Intégration et topographie fonctionnelles : l'influence de la cécité précoce

L’organisation fonctionnelle du cerveau humain montre une similarité interindividuelle remarquable et robuste, suggérant que sa structure fonctionnelle est innée. Cependant, cette observation n’est pas sans équivoques, le cerveau est aussi plastique : son organisation peut être influencée par des évènements survenant tôt dans la vie. Parmi les plus marquants, on retrouve la perte de vision précoce ou congénitale. En effet, il a été démontré à plusieurs reprises que, chez les personnes non-voyantes, les régions habituellement dédiées à la vision (ex. : lobes occipitaux) se réorganisent afin d’analyser des stimuli auditifs et tactiles.   Les plus récentes études chez les non-voyants se sont intéressées à la relation entre la réorganisation des lobes occipitaux et les deux principes organisateurs fondamentaux du cerveau : la localisation fonctionnelle et l’intégration fonctionnelle. Le premier signifie que des fonctions spécifiques mobilisent des régions circonscrites du cerveau, tandis que le second signifie que les régions du cerveau communiquent entre elles afin de créer un tout cohérent. Toutefois, l’ampleur de l’effet de la cécité sur l’organisation du cerveau est encore inconnue. Premièrement, la topographie de modules possédant une fonction spécifique n’a encore jamais fait l’objet d’un examen direct, approfondi et holistique chez les non-voyants, et ce, malgré le fait qu’il s’agisse d’une caractéristique clef de la localisation fonctionnelle. En outre, les études examinant l’intégration fonctionnelle chez les non-voyants semblent en contradiction avec celles qui l’étudient de manière indirecte. Cette dépendance des résultats sur la méthode employée nécessite une étude approfondie des éléments influençant ces résultats afin que des conclusions appropriées puissent être tirées.  Ainsi, bien que la plasticité cérébrale chez les personnes non-voyantes fasse l’objet de plusieurs études, son influence sur l’organisation fonctionnelle du cerveau reste à approfondir et est sujette à débats. De ces faits, l’objectif principal de la présente thèse est d’examiner l’influence de la cécité précoce sur la topographie des modules fonctionnels ainsi que sur l’intégration fonctionnelle. Pour cela, trois expériences distinctes ont été conduites.   La première expérience a été élaborée afin de comparer la disposition spatiale des modules fonctionnels des voyants à celle des non-voyants. À cette fin, une méthode a été développée qui permettait d’examiner la question de manière holistique et sans biais à partir de données d’imagerie par résonance magnétique. Les résultats indiquent que seules les régions « visuelles » de bas niveau, les pôles occipitaux, sont sous-divisées de manière différente chez les personnes non-voyantes. À l’opposé, les régions de haut niveau maintiennent leur disposition spatiale. Ceci suggère que l’établissement de modules fonctionnels au sein du lobe occipital dépend à la fois d’entrées sensorielles visuelles, ainsi que du niveau hiérarchique de la région.   La seconde expérience de cette thèse visait à examiner certains facteurs qui pourraient causer les contradictions observées par les études sur l’intégration fonctionnelle chez les non-voyants. Les données d’une des méthodes employées pour mesurer l’intégration fonctionnelle, l’état de repos mesuré par imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ont été comparées à celles obtenues lorsque les participants se concentraient sur une tâche auditive. D’abord, les résultats démontrent une dépendance de l’intégration fonctionnelle sur l’état cognitif des participants, suggérant que les différences entre non-voyants et voyants observées jusqu’ici doivent être interprétées prudemment. De plus, et d’une importance inédite, les résultats démontrent que les pôles occipitaux possèdent des caractéristiques fonctionnelles différentes chez les non-voyants que chez les voyants. Ces caractéristiques suggèrent que les pôles sont impliqués dans un nombre plus important de réseaux chez les personnes non-voyantes.   La troisième expérience de cette thèse a été conçue pour faire suite aux résultats des deux premières. Spécifiquement, elle valide une méthode qui sera employée afin d’examiner des régions qui, selon les deux premières expériences de cette thèse, possédaient des caractéristiques fonctionnelles réorganisées chez les personnes non-voyantes : les pôles occipitaux. Cette méthode, développée afin de contrôler la difficulté d’une tâche de perception de voix humaines, s’est avérée valide. Ainsi, elle pourra être employée lors d’études futures afin de désambiguïser la fonction des pôles occipitaux chez les non-voyants.  