The functional architecture of the human brain at rest across the lifespan: new insights from neuromagnetic imaging and tools for lifespan compliance

Le cerveau humain réunit différentes zones fonctionnelles spatialement distinctes qui sous-tendent différents processus du fonctionnement humain. Grâce aux techniques de neuro-imagerie contemporaines, les neuroscientifiques ont réussi à caractériser le(s) rôle(s) fonctionnel(s) des différentes structures cérébrales, ainsi que leurs modes de communication fonctionnelle, ces dernières jouant un rôle prépondérant dans les fonctions motrices, sensorielles et cognitives chez l'homme. Récemment, il a été démontré que ces réseaux fonctionnels sont également présents "au repos", c’est-à-dire en l’absence de tâche explicite ou dirigée vers un but. L’âge, comme bon nombres d’autres facteurs, impacte ces réseaux de l’état de repos. Cependant, l’étude de l’impact de l’âge sur ces réseaux fonctionnels au repos a été réalisée en grande partie par des techniques de neuro-imagerie qui ne sont pas totalement adéquates pour cette problématique. Dans cette thèse, nous nous sommes d’abord intéressés à l’effet de l’âge sur l’organisation fonctionnelle au repos par le biais de la magnétoencéphalographie (MEG) comme technique d’imagerie fonctionnelle. La MEG enregistre les champs magnétiques issus de l’activité neuronale et permet donc d’accéder à un enregistrement direct de celle-ci. Qui plus est, la MEG offre une excellente résolution temporelle ce qui offre la possibilité d’investiguer l’activité électrophysiologique rapide qui sous-tend l’organisation fonctionnelle au repos. Dans notre première étude, nous avons comparé la connectivité fonctionnelle statique (i.e. sur plusieurs minutes) et dynamique (i.e. plusieurs secondes) entre des adultes sains et des personnes âgées issues du vieillissement normal (i.e. ne montrant pas d’atteintes cognitives). Nous avons démontré que la connectivité fonctionnelle était maintenue avec l’âge. Cette étude a ensuite été élargie aux enfants issus de la moyenne enfance. Dans cette deuxième étude, les processus dynamiques ont été étudiés via une technique d’analyse récente reposant sur le principe des chaînes de Markov cachées (“Hidden Markov Model” or HMM). Cette étude a démontré que le passage de l’enfance à l’âge adulte était marqué par une plus grande stabilité temporelle de l’activité cérébrale au sein de plusieurs régions jouant un rôle fondamental pour des processus cognitifs de haut niveau. Dans un second temps, cette thèse visait à développer de nouveaux outils pour l’étude de la modulation de l’architecture fonctionnelle cérébrale avec l’âge, en particulier pour l’enfance. Dans cette optique, nous avons appliqué et comparé les techniques d’analyse développées en MEG à l’électro-encéphalographie (EEG). A l'instar de la MEG, l’EEG enregistre l’activité neuronale de manière directe. Néanmoins, les électrodes de l’EEG sont directement collées au scalp du participant alors que les senseurs de la MEG se situent à quelques centimètres au-dessus de celle-ci, et peuvent induire une perte dans la qualité signal. Notre troisième étude avait pour objectif de comparer la connectivité statique et dynamique en MEG et en EEG. Nous avons démontré qu’au niveau statique, les deux techniques menaient aux cartes d’architecture fonctionnelle cérébrale, alors qu’au niveau dynamique, les deux techniques montrent des organisations fonctionnelles distinctes. Ces discordances dynamiques entre l’EEG et la MEG ont été étudiées de manière plus approfondie dans une dernière étude sur base de deux autres techniques d’analyse :l’analyse en “microstates” et l’analyse en HMM. Cette étude a permis de confirmer les discordances qui apparaissent entre la MEG et l’EEG sur des échelles inférieures à la seconde, et elle a également permis de discuter des différences entre les deux techniques d’analyse.Dans son ensemble, notre thèse a permis d’apporter de nouveaux éclairages de l’impact de l’âge sur l’architecture fonctionnelle du cerveau humain. Par rapport à la littérature en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ces nouveaux éclairages sont principalement expliqués par la propriété de la MEG à enregistrer l’activité neuronale de manière directe, mais aussi par la sélection méticuleuse des personnes âgées issues du vieillissement normal. Dans un second temps, nous avons démontré et expliqué pourquoi la MEG et l’EEG retrouvent chacun leur sensibilité respective à leurs différents générateurs cérébraux sur des échelles temporelles plus courtes.En guise de perspectives, notre thèse ouvre de nouvelles possibilités pour l’investigation, en MEG et en EEG, de l’organisation fonctionnelle dans le vieillissement pathologique, ainsi que pour le développement typique et atypique chez l’enfant.Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine)