Introduction aux neurosciences cognitives Neuropsychologie et neuroimagerie fonctionnelle

1. Introduction aux neurosciences cognitivesNeuropsychologie et neuroimageriefonctionnelle Frédéric BERNARD www.fredericbernard.com Département d’Etudes Cognitives Ecole Normale Supérieure

2. Plan du cours • Introduction • Méthode anatomo-clinique classique 3. Techniques de neuroimagerie fonctionnelle : principe 4. Exemples d’applications : - mémoire et vieillissement - cognition sociale - neuroéconomie 5. Stimulation magnétique transcrânienne (TMS) 6. Conclusion et perspectives

3. Plan du cours • Introduction • Méthode anatomo-clinique classique 3. Techniques de neuroimagerie fonctionnelle : principe 4. Exemples d’applications : - mémoire et vieillissement - cognition sociale - neuroéconomie 5. Stimulation magnétique transcrânienne (TMS) 6. Conclusion et perspectives

4. Neurosciences cognitives • Approche interdisciplinaire : psychologues cognitivistes, neuropsychologues, neuroimageurs, neurobiologistes, linguistes, neurologues, informaticiens. • Intégration des données de ces disciplines permettant l’étude des bases cérébrales des fonctions cognitives (langage, mémoire, perception, raisonnement, etc.). • Michael Gazzaniga et George Miller, fin des années 70 : « comment le cerveau fait jaillir l’esprit »

5. Plan du cours • Introduction • Méthode anatomo-clinique classique 3. Techniques de neuroimagerie fonctionnelle : principe 4. Exemples d’applications : - mémoire et vieillissement - cognition sociale - neuroéconomie 5. Stimulation magnétique transcrânienne (TMS) 6. Conclusion et perspectives

6. Neuropsychologie • Relations cerveau-comportement Franz Joseph Gall (1758-1828) Phrénologie

7. Méthode anatomo-clinique Lésion cérébrale → perturbation comportementale Papyrus Edwin Smith 1862 Fracture partie temporale du crâne → patient ne peut pas parler Première description d’aphasie

8. Leborgne Paul Broca (1824-1880) Dronckers et al. (2007)

9. Phineas Gage Antonio R. Damasio L’erreur de Descartes Editions Odile Jacob

10. H.M. Brenda Milner Scoville et Milner, 1957 Corkin et al. 1997

11. Limites de la méthode anatomo-clinique • Lésions ne concernent rarement qu’une seule région • Variabilité interindividuelle importante : études de groupes difficiles • Influence directe ou indirecte sur d’autres régions (diaschisis) • Plasticité et processus de réorganisation • Difficile d’appréhender à partir de tests neuropsychologiques classiques la dynamique des processus cognitifs

12. Plan du cours • Introduction • Méthode anatomo-clinique classique 3. Techniques de neuroimagerie fonctionnelle : principe 4.Exemples d’applications : - mémoire et vieillissement - cognition sociale - neuroéconomie 5. Stimulation magnétique transcrânienne (TMS) 6. Conclusion et perspectives

13. Principe des études de neuroimagerie fonctionnelle Activité cognitive  Modification activité neurale  Réponse hémodynamique   DSCOxygène   TEPIRMf

15. Aspects pratiques de l’IRM fonctionnelle 1. Sélection des volontaires - claustrophobie - pas d’objet métallique dans le corps - pas de maladie neurologique ou psychiatrique - pas de psychotrope - droitiers 2. Contraintes liées à la machine - bruit - confinement

16. Stimulations • Visuelle : image, vidéo sur écran via miroir • Auditive : sons délivrés par écouteurs Réponses - Motrice : boîtier de réponse, joystick, souris, poursuite oculaire => précision, temps réponse

17. Paradigmes en IRM fonctionnelle 1. Blocked-design 2. Event-related (événementiel)

18. Pré-traitement Correction des mouvementsNormalisation spatiale

19. Méthodes d’analyse des données 1. Méthode des contrastes Référence Cible Activations Comparaisons entre les valeurs d’activité obtenues lors d’une tâche cible et celles obtenues lors d’une tâche de référence  Régions impliquées dans la réalisation de la tâche

20. 2. Méthode paramétrique • Variation de l’activité en fonction de la difficulté/complexité d’une tâche. • 3. Méthode des corrélations • Régions dont l’activité est significativement corrélée (positivement ou négativement) à une performance cognitive. • Connectivité fonctionnelle • Quantification des interactions fonctionnelles entre régions cérébrales.

21. Apports : • Régions cérébrales mobilisées par des sujets sains • Approche scientifique (contrôle des variables, reproductibilité des résultats) • Comparaisons statistiques entre groupes de sujets • Meilleure connaissance du fonctionnement cognitif • Confrontation avec les données de la pathologie, de la psychologie cognitive, de l’intelligence artificielle • Etude de patients (processus compensatoires)

22. Limites : • Faible résolution temporelle → couplage avec EEG/MEG • Epreuves et environnement peu écologiques

23. Plan du cours • Introduction • Méthode anatomo-clinique classique 3. Techniques de neuroimagerie fonctionnelle : principe 4. Exemples d’applications : - mémoire et vieillissement - cognition sociale - neuroéconomie 5. Stimulation magnétique transcrânienne (TMS) 6. Conclusion et perspectives

