Les progrès récents dans les soins cliniques ont entraîné un nombre croissant de patients qui survivent à une lésion cérébrale grave, cependant, beaucoup de ces patients montrent initialement une absence totale d'éveil et de conscience de soi et de leur environnement. À partir de cet état initial, défini comme un coma, les patients peuvent reprendre complètement conscience ou évoluer vers d'autres états plus chroniques d’altération de cette capacité cognitive.
L’objectif de cette thèse était de caractériser les corrélats neuronaux fonctionnels et structurels de l'abolition de la conscience dans le coma induite par une lésion cérébrale sévère et d'identifier les signatures neuronales précoces de la récupération neurologique à long-terme. Pour atteindre ce but, nous avons étudié des patients cérébrolésés, recrutés au stade aigu du coma, à l'aide de l'IRM fonctionnelle au repos et IRM structurale.
Nous avons mené notre analyse à trois niveaux: i) niveau global, en explorant la capacité résiduelle du cerveau à ségréger et à intégrer l'information à travers plusieurs réseaux fonctionnels au repos (RFR) d'ordre élevé (i.e. le réseau du mode par défaut, réseau de contrôle exécutif, réseau de saillance) connus pour être impliqués dans l’émergence de la notion de soi; ii) au niveau régional, en étudiant les interactions fonctionnelles à l'état de repos entre les nœuds centraux des RFR (cortex postéromédial (CPM) et le cortex préfrontal médian (CPFM)); iii) selon une approche multimodale, en explorant l'association entre la perturbation fonctionnelle du CPM-CPFM et les lésions structurelles. L'analyse au niveau global a indiqué une réorganisation topologique significative des réseaux d'état de repos d'ordre élevé dans le stade aigu du coma. Cette réorganisation mise en évidence par l’analyse des graphes, semble associée à une importante dédifférenciation et à une réduction de la résilience des réseaux fonctionnels au repos d'ordre élevé. Une perte de connexions fronto-pariétales à longue distance a été aussi observée.
Au niveau régional, nous avons caractérisé un schéma complexe de diminution et d'augmentation de la densité de connexion fonctionnelle à l'état de repos entre le CPM et CPFM. L’importance de ces anomalies de densité de connexion, semble liée à la récupération des patients dans le coma, à trois mois après l’agression cérébrale initiale. En outre, l'analyse IRM multimodale a permis de monter une association significative entre la connectivité fonctionnelle et l'intégrité structurelle entre/dans ces deux régions.
En conclusion, en ce qui concerne la connectivité fonctionnelle au repos, le cerveau des patients semble être radicalement réorganisé au niveau global et régional, et certaines de ces anomalies semblent liées à la récupération neurologique. En tant que tels, ces résultats représentent une promesse importante pour l'application de la neuroimagerie multimodale dans la prédiction précoce des résultats cliniques et pourraient inspirer de nouvelles approches thérapeutiques personnalisées visant à promouvoir la réémergence thérapeutique de la conscience à partir du coma. |
Recent advances in clinical care have resulted in an increasing number of patients who survive severe brain injury, however, many of these patients initially show a complete absence of arousal and awareness of one self and their surroundings. From this initial state of unarousable unresponsiveness, defined as coma, patients can fully regain consciousness or evolve into other (chronic) disorders of consciousness. The aim of the present thesis was to characterize the functional and structural neural correlates of acute consciousness abolition (i.e. coma) and identify early neural signatures of long-term neurological recovery. To do so, we studied severely brain-injured patients, recruited in the acute stage of coma, using resting-state functional and structural MRI.
We have conducted our analysis at a three-fold level: i) global level, in exploring brain’s residual ability to segregate and integrate information across several high-order resting-state functional networks (RSNs) (i.e. default-mode network, executive control network and salience network), known to be involved in self-related processing and potentially critical for consciousness emergence; ii) regional level, in investigating resting-state functional interactions between the hub nodes of high-order RSNs, with a primary focus on posteromedial cortex (PMC) and the medial prefrontal cortex (mPFC) inter-connectivity; iii) multi-modal level, in exploring the association between the PMC-mPFC functional disruption and corresponding gray and white matter (i.e. cingulum) structural damage.
The global-level analysis indicated a significant topological reorganization of high-order resting-state networks in the acute stage of coma. This reorganization, assessed using graph theory, was reflected in dedifferentiated and less resilient patients’ functional brain networks, accompanied with a loss of long-range fronto-parietal connections. On a regional level, we found a complex pattern of voxel-wise decrease and increase in resting-state functional connection density between the posteromedial cortex and the medial prefrontal cortex. These connection density patterns seemed to permit outcome prediction in patients, assessed three month post-coma. Furthermore, the multi-modal analysis demonstrated a significant association between the antero-posterior functional connectivity and structural integrity between/within these two regions.
In conclusion, our results imply significant heterogeneity in both functional and structural brain integrity in coma patients irrespectively of their apparent behavioral homogeneity. Regarding functional connectivity at rest, patients’ brains appear to be radically reorganized at both global and regional level, with some of these patterns seeming to be related to neurological recovery. As such, these findings hold a significant promise towards the application of neuroimaging in early outcome prediction and could inspire novel personalized therapeutic approaches aiming to promote the re-emergence of consciousness and long-term neurological recovery. |