Auditory spatial deficits following hemispheric lesions : dissociation of explicit and implicit processing

Les déficits auditifs spatiaux se produisent fréquemment après une lésion hémisphérique ; un précédent case report suggérait que la capacité explicite à reconnaître des positions sonores, comme dans la localisation des sons, peut être atteinte alors que l'utilisation implicite d'indices sonores pour la reconnaissance d'objets sonores dans un environnement bruyant reste préservée. En testant systématiquement des patients avec lésion hémisphérique inaugurale, nous avons montré que (1) l'utilisation explicite et/ou implicite des indices sonores peut être perturbée ; (2) la dissociation entre l'atteinte de l'utilisation explicite des indices sonores versus une préservation de l'utilisation implicite de ces indices est assez fréquente ; et (3) différents types de déficits dans la localisation des sons peuvent être associés avec une utilisation implicite préservée de ces indices sonores. Conceptuellement, la dissociation entre l'utilisation explicite et implicite de ces indices sonores peut illustrer la dichotomie des deux voies du système auditif. Nos résultats parlent en faveur d'une évaluation systématique des fonctions auditives spatiales dans un contexte clinique, surtout quand l'adaptation à un environnement sonore est en jeu. De plus, des études systématiques sont nécessaires afin de mettre en lien les troubles de l'utilisation explicite versus implicite de ces indices sonores avec les difficultés à effectuer les activités de la vie quotidienne, afin d'élaborer des stratégies de réhabilitation appropriées et afin de s'assurer jusqu'à quel point l'utilisation explicite et implicite des indices spatiaux peut être rééduquée à la suite d'un dommage cérébral.

Acute aphasia after right hemisphere stroke

Abstract Right hemispheric stroke aphasia (RHSA) rarely occurs in right- or left-handed patients with their language representation in right hemisphere (RH). For right-handers, the term crossed aphasia is used. Single cases, multiple cases reports, and reviews suggest more variable anatomo-clinical correlations. We included retrospectively from our stroke data bank 16 patients (right- and left-handed, and ambidextrous) with aphasia after a single first-ever ischemic RH stroke. A control group was composed of 25 successive patients with left hemispheric stroke and aphasia (LHSA). For each patient, we analyzed four modalities of language (spontaneous fluency, naming, repetition, and comprehension) and recorded eventual impairment: (1) on admission (hyperacute) and (2) between day 3 and 14 (acute). Lesion volume and location as measured on computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) were transformed into Talairach stereotaxic space. Nonparametric statistics were used to compare impaired/nonimpaired patients. Comprehension and repetition were less frequently impaired after RHSA (respectively, 56% and 50%) than after LHSA (respectively, 84% and 80%, P = 0.05 and 0.04) only at hyperacute phase. Among RHSA, fewer left-handers/ambidextrous than right-handers had comprehension disorders at second evaluation (P = 0.013). Mean infarct size was similar in RHSA and LHSA with less posterior RHSA lesions (caudal to the posterior commissure). Comprehension and repetition impairments were more often associated with anterior lesions in RHSA (Fisher's exact test, P < 0.05). Despite the small size of the cohort, our findings suggest increased atypical anatomo-functional correlations of RH language representation, particularly in non-right-handed patients. Rapport de synthèse : Des aphasies secondaires à un accident vasculaire ischémique cérébral (AVC) hémisphérique droit sont rarement rencontrées chez des patients droitiers ou gauchers avec une représentation du langage dans l'hémisphère droit. Chez les droitiers, on parle d'aphasie croisée. Plusieurs études sur le sujet ont suggéré des corrélations anatomocliniques plus variables. Dans notre étude, nous avons inclus rétrospectivement, à partir d'une base de données de patients avec un AVC, seize patients (droitiers, gauchers et ambidextres) souffrant d'une aphasie suite à un premier et unique AVC ischémique hémisphérique droit. Un groupe contrôle est composé de vingt-cinq patients successifs avec une aphasie suite à un AVC ischémique hémisphérique gauche. Pour chaque patient, nous avons analysé quatre modalités de langage, à savoir la fluence spontanée, la dénomination, la répétition et la compréhension et leur éventuelle atteinte à deux moments distincts : 1) à l'admission (phase hyperaiguë) et 2) entre le 3e et le 14e jour (phase aiguë). Le volume et la localisation de la lésion mesurés, soit sur un CT-scanner soit sur une imagerie par résonance magnétique cérébrale, ont été analysés à l'aide de l'échelle stéréotaxique de Talairach. Des statistiques non paramétriques ont été utilisées pour comparer les patients atteints et non atteints. . La compréhension et la répétition étaient moins souvent atteintes, seulement en phase hyperaiguë, après une aphasie suite à un AVC hémisphérique droit (resp. 56% et 50%) plutôt que gauche (resp. 84 % et 80%, p= 0.05 et 0.04). Parmi les aphasies suite à un AVC ischémique hémisphérique droit, moins de gauchers et d'ambidextres que de droitiers avaient des troubles de la compréhension lors de la seconde évaluation (p=0.013}. La .taille moyenne de la zone infarcie était semblable entre les aphasies droites et gauches, avec moins de lésions postérieures (caudale à la commissure postérieure) lors des aphasies droites. Les troubles de la répétition et de la compréhension étaient plus souvent associés à des lésions antérieures lors d'aphasie droite. (Fischer's exact test, p>0.05). Malgré la petite taille de notre cohorte de patients, ces résultats suggèrent une augmentation des corrélations anatomocliniques atypiques lors d'une représentation du langage dans l'hémisphère droit, surtout chez les patients non droitiers.

