Neuroimagerie de la spécialisation hémisphérique

Quelles relations avec le fonctionnement cognitif ?

La spécialisation hémisphérique (SH) est la relation entre une fonction cognitive et un ensemble de structures cérébrales d’un hémisphère donné. Il comprend à la fois l’hébergement de réseaux spécialisés qui ont des propriétés fonctionnelles uniques et les mécanismes qui permettent la coordination inter-hémisphérique nécessaire à un traitement cognitif efficace. Les connaissances acquises grâce aux observations de patients porteurs de lésions cérébrales depuis celle de Broca en 1860 ont montré que la particularité de la SH de l’Homme est qu’elle est peu variable : chez plus de 90% des êtres humains le langage est piloté par l’hémisphère gauche et l’attention visuo-spatiale par l’hémisphère droit par exemple. Les études de personnes souffrant de maladies développementale à l’origine d’anomalies du langage comme les dysphasies ou les dyslexies ont montré que ces sujets étaient moins asymétriques au niveau cérébral. C’est également le cas dans certaines psychoses comme la schizophrénie. Mais l’origine et les facteurs reste mal connu en partie du fait de sa faible variabilité.

Comment l’organisation cérébrale hémisphérique des fonctions cognitives se met-elle en place ? D’où vient que certaines personnes abritent de façon atypique le langage dans leur hémisphère droit ? La latéralisation hémisphérique est-elle nécessaire à un fonctionnement cérébral et cognitif optimal ? Si oui pour quelles fonctions ? Les sujets atypiques le sont-ils pour une fonction donnée ou bien leur organisation est-elle différente pour les différents réseaux latéralisés ? Les asymétries anatomiques sont-elles des marqueurs des asymétries fonctionnelles ? Peut-on déterminer de manière non-invasive la latéralisation pour le langage d’un individu ? Les individus atypiques ont-ils des particularités génétiques qui expliquent leur changement de latéralisation ?

Pour répondre à ces questions nous combinons la neuroimagerie anatomique, fonctionnelle, les mesures de connectivité, les données comportementales, le génotypage et le databasing.

Pour mettre en relation la variabilité de la latéralisation cérébrale des réseaux cognitifs, les données démographiques comme l’âge et le sexe, les différences comportementales comme la préférence manuelle, ou les compétences cognitives dans les domaines verbaux, attentionnels et numériques, nous avons acquis une base de données dédiée à l’étude de la SH : la BIL&GIN.

La BIL&GIN a été conçue pour permettre de répondre à la question des règles d’organisation de la SH en augmentant la variabilité grâce à la définition de critères d’inclusion tel que la sélection d’une population équilibrée en genre et équilibrée en gauchers et droitiers, ce qui en fait une base de données unique au monde. Nous avons choisi des procédures d’acquisitions anatomiques et fonctionnelles adaptées à la question posée et défini une batterie de tâches fonctionnelles latéralisées (langage, attention, motricité, imagerie mentale et calcul) dans le but de fournir pour la première fois des informations sur les relations entre la latéralisation des différentes fonctions, la latéralisation comportementale, les capacités cognitives, l’organisation anatomique et les asymétries de la matière grise et blanche, et les réseaux de repos chez les mêmes participants. Une cartographie pangénomique a également été réalisée chez chaque individu à partir d’un prélèvement de salive, complétée par un séquençage complet du génome pour les individus présentant une latéralisation atypique pour le langage ainsi que pour les individus typiques servant de contrôles.

 

BIL&GIN

Ce schéma des données de la BIL&GIN montre comment celle-ci permet d’analyser les multiples relations entre les éléments saillants de la SH que sont les caractéristiques anatomiques hémisphériques, la connectivité anatomique, la connectivité au repos (ou connectivité intrinsèque), les asymétries fonctionnelles mesurées avec l’Imagerie par Résonance Fonctionnelle (IRMf) pendant une batterie de tâches cognitives explorant des fonctions cognitives latéralisées, les asymétries comportementales et les compétences cognitives des participants. L’échantillon a été délibérément enrichi en gauchers de façon à obtenir la puissance statistique nécessaire pour explorer la variabilité inter-individuelle. L’échantillon de salive recueilli chez chaque participant permet de contribuer aux études sur la génétique de la latéralisation ainsi qu’aux projets des consortia de neuroimagerie génétique.

 

Cette approche a permis de revisiter les anciennes notions sur la SH : l’exemple des gauchers.

