been related to impaired discrimination of basic auditory information such as pitch, as assessed in tone-matching behavioral paradigms in which subjects are asked to actively discriminate between two short pure tones (300-ms) following a brief delay (500-ms). More specifically, tone-matching indexes early, pre-attentive comparison mechanisms occurring in the central auditory system (CAS, divided into thalamic medial geniculate nucleus (MGN), early auditory (EA) and association auditory (AA) cortical areas). Therefore, characterisations of the CAS functioning associated with tone-matching abilities in SZ individuals may be useful drivers for pathophysiology understanding and therapeutic development. First, we aimed at exploring tone-matching abilities in SZ across major acoustic features (length, pitch, intensity) and different levels of complexity (2-tones, 3-tones, emotional sentences) using psychophysical testing. We predicted that patients would display differential deficits across acoustic features, and present a mediated relationship between tone-matching levels of complexity. Second, we investigated the CAS functioning associated with tone-matching at a neurophysiological level, using resting-state functional connectivity MRI (rsFC-MRI) and CAS-targeted transcranial electrical stimulation (left fronto-temporal tES, 2mA, random noise current, ten 20-min twice-daily sessions). We predicted that functional dysconnectivity within the CAS would be associated with tone-matching impairments, and that tES would significantly modulate these impairments in patients. As complementary, we reviewed historical aspects of basic auditory explorations in SZ and studies investigating basic auditory-training approaches as a potential remediative treatment. Psychophysical studies demonstrated more prominent deficits for length than pitch and, in turn, than intensity (n=29), and showed that 3-tones discrimination mediates the correlation between 2-tones and auditory emotion recognition deficits (n=27). Neurophysiological approaches showed that tone-matching performances are bimodally distributed across SZ subjects (n=310), with one group (SZ-) showing significant reductions in both tone-matching and rsFC-MRI in regions of the bilateral CAS (i.e., between MGN and both EA and AA, as well as reductions between EA and AA, particularly involving parcels which are immediately adjacent to EA), and one group (SZ+) showing intact tone-matching and significant reductions only in EA-AA connectivity. The investigation of CAS-targeted tES impact on tone-matching abilities in patients is still ongoing, but preliminary results demonstrated significant modulations of tone-matching scores after the tES procedure (n=2). Our results demonstrate that SZ individuals present with different patterns of tone-matching deficits across acoustic features, but similar yet hierarchical levels of impairments for processing of simple vs. more complex auditory stimuli. Nevertheless, both feature- and complexity- dependant tone-matching deficits might be associated with different types of anatomo-functional underpinnings in the CAS. In addition, we showed that tone-matching measure segregates between discrete SZ subgroups presenting distinct topographic patterns of functional dysconnectivity in the CAS. Finally, tone-matching deficits might be related to neuronal excitability and plasticity mechanisms in the SAC that are modulated by tES. As tone-matching paradigms can be readily implemented within routine clinical settings, these experimental results may be useful to permit differentiation of discrete subtypes of SZ and to develop both non-invasive brain stimulation and remediative approaches

L'objectif de cette thèse est d'identifier et caractériser les boucles anatomiques et fonctionnelles cortico-sous-corticales chez l'Homme, à partir de données d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) au repos et de diffusion. Une boucle est un ensemble de régions corticales, sous-corticales et cérébelleuses, qui interagissent afin d'effectuer ou de préparer une tâche.Le premier axe de ce travail vise à identifier les réseaux fonctionnels cortico-sous-corticaux en IRMf au repos. Nous proposons une méthode statistique robuste séparant l'analyse corticale de l'analyse sous-corticale. Une analyse en composantes indépendantes spatiales est d'abord réalisée individuellement sur les régions corticales, et suivie d'une classification hiérarchique. Les régions sous-corticales associées sont ensuite extraites par un modèle linéaire général dont les régresseurs comportent la dynamique des régions corticales, suivi d'une analyse de groupe à effets aléatoires. La méthode est validée sur deux jeux de données différents. Un atlas immunohistochimique des structures sous-corticales permet ensuite de déterminer la fonction sensorimotrice, associative ou limbique des réseaux obtenus. Nous montrons enfin que l'anatomie est un support pour la fonction chez des sujets sains.Le dernier axe étudie le syndrome de Gilles de la Tourette, qu'on pense être dû à un dysfonctionnement des boucles cortico-sous-corticales. Nous caractérisons d'abord les boucles cortico-sous-corticales fonctionnelles grâce à des métriques d'intégration et de théorie des graphes, et des différences en termes de connectivité sont mises en évidence entre patients adultes et volontaires sains. Nous montrons également que les boucles cortico-sous-corticales fonctionnelles chez les patients sont soutenues par l'anatomie sous-jacente.