Patterns of recovery following focal hemispheric lesions : relationship between lasting deficit and damage to specialized networks

Rapport de synthèse : Objectif : Les déficits cognitifs présents dans la phase aiguë d'une lésion hémisphérique focale ont tendance à être de nature plus importante et plus générale que les déficits résiduels qui persistent dans la phase chronique de récupération. Nous avons investigué, dans le cadre de ce travail, les modèles de récupération auditive et la relation qui se dessine entre les déficits et les dommages relatifs à des réseaux spécifiques, pris comme modèle cognitif des fonctions auditives. De nombreuses études humaines dans les domaines de la neuropsychologie, de la psychophysique ainsi que des études d'activation suggèrent que les processus de reconnaissance et de localisation sonores sont effectués par l'intermédiaire de réseaux distincts tant sur le plan anatomique que fonctionnel : il s'agit des zones de traitement du «What» et du «Where », qui sont toutes deux présentes dans les deux hémisphères. Des études ont démontré que des lésions hémisphériques focales gauches ou droites, centrées sur ces réseaux, sont associées dans la phase chronique de récupération à des déficits correspondant en ce qui concerne la reconnaissance et/ou la localisation sonore. Méthode : Dans le cadre de ce travail, nous avons analysé les résultats concernant les performances auditives chez 24 patients ayant subi des lésions hémisphériques focales avec déficits secondaires dans des tâches de reconnaissance, de localisation et/ou de perception du mouvement sonore lors d'un premier testing effectué en phase aiguë (9 patients), en phase subaiguë (6 patients) ou en phase chronique précoce (9 patients). La totalité de ces patients ont bénéficié d'un second testing en phase chronique. Les observations effectuées ont servi à l'élaboration de patterns de récupération auditive. Résultats : Tous les 24 patients avaient initialement un déficit dans le domaine de la localisation et/ou de la perception du mouvement sonore. Dans la phase aiguë, ce déficit survenait sans atteinte spécifique du réseau «Where » chez presque la moitié des patients ; en revanche, cette situation n'était jamais observée chez les patients testés en phase chronique précoce. Une absence de récupération avait tendance à être associée à un dommage spécifique au réseau concerné ainsi qu'à la persistance d'un déficit au-delà de la phase aiguë. Les déficits résiduels n'étaient par ailleurs pas strictement en lien avec la taille lésionnelle ou l'étendue de l'atteinte du réseau spécifique. Conclusion : Nos résultats suggèrent que des mécanismes distincts sous-tendent la récupération et la plasticité à différentes périodes temporelles post-lésionnelles.

