The reorganization of human brain networks in the early stages of multiple sclerosis
Réorganisation des réseaux cérébraux dans les stades précoces de la sclérose en plaques
Résumé
Cognitive impairment is frequent in multiple sclerosis (MS) but its underlying mechanisms are still poorly understood. MRI techniques have been a valuable tool to investigate the biological substrates of cognitive processes. The objective of this thesis was to better understand the pathophysiological mechanisms of cognitive functioning at the early stage of MS. We followed clinically isolated syndrome (CIS) patients for one year, using neuropsychological tests, conventional and more advanced MRI techniques. We first demonstrated a differential gray matter vulnerability at the beginning of MS with a pathological spread from the hippocampus towards the cortex. We showed that the first microstructural alterations taking place within the hippocampus were able to predict its future volume loss. After that, we were interested in the potential brain functional reorganization at this stage of the disease. Using resting-state functional MRI, we were able to demonstrate very early regional brain functional reorganization starting from the disease onset and becoming more pronounced after one year of evolution. We also noticed a preservation of cognitive performances in CIS patients, which we found was associated to more functional reorganization. These results suggested then a compensation mechanism at the first year after a CIS. However, the relationship between these functional changes and the underlying anatomy was still missing. Thus, we combined resting-state functional MRI and diffusion tensor imaging to represent both functional and structural connectivity. Using the structural-functional coupling parameter, representing the association between structural and functional connections, we showed a decoupling one year after the disease onset in three major networks (salience, visual and somatomotor networks). This decoupling was noticed while cognitive performances were preserved and functional reorganization present. These last results led us to suggest that the functional reorganization at this stage, acting as a compensation mechanism, occurs along indirect anatomical pathways. In order to confirm these results and further follow-up brain networks topology and its impact on cognition, we are currently calling back our CIS patients for their 5-year visit.
Les troubles cognitifs sont fréquents dans la sclérose en plaques (SEP) mais leurs mécanismes sous-jacents sont encore mal connus. Les techniques d’IRM ont été indispensables pour essayer de mieux comprendre les substrats biologiques des processus cognitifs. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes physiopathologiques du fonctionnement cognitif dans les stades précoces de la SEP. Pour cela, nous avons étudié une cohorte de patients atteints de syndrome cliniquement isolé (SCI) pendant un an, en réalisant une batterie de tests neuropsychologiques ainsi qu’un examen IRM. Nous avons tout d’abord démontré une atteinte précoce de la substance grise, en particulier au niveau de l’hippocampe, se propageant vers le cortex après un an d’évolution. L’atteinte microstructurale précoce de l’hippocampe était capable de prédire sa perte de volume. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la réorganisation des réseaux cérébraux fonctionnels à ce stade précoce de la maladie. En utilisant l’IRM fonctionnelle de repos, nous avons démontré une réorganisation cérébrale fonctionnelle précoce impliquant plusieurs régions cérébrales. Cette réorganisation était encore plus prononcée après un an d’évolution. Au même moment, nos patients présentaient un fonctionnement cognitif normal qui était associé au niveau de réorganisation cérébrale présente. Ces résultats suggèrent un mécanisme de compensation aux stades précoces de la pathologie. La relation entre ces modifications fonctionnelles et l’anatomie sous-jacente est inconnue dans la SEP. Nous avons ainsi décidé de combiner l’IRM fonctionnelle de repos et l’imagerie par tenseurs de diffusion pour étudier à la fois la connectivité fonctionnelle et la connectivité structurelle. En utilisant le paramètre de couplage structurel-fonctionnel, nous avons démontré un découplage, un an après l’apparition de la maladie, au niveau de trois réseaux cérébraux du repos (salience, visuel et somato-moteur). Ce découplage était observé alors même que les performances cognitives de nos patients étaient préservées et que la réorganisation fonctionnelle était présente. Ces résultats suggèrent que cette réorganisation fonctionnelle à ce stade, agissant comme un mécanisme de compensation, se produit à travers des connections anatomiques indirectes. Afin de confirmer ces résultats et de suivre l’évolution des réseaux cérébraux et leur impact sur la cognition, nous avons recontacté nos patients SCI pour un suivi à 5 ans.
Origine : Version validée par le jury (STAR)