Malgré le développement de nouvelles générations d’antipsychotiques, certains symptômes schizophréniques ne répondent pas à ces traitements. S’appuyant sur des hypothèses physiopathologiques sous tendant ces symptômes, de nouvelles thérapeutiques comme la thérapie de remédiation cognitive et les techniques de neurostimulation externe ont été développées. Cette approche était restée essentiellement clinique. Dans ce travail, l’étude en imagerie des mécanismes biologiques sous tendant les effets bénéfiques de ces thérapeutiques non pharmacologiques nous a permis de tester des hypothèses physiopathologiques. L’IRM fonctionnelle (IRMf) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) ont été utilisées pour rechercher les effets d’une thérapie de remédiation cognitive (TRC), de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de la stimulation électrique transcrânienne en courant continu (tDCS). Nous avons mis en évidence (1) que la TRC modifie les activations cérébrales durant une tâche de mémoire de travail chez des patients schizophrènes (2) que la TMS modifie la biochimie cérébrale de la zone stimulée et de régions cérébrales profondes chez un patient schizophrène, (3) que la tDCS modifie les réseaux de connectivité fonctionnelle d’une tâche de repos chez des volontaires sains
Despite the development of new generation antipsychotic drugs, some symptoms of schizophrenia do not respond to these treatments. Based on the pathophysiological hypothesis underlying these symptoms, new therapies such as cognitive remediation therapy and neurostimulation techniques have been developed. This approach remained essentially clinical. In this work, the study of biological mechanisms tending benefits of these non-pharmacological treatment has allowed us to test these pathophysiological hypotheses. Functional MRI (fMRI) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) were used to investigate the effects of cognitive remediation therapy (CRT), transcranial magnetic stimulation (TMS) and transcranial direct current stimulation (tDCS). We demonstrated (1) that CRT modifies cerebral activations during a working memory task in patients with schizophrenia, (2) that TMS modifies brain biochemistry of the stimulated area and of deep brain regions in a patient with schizophrenia and (3) that tDCS modifies the functional connectivity in resting state networks of healthy volunteers

Ce travail doctoral s’inscrit dans le champ de la recherche translationnelle. Nous avonsvoulu explorer la plasticité cérébrale post-lésionnelle qui sous-tend la restauration de la conscience après un coma traumatique. L’étude de la connectivité fonctionnelle de repos, c’est à dire de la corrélation temporelle du signal BOLD (blood oxygenationlevel dependent) entre régions cérébrales, a été appliquée à une cohorte de 36 patients traumatisés crâniens graves sortant de réanimation. A cette date, les patients pouvaient se trouver en état de conscience altérée ou être conscients. Nous avons réalisé une étude transversale et longitudinale : une 1ère IRM fonctionnelle en condition de veille de repos était réalisée à la sortie des soins intensifs et une seconde après un séjour de un moisen rééducation post-réanimation. Ainsi, à l’aide de la méthode des graphes, nous avons exploré l’intérêt diagnostique et pronostique de la connectivité fonctionnelle lors de la réémergence de la conscience après coma traumatique.Nous avons centré notre analyse sur un index de perturbation des hubs qui traduitla redistribution des connexions fonctionnelles dans le graphe. Les hubs du réseau cérébral,qui physiologiquement concentrent le plus de connexions, ont été caractérisésavec plusieurs métriques d’intégration, de ségrégation et de centralité dans le transfertd’information.Nos résultats suggèrent qu’une perturbation de la topologie des hubs fonctionnels estobjectivement "cartographiable" et qu’elle est corrélée à l’évolution neurologique cliniqueaprès agression cérébrale. En effet, notre étude a montré que, chez le traumatisé crâniengrave adulte, ce marqueur de perturbation fonctionnelle du réseau cérébral est sensible,dans une analyse de groupe, à l’état de conscience (patients conscients vs en état deconscience altérée) et à sa restauration au cours du temps. L’index de perturbation deshubs est également sensible à une autre dimension clinique : la prédiction du handicap neurologique à 6 mois post-coma.La computation des données de connectivité en une méta-donnée, l’index de perturbationdes hubs de l’ensemble du réseau cérébral, permet d’aller plus loin qu’un modèle descriptif de la plasticité cérébrale après coma (d’altération ou de restitution de connectivité dans un ou plusieurs réseaux). Ainsi, la restitution de la capacité du cerveau à traiterde l’information locale dans les hubs fonctionnels serait nécessaire à la ré-émergence de la conscience après coma traumatique. Ce résultat est original car dans la littérature actuelle, basée sur les théories de l’espace de travail global et de l’intégration de l’information,l’atteinte traumatique cérébrale est modélisée comme une altération de laconnectivité à longue distance et donc de l’intégration fonctionnelle.Cette étude pilote était un pré-requis pour évaluer à l’avenir cet index de perturbation fonctionnelle cérébrale à l’échelle individuelle et objectiver la réponse thérapeutique(psychostimulants, électrostimulation cérébrale....) de patients en état de conscience altérée
This work takes part in the field of translational research. Our aim was to explore thepost-lesional brain plasticity necessary to recover consciousness after a traumatic coma.The study of resting state functional connectivity, meaning the temporal correlation ofBOLD signal (blood oxygenation level dependent) between remote cerebral areas, wasapplied to severe traumatic brain injured (sTBI) patients.Using graph method, we explored the diagnosis and prognosis value of resting statefunctional connectivity during recovery of consciousness after a traumatic coma.Thirty six sTBI patients were studied in a cross sectional and a longitudinal design.We recorded a resting state functional MRI sequence while sTBI patients were eitherconscious or in altered state of consciousness when discharged from intensive care unit(ICU). A second fMRI was recorded after one month spent in a post-ICU rehabilitationunit.Our analysis focused on a hub disruption index (HDI) which expresses the reallocationof functional connections inside the graph. In the brain network, the hubs, which are definedas highly connected to the brain network in healthy subjects, have been characterizedwith integration, segregation and centrality metrics for information transfer.Our results suggest that the topological disruption of functional hubs is an objectivemapping of the brain network changes that correlates with post-TBI neurological recovery.Indeed, in our group analysis, the hub disruption index of the post TBI brainnetwork was sensitive to the state of consciousness and to its recovery during a onemonth follow-up. This index was also relevant to predict the level of disability 6 monthsafter injury.The computation of connectivity data in a metadata, the hub disruption index ofthe brain network, enhances the classical approach describing the post-traumatic brainplasticity as a loss and recovery of connectivity in one or several cortical networks. Therecovery of the brain network ability to compute local information in the functionalhubs could be necessary to recover consciousness after a traumatic coma. This resultis original as the recent litterature, based on the information integration theory andthe global workspace theory of consciousness, is considering severe TBI as a long rangeconnectivity disruption inducing a functional integration impairment.This pilot study was necessary prior to the assessment of the HDI on a single-subjectlevel and to quantifie the response of brain injured patients with disorder of consciousnessto several therapeutic options (psychostimulant drugs, electrical stimulation..)