Neuroplasticity of inhibitory control

Executive control refers to a set of abilities enabling us to plan, control and implement our behavior to rapidly and flexibly adapt to environmental requirements. These adaptations notably involve the suppression of intended or ongoing cognitive or motor processes, a skill referred to as "inhibitory control". To implement efficient executive control of behavior, one must monitor our performance following errors to adjust our behavior accordingly. Deficits in inhibitory control have been associated with the emergènce of a wide range of psychiatric disorders, ranging from drug addiction to attention deficit/hyperactivity disorders. Inhibitory control deficits could, however, be remediated- The brain has indeed the amazing possibility to reorganize following training to allow for behavioral improvements. This mechanism is referred to as neural and behavioral plasticity. Here, our aim is to investigate training-induced plasticity in inhibitory control and propose a model of inhibitory control explaining the spatio- temporal brain mechanisms supporting inhibitory control processes and their plasticity. In the two studies entitled "Brain dynamics underlying training-induced improvement in suppressing inappropriate action" (Manuel et al., 2010) and "Training-induced neuroplastic reinforcement óf top-down inhibitory control" (Manuel et al., 2012c), we investigated the neurophysiological and behavioral changes induced by inhibitory control training with two different tasks and populations of healthy participants. We report that different inhibitory control training developed either automatic/bottom-up inhibition in parietal areas or reinforced controlled/top-down inhibitory control in frontal brain regions. We discuss the results of both studies in the light of a model of fronto-basal inhibition processes. In "Spatio-temporal brain dynamics mediating post-error behavioral adjustments" (Manuel et al., 2012a), we investigated how error detection modulates the processing of following stimuli and in turn impact behavior. We showed that during early integration of stimuli, the activity of prefrontal and parietal areas is modulated according to previous performance and impacts the post-error behavioral adjustments. We discuss these results in terms of a shift from an automatic to a controlled form of inhibition induced by the detection of errors, which in turn influenced response speed. In "Inter- and intra-hemispheric dissociations in ideomotor apraxia: a large-scale lesion- symptom mapping study in subacute brain-damaged patients" (Manuel et al., 2012b), we investigated ideomotor apraxia, a deficit in performing pantomime gestures of object use, and identified the anatomical correlates of distinct ideomotor apraxia error types in 150 subacute brain-damaged patients. Our results reveal a left intra-hemispheric dissociation for different pantomime error types, but with an unspecific role for inferior frontal areas. Les fonctions exécutives désignent un ensemble de processus nous permettant de planifier et contrôler notre comportement afin de nous adapter de manière rapide et flexible à l'environnement. L'une des manières de s'adapter consiste à arrêter un processus cognitif ou moteur en cours ; le contrôle de l'inhibition. Afin que le contrôle exécutif soit optimal il est nécessaire d'ajuster notre comportement après avoir fait des erreurs. Les déficits du contrôle de l'inhibition sont à l'origine de divers troubles psychiatriques tels que l'addiction à la drogue ou les déficits d'attention et d'hyperactivité. De tels déficits pourraient être réhabilités. En effet, le cerveau a l'incroyable capacité de se réorganiser après un entraînement et ainsi engendrer des améliorations comportementales. Ce mécanisme s'appelle la plasticité neuronale et comportementale. Ici, notre but èst d'étudier la plasticité du contrôle de l'inhibition après un bref entraînement et de proposer un modèle du contrôle de l'inhibition qui permette d'expliquer les mécanismes cérébraux spatiaux-temporels sous-tendant l'amélioration du contrôle de l'inhibition et de leur plasticité. Dans les deux études intitulées "Brain dynamics underlying training-induced improvement in suppressing inappropriate action" (Manuel et al., 2010) et "Training-induced neuroplastic reinforcement of top-down inhibitory control" (Manuel et al., 2012c), nous nous sommes intéressés aux changements neurophysiologiques et comportementaux liés à un entraînement du contrôle de l'inhibition. Pour ce faire, nous avons étudié l'inhibition à l'aide de deux différentes tâches et deux populations de sujets sains. Nous avons démontré que différents entraînements pouvaient soit développer une inhibition automatique/bottom-up dans les aires pariétales soit renforcer une inhibition contrôlée/top-down dans les aires frontales. Nous discutons ces résultats dans le contexte du modèle fronto-basal du contrôle de l'inhibition. Dans "Spatio-temporal brain dynamics mediating post-error behavioral adjustments" (Manuel et al., 2012a), nous avons investigué comment la détection d'erreurs influençait le traitement du prochain stimulus et comment elle agissait sur le comportement post-erreur. Nous avons montré que pendant l'intégration précoce des stimuli, l'activité des aires préfrontales et pariétales était modulée en fonction de la performance précédente et avait un impact sur les ajustements post-erreur. Nous proposons que la détection d'erreur ait induit un « shift » d'un mode d'inhibition automatique à un mode contrôlé qui a à son tour influencé le temps de réponse. Dans "Inter- and intra-hemispheric dissociations in ideomotor apraxia: a large-scale lesion-symptom mapping study in subacute brain-damaged patients" (Manuel et al., 2012b), nous avons examiné l'apraxie idémotrice, une incapacité à exécuter des gestes d'utilisation d'objets, chez 150 patients cérébro-lésés. Nous avons mis en avant une dissociation intra-hémisphérique pour différents types d'erreurs avec un rôle non spécifique pour les aires frontales inférieures.

