Mapping the anatomo-functional organization of human sensorimotor system : a multi-modal approach
Cartographie de l'organisation anatomo-fonctionnelle du système sensorimoteur chez l'homme : une approche multimodale
Résumé
The aim of the thesis was to investigate the mapping of the anatomofunctional organization of the human sensorimotor system and how volutional movements of human are produced and controlled. Neuroimaging and especially DTI, fine anatomo-functional observation in patient and direct electrical stimulation were considered. This multi-modal approach permitted to improve our understanding of sensorimotor organization in humans. In the first study, we showed that awake brain surgery with the use of direct electrical stimulation is a safe and efficient procedure in children in order to decrease post-operative neurological deficit. It improves the accuracy of detecting eloquent area, with a good tolerance from a neuropsychological and psychological aspect. Age-adapted neuropsychologic preparation may enable offering ABS even to younger children on an individual basis. In a second series of two studies, we showed that the dorso-posterior part of the parietal cortex is a key structure in the complex organization of movement in human with a S1-DPPr-M1 loop. In the first study, direct electrical stimulation of focal cortical site in the dorso-posterior part of the parietal cortex triggered inhibition of movement production and blocked ongoing movement without producing muscle contraction or conscious movement sensation. In the second study, we aimed to find a direct projection from the PRR, defined in the first study (Desmurget et al., 2018), to the primary motor cortex and the primary somatosensory cortex. Thanks to the DTI state-of-the-art tractography, we succeeded in finding such major ipsilateral streamlines projecting in the well-known hand knob region giving new insights of the white matter structures involved in the inhibition of volitional hand movements. These observations confirm clinical per-operative data showing that stimulating the counterpart of PRR in humans can disrupt hand movements ipsilaterally, irrespective of the hemisphere. Moreover, our results shed light on the implication of the PRR for the volitional hand sensorimotor operating behavior. In the last study, we investigate the impact of early cerebellar damage on long-term functional recovery in 3 groups of posterior fossa survivors, comparable with respect to their tumoural characteristics but operated at different ages: young (≤ 7 years), middle (> 7 years and ≤ 13 years) and old (> 13 years). Daily (Health-related Quality of Life -hrQol-, Performance Status -PS-), motor (International Cooperative Ataxia Rating Scale -ICARS-, Pegboard Purdue Test -PegBoard-) and cognitive (Full Scale Intelligence Quotient -FSIQ-) functioning were measured. Early age at surgery, lesion of deep cerebellar nuclei and post-operative radiotherapy had a significant, independent negative influence on long term recovery. These results support the existence of an early critical period of development during which the cerebellar "learning machine" is of critical importance
Le but de cette thèse était d'étudier l'organisation anatomo-fonctionnelle du système sensorimoteur humain et la façon dont les mouvements volontaires sont produits et contrôlés. Avec le développement de l’imagerie cérébrale, des méthodes de corrélation anatomo-clinique et de stimulation électrique directe cérébrale, de nombreuses avancées scientifiques ont pu être réalisée. Ces trois approches complémentaires ont été utilisé dans cette thèse afin d’améliorer la compréhension de l’organisation sensorimotrice cérébrale. Dans la première étude (soumise à publication), nous avons montré que la chirurgie cérébrale éveillée utilisant la stimulation électrique directe est une procédure sûre et efficace chez les enfants afin de réduire le déficit neurologique postopératoire. L'approche améliore la précision de la détection des zones éloquentes, avec une bonne tolérance neuropsychologique et psychologique. Une évaluation psychologique et neuropsychologique est essentielle. Dans une deuxième série de deux études, nous avons montré que la partie dorso-postérieure dorsal du cortex pariétal (DPPr) est une structure clé dans l'organisation complexe du mouvement manuel fin chez l'homme à travers la mise en oeuvre d'une boucle sensori-parieto-motrice.La première étude (publiée, Current Biology 2018) montre que la stimulation électrique directe d’une region corticale focale dans la partie dorso-postérieure du cortex pariétal entraine l’inhibition de la production du mouvement manuel, c’est-à-dire bloque l'initiation et la réalisation de ce dernier, sans produire de contraction musculaire ni de sensation consciente de mouvement. Dans la seconde étude (en cours de soumission), nous avions pour objectif d'identifier précisément les bases anatomiques du circuit parietal inhibiteur précédemment décrit. Grâce à la tractographie de diffusion (DTI), nous avons réussi à isoler des projections ipsilatérales spécifiques reliant les sites d’inhibition du DPPr, retrouvés dans la première étude, avec la zones dévolues au contrôle distal fin dans les cortex primaires moteur (M1) et sensoriel (S1). Ces données montrent que la boucle pariétale inhibitrice est directe depuis S1 vers DPPr vers M1 (même s'il n'est pas possible d'exclure l'existence d'échanges bidirectionnels entre ces aires). Dans la dernière étude (en cours de soumission), nous nous sommes intéressé à une structure motrice fondamentale, qui supporte 50 % des invasions tumorales chez l'enfant : le cervelet. Il s'agissait de déterminer si les lésions précoces étaient oui ou non prédictives d'une récupération déficitaire à long terme après prise en compte des covariables les plus critiques. Nous avons mesuré la récupération fonctionnelle à long terme chez 3 groupes survivants de lésion de la fosse postérieure. Les 3 groupes étaient comparables en ce qui concerne leurs caractéristiques tumorales mais opérés à différents âges : jeune (≤ 7 ans), moyen (> 7 ans et ≤ 13 ans) et tardif (> 13 ans). La qualité de vie (échelles cliniques : Health-related Quality of Life -hrQol- et Performance Status -PS-), les performances motrices (ataxie -ICARS- et motricité fine -Pegboard-) et cognitif (quotient intellectuel -FSIQ-) furent mesurés. L'âge précoce lors de la chirurgie, une lésion des noyaux profonds cérébelleux et la nécessité d'une radiothérapie postopératoire révélèrent une influence significativement négative et indépendante sur la récupération à long terme des participants. Ces résultats confirment l'existence d'une période critique de développement au cours de laquelle la "machine à apprendre" cérébelleuse revêt une importance cruciale
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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