Signatures électrophysiologiques des dysfonctions cognitives associées aux troubles de la conscience

Electrophysiological signatures of cognitive dysfunctions associated with disorders of consciousness

• Auteur / Autrice : Fabrice Ferré
• Direction : Stein Silva Sifontes, Fabien Perrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 19/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Comportement, Langage, Éducation, Socialisation, Cognition (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Toulouse NeuroImaging Center (2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Azabou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Cappe
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marzia De Lucia, Aurore Thibaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coma

Électroencéphalographie

Délire

Mots clés libres

Delirium

Troubles de la conscience

Potentiels évoqués

Électroencéphalogramme

P3

Coma

Delirium

Disorders of consciousness

Event-related potentials

Electroencephalogram

P3

Coma

Résumé

Un trouble de la conscience peut être observé après une lésion cérébrale sévère (par exemple, traumatique ou anoxique), ou être la conséquence directe d'un contexte médical favorisant sa survenue chez les patients en état critique, dont le delirium est la principale forme d’expression. L'objectif principal de nos recherches était d'évaluer les dysfonctions cognitives observables dans deux modèles distincts de troubles de la conscience (états de conscience altérée – étude 1, et delirium – étude 2) en utilisant les potentiels évoqués auditifs. L'analyse d'une large cohorte multicentrique de patients présentant un état de conscience altérée (coma, état de conscience minimale, syndrome d'éveil sans réponse) a révélé une réponse P3 au propre prénom chez 30% des patients, indépendamment de leur niveau de conscience comportemental. Ce résultat plaide en faveur de l'existence d'une dissociation cognitivo-comportementale, notamment pour les patients en phase aiguë de coma. De façon intéressante, cette capacité cérébrale occulte de discrimination d’un stimulus écologique auto-référentiel suggérant la reconnaissance de soi, détectée au chevet du patient précocement après l'ictus, était capable de prédire la récupération d’un état de conscience comportemental chez les survivants à 6 mois, et pourrait donc être considérée comme une condition préalable à l'émergence de la conscience. En utilisant une batterie multidimensionnelle de potentiels évoqués auditifs, spécialement conçue pour sonder les processus cognitifs hiérarchiques des patients en état critique atteints de delirium, nous avons identifié à la fois, une préservation de la mémoire échoïque automatique ‘bottom-up’ nécessaire à la discrimination des sons simples (P3a aux sons déviants locaux), et un ensemble cohérent de dysfonctions cognitives d'ordre supérieur occultes, englobant l'engagement attentionnel volontaire ‘top-down’ nécessaire au maintien actif de sons simples (P3b aux sons déviants globaux) dans la mémoire de travail ou de stimuli verbaux (P3 à la violation de faits arithmétiques simples et effets N400 à l'incongruence sémantique et lexicale) dans la mémoire sémantique. De façon intéressante, l’accès automatique à la mémoire autobiographique nécessaire à la catégorisation du propre prénom était également altéré chez les patients en état de delirium. Dans ce contexte, l'estimation des générateurs corticaux de la réponse P3 aux stimuli cibles par modélisation des sources a permis d'identifier le rôle prédominant du cortex préfrontal chez les sujets contrôles, dont l'activation était modulée à la baisse par le delirium. Ce projet de recherche a permis de décrire une nouvelle taxonomie électrophysiologique des dysfonctions cognitives associées au delirium, et de développer des biomarqueurs pronostiques basés sur les capacités cognitives résiduelles des patients présentant des troubles aigus sévères de la conscience.

Disorder of consciousness can be observed after a severe brain injury (e.g., traumatic or anoxic), or it can be caused by a direct consequence of a medical context favoring its occurrence in critically-ill patients, of which delirium is the main form of expression. The main objective of our researches was to evaluate the cognitive dysfunctions observable in two distinct models of altered states of consciousness (disorders of consciousness - study 1, and delirium - study 2) using auditory event-related potentials. The analysis of a large multicenter cohort of patients with disorders of consciousness (coma, minimally conscious state, unresponsive wakefulness syndrome) revealed a P3 response to subject's own name in 30% of patients, independently of their behavioral level of consciousness. This result argues for the existence of a cognitive-behavioral dissociation, especially for patients in the acute stage of coma. Interestingly, this covert brain ability required to correctly categorize self-related ecological words and suggesting self-recognition, detected at the bedside early after ictus, was able to predict behaviorally overt consciousness recovery in survivors at 6 months, and should be thus considered as a prerequisite for consciousness emergence. Using a multidimensional auditory event-related potential battery specifically designed to probe hierarchical cognitive processes in critically-ill patients with delirium, we have identified both, a preservation of the 'bottom-up' automatic echoic memory required to discriminate simple tones (P3a to local deviant sounds), and a coherent ensemble of covert higher-order cognitive dysfunctions encompassing the 'top-down' volitional attentional engagement required for the active maintenance of simple tones (P3b to global deviant sounds) in working memory or verbal stimuli (P3 to simple arithmetic facts violation and N400 effects to semantic and lexical incongruence) in semantic memory. Interestingly, the automatic access to autobiographical memory required to categorize the subject's own name was also impaired in delirium patients. In this setting, estimation of the cortical generators of the P3 response to target stimuli by source modeling identified the predominant role of the prefrontal cortex in control subjects, whose activation was modulated downward by delirium. This research project allowed the description of a new electrophysiological taxonomy of cognitive dysfunctions associated with delirium, and the development of prognostic biomarkers based on residual cognitive capacities of patients with severe acute disorders of consciousness.