Interhemispheric visual integration in humans explored by multimodal brain imaging

Résumé: Les récents progrès techniques de l'imagerie cérébrale non invasives ont permis d'améliorer la compréhension des différents systèmes fonctionnels cérébraux. Les approches multimodales sont devenues indispensables en recherche, afin d'étudier dans sa globalité les différentes caractéristiques de l'activité neuronale qui sont à la base du fonctionnement cérébral. Dans cette étude combinée d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et d'électroencéphalographie (EEG), nous avons exploité le potentiel de chacune d'elles, soit respectivement la résolution spatiale et temporelle élevée. Les processus cognitifs, de perception et de mouvement nécessitent le recrutement d'ensembles neuronaux. Dans la première partie de cette thèse nous étudions, grâce à la combinaison des techniques IRMf et EEG, la réponse des aires visuelles lors d'une stimulation qui demande le regroupement d'éléments cohérents appartenant aux deux hémi-champs visuels pour en faire une seule image. Nous utilisons une mesure de synchronisation (EEG de cohérence) comme quantification de l'intégration spatiale inter-hémisphérique et la réponse BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) pour évaluer l'activité cérébrale qui en résulte. L'augmentation de la cohérence de l'EEG dans la bande beta-gamma mesurée au niveau des électrodes occipitales et sa corrélation linéaire avec la réponse BOLD dans les aires de VP/V4, reflète et visualise un ensemble neuronal synchronisé qui est vraisemblablement impliqué dans le regroupement spatial visuel. Ces résultats nous ont permis d'étendre la recherche à l'étude de l'impact que le contenu en fréquence des stimuli a sur la synchronisation. Avec la même approche, nous avons donc identifié les réseaux qui montrent une sensibilité différente à l'intégration des caractéristiques globales ou détaillées des images. En particulier, les données montrent que l'implication des réseaux visuels ventral et dorsal est modulée par le contenu en fréquence des stimuli. Dans la deuxième partie nous avons a testé l'hypothèse que l'augmentation de l'activité cérébrale pendant le processus de regroupement inter-hémisphérique dépend de l'activité des axones calleux qui relient les aires visuelles. Comme le Corps Calleux présente une maturation progressive pendant les deux premières décennies, nous avons analysé le développement de la fonction d'intégration spatiale chez des enfants âgés de 7 à 13 ans et le rôle de la myelinisation des fibres calleuses dans la maturation de l'activité visuelle. Nous avons combiné l'IRMf et la technique de MTI (Magnetization Transfer Imaging) afin de suivre les signes de maturation cérébrale respectivement sous l'aspect fonctionnel et morphologique (myelinisation). Chez lés enfants, les activations associées au processus d'intégration entre les hémi-champs visuels sont, comme chez l'adulte, localisées dans le réseau ventral mais se limitent à une zone plus restreinte. La forte corrélation que le signal BOLD montre avec la myelinisation des fibres du splenium est le signe de la dépendance entre la maturation des fonctions visuelles de haut niveau et celle des connections cortico-corticales. Abstract: Recent advances in non-invasive brain imaging allow the visualization of the different aspects of complex brain dynamics. The approaches based on a combination of imaging techniques facilitate the investigation and the link of multiple aspects of information processing. They are getting a leading tool for understanding the neural basis of various brain functions. Perception, motion, and cognition involve the formation of cooperative neuronal assemblies distributed over the cerebral cortex. In this research, we explore the characteristics of interhemispheric assemblies in the visual brain by taking advantage of the complementary characteristics provided by EEG (electroencephalography) and fMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging) techniques. These are the high temporal resolution for EEG and high spatial resolution for fMRI. In the first part of this thesis we investigate the response of the visual areas to the interhemispheric perceptual grouping task. We use EEG coherence as a measure of synchronization and BOLD (Blood Oxygenar tion Level Dependent) response as a measure of the related brain activation. The increase of the interhemispheric EEG coherence restricted to the occipital electrodes and to the EEG beta band and its linear relation to the BOLD responses in VP/V4 area points to a trans-hemispheric synchronous neuronal assembly involved in early perceptual grouping. This result encouraged us to explore the formation of synchronous trans-hemispheric networks induced by the stimuli of various spatial frequencies with this multimodal approach. We have found the involvement of ventral and medio-dorsal visual networks modulated by the spatial frequency content of the stimulus. Thus, based on the combination of EEG coherence and fMRI BOLD data, we have identified visual networks with different sensitivity to integrating low vs. high spatial frequencies. In the second part of this work we test the hypothesis that the increase of brain activity during perceptual grouping depends on the activity of callosal axons interconnecting the visual areas that are involved. To this end, in children of 7-13 years, we investigated functional (functional activation with fMRI) and morphological (myelination of the corpus callosum with Magnetization Transfer Imaging (MTI)) aspects of spatial integration. In children, the activation associated with the spatial integration across visual fields was localized in visual ventral stream and limited to a part of the area activated in adults. The strong correlation between individual BOLD responses in .this area and the myelination of the splenial system of fibers points to myelination as a significant factor in the development of the spatial integration ability.

