Neuroimagerie et investigations cognitives des conséquences post-infarctus thalamique : défis méthodologiques et réduction des biais d'étude

Neuroimaging and cognitive investigations of post-thalamic infarct consequences : methodological challenges and reduction of study bias

• Auteur / Autrice : Julie Vidal
• Direction : Emmanuel Barbeau, Lola Danet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neuropsycologie
• Date : Soutenance le 21/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Comportement, Langage, Éducation, Socialisation, Cognition (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche Cerveau et Cognition (Toulouse ; 1993-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Thiebaut de Shotten, Isabelle Berry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Tourdias, Meritxell Bach Cuadra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neuroimagerie

Cognition

Maladies cérébrovasculaires

Thalamus

Mots clés libres

Thalamus

Cognition

Accidents vasculaires cérébraux

Neuroimagerie

Thalamus

Cognition

Strokes

Neuroimaging

Résumé

Le thalamus, structure bilatérale située au cœur du cerveau, est constitué de multiples noyaux impliqués dans l'intégration sensorimotrice et les fonctions cognitives complexes. Historiquement, avant l'introduction de l'IRM dans les années 1990, les lésions thalamiques étaient associées à des déficits cognitifs majeurs (cécité, aphasie, amnésie), sur la base de cas isolés sévères qui dominaient la littérature scientifique de l'époque. Après l'avènement de l'IRM, les études de groupe ont révélé que les AVC thalamiques, bien que potentiellement invalidants, entraînent généralement des déficits cognitifs plus modérés. Cette évolution illustre l'incompréhension du rôle du thalamus dans la cognition. La problématique centrale de cette thèse est la suivante : En s'affranchissant des biais d'étude et en surmontant les défis méthodologiques, quel est l'impact réel des lésions vasculaires thalamiques sur la cognition ? Cette thèse s'articule autour de 5 articles permettant de revisiter la neuropsychologie du thalamus chez l'humain à l'aide des technologies modernes et en tenant compte des biais des études antérieures. Le logiciel THOMAS couplé à l'outil HIPS (HIstogram-based Polynomial Synthesis) développé durant cette thèse, ont permis de segmenter les noyaux thalamiques avec une précision accrue à partir d'IRM T1. Deux études sur l'adhésion interthalamique (AI), structure reliant les deux thalami, ont également été menées pour explorer son rôle éventuel dans la cognition ainsi que les causes et conséquences de son absence. Dans l'ensemble, ce travail vise à amenuiser les biais d'interprétation neuropsychologique des infarctus thalamiques. Les résultats des études 1 et 2 montrent que HIPS-THOMAS améliore la segmentation des noyaux thalamiques par rapport aux méthodes actuelles, incluant les réseaux de neurones convolutifs (CNN). Cela offre une meilleure localisation des lésions indépendamment des paramètres IRM et la possibilité d'avoir des corrélations neuropsychologiques plus fines car qui se font du vivant du patient. Dans la 3ème étude, un protocole d'imagerie standardisé pour l'étude de l'AI a été mis en place, permettant de démontrer que l'AI, présente chez 80% de la population, n'a pas de rôle cognitif majeur chez les sujets sains. Elle semble toutefois permettre une compensation interhémisphérique lors d'AVC thalamiques, réduisant ainsi les déficits cognitifs. Ce protocole est alors réutilisé dans l'article 4 pour démontrer que l'absence d'AI est liée à des facteurs génétiques, entraînant des changements anatomiques dont un élargissement du 3ème ventricule et l'amincissement de certaines régions corticales. Enfin, en s'appuyant sur ces précédentes études pour réaliser l'article 5, plusieurs facteurs aggravants des AVC thalamiques ont été mis en évidence : l'âge, le niveau d'éducation mais aussi le volume, la localisation et la latéralité des lésions. Une atteinte du tractus mamillothalamique, de l'AI et des radiations thalamiques antérieures augmentent aussi la gravité des déficits cognitifs. Cependant, contrairement à ce que suggèrent les études historiques, de nombreux patients ont une cognition relativement préservée suite à un infarctus thalamique. En conclusion, le développement de techniques d'imagerie avancées a permis de surmonter certains biais méthodologiques pour affiner l'interprétation des atteintes thalamiques. Les découvertes sur l'AI ouvrent aussi des pistes de recherche futures quant à son rôle fonctionnel et ses implications cliniques. Enfin, les facteurs aggravants identifiés ont permis de souligner la complexité des AVC thalamiques et leurs impacts variables sur les fonctions cognitives. Ces résultats remettent notamment en question certaines études historiques, en démontrant que nombre de patients présentent une résilience cognitive notable après un infarctus thalamique. Au total, cela offre de nouvelles perspectives pour un diagnostic plus précis et une adaptation clinique optimisée pour chaque patient.

The thalamus, a bilateral structure located at the brain's center, comprises multiple nuclei involved in sensorimotor integration and complex cognitive functions. Historically, before the introduction of MRI in the 1990s, thalamic lesions were associated with major cognitive deficits (blindness, aphasia, amnesia) based on severe isolated cases that dominated the scientific literature of the time. After the advent of MRI, group studies revealed that thalamic strokes, while potentially disabling, generally result in more moderate cognitive deficits. This evolution highlights the complexity of the thalamus's role in cognition, which remains poorly understood. The central question of this thesis is: By overcoming study biases and methodological challenges, what is the real impact of thalamic vascular lesions on cognition?'' This thesis is structured around five articles that revisit the neuropsychology of the thalamus in humans using modern technologies while accounting for biases in previous studies. THOMAS software, coupled with HIPS (HIstogram-based Polynomial Synthesis) tool developed during this thesis, allowed for more precise segmentations of thalamic nuclei from T1 MRI scans. Two studies on the interthalamic adhesion (IA), a structure connecting both thalami, were also conducted to explore its potential role in cognition as well as the causes and consequences of its absence. Overall, those studies aim to reduce the neuropsychological interpretation biases of thalamic infarctions. The results of studies 1 and 2 show that HIPS-THOMAS improves the segmentation of thalamic nuclei compared to current methods, including convolutional neural networks (CNNs). This provides better lesion localization independently of MRI parameters and the possibility of finer neuropsychological correlations during the life of patients. In the 3rd study, a standardized imaging protocol for studying the IA was established, demonstrating that the IA, present in 80% of the population, does not have a major cognitive role in healthy individuals. However, it seems to allow for interhemispheric compensation during thalamic infarctions, thereby reducing cognitive deficits. This protocol is then reused in article 4 to demonstrate that the absence of IA is linked to genetic factors, leading to anatomical changes, including an enlargement of the third ventricle and thinning of certain cortical regions. Finally, building on these previous studies for article 5, several aggravating factors of thalamic strokes were identified: age, education level, as well as lesion volume, location, and laterality. Damage to the mammillothalamic tract, IA, and anterior thalamic radiations also increase the severity of cognitive deficits. However, contrary to what historical studies suggested, many patients have relatively preserved cognition following a thalamic infarction. In conclusion, the development of advanced imaging techniques has helped overcome some methodological biases to refine the interpretation of thalamic damage. The discoveries regarding the IA also open new avenues for future research into its functional role and clinical implications. Finally, the identified aggravating factors highlight the complexity of thalamic strokes and their varying impacts on cognitive functions. These findings challenge historical studies by demonstrating that many patients show notable cognitive resilience after a thalamic infarction. Overall, this offers new perspectives for more precise diagnosis and optimized clinical adaptation for each patient.