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La dynamique de notre activité cérébrale détermine notre état de conscience

Publié le Communiqués de presse

Une étude dirigée par Jacobo Sitt dans l’équipe du Pr Lionel Naccache, responsable de l’équipe « PICNIC Lab » à l’Institut du cerveau et de la moelle épinière –AP-HP/CNRS/Inserm/Sorbonne Université-, chef du département de neurophysiologie clinique de l’hôpital de la Pitié-Salpêtrière AP-HP et professeur de physiologie à Sorbonne Université, montre que l’organisation temporelle de l’activité cérébrale détermine l’état de conscience.

Ces résultats, publiés dans la prestigieuse revue Science Advances, représentent une avancée importante dans la compréhension des différents états de conscience ou d’inconscience rencontrés chez des patients non-communicants, et pourraient guider des avancées thérapeutiques originales fondées sur une stimulation des patients asservie à l’analyse en temps réel de ces fluctuations d’activité cérébrale.

La conscience est un phénomène psychologique qui nous est très familier. Nous la perdons et la regagnons chaque jour, entre le moment où nous nous endormons et celui où nous nous réveillons, ou encore lors d’une anesthésie générale. Des pertes de conscience plus permanentes peuvent subvenir après un traumatisme cérébral, conduisant à un état dans lequel les patients peuvent ouvrir les yeux mais sont incapables de communiquer et ne montrent aucun signe de perception du monde extérieur.

En collaboration avec un groupe d’experts internationaux, financé par la prestigieuse fondation James S. McDonnell, Jacobo Sitt et ses collaborateurs ont découvert le lien qui existe entre d’une part la dynamique de la communication entre les régions cérébrales, et d’autre part le niveau de conscience.

Pour cela, ils ont conduit une étude multicentrique incluant des données de 159 patients atteints de lésions cérébrales sévères et des sujets sains, issus de quatre centres cliniques internationaux experts dans le traitement des patients avec des troubles de la conscience, à l’hôpital de la Pitié-Salpêtrière-APHP à Paris, à Liège (CHU Liège), à New-York (Weill Cornell Medical College) et à Londres en Ontario (Canada, University of Western Ontario).

Les équipes ont analysé par IRM fonctionnelle l’activité cérébrale de patients dans des états végétatifs ou de conscience minimale, avec ou sans anesthésie. En comparant les variations des signaux dans certaines régions du cerveau, ils ont pu mettre en évidence des signatures spécifiques et généralisables des états de conscience et de non-conscience.

Dans un premier temps, les auteurs ont analysé les données de Paris, Liège et New-York pour extraire des signatures d’activation cérébrales communes et étudier comment ces signaux fonctionnels sont liés aux structures anatomiques, les faisceaux de fibres nerveuses qui connectent les différentes régions du cerveau.

« Nous avons trouvé un signal complexe, au cours duquel la connectivité fonctionnelle était significativement différente de la connectivité structurelle. Ce motif était plus présent chez les sujets conscients et quasi-inexistant chez les patients non-conscients. D’autre part, nous avons mis en évidence un signal de coordination fonctionnelle plus simple, très similaire à la connectivité anatomique, et plus fréquent chez les patients non-conscients. De plus, nos résultats sont robustes et stables dans nos trois centres. » déclare le Dr. Athena Demertzi (FNRS Research Associate, GIGA Institute-ULiège, Belgium), co-première auteure de l’étude.

La seconde étape de ce travail était d’évacuer tous les biais potentiels, comme les différences anatomiques ou comportementales entre les patients conscients et non conscients. Pour cela, les équipes se sont appuyées sur des données de patients scannés sous anesthésie. « Nous avions une hypothèse de travail : si nos premiers résultats sont liés à la conscience, alors toutes les différences entre les patients conscients et non-conscients devraient disparaître avec l’anesthésie. Si les différences ne reflètent que l’anatomie sous-jacente, la prévalence des différentes signatures cérébrales que nous avions mises en évidence devrait être maintenue. » explique le Dr. Enzo Tagliazucchi, chercheur à l’ICM, co-premier auteur de l’étude. Toutes les différences entre les sujets ont effectivement disparu suite à l’anesthésie, confirmant que les différences anatomiques ne déterminent pas les signatures d’activité cérébrale identifiées grâce à l’IRM fonctionnelle.

L’état de conscience des patients est le plus souvent établi par leur comportement, leur mouvement et leurs réactions à des stimuli extérieurs. A partir de ces signes cliniques, les patients sont diagnostiqués comme conscients, en état de conscience minimale ou dans un état végétatif. Pour écarter l’effet des différences comportementales dans les signaux de connectivité fonctionnelle, les chercheurs ont utilisé les données acquises au Canada, où l’évaluation des patients inclut une tâche active lors du scanner, pouvant prendre la forme de demandes faites aux patients, de tâches d’imagination.

Des études des dix dernières années ont montré que certains patients, bien que leur comportement les classe dans un état végétatif, réagissent néanmoins à ces tâches, soutenus par une activation cérébrale correspondante. Ils ne peuvent alors plus être considérés comme non-conscients. Ici les auteurs ont utilisé les signatures d’activation extraites de Paris, Liège et New-York et les généralisent au jeu de données du Canada, parvenant ainsi à distinguer les patients végétatifs selon l’examen comportemental, mais qui parviennent tout de même à effectuer la tâche dans le scanner de ceux qui n’ont pas pu. Ce dernier résultat révèle que cette technique identifie des signatures cérébrales spécifiques de la conscience, quelle que soient les différences potentielles de comportement ou anatomiques entre les patients.

« Dans l’ensemble, nous montrons que la technique utilisée pour analyser les signatures cérébrales est spécifique de la conscience et pas de l’anatomie du cerveau ou du comportement. Notre étude ouvre la voie à la détection de ces fenêtres de haute capacité de conscience ou de perméabilité à la conscience. La prochaine étape est d’identifier ces états et essayer d’établir une voie de communication avec les patients lorsqu’ils sont le plus réceptif au monde extérieur. » conclut le Dr. Jacobo Sitt, responsable de l’étude.

Sources :

Human consciousness is supported by dynamic complex patterns of brain signal coordination

A. Demertzi1,2,3,*,†, E. Tagliazucchi3,4,*,†, S. Dehaene5,6, G. Deco7,8, P. Barttfeld9,‡, F. Raimondo1,2,3,10,11,12, C. Martial1, D. Fernández-Espejo13,14,15, B. Rohaut2,3,16, H. U. Voss17, N. D. Schiff18, A. M. Owen15, S. Laureys1, L. Naccache2,3 and J. D. Sitt2,3,*

Science Advances; 06 Feb 2019: Vol. 5, no. 2, eaat7603

DOI: 10.1126/sciadv.aat7603

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