La conscience altérée : recherche de corrélats anatomo-fontionnels et étude de stimulation cérébrale profonde

Disorders of consciousness : anatomo-functional correlates and deep brain stimulation

• Auteur / Autrice : Anna Sontheimer
• Direction : Jean-Jacques Lemaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 14/05/2019
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Marie Izaute
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivia Gosseries, Angela Sirigu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Naccache, Stein Silva Sifontes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coma

Conscience

Stimulation cérébrale profonde

Mots clés libres

Conscience interne et externe

Syndrome d’éveil non répondant

État de conscience minimale

Évaluation de la conscience

Connectivité fonctionnelle

Stimulation cérébrale profonde

Internal and external awareness

Unresponsive wakefulness syndrome

Minimally conscious state

Awareness assessment

Functional connectivity

Deep brain stimulation

Résumé

La conscience comporte deux composantes, l’éveil et l’expérience consciente. L’expérience consciente englobe la conscience de soi ou conscience interne, et la conscience de l’environnement ou conscience externe. Trois réseaux cérébraux majeurs ont été décrits. Le réseau du mode par défaut sous-tend l’activité mentale tournée vers soi. Le réseau exécutif central est impliqué dans des activités cognitives tournées vers l’environnement. Le réseau de la saillance sous-tend la détection de stimuli saillants internes et externes, et permet une bascule dynamique entre le réseau du mode par défaut et le réseau exécutif central.Suite à un coma, certains patients restent en état chronique de conscience altérée, soit avec un syndrome d’éveil non répondant, soit en état de conscience minimale. Le syndrome d’éveil non répondant est caractérisé par une absence de comportements conscients. L’état de conscience minimale s’accompagne de comportements conscients, comme la poursuite visuelle ou la réponse à une commande, qui apparaissent de manière fluctuante. Des déficits moteurs et cognitifs associés peuvent compliquer la détection de signes de conscience au chevet de ces patients cérébrolésés, et entraîner une sous-évaluation de leur état de conscience.Les objectifs principaux de ce travail sont d’affiner l’évaluation de l’état de conscience en détectant d’éventuelles capacités résiduelles cachées ; de caractériser des corrélats anatomo-fonctionnels de l’altération de la conscience ; et d’étudier l’effet de la stimulation cérébrale profonde sur l’apparition de comportements conscients chez des patients avec altération chronique de la conscience.Concrètement, nous avons développé un protocole d’IRM fonctionnelle de traitement du langage avec charge émotionnelle graduée, pour permettre de détecter d’éventuelles capacités résiduelles cachées chez ces patients non communicants. Nous avons ensuite mené une étude de connectivité fonctionnelle au repos de régions sous-corticales et de réseaux corticaux impliqués dans la conscience interne et externe, dans un groupe de treize patients avec altération chronique de la conscience. Nous avons mis en évidence une dégradation des interactions entre le réseau de la saillance et le réseau du mode par défaut, ainsi qu’avec les thalami et les pallidums. Nous avons au préalable développé une méthode d’amélioration de la segmentation automatique de ces régions sous-corticales. Enfin, nous avons mené une étude de stimulation cérébrale profonde auprès de cinq patients avec altération chronique de la conscience, en ciblant les thalami et les pallidums. La stimulation a permis l’apparition de comportements conscients chez deux d’entre eux, associée à une augmentation du métabolisme des régions cérébrales impliquées dans la conscience interne. L’ensemble de ces résultats permet d’alimenter la réflexion sur de nouvelles pistes thérapeutiques pour les patients en état de conscience altérée.

Consciousness can be divided into two major components: arousal and awareness. Awareness encompasses self-awareness and external awareness. Three core cerebral networks have been described. The default mode network is involved in self-related mental activity, and is internally-mediated. The central executive network is involved in externally-driven cognitive functions. The salience network is involved in the detection of salient internal and external stimuli, and plays a causal role in switching between the default mode and the central executive networks, thus mediating attention to internal and external worlds, respectively.Following a coma, some patients are left with chronic disorders of consciousness, either with unresponsive wakefulness syndrome, or in minimally conscious state. The unresponsive wakefulness syndrome is characterised by the absence of signs of awareness. The minimally conscious state is associated with minimal behavioural evidence of awareness, like visual pursuit or simple command following. The level of awareness can be underestimated by clinical assessment, owing to frequent motor and cognitive associated disorders.This thesis aims at improving awareness assessment via the detection of potential residual covert abilities, at characterising neural correlates of consciousness disorders, and at studying the effects of deep brain stimulation on conscious behaviour in patients with chronic disorders of consciousness.For the purpose of enhancing awareness detection in these non-communicative patients, we proposed a functional MRI protocol with graduated emotional charge to detect potential residual covert language-related behaviour. We then investigated the functional connectivity at rest of subcortical structures and cortical networks involved in internal and external awareness, in a group of thirteen patients with chronic disorders of consciousness. We highlighted a disruption of the functional connections between the salience and the default mode networks, as well as with the thalami and pallidums. We proposed beforehand a method to improve the automatic segmentation of these subcortical structures. Finally, we conducted a low frequency deep brain stimulation study in five patients with chronic disorders of consciousness, by dual pallido-thalamic targeting. Two patients showed improved conscious behaviour following stimulation, associated with an increase of metabolism in cortical regions involved in internal awareness.