Rôle de la modulation des signaux θ du cortex préfrontal et du noyau sous-thalamique dans le délai de réponse au traitement des conflits

Contexte et objectifs de l’étude

Le traitement des conflits joue un rôle crucial dans la régulation du comportement humain. Lorsque confronté à des informations conflictuelles, prendre des décisions précises nécessite un délai de réponse pour gagner du temps et choisir le comportement approprié. Les modèles existants, comme le modèle “hold-your-horses”, suggèrent que le cortex frontal médian (MFC) détecte le conflit, transmet le signal au noyau sous-thalamique (STN), augmentant ainsi le seuil de mouvement. Cependant, la manière exacte dont la région MFC détecte le conflit et transmet l’information reste incertaine, ainsi que la nature directionnelle et causale de cette interaction. De plus, il y a un manque de compréhension détaillée concernant la manière dont ces signaux induisent des changements moteurs.

Origine de l’étude

Cette étude a été menée par Jeong Woo Choi et ses collègues, provenant notamment du UT Southwestern Medical Center et de l’Université de Californie. L’article a été publié dans le journal « Progress in Neurobiology », numéro 236 de 2024.

Méthodes de recherche

Processus expérimental

1. Participants et processus chirurgical:

   • 20 patients atteints de maladie de Parkinson (PD) ou de dystonie ayant subi une implantation de stimulation cérébrale profonde (DBS) ont participé à cette étude.
   • Des électrodes DBS ont été implantées dans le STN et le GPI (globus pallidus interne) de manière bilatérale ou unilatérale pendant la chirurgie.
   • Simultanément, les signaux neuronaux des zones de la pré-SMA (zone motrice supplémentaire), M1 (cortex moteur primaire), STN et GPI ont été enregistrés.

2. Conception de la tâche:

   • Les participants ont exécuté la tâche Eriksen Flanker, comportant des conditions congruentes (<<<<< ou >>>>>) et incongruentes (<<><< ou >><>>).
   • Les participants devaient déplacer le levier aussi vite que possible dans la direction de la flèche centrale, enregistrant le temps de réponse et les taux d’erreur.
   • L’expérience visait à observer les différences comportementales entre les conditions congruentes et incongruentes.

3. Enregistrement des données et analyse des signaux:

   • Les signaux ont été analysés dans le domaine temps-fréquence pour identifier les activités oscillatoires dans les bandes thêta et bêta.
   • Des filtres (bande θ: FWHM=3Hz, bande β: FWHM=6Hz) ont été utilisés pour extraire les séries temporelles des bandes θ et β respectivement.
   • L’analyse de causalité de Granger multivariée (MVGC) a été utilisée pour évaluer la connectivité fonctionnelle.

Étapes expérimentales et analyse des données

• Analyse des performances comportementales:

  • Mesurer le temps de réaction (MO) et le taux d’erreur pour les essais congruents et incongruents.
  • Observer le délai de mouvement dans les essais incongruents et étudier les changements de comportement au moyen de “l’effet d’adaptation au conflit” (Gratton Effect).

• Analyse temps-fréquence des signaux neuronaux:

  • Évaluer les variations de la puissance θ et β dans les régions pre-SMA, M1, STN et GPI.
  • Analyser les relations de causalité de Granger pour examiner le flux d’informations entre les zones cérébrales.

Principaux résultats de la recherche

Analyse comportementale

• Temps de réaction:
  • Les essais incongruents montrent un délai de réaction significativement plus long que les essais congruents (incongruents: 676.80±141.07 ms, congruents: 559.84±117.10 ms, p<0.001).
  • Les essais incongruents ont également un taux d’erreur significativement plus élevé (incongruents: 8.23±10.96%, congruents: 1.32±2.78%, p=0.0102).

Analyse des signaux neuronaux

1. Variations de la puissance θ:

   • Les situations de conflit dans la tâche Flanker entraînent une augmentation locale de la puissance θ dans les zones pre-SMA, STN et M1, corrélée de manière significative avec le délai de mouvement (corrélation entre la puissance θ du STN et le délai de MO rho=0.72, p=0.037).

2. Connectivité fonctionnelle:

   • Une augmentation significative de la causalité de Granger en bande θ est observée entre la pre-SMA et le STN, et entre le STN et M1 avant le MO.
   • L’étude fournit une exploration préliminaire des rôles fonctionnels des différentes zones cérébrales (comme dACC et pre-SMA).

3. Puissance et connectivité en bande β:

   • La puissance en bande β diminue après l’apparition de la cible et augmente significativement avant le MO.
   • La relation de causalité de Granger en bande β entre M1 et GPI augmente brièvement avant le MO dans les essais incongruents.

Conclusions de l’étude

Conclusions principales

• Réseau θ lié au conflit et réseau β lié au mouvement: L’étude identifie deux réseaux cérébraux indépendants mais interagissant: le réseau θ lié au conflit et le réseau β lié au mouvement. Ces réseaux sont séparés spatialement, spectrally et temporellement, mais interagissent dynamiquement pour réguler les performances motrices.

• Rôle des signaux en bande θ dans la détection des conflits: La pre-SMA détecte le conflit et transmet l’information au STN via une voie directe à haute fréquence. Les signaux en bande θ du STN se propagent à travers M1, conduisant finalement à un délai d’action.

• Signaux en bande β pour la pause motrice: L’augmentation de la puissance β du STN joue un rôle central dans l’inhibition motrice effective, surtout dans le traitement des conflits. L’augmentation brève de la causalité de Granger en bande β entre M1 et GPI reflète le mécanisme du délai d’action.

Importance de l’étude

Cette étude fournit pour la première fois des données d’enregistrement intracrânien à haute résolution spatio-temporelle dans le cerveau humain, révélant les mécanismes complexes du traitement des conflits dans le réseau des ganglions de la base (BG). Elle éclaire sur les différentes étapes de la détection des conflits, de la transmission de l’information et de la régulation des réponses motrices, fournissant des insights significatifs pour le domaine de la neuroscience.

Points forts

• Utilisation de méthodes d’enregistrement invasives avec une haute résolution spatio-temporelle et spectrale pour révéler deux mécanismes indépendants mais interagissant dans le réseau des ganglions de la base humain.
• L’expérience confirme la relation causale entre la détection des conflits et les changements motrices, avec un flux de signaux en bande θ de la pre-SMA au STN, puis à M1.
• Met en lumière les différents rôles de la pre-SMA et du STN dans le traitement des conflits, enrichissant la compréhension du modèle “hold-your-horses”.

Cette recherche non seulement renforce la compréhension du rôle du réseau des ganglions de la base dans le traitement des conflits, mais fournit également une base importante pour les recherches futures sur l’effet d’adaptation aux conflits, orientant de manière significative les études de neuromodulation future.