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L'année dernière (2015) a commémoré le 50e anniversaire des articles fondateurs de Norman Geschwind dans Cerveau sur les "Syndromes de déconnexion chez l'animal et l'homme" (Geschwind, 1965, 1965b). Au cours des 50 dernières années, d'énormes progrès ont été réalisés dans les outils et les technologies disponibles pour le in vivo évaluation de la connectivité structurelle et fonctionnelle dans le cerveau humain, y compris l'imagerie de diffusion pour examiner la connectivité cérébrale structurelle, et les approches d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), d'électroencéphalogramme (EEG) et de magnéto-encéphalogramme (MEG) pour comprendre la connectivité fonctionnelle du cerveau. Cela a conduit à une augmentation spectaculaire de notre compréhension des principes fondamentaux de la connectivité du cerveau humain et de leur relation avec les fonctions cognitives, émotionnelles, motrices et sensorielles dans la santé et, plus récemment, dans les populations cliniques.

Facilitée par la disponibilité de nouvelles techniques d'imagerie, cette meilleure compréhension des relations cerveau-comportement reflète un changement conceptuel fondamental. La recherche fondamentale et translationnelle examinant l'activation cérébrale liée aux tâches a été remarquablement instructive en termes de compréhension des substrats neuronaux de processus cognitifs et affectifs particuliers et de la façon dont ceux-ci peuvent mal tourner dans des conditions associées à une fonction cérébrale altérée. Cependant, au fil du temps, il est devenu clair qu'il est rare qu'un processus cognitif ou affectif particulier ne nécessite qu'une seule région du cerveau, et qu'il est rare qu'une forme particulière de dysfonctionnement cognitif ou comportemental soit associée à la perturbation d'une seule région du cerveau.

De plus, la recherche fondamentale en neurosciences a depuis longtemps établi clairement que l'activité dans n'importe quelle région cérébrale individuelle (ou n'importe quel neurone individuel !) est le résultat d'entrées et de sorties vers différentes zones du cerveau. De telles réalisations ont conduit à un changement d'orientation sur les circuits neuronaux plutôt que sur des régions cérébrales spécifiques. Plus précisément, ce changement a porté sur des questions sur la relation entre et parmi les différentes régions du cerveau dans la production de fonctions cognitives et affectives réussies dans le domaine de la santé, et sur la manière dont les anomalies au niveau des circuits contribuent au développement et au maintien de déficiences neuropsychologiques spécifiques. Les travaux croissants sur le rôle des oscillations cérébrales dans la coordination de l'activité au sein et entre les réseaux neutres (Canavier, 2015; Ketz, Jensen et O'Reilly, 2015; Pittman-Polletta, Kocsis, Vijayan, Whittington et Kopell, 2015; Uhlhaas & Singer, 2015) est cohérent avec de telles hypothèses qui localisent les déficiences neuropsychologiques au niveau du circuit de la fonction plutôt que dans des régions cérébrales individuelles spécifiques.

Visant à souligner ce changement conceptuel, ce numéro spécial poursuit trois objectifs spécifiques. Le premier est de fournir un bref aperçu des outils méthodologiques et analytiques actuels disponibles pour comprendre la connectivité cérébrale humaine normative et dysfonctionnelle. Comme indiqué dans l'article de Lowe et ses collègues, et dans une certaine mesure dans l'article de Hayes et ses collègues, nous avons vu des avancées majeures dans notre capacité à visualiser les connexions de la substance blanche dans le cerveau humain, y compris des techniques de pointe qui permettent aux chercheurs de suivre le chemin des connexions de la substance blanche à travers des zones où de nombreux faisceaux de fibres différentes fusionnent, améliorant considérablement notre capacité à comprendre la base structurelle de la communication à courte et longue portée dans les circuits cérébraux.

