Caractérisation du fonctionnement du système auditif central associé aux performances d’appariement tonal chez les sujets atteints de schizophrénie : approches psychophysiques et neurophysiologiques

Characterisation of the central auditory system functioning associated with tone-matching abilities in schizophrenia : psychophysical and neurophysiological studies

• Auteur / Autrice : Clément Dondé
• Direction : Thierry d' Amato, Daniel C. Javitt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 03/10/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Neurosciences et Cognition (NSCo) (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (Bron ; Saint-Priest-en-Jarez ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Mircea Polosan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry d' Amato, Daniel C. Javitt, Catherine Bortolon, Caroline Demily, Vincent Laprévote
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascale Tremblay, Sophia Vinogradov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aire auditive

Neurostimulation

Mémoire auditive

Schizophrénie

Mots clés libres

Schizophrénie

Appariement tonal

Mémoire sensorielle échoïque

Psychophysique

Cortex auditif

Thalamus

Connectivité fonctionnelle IRM de repos

Neurostimulation

Schizophrenia

Tone-matching

Echoic sensory memory

Resting-functional connectivity MRI

Transcranial electrical stimulation

Résumé

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