Des syncinésies aux mécanismes d'inhibition motrice chez l'enfant

Certaines manifestations motrices involontaires représentent une caractéristique développementale ou pathologique connue sous le terme de syncinésie. Cet article traite de la question des syncinésies en trois temps. Une première partie fait un point sur la diversité de leurs manifestations selon les populations et dresse un bilan sur les multiples épreuves psychomotrices qui mesurent leurs intensités et leurs évolutions dans le temps. Une seconde partie s'intéresse à une catégorie de ces syncinésies, les syncinésies d'imitation, et fait la description dedeux modèles d'organisation neuro-motrices qui pourraient expliquer leur survenue. Enfin dans un troisième temps, nous montrons que les déterminants neurobiologiques du couplage neuro-moteur à l'origine des syncinésies d'imitation sont également une source d'intérêt pour les travaux de recherche qui s'intéressent à l'évolution avec l'âge des coordinations bimanuelles et plus particulièrement au développement des mécanismes d'inhibition motrice. Nous faisons l'hypothèse de mécanismes de contrôle en commun (et probablement de nature inhibitrice) qui, d'une part, participent à la diminution des syncinésies d'imitation et d'autre part favorisent la production des performances bimanuelles plus complexes chez l'enfant. Une approche interdisciplinaire intégrant des mesures classiques des manifestations syncinétiques et l'analyse de l'inhibition motrice inter-hémisphérique pourrait, dans une perspective développementale, permettre de mettre en évidence les liens entre ces deux phénomènes fondamentaux de la motricité humaine.