Dynamique Spatio-temporelle des Réseaux du Cortex Somatosensoriel chez les Enfants au Développement Typique

Contexte de la Recherche

Le toucher joue un rôle crucial dans nos interactions avec les objets externes et dans le contrôle précis des mouvements de la main. Bien qu’il existe une abondante recherche sur les mécanismes de traitement des informations sensorielles cutanées chez l’humain, la manière dont les zones cérébrales impliquées interagissent de manière dynamique reste peu comprise. Les études antérieures ont rapporté des résultats inconsistants lors de l’exploration de la dynamique temporelle du flux d’informations somatosensorielles. Cette étude vise donc à explorer la dynamique spatio-temporelle du traitement des sensations cutanées chez des enfants au développement typique à travers l’imagerie magnétique des sources et l’analyse dynamique du couplage cortico-cortical.

Source de l’Article

Cet article a été rédigé conjointement par Yanlong Song, Sadra Shahdadian et plusieurs autres auteurs affiliés au Neuroscience Research Center de Fort Worth, au Jane and John Justin Institute for Mind Health, au Cook Children’s Health Care System, au Department of Bioengineering de l’University of Texas at Arlington, et aux Departments of Physical Medicine and Rehabilitation et Radiology de l’University of Texas Southwestern Medical Center. Cet article a été publié dans le journal Cerebral Cortex le 4 juin 2024.

Processus de Recherche

Participants et Groupes

L’étude a inclus 35 enfants au développement typique (enfants TD), sans lésions ou maladies neurologiques connues, et avec des fonctions cognitives normales. Les participants ont signé un consentement éclairé avant toute collecte de données. Cinq participants qui n’ont pas achevé l’enregistrement MEG (magnétoencéphalographie) ou dont les données étaient défectueuses ont été exclus, laissant les données de 29 enfants pour l’analyse finale.

Obtention des Images par Résonance Magnétique (IRM)

Tous les participants ont passé une IRM structurelle pondérée en T1, obtenue avec un scanner Siemens Skyra 3T et une bobine de tête à 10 canaux.

Obtention des Données MEG

Les participants étaient assis dans une chambre à blindage magnétique, et les signaux MEG étaient enregistrés avec le système Neuromag® Triux à 306 capteurs. Les positions des bobines de positionnement de la tête (HPI), des marqueurs de tête et de points additionnels du cuir chevelu ont été digitalisées pour aligner les capteurs MEG avec la position du cerveau de chaque participant. Le doigt médian de chaque main a reçu 400 stimulations d’air comprimé, enregistrées avec un taux d’échantillonnage de 20Hz.

Traitement et Analyse des Données

Les données MEG initiales ont été filtrées en utilisant l’extension temporelle de la séparation de l’espace des signaux pour réduire le bruit environnemental et compenser les mouvements de la tête. Suite à cela, les données brutes ont été prétraitées et les artefacts cardiaques et de clignement ont été supprimés via une analyse en composantes indépendantes (ACI). Les données ont été segmentées en périodes de 700 ms verrouillées à l’événement pour chaque champ somatosensoriel évoqué (SEFs). La méthode de cartographie statistique dynamique (dSPM) a été utilisée pour générer des surfaces cérébrales standard individuelles des IRM structurales des participants et aligner les signaux MEG avec ces surfaces.

Analyse de l’Activation Spatio-temporelle Corticale

Les SEFs sources reconstruits ont été analysés au niveau individuel et groupal. La fonction enveloppe de MATLAB a été utilisée pour déterminer les enveloppes supérieure et inférieure des SEFs source de chaque sommet cortical, et les pics et creux des SEFs ont été détectés à l’aide de findpeaks. Au niveau du groupe, des tests t permutationnels appariés et des analyses de cohérence partielle ont été utilisés pour les analyses statistiques.

Analyse de la Causalité de Granger

Des régions corticales couramment très activées ont été sélectionnées comme régions d’intérêt pour l’analyse de la causalité de Granger. Les formes d’onde source de ces régions ont été estimées pour l’analyse de la causalité de Granger.

Résultats de l’Étude

Activation Corticale et Position des Sources

Au niveau individuel, les données de localisation des sources ont montré une activation cohérente de la zone somatosensorielle primaire (BA3) contralatérale dans les 60 ms suivant la stimulation tactile. Ce résultat concorde avec des études antérieures, soulignant la stabilité de l’activation corticale contralatérale chez les enfants au développement typique. Cependant, il existe des différences significatives au niveau de la quantité, de la latence et de la position des pics et creux des SEFs ultérieurs.

Au niveau du groupe, entre 0 et 400 ms après stimulation des doigts médiaux gauche et droite, une activation corticale notable et cohérente a été observée dans les régions somatosensorielles primaire (S1) et secondaire (S2) contralatérales. En outre, une activation significative a été observée dans le cortex moteur primaire (M1), la jonction pariéto-temporo-occipitale (PTO) et l’aire motrice supplémentaire (SMA) contralateraux. Cependant, l’activation du S1 ipsilatéral était plus faible et moins cohérente, n’étant significative que chez un petit nombre de participants.

Changements Développementaux

Au niveau des changements développementaux, une corrélation positive significative a été trouvée entre l’âge des participants et l’amplitude de la première activation de pic des SEFs source, suggérant une maturation incomplète du S1 chez les enfants de 5 à 18 ans. Aucun lien significatif n’a été trouvé entre l’âge et la latence du deuxième et troisième pic. Cependant, une corrélation positive significative avec l’âge a été observée pour l’amplitude maximale du troisième pic lors de la stimulation de la main droite, indiquant une maturation avancée du traitement somatosensoriel.

Analyse de la Causalité de Granger Confirme le Modèle de Traitement Somatosensoriel en Série Précoce

Les résultats de l’analyse de la causalité de Granger (GS) montrent qu’entre 0 et 60 ms après le début de la stimulation d’air comprimé, le flux d’information principal se déplace du S1 contralatéral vers la crête pariétale (CSG), le M1 contralateral et le S2 contralatéral. Ces résultats soutiennent le modèle précoce de traitement somatosensoriel en série, où les entrées somatosensorielles thalamiques atteignent d’abord le S1 contralatéral avant d’être relayées vers le S2. Ces résultats sont cohérents avec des études antérieures basées sur des enregistrements intracérébraux chez l’humain et les primates non-humains (par ex., Allison et al., 1991).

Conclusion de l’Étude

Cette étude, à travers l’utilisation de la MEG, révèle l’activation corticale spatio-temporelle induite par la stimulation pneumatique uni-latérale chez les enfants au développement typique. Une activation significative et cohérente a été observée dans les régions somatosensorielles primaire (S1), secondaire (S2), le cortex moteur primaire (M1) et la crête pariétale (SG) contralaterales. L’activation corticale ipsilatérale était relativement plus faible et incohérente. L’analyse de causalité de Granger a révélé un flux d’information sériel initial, suivi d’un flux d’information parallèle dynamique entre les régions corticales activées de manière cohérente contralaterales. Ces découvertes fournissent des références pour la conception de futures études et applications de stimulation cérébrale chez les enfants patients avec des troubles somatosensoriels.

Cette étude apporte non seulement de précieux aperçus sur les mécanismes de traitement de l’information somatosensorielle chez les enfants au développement typique, mais elle fournit également de nouvelles preuves sur le rôle clé de la corticale contralatérale dans le traitement somatosensoriel précoce. Les recherches futures pourraient explorer davantage le potentiel de ce mécanisme dans les applications cliniques.