Evolution topologique des hubs dans l'état de conscience altérée post-traumatique : un marqueur de récupération fonctionnelle

Disruption of brain functional connectivity after traumatic coma : a method to explore the neurological recovery

• Auteur / Autrice : Lydia Oujamaa
• Direction : Chantal Delon-Martin, Sophie Achard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie de la cognition, de l'interaction, de l'apprentissage et de la création
• Date : Soutenance le 30/11/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Anne Guérin-Dugué
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chantal Delon-Martin, Sophie Achard, Stein Silva Sifontes, Jacques Luauté, Pierre Bouzat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Jacques Lemaire, Pascal Giraux, Stein Silva Sifontes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie par résonance magnétique

Localisation cérébrale

Connectivité fonctionnelle

Mots clés libres

Connectivité fonctionnelle

Altération de la conscience

IRM fonctionnelle

Veille de repos

Théorie des graphes

Resting state

Functional MRI

Disorder of consciousness

Graph theory

Functional connectivity

Résumé

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..).