De plus, les résultats de l’expérience révèlent plusieurs mécanismes d’action sous-jacents la perception de voix chez l’être humain. Globalement, les deux premières expériences constituant cette thèse mettent en évidence les caractéristiques fonctionnelles réorganisées au sein des pôles occipitaux chez les PNV, une région encore sous-étudiée chez cette population. La troisième étude présente une méthode permettant d’étudier ce phénomène. Les caractéristiques dévoilées par ces expériences pavent la voie vers de nouvelles hypothèses et études qui permettront d’approfondir notre conception du cerveau et de la plasticité cérébrale. The brain’s functional organization shows a remarkable similarity across individuals suggesting that its functional structure is innate. However, this observation is not unequivocal for the brain is also plastic; its organization is subject to changes following important early life experiences. Of such event, early or congenital vision-loss features among the most outstanding. Following blindness, cerebral regions usually involved with visual analysis (e.g. occipital lobes) are reorganized to process auditory, tactile, and olfactory stimuli, as well as higher order cognitive tasks such as memory and language.  Recent studies on blind individuals have focused on the relationship between the reorganization of the occipital lobes and the fundamental organizational principles of the brain: functional localization and integration. The first indicates that specific functions take place within circumscribed cerebral regions, whereas the second indicates that these regions communicate together. However, the extent to which blindness influences the brain’s organization is still unknown. First, the topography of modules possessing specific functions has yet to be the object of a direct, in depth, and holistic investigation in blind people. This is true even though module topography is a key characteristic of spatially localized functions. Moreover, studies investigating functional integration in blind individuals appear to contradict those which study integration indirectly. The dependence of results upon the method employed demands further investigation of the elements that might influence integration so that appropriate conclusions can be drawn.    Thus, even though blindness-induced brain plasticity has been the object of multiple studies, its influence upon cerebral organization is partly subject to debate, and must be further defined. Accordingly, the main objective of this thesis was to study the influence of early blindness upon the topography of functional modules and upon functional integration. In order to do so, three distinct experiments were carried.  The first experiment was conceived so as to compare the spatial topographies of functional modules across blind and sighted participants. To this end, a holistic and bias-free method, which made use of resting-state functional magnetic resonance imagery, was developed. Results indicate that only blind people’s occipital poles possess modules which were topographically different from those found in sighted individuals whereas higher level “visual” areas do not show this effect. This suggests that the formation of functional modules within the “visual” cortices depends on both sensory inputs as well as the hierarchical level of a region.   The second experiment of this thesis examined factors which might cause the contradictions observed by studies on blind people’s functional integration. Data obtained from a method devised to measure functional integration, resting-state functional magnetic resonance imagery, were compared to those obtained while participant focused on auditory stimuli. Results are twofold. First, results showed that group differences in functional integration vary as a function of the participant’s cognitive states, suggesting that differences in functional integration observed using resting-state fMRI should be interpreted with caution. Second, our results reveal novel findings pertaining to the occipital poles of blind people; these regions showed strikingly different characteristic following early visual loss which are suggestive of their role in a multitude of networks.   The third experiment of this thesis was designed following the first two. Specifically, it validates a method to examine the functions of blind people’s occipital poles, a region which had been shown to possess reorganized functional characteristics by the first two experiments of this thesis. A new methodology was designed to control the difficulty of a voice discrimination task, showing its validity. Thus, it will be possible to use it in future studies to investigate the function of the occipital lobes in blind people. Furthermore, results from the experiment revealed multiple mechanisms which might underlie voice perception in humans.   Overall, the experiments forming this thesis evidence a reorganisation of the occipital poles’ functional characteristics in early-blind individuals. Additionally, they provide methods needed to investigate the functions of this understudied region. Most importantly, the observation that blind people’s occipital poles show modified functional characteristics paves the way to new hypotheses and studies which will allow to further investigate and deepen our understanding of the human brain and its plasticity.

Keyphrases: Cécité précoce, plasticité cérébrale, connectivité fonctionnelle, topographie fonctionnelle, imagerie cérébrale, Early blindness, cerebral plasticity, functional connectivity, functional topography, functional imaging