Chez l’enfant, la chirurgie éveillée avec cartographie corticale et sous corticale per opératoire(CECCSC) est peu réalisée et très peu décrite dans littérature. Il s’agit cependant de la technique de référence pour optimiser la résection chirurgicale d’une tumeur sustentorielle située en zone « éloquente ». Le pronostic vital et fonctionnel de ces enfants est en effet intimement lié à la qualité de l’exérèse chirurgicale. Le fil rouge de ma thèse a donc été de transférer la CECCSC de l’adulte à l’enfant. Le premier travail de cette thèse a été d’étudier, à travers notre expérience clinique, la faisabilité de cette procédure chez les enfants. Nous avons montré que la CECCSC était réalisable dans cette population avec un bon résultat fonctionnel et radiologique. Certaines spécificités doivent cependant être prises en compte notamment en ce qui concerne le conditionnement de l’enfant.Le deuxième travail a été d’évaluer en collaboration avec les pédopsychiatres, l’impact psychologique, de ce type d’intervention chez l’enfant. Nous avons constaté que le vécu avait été bon pour tous les patients. Nous n’avons pas retrouvé d’état de stress post-traumatique après la chirurgie. Le troisième objectif a été d’évaluer l’IRM fonctionnelle (IRMf) de repos chez l’enfant en préopératoire. Nous avons pu montrer non seulement sa corrélation avec l’électrostimulation per opératoire mais aussi sa supériorité par rapport à l’IRMf d’activation en termes de sensibilité et de spécificité quant à la localisation des aires du langage. En effet l’IRMf de repos nous a permis d’isoler les réseaux attentionnels des réseaux du langage qui interfèrent avec les résultats de l’IRMf d’activation
Intraoperative cortical and subcortical direct stimulation surgery while awake (CSCSSA) is rarely used to operate in functional areas of the brain in children. Only small series have been published regarding children. However, this procedure is considered to be a gold standard for identifying and preserving the eloquent cortical and subcortical sites. Indeed the child’s survival and the quality of life depend on the quality of the tumor resection. The unifying idea of my thesis was the transfer of the CSCSSA from adults to children.The first work of this thesis was to study the feasibility of the CSCSSA in children through our clinical experience. We also showed that CSCSSA could be applied in children in a safe way with good clinical and radiological results. Some precautions should also be observed, notably concerning the preparation of these young patients. The second step of this thesis was to evaluate the psychological impact of this kind of procedure in children, thanks to the cooperation of the child psychiatrists. The child’s experience was good in every case. None of our patients presented symptoms of post-traumatic stress disorder after the surgery. The third objective was to evaluate the use of resting state functional MRI (rsfMRI) in children for the preoperative planning. We demonstrated not only the strong correlation between rsfMRI and brain electrical mapping, but also the superiority in terms of sensibility and specificity of rsfMRI compared to task based functional MRI. Indeed rsfMRI allowed us to isolate the attentional networks, which interfere with the results of task based functional MRI

Les recherches menées pour comprendre les troubles du spectre autistique (TSA) et la schizophrénie (SZ) ont communément utilisé une approche dite descendante, partant du diagnostic clinique pour investiguer des phénotypes intermédiaires cérébraux ainsi que des variations génétiques associées. Des études transdiagnostiques récentes ont remis en question ces frontières nosologiques, et suggèrent des mécanismes étiologiques imbriqués. L’approche montante propose de composer des groupes de porteurs d’un même variant génétique afin d’investiguer leur contribution aux conditions neuropsychiatriques (NPs) associées. Les variations du nombre de copies (CNV, perte ou gain d’un fragment d’ADN) figurent parmi les facteurs biologiques les plus associés aux NPs, et sont dès lors des candidats particulièrement appropriés. Les CNVs induisant un risque pour des conditions similaires, nous posons l’hypothèse que des classes entières de CNVs convergent sur des dimensions d’altérations cérébrales qui contribuent aux NPs. L’imagerie fonctionnelle au repos (rs-fMRI) s’est révélée un outil prometteur en psychiatrie, mais presqu’aucune étude n’a été menée pour comprendre l’impact des CNVs sur la connectivité fonctionnelle cérébrale (FC). Nos objectifs étaient de: 1) Caractériser l’effet des CNVs sur la FC; 2) Rechercher la présence des motifs conférés par ces signatures biologiques dans des conditions idiopathiques; 3) Tester si la suppression de gènes intolérants à l’haploinsuffisance réorganise la FC de manière indépendante à leur localisation dans le génome. Nous avons agrégé des données de rs-fMRI chez: 502 porteurs de 8 CNVs associées aux NPs (CNVs-NP), de 4 CNVs sans association établie, ainsi que de porteurs de CNVs-NPs éparses; 756 sujets ayant un diagnostic de TSA, de SZ, ou de trouble déficitaire de l’attention/hyperactivité (TDAH), et 5377 contrôles. Les analyses du connectome entier ont montré un effet de dosage génique positif pour les CNVs 22q11.2 et 1q21.1, et négatif pour le 16p11.2. La taille de l’effet des CNVs sur la FC était corrélée au niveau de risque psychiatrique conféré par le CNV. En accord avec leurs effets sur la cognition, l’effet des délétions sur la FC était plus élevé que celui des duplications. Nous avons identifié des similarités entre les motifs cérébraux conférés par les CNVs-NP, et l’architecture fonctionnelle des individus avec NPs. Le niveau de similarité était associé à la sévérité du CNV, et était plus fort avec la SZ et les TSA qu’avec les TDAH. La comparaison des motifs conférés par les délétions les plus sévères (16p11.2, 22q11.2) à l’échelle fonctionnelle, et d’expression génique, nous a confirmé l’existence présumée de relation entre les mutations elles-mêmes. À l’aide d’une mesure d’intolérance aux mutations (pLI), nous avons pu inclure tous les porteurs de CNVs disponibles, et ainsi identifier un profil d’haploinsuffisance impliquant le thalamus, le cortex antérieur cingulaire, et le réseau somato-moteur, associé à une diminution de mesure d’intelligence générale. Enfin, une analyse d’exploration factorielle nous a permis de confirmer la contribution de ces régions cérébrales à 3 composantes latentes partagées entre les CNVs et les NPs. Nos résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans la compréhension des mécanismes polygéniques à l’oeuvre dans les maladies mentales, ainsi que des effets pléiotropiques des CNVs.
