CROSS-MODAL NEUROPLASTICITY : Auditory spatial recalibration following visuo-motor adaptation

“I think I heard a child screaming in this room full of smoke! Or, maybe, could it be a piece of metal that fell on the ground? No, I heard it again. I am sure now. It is a child and it comes from 20 meters ahead, slightly on the left. Call for backup I will enter first! ” Mapping the auditory space requires paying attention to several auditory cues as the ones illustrated in the example above: identity, location and direction of sounds. In the absence of visual information, it will be even more important to rely on these cues to be able to navigate properly. The visual input can be reduced following visual loss or decrease of conscious visual perception, a condition called unilateral spatial neglect; or in particular conditions such as in the example above, when firefighters have to rescue a child from a house full of smoke. When the visual input is reduced, the other sensory modalities will have to adjust their responses in order to maintain an adaptative behavior. The neuroplasticity induced by the modulation of a sensory modality on another sensory modality is referred as cross-modal plasticity. This thesis is composed of two major parts and includes five studies. The first part, involving two studies, is dedicated to the investigation of the neural substrates of sound lateralization and auditory neglect in patients with brain lesions. The second part, involving three studies, is dedicated to the investigation of cross-modal plasticity and focuses on prism adaptation. Two studies investigated auditory spatial deficits using an anatomo-clinical imaging approach on patients with a first unilateral stroke. Results showed that contralateral auditory extinction was associated with similar temporo-parieto-frontal regions on either hemisphere; that ipsilateral auditory extinction in patients with left hemispheric damage was associated with lesions involving intrahemispheric white matter connections; and that auditory sound segregation deficits linked to the inability to correctly use implicit spatial cues were predominantly induced by lesions including a large left temporo-parietal network. Three studies investigated the plasticity in sound localization induced by prism adaptation, a visuo-motor training used in the rehabilitation of neglect deficits. Two of them focused on the neural correlates modulated by prism adaptation during visual and auditory detection tasks. The last study investigated the effect of this adaptation on the alleviation of auditory spatial deficits occurring after a brain lesion. The results of these studies showed that the inferior parietal lobule is similarly modulated by the adaptation during a visual or auditory task, suggesting a supramodal role of this region. Moreover, the results of these studies allowed specifying for which patients this adaptation is efficient to alleviate auditory spatial deficits. Overall, these studies contributed to a better understanding of the nature of auditory spatial deficits in patients with brain damages. They showed the intrinsic ability of the healthy and damaged adult brain to adapt and improve. These findings illustrate how we can use the visual modality to help recover auditory spatial deficits. These results could potentially allow the development of new neurorehabilitation strategies. -- “Je crois que j’ai entendu un cri d’enfant provenant de cette piece pleine de fumee! Ou bien etait-ce un objet en metal tombe sur le sol? Non, je l’ai entendu a nouveau. J’en suis sur maintenant. C’est un enfant et ca vient de 20 metres devant, legerement sur la gauche. Appelle du renfort, je rentre en premier. ” Pour se representer l’espace auditif, il faut tenir compte de nombreux indices tels que ceux illustres dans l’exemple precedent : l’identite d’un son, sa localisation dans l’espace et son mouvement. En l’absence d’information visuelle, ces indices sont encore plus importants pour pouvoir s’orienter correctement. L’information visuelle peut se retrouver reduite pour plusieurs raisons : suite a une perte de la capacite visuelle, suite a une diminution de la conscience de l’espace visuel liee a un syndrome que l’on nomme heminegligence, ou dans des conditions particulieres comme celle de l’exemple cite au debut : lorsque des sapeurs-pompiers doivent sauver un enfant pris au piege dans une maison pleine de fumee. Lorsque l’information visuelle est reduite, les autres modalites sensorielles doivent s’ajuster afin que l’individu puisse conserver un comportement adaptatif. Cette neuroplasticite induite par la modulation d’un sens en reponse a un autre sens, s’appelle plasticite cross-modale. Cette these s’articule autour de deux axes principaux et inclut cinq etudes. Le premier axe est dedie a l’etude des correlats anatomiques des deficits spatiaux auditifs et comporte deux etudes focalisees sur les deficits spatiaux auditifs de patients cerebroleses. Le deuxieme axe est dedie a l’etude de la plasticite cross-modale et comporte trois etudes focalisant sur l’adaptation prismatique. Les deux premieres recherches ont permis d’etudier les deficits spatiaux auditifs en utilisant une methode d’analyse permettant les correlations anatomo-cliniques. Les resultats ont demontre que l’extinction auditive contralaterale est provoquee par des lesions dans des regions temporo-fronto- parietales similaires de chaque hemisphere ; que l’extinction auditive ipsilaterale a la suite de lesions impliquant l’hemisphere gauche pouvait etre liee a des deconnections calleuses intra-hemispheriques ; et que les deficits de segregation lies a l’incapacite d’utiliser les indices spatiaux implicites etaient provoques principalement par des lesions situees au sein d’un large reseau temporo-parietal dans l’hemisphere gauche. Les trois etudes suivantes ont permis d’etudier la plasticite induite par l’adaptation prismatique, un protocole de rehabilitation utilise pour diminuer les deficits spatiaux des patients heminegligents. Ces etudes ont permis de confirmer le role supramodal du lobule parietal inferieur, qui est module de facon similaire par l’adaptation dans chacune des modalites sensorielles (vision, audition); et de preciser pour quels patients cette adaptation est utile pour diminuer les deficits spatiaux auditifs. En resume, ces etudes ont contribue a une meilleure comprehension de la nature des deficits spatiaux auditifs que les patients peuvent presenter suite a une lesion cerebrale. Elles ont egalement permis de devoiler la capacite du cerveau adulte sain ou cerebrolese a s’adapter et ont aussi demontre que l’on peut utiliser la vision pour aider la rehabilitation des deficits spatiaux auditifs. Ces resultats pourraient potentiellement permettre le developpement de nouvelles strategies therapeutiques en neurorehabilitation.