Pas de relation entre gaucherie et efficience cognitive

Parce qu’il y a un débat de longue date sur de supposées moins bonnes performances chez les gauchers, nous avons étudié l’association entre les capacités cognitives et la préférence manuelle. Nous avons constaté qu’il n’y a aucune différence entre gauchers et droitiers, bien que les individus ayant une faible latéralisation manuelle et au moins un gaucher dans leur famille présentaient des performances légèrement inférieures (Mellet 2014).

80% des gauchers ont le langage piloté par l’hémisphère gauche, comme les droitiers

Dans une seconde étude, nous avons abordé une la question très débattue de l’existence d’une association entre la préférence manuelle et la latéralisation du langage. En effet, comme dans plus de 90% des cas le langage est piloté par l’hémisphère gauche et que plus de 90% des êtres humains sont droitiers, l’idée la plus répandue est qu’il existe une association entre les deux. Grâce au large échantillon de gauchers nous avons pu montré que l’association entre le côté de la main préféré et la force de la latéralisation hémisphérique pour le langage n’est pas significative (Mazoyer 2015). Mais nous également découvert des particularité de l’organisation du langage des gauchers qui hébergent un petit groupe d’individus latéralisés à droite pour le langage (0,7 % de la population générale) ainsi que des individus sans latéralisation (ou ambilatéraux). Fait important, nous avons également observé que les gauchers typiquement latéralisés à gauche au niveau hémisphérique sont identiques aux droitiers également au niveau des asymétries des régions du langage (Tzourio-Mazoyer 2016). Cette description du large spectre de la variabilité de la latéralisation du langage chez les sujets sains nous a permis de rechercher des différences potentielles de connectivité intrinsèque en fonction du type de latéralisation des individus. Nous avons pu ainsi montrer qu’il existe une trace de la latéralisation du langage dans les réseaux du repos (Joliot 2016).

Il existe une association entre latéralisation du langage et de l’attention uniquement chez les personnes fortement gauchères

Un autre exemple des informations fournies par la BIL&GIN concerne les relations entre la latéralisation du langage et la latéralisation des réseaux de l’attention. Notamment, la question se pose de savoir si, chez le même individu, le fait d’être latéralisé dans l’hémisphère gauche pour le langage est en lien avec le fait d’être latéralisé à droite pour les fonctions attentionnelles visuo-spatiales. Certains auteurs proposent que cette spécialisation complémentaire de ces deux fonctions n’est pas associée, d’autres pensent, au contraire, qu’elle est causale. Fait notable, les différentes études menant à ces deux différentes hypothèses incluaient diverses proportions de gauchers et de droitiers. Nous avons donc testé l’hypothèse selon laquelle la SH complémentaire pourrait être différente chez les droitiers et les gauchers. Nous avons observé que l’augmentation de l’asymétrie fonctionnelle dans l’hémisphère gauche au cours de la production du langage est associée à une augmentation de l’asymétrie droite au cours d’une tâche d’attention visuo-spatiale, uniquement chez les sujets fortement gauchers. Ainsi, les gauchers qui utilisent exclusivement leur main gauche pour réaliser les gestes unimanuels de la vie quotidienne présentent une organisation cérébrale différente des autres sujets (droitiers ou gauchers moins latéralisé pour leur main). Ce résultat pourrait être le reflet d’une mise en place différente de SH au cours du développement en rapport avec des différences génétiques (Zago 2016).

 

Les recherches avec la BIL&GIN se poursuivent, certaines au sein du GIN-IMN, d’autres en collaborations avec des équipes internationales.

Pour ce qui concerne les bases génétiques de la latéralisation du langage, nous participons au du projet européen MULTI-LATERAL (Multi-level Integrative Analysis of Brain Lateralization for Language), coordonné par Clyde Francks (Max Planck Institute in Nijmegen, The Netherlands) Flag-Era (Fabrice Crivello, investigateur principal pour le GIN-IMN) sur la génétique de la latéralisation du langage.

Les données génétiques et de neuroimagerie de la BIL&GIN permettent également au GIN-IMN de participer aux études internationales de méta-analyses et de méta-databasing réalisés au sein de grands consortia internationaux de neuroimagerie génétique tels que CHARGE (coordonné par Sudha Seshadri, Boston University) et ENIGMA (coordonné par Paul Thompson, University of Southern California).

Les données de la BIL&GIN sont partagées avec la communauté internationale académique sur un mode collaboratif. De tels projets collaboratifs sont en cours avec Alan Evans (Montreal Neurological Institute), Daniele Marinazzo (Ghent University), et Michael Ewers (Munich University). Certains protocoles d’acquisition de données de la BIL&GIN ont par ailleurs été partagés avec Manuel Carreiras (BCBL, San Sebastian) et Dorothy Bishop (Oxford University).