24. Mémoire épisodique/mémoire sémantique (Tulving, 1972) • Mémoire sémantique : connaissances générales sur le monde (vocabulaire, faits, etc.) sans référence à un contexte spécifique • Mémoire épisodique : système qui permet de traiter l’information personnellement vécue selon son contexte spatio-temporel • Evaluation ME • Processus : • - encodage • - récupération : rappel libre, rappel indicé, reconnaissance • Matériel : • - verbal/non-verbal • Traitement : • - intentionnel/incident • - superficiel/profond (Craik et Lockhart, 1972)

25. Neuroimagerie fonctionnelle de la mémoire épisodique • Régions frontales • - modèle HERA (Hemispheric Encoding/Retrieval Assymetry ; Tulving et al., 1994) • - sites « REMO » (Retrieval Mode ; Lepage et al., 2000)

26. Neuroimagerie fonctionnelle de la mémoire épisodique • Régions frontales • - modèle HERA (Hemispheric Encoding/Retrieval Assymetry ; Tulving et al., 1994) • - sites « REMO » (Retrieval Mode ; Lepage et al., 2000)

27. Neuroimagerie fonctionnelle de la mémoire épisodique • Régions frontales • - modèle HERA (Hemispheric Encoding/Retrieval Assymetry ; Tulving et al., 1994) • - sites « REMO » (Retrieval Mode ; Lepage et al., 2000)

28. Neuroimagerie fonctionnelle de la mémoire épisodique • Régions frontales • - modèle HERA (Hemispheric Encoding/Retrieval Assymetry ; Tulving et al., 1994) • - sites « REMO » (Retrieval Mode ; Lepage et al., 2000)

29. Neuroimagerie fonctionnelle de la mémoire épisodique • Région temporale interne • modèle HIPER (Lepage et al. Hippocampus, 1998)

30. Vieillissement cérébral Courchesne et al. Radiology (2000)

31. Good et al. NeuroImage. (2001) Corona radiata Région temporale interne Gyri pré- et post-central

32. Vieillissement et mémoire épisodique Déclin lié à l’âge des performances en mémoire épisodique Encodage: Déficit de traitement Déficit de production Récupération : Rappel libre > Rappel indicé > Reconnaissance Processus contrôlés Facteurs généraux Ressources attentionnelles Mémoire de travail Vitesse de traitement Inhibition

33. Neuroimagerie fonctionnelle de la ME dans le vieillissement Encodage : - tâches et comparaisons

34. Neuroimagerie fonctionnelle de la ME dans le vieillissement Encodage : - tâches et comparaisons • Grady et al. Cerebral Cortex (1999) • Incident superficiel (majuscules/minuscules) • Incident profond (vivant/non-vivant) • Intentionnel

35. Neuroimagerie fonctionnelle de la ME dans le vieillissement Encodage : - tâches et comparaisons • Madden et al. Human Brain Mapping (1999) • Intentionnel profond (vivant/non-vivant) • Incident superficiel (majuscules/minuscules)

36. Neuroimagerie fonctionnelle de la ME dans le vieillissement Encodage : - tâches et comparaisons • Logan et al. Neuron (2002) • Intentionnel • Incident profond • Incident superficiel • Fixation Fixation

37. Neuroimagerie fonctionnelle de la ME dans le vieillissement • Encodage : - tâches et comparaisons • - ordre de présentation des épreuves •  Encodage intentionnel après épreuve de référence • Récupération : - intérêt de l’utilisation du rappel indicé • Complémentarité des méthodes (Tulving et al., 1999) • Soustractions : régions « impliquées » • Corrélations : régions associées à la performance

38. Neuroimagerie de la mémoire épisodique dans le vieillissement Méthode soustractive  Encodage intentionnel  Rappel indicé Méthode des corrélations entre le niveau d’activité associé à l’encodage intentionnel et les performances en rappel indicé  régions cérébrales dont le niveau d’activité prédit le succès de la récupération

39. Sujets

40. Epreuves

41. Résultats comportementaux * *p<0.005

42. ENCODAGE - LECTURE (Jeunes + Agés) p<0,05, FDR corrigé des comparaisons multiples ENCODAGE - LECTURE (Jeunes vs Agés) p<0,05, FDR corrigé des comparaisons multiples PAS DE DIFFERENCE SIGNIFICATIVE

43. RAPPEL INDICE – COMPLETEMENT (Jeunes + Agés) p<0,05, FDR corrigé des comparaisons multiples RAPPEL INDICE – COMPLETEMENT (Jeunes vs Agés) p<0,05, FDR corrigé des comparaisons multiples PAS DE DIFFERENCE SIGNIFICATIVE

44. Cabeza et al. NeuroImage (2002) Modèle HAROLD (Hemispheric Asymetry Reduction in Old adults)

45. Corrélations DSC Encodage / Perf Rappel indicé Cortex périrhinal Jeunes = Agés

46. Corrélations DSC Encodage / Perf Rappel indicé Cortex périrhinal Jeunes = Agés Hippocampe Agés = Jeunes

47. Corrélations DSC Encodage / Perf Rappel indicé Cortex périrhinal Jeunes = Agés Hippocampe Jeunes = Agés Gyrus frontal inférieur Agés > Jeunes

48. Résumé Le déclin, lié à l’âge, des performances en rappel indicé est du à une combinaison : • Déficit subtil d’encodage associé à un pattern de corrélations plus étendu • Réseau de récupération moins efficace ; absence de réorganisation fonctionnelle compensatoire