Un cadre pour la cartographie focale et connectomique de la fonction cérébrale perturbée de manière transitoire

Biologie des communications volume 6, Numéro d'article : 430 (2023) Citer cet article

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La nature distribuée du substrat neuronal et la difficulté d’établir la nécessité à partir de données corrélatives se combinent pour rendre la cartographie des fonctions cérébrales une tâche bien plus difficile qu’il n’y paraît. Des méthodes capables de combiner des informations anatomiques conjonctives avec une perturbation focale de la fonction sont nécessaires pour lever l'ambiguïté de la dépendance neuronale locale de la dépendance neuronale globale, et critique d'une activité simplement fortuite. Nous présentons ici un cadre complet d’inférence spatiale focale et conjonctive basé sur des données perturbatrices clairsemées et démontrons son application dans le contexte de la stimulation électrique directe transitoire de la paroi frontale médiale humaine lors de l’évaluation pré-chirurgicale de patients atteints d’épilepsie focale. Notre cadre formalise l'inférence univariée de masse par voxel sur des données peu échantillonnées dans le cadre de cartographie paramétrique statistique, englobant l'analyse de cartes distribuées définies par n'importe quel critère de connectivité. Appliquée à la paroi frontale médiale, cette approche de dysconnectome transitoire révèle des divergences marquées entre les associations locales et distribuées de grandes catégories de comportement moteur et sensoriel, révélant une différenciation par connectivité à distance sur laquelle l'analyse purement locale est aveugle. Notre cadre permet une cartographie perturbatrice du cerveau humain basée sur des données peu échantillonnées avec des hypothèses spatiales minimales, une bonne efficacité statistique, une formulation de modèle flexible et une comparaison explicite des effets locaux et distribués.

Trois décennies après le début de la révolution de la cartographie du cerveau humain inaugurée par l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRM), de vastes pans du paysage neuronal restent plongés dans l’obscurité. Deux aspects cardinaux de la tâche sont de plus en plus reconnus comme inhibant le progrès : la nature distribuée et connective du substrat neuronal1,2 et la difficulté d'établir la nécessité à partir de données principalement corrélatives3,4. Chaque aspect à lui seul présente de formidables difficultés : caractériser des substrats distribués nécessite une modélisation explicite d'interactions à distance, impossible à résoudre sans données à grande échelle et sans modèles mathématiques fragilisés par leur complexité ; établir la nécessité nécessite des preuves perturbatrices généralement obtenues naturellement, à travers les conséquences comportementales de lésions pathologiques focales incontrôlées confondues par leurs caractéristiques fortuites et hétérogènes distribuées5,6. Combinées, ces difficultés sont réciproquement amplifiées : des données d'une ampleur et d'une qualité suffisantes pour étayer des modèles complexes sont particulièrement difficiles à acquérir dans le domaine clinique, et les modèles distribués de dommages pathologiques s'entremêlent avec les modèles sous-jacents distribués de manière comparable de dépendance neuronale (à de rares exceptions près7). . Pourtant, ce sont précisément les substrats distribués qui ont le plus besoin de preuves perturbatrices, car la pluralité des supports neuronaux rend les inférences à partir de données corrélatives d’autant plus difficiles.

L'innovation méthodologique à l'intersection de la cartographie connective et perturbatrice de la fonction cérébrale est donc nécessaire de toute urgence, en accordant une attention particulière non seulement aux aspects pratiques de la mise à l'échelle des techniques actuelles, mais également à la diminution du besoin de volumes de données qui seront toujours difficiles à atteindre. Ici, nous élaborons conceptuellement, mettons en œuvre techniquement et démontrons empiriquement une approche simple et fondée sur des principes de cartographie connective perturbatrice de la fonction cérébrale humaine dans le contexte clinique de la stimulation électrique corticale directe (DCS).

Théoriquement, l’approche idéale consiste à enregistrer les conséquences fonctionnelles d’une perturbation transitoire appliquée à des locus uniques, individuellement et en combinaison, dans l’ensemble du cerveau. Le DCS, couramment utilisé comme outil clinique de localisation chez les patients subissant une évaluation pour une chirurgie résective de lésions (généralement épileptogènes), se rapproche sans doute plus de cet idéal que tout autre outil disponible. Une perturbation focale et transitoire peut ainsi être obtenue, permettant un examen causal plus robuste de la relation entre un substrat neuronal bien défini et un résultat comportemental observé ou rapporté8. Bien que les impératifs cliniques limitent inévitablement le choix des emplacements et la densité d’échantillonnage, la capacité d’évaluer plusieurs locus chez chaque patient, de manière dynamique, produit des volumes de données informatives plus élevés que ne le suggère le simple nombre de patients interrogés. L'approche a déjà été largement utilisée pour dériver des cartes de dépendance fonctionnelle9 en milieu chirurgical10,11, y compris la connectivité12, mais en dehors d'un cadre formel qui permet de quantifier de manière robuste les effets focaux et conjonctifs sans dépendre de régions d'intérêt prédéfinies.