Involvement of the posterior parietal cortex in the control of upper limb function and post-stroke spatial attention : study and modulation of the connectivity of the controlled posterior parietal cortex

Le cortex pariétal postérieur (PPC) est une structure clé de l’intégration sensori-motrice qui forme, avec les structures frontales auxquelles il est connecté, des réseaux pariéto-frontaux aux fonctions spécifiques. Il est ainsi impliqué dans la planification et le contrôle des mouvements de préhension visuo-guidés mais aussi dans le contrôle de l’attention spatiale. L’atteinte fonctionnelle du membre supérieur et la négligence spatiale sont deux conséquences fréquentes et invalidantes après un accident vasculaire cérébral (AVC). Dans ces deux situations, il est démontré que la connectivité cérébrale des réseaux pariéto-frontaux est modifiée au sein de l’hémisphère lésé, mais aussi vers et au sein de l’hémisphère non-lésé. Par ailleurs, ces modifications semblent impliquées dans la genèse et/ou les mécanismes de récupération de la négligence spatiale et de la déficience motrice. Cependant, la spécificité des modifications de connectivité du PPC controlésionnel reste partiellement méconnue, en particulier si on considère les régions fonctionnelles spécialisées qui y ont été identifiées chez le sujet sain. Ces dernières incluent notamment les parties antérieure et postérieure du sillon intra-pariétal (respectivement aIPS et pIPS) et le cortex pariéto-occipital supérieur (SPOC). Les objectifs de ce travail étaient (1) d’étudier les modifications de la connectivité intra- et inter-hémisphérique de ces trois zones chez des patients post-AVC comparativement à un groupe de sujets contrôles sains, (2) de déterminer les liens de la connectivité avec la sévérité des déficiences motrices et visuo-spatiales, et enfin (3) de juger de l’effet de la modulation du PPC sur ces dernières.Dans un premier temps, nous avons mesuré, au repos, la connectivité des réseaux pariétofrontaux au sein de l’hémisphère controlésionnel en utilisant une technique de stimulation magnétique transcrânienne à impulsion double (ppTMS). La deuxième étude s’est intéressée aux aspects fonctionnels (IRM fonctionnelle de repos) et structurels (mesure de la fraction d’anisotropie sur des séquences de diffusion) de la connectivité intra- et inter-hémisphérique du PPC controlésionnel. Nous avons enfin analysé l’effet de la modulation inhibitrice du PPC controlésionnel (rTMS en mode thetaburst continu (cTBS)) sur les paramètres du mouvement de pointage avec le membre supérieur parétique.La première étude a mis en évidence une hyperexcitabilité des connexions pariéto-frontales chez les patients négligents lorsque la stimulation conditionnante concernait le SPOC, ce d’autant plus que la négligence péripersonnelle était sévère. La connectivité aIPS-M1 n’était pas différente entre sujets hémiparétique et contrôles, et le degré de déficience motrice n’était pas lié aux données de connectivité. Le travail d’imagerie a montré que la connectivité fonctionnelle et structurelle du PPC controlésionnel était altérée chez les patients, au sein de l’hémisphère controlésionnel mais aussi vers l’hémisphère lésé, de manière différente selon les sites du PPC. Les données de connectivité fonctionnelle montraient des liens avec la sévérité de la négligence spatiale mais peu avec celle de la déficience motrice. Enfin, l’inhibition du PPC controlésionnel par un protocole de cTBS pourrait améliorer l’excitabilité de M1 du coté lésé et certains paramètres spatiaux et temporels du mouvement de pointage. Les patients post-AVC présentaient donc des modifications étendues de connectivité cérébrale du PPC controlésionnel, à la fois intra- et inter-hémisphériques. Alors que des liens entre connectivité et négligence ont été mis en évidence, il n’existait que peu de relation avec la déficience motrice, probablement parce qu’elle est déterminée par un nombre important d’autres facteurs. Enfin, ce travail ouvre de nouvelles pistes d’évolution des stratégies de modulation par les techniques de stimulation cérébrale non-invasives en post-AVC.The posterior parietal cortex (PPC) is a key structure for sensorimotor integration. It forms with the frontal areas to which it is connected the parieto-frontal networks that have specialized functions. It is involved in the planning and online control of visually-guided prehension but also in the control of spatial attention. Upper limb impairment and spatial neglect are two frequent and disabling consequences of stroke. In these two deficiencies, it has been shown that cerebral connectivity in the parieto-frontal networks is modified within the lesioned hemisphere, but also towards and within the non-lesioned hemisphere due to an imbalance in the interhemispheric influences between parietal areas. Furthermore, these modifications seem to be involved in the genesis and/or the recovery of spatial neglect and motor deficiency. However, the changes in connectivity remain partly unknown, especially if we consider the different PPC functional areas identified in healthy subjects in the PPC (anterior and posterior parts of the intraparietal sulcus (respectively aIPS and pIPS) and the superior parieto-occipital cortex (SPOC)). The aims of the present work were (1) to study the modifications of intra- and interhemispheric cerebral connectivity of these 3 PPC areas in post-stroke patients vs healthy controls, (2) determine the relationship between connectivity data and the severity of motor and visuo-spatial deficiencies, and (3) study the effect of a modulation of the PPC on these deficiencies.We first assessed the connectivity of parieto-frontal networks within the contralesional hemisphere using a paired-pulse transcranial magnetic stimulation protocol (ppTMS). In a second study, we addressed the functional (resting state fMRI) and structural (fractional anisotropy on diffusion weighted imagery) intra- and interhemispheric connectivity of the contralesional PPC. We finally study the effect of an inhibitory modulation of the contralesional PPC (continuous theta-burst stimulation (cTBS)) on reaching parameters with the paretic upper limb in stroke patients.In the first study, we demonstrated an hyperexcitability of parieto-frontal connections in neglect patients when the conditioning stimulus was applied over the SPOC, especially when peripersonal neglect was severe. Connectivity between the aIPS and M1 was not different between patients and healthy controls and the severity of motor deficiency was not associated with connectivity. The neuroimaging study revealed that functional and structural connectivity from the contralesional PPC was altered in stroke patients, within the contralesional hemisphere but also to the lesioned hemisphere, in different ways depending on the PPC site considered. Functional connectivity showed some relationships with neglect severity but almost not with motor deficiency. Finally, the inhibition of the contralesional PPC lead by a cTBS protocol may increase lesioned M1 excitability and some spatiotemporal parameters of pointing movements.In conclusion, post-stroke patients showed wide modifications of cerebral connectivity of the contralesional PPC, both within the contralesional and toward the lesioned hemisphere. Whereas we identified links between connectivity and neglect severity, relationships were poorer with motor deficiency, certainly since this last is determined by several other factors. Finally, this work puts light on new perspectives of modulation protocols using non-invasive brain stimulation in stroke patients