Research on Autism Spectrum Disorder (ASD) and schizophrenia (SZ) has mainly adopted a ‘top-down’ approach, starting from psychiatric diagnosis, and moving to intermediate brain phenotypes and underlying genetic factors. Recent cross-disorder studies have raised questions about diagnostic boundaries and pleiotropic mechanisms. By contrast, the recruitment of groups based on the presence of a genetic risk factor allows for the investigation of molecular pathways related to a particular risk for neuropsychiatric conditions (NPs). Copy number variants (CNVs, loss or gain of a DNA segment), which confer high risk for NPs are natural candidates to conduct such bottom-up approaches. Because CNVs have a similar range of adverse effects on NPs, we hypothesized that entire classes of CNVs may converge upon shared connectivity dimensions contributing to mental illness. Resting-state functional MRI (rs-fMRI) studies have provided critical insight into the architecture of brain networks involved in NPs, but so far only a few studies have investigated networks modulated by CNVs. We aimed at 1) Delineating the effects of neuropsychiatric variants on functional connectivity (FC), 2) Investigating whether the alterations associated with CNVs are also found among idiopathic psychiatric populations, 3) Testing whether deletions reorganize FC along general dimensions, irrespective of their localization in the genome. We gathered rsfMRI data on 502 carriers of eight NP-CNVs (high-risk), four CNVs without prior association to NPs as well as carriers of eight scarcer NP-CNVs. We also analyzed 756 subjects with idiopathic ASD, SZ, and attention deficit hyperactivity disorder (ADHD), and 5,377 controls. Connectome-wide analyses showed a positive gene dosage effect for the 22q11.2 and 1q21.1 CNVs, and a negative association for the 16p11.2 CNV. The effect size of CNVs on relative FC (mean-connectivity adjusted) was correlated with the known level of NP-risk conferred by CNVs. Consistent with results on cognition, we also reported that deletions had a larger effect size on FC than duplications. We identified similarities between high-risk CNV profiles and the connectivity architecture of individuals with NPs. The level of similarity was associated with mutation severity and was strongest in SZ, followed by ASD, and ADHD. The similarity was driven by the thalamus, and the posterior cingulate cortex, previously identified as hubs in transdiagnostic psychiatric studies. These results raised questions about shared mechanisms across CNVs. By comparing deletions at the 16p11.2 and 22q11.2 loci, we identified similarities at the connectivity, and at the gene expression level. We extended this work by pooling all deletions available for analysis. We asked if connectivity alterations were associated with the severity of deletions scored using pLI, a measure of intolerance to haploinsufficiency. The haploinsufficiency profile involved the thalamus, anterior cingulate cortex, and somatomotor network and was correlated with lower general intelligence and higher autism severity scores in 3 unselected and disease cohorts. An exploratory factor analysis confirmed the contribution of these regions to three latent components shared across CNVs and NPs. Our results open new avenues for understanding polygenicity in psychiatric conditions, and the pleiotropic effect of CNVs on cognition and on risk for neuropsychiatric disorders.