Cerebral correlates of speech adaptation after surgery of the intraoral cavity
Corrélats cérébraux de l'adaptation de la parole après exérèse de la cavité orale
Résumé
This thesis investigates the cerebral correlates of the adaptation of speech production and orofacial motor skills after the exeresis of a tumor in the intraoral cavity. A special focus has been given to searching for correlates associated with a redefinition of the task’s goals, a reorganization of motor coordination, or a change in the internal representations of the peripheral motor system. Three tasks were investigated: non-audible oro-facial movements, vowel production, and syllable production. Brain activity was measured using fMRI longitudinally across 4 sessions: before surgery, and at 1, 3 and 9 months after surgery. Eleven patients and eleven healthy subjects were recorded. For the patients only, 3 additional kinds of data were collected in parallel to the fMRI, in order to assess, at each stage of the clinical process, the improvement of oro-facial motor skills: scores assessing orofacial praxis, acoustic speech signal, and a self-evaluation of speech production quality. Three statistical analyses were run on the fMRI data: (1) a “whole brain” analysis, which is based on brain activity amplitudes; (2) an analysis of the localization of the strongest activity in the primary motor cortex; (3) an analysis of Regions of Interest located in the speech production/perception cerebral network, using a General Linear Model. In this third analysis, the independent “Group” factor has been replaced by a continuous covariable, called “Motor Adaptation Index” (MAI), that quantitatively measures the degradation of speech production 1 month after surgery, and then its improvement in the subsequent months. The main effects of the “Group” (or MAI), “Session” and “Task” factors have been estimated, together with their interactions.All the tasks and all the sessions taken together, patients show significantly lower activity than healthy subjects in the orofacial sensorimotor regions. Significant main effects of the “Session” factor are also observed for all the tasks, for the patients as well as for the healthy subjects. Only non-audible motor tasks and vowel production tasks show for the “Session” factor effects that are significantly different for the patients and the healthy subjects. For non-audible lingual movements, 1 month after surgery, the patients show a high level of activity in the Superior Parietal Lobule (SPL) and DorsoLateral PreFrontal Cortex (DLPFC). For patients’ vowel production, 3 months after surgery activity decreases in the cerebellum and strongly increases in the Inferior Parietal Lobule (IPL), while from 3 to 9 months after surgery, the activity increases in the motor regions (Primary Motor Cortex, Supplementary Motor Area), and decreases in the Superior Temporal Gyrus (STG). In addition, 1 month after the surgery, patients show, for all tasks, Primary Motor Cortex activity located more dorsally than in the other sessions.For non-audible oro-facial motor tasks, our results suggest that immediately after surgery patients might have to re-tune their internal model of the peripheral motor system (SPL activity), which is no longer accurate, while redefining their coordination strategies (DLPFC activity). For vowel production, a more skilled and demanding task, stronger modifications of the patients’ internal model could be necessary 3 months after surgery. Nine months after surgery, the simultaneous increase of activity in the motor regions and decrease of activity in the STG suggest for vowel production that the adaptation has almost been achieved, with regained consistency between the efferent copy and auditory feedback. Syllable production tasks show no significant patient specific changes across sessions, possibly due to the greater complexity of the task as compared to the other two.
Ce travail étudie les corrélats cérébraux de l’adaptation de la parole et de la motricité oro-faciale après l’exérèse chirurgicale d’une tumeur intra-orale. Une attention particulière est portée à la recherche de corrélats révélant une redéfinition des buts de la tâche, une réorganisation de la coordination motrice, et une modification des représentations internes du système moteur.Trois tâches ont été étudiées : production de mouvements oro-faciaux silencieux ; production de voyelles ; production de syllabes. Les activités cérébrales ont été mesurées par IRM fonctionnelle au cours de 4 sessions, en pré-opératoire, puis 1 mois, 3 mois et 9 mois après la chirurgie. Onze patients et onze sujets sains ont été enregistrés. Pour les patients, trois types de données informant sur leur récupération motrice ont été acquis aux mêmes périodes : données praxiques ; signal acoustique de parole ; auto-évaluation de la qualité de parole. Trois analyses statistiques ont été menées sur les données cérébrales : (1) une analyse « cerveau entier » sur les amplitudes des activations ; (2) une analyse de la localisation de l’activation principale dans le cortex moteur primaire ; (3) une analyse en régions d’intérêt dans le réseau cérébral de la parole, via un modèle linéaire général dans lequel le facteur Groupe (Patients/Sains) a été remplacé par une covariable continue, l’« Indice d’Adaptation Motrice » ou « IAM », mesurant le niveau de dégradation de la parole, puis son amélioration dans les mois suivants l’opération. Les effets et les interactions des facteurs Groupe (ou IAM), Session et Tâche sur la variable dépendante ont ainsi été mesurés. Toutes tâches et toutes sessions confondues, les patients se distinguent des sujets sains par une activité cérébrale plus faible dans les zones sensori-motrices oro-faciales. Des effets de la session sont observés pour toutes les tâches, pour les patients et les sujets sains. Seules les tâches de motricité silencieuse et de production des voyelles révèlent des effets de la session sur l’activité cérébrale significativement différents pour les patients et les sujets sains. Ainsi, pour la motricité silencieuse, 1 mois après l’opération, les patients montrent, pour la tâche linguale, une forte activité dans le Lobule Pariétal Supérieur (LPS) et dans le Cortex Pré-Frontal Dorso-Latéral (CPFDL). Pour les voyelles, 3 mois après la chirurgie, l’activité cérébrale des patients décroît dans le cervelet et croît fortement dans le Lobule Pariétal Inférieur ; de 3 à 9 mois après la chirurgie, l’activité croît dans les zones motrices (Cortex Moteur Primaire et Aire Motrice Supplémentaire) et elle décroît dans le Gyrus Temporal Supérieur. Les patients montrent aussi 1 mois après l’opération, tous articulateurs confondus, une localisation plus dorsale de l’activité dans le Cortex Moteur Primaire. Pour des tâches motrices silencieuses, nos observations suggèrent que, immédiatement après l’opération, les patients pourraient réactualiser leur modèle interne du système moteur (activité dans le LPS), devenu imprécis, tout en ré-élaborant leurs stratégies de coordination (activité dans le CPFDL). Pour la production des voyelles, tâche plus complexe et plus précise, nos résultats suggèrent que 3 mois après l’opération, les patients utiliseraient moins les modèles internes devenus trop imprécis. Le retour à une activation forte dans les zones motrices 9 mois après l’intervention suggère que l’adaptation de la production des voyelles est quasiment achevée, et la baisse concomitante de l’activation dans le cortex auditif est cohérente avec l’hypothèse qu’il existerait de nouveau une adéquation entre la copie d’efférence auditive et le feedback auditif externe. Pour la production de syllabes, les résultats sont les moins pertinents parmi les 3 tâches. Une réorganisation plus tardive, au-delà de 9 mois, due à la plus grande complexité de la tâche, pourrait en être une explication potentielle.
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