En outre, comme également décrit dans l'article de Lowe et ses collègues, les 30 dernières années ont également vu l'émergence de méthodes pour étudier la connectivité fonctionnelle du cerveau, ou la covariance de l'activité cérébrale spontanée dans les régions du cerveau. À l'origine, le concept de connectivité fonctionnelle était appliqué aux enregistrements simultanés de trains de pointes neuronales (Gerstein & Perkel, 1969; Gerstein, Perkel et Subramanien, 1978; Perkel, Gerstein et Moore, 1967), qui contribueraient à la connectivité fonctionnelle observée chez l'homme à l'aide de méthodes de neuroimagerie non invasives. Une inférence principale de la connectivité fonctionnelle est que, si deux régions ont une activité neuronale hautement corrélée (c'est-à-dire, ont une connectivité fonctionnelle élevée), alors elles sont plus susceptibles de s'engager dans un ensemble commun de mécanismes de traitement. En tant que telle, la connectivité fonctionnelle fournit un outil pour comprendre quelles régions du cerveau peuvent communiquer tout en s'engageant dans des processus cognitifs ou affectifs spécifiques, et donc quels circuits cérébraux soutiennent la performance et la capacité dans différents domaines de la cognition, de l'émotion et/ou du traitement social.

Une percée majeure dans le développement et l'application de méthodes de connectivité fonctionnelle pour les humains a eu lieu en 1995, lorsque Biswal et ses collègues ont rapporté que l'activité spontanée des régions des cortex moteurs droit et gauche était fortement corrélée même lorsqu'un individu se reposait (Biswal, Yetkin, Haughton , & Hyde, 1995). Il est intéressant de noter que cette activité corrélée a été observée dans les fluctuations spontanées à basse fréquence du signal BOLD (0.01–0.10 Hz), une bande de fréquences qui a souvent été rejetée comme bruit dans les études basées sur les tâches, bien que de telles corrélations puissent être observées à d'autres niveaux. fréquences aussi. Ce travail a stimulé un domaine majeur d'exploration de ce que l'on appelle maintenant la connectivité fonctionnelle à l'état de repos. Fait important, on pense que cette activité cérébrale au repos consomme une grande partie de l'énergie du corps (~ 20%), bien que le cerveau ne représente que 2% de la masse totale du corps (Fox & Raichle, 2007).

De plus, les modifications du métabolisme dues à l'engagement dans une tâche spécifique sont généralement inférieures à 5 %. Ainsi, l'activité continue de l'état de repos peut fournir une riche source de variabilité liée à la pathologie au-delà des changements observés dans le contexte de l'exécution des tâches (Fox & Raichle, 2007). De plus, il existe également des travaux solides démontrant qu'une grande partie de la variabilité d'un essai à l'autre de l'activité liée à la tâche reflète des fluctuations spontanées cohérentes et organisées de l'activité cérébrale (Fox, Snyder, Zacks et Raichle, 2006), fournissant une autre preuve qu'il s'agit d'une source significative de variation du fonctionnement du cerveau humain.

L'un des aspects clés de la connectivité fonctionnelle à l'état de repos qui a stimulé l'intérêt pour cet aspect de la fonction cérébrale est la prise de conscience qu'il révèle des réseaux intrinsèquement organisés de régions cérébrales qui sont constamment fonctionnellement connectées, même en l'absence de perturbations induites par la tâche dans le cerveau en cours. activité (Fox et al., 2005). Cela a été étayé par de nombreuses études de cartographie de "réseaux" qui ont identifié des réseaux cohérents, robustes et reproductibles de régions cérébrales qui montrent une activité coordonnée au repos (Buckner, Krienen, Castellanos, Diaz, & Yeo, 2011; Choi, Yeo et Buckner, 2012; Craddock, James, Holtzheimer, Hu et Mayberg, 2012; Gordon et coll., 2016; Laird et al., 2011; Power et al., 2011; Smith et al., 2012; Wig et autres, 2014; Yeo et al., 2011). Ceux-ci incluent le réseau de mode par défaut, le réseau pariétal frontal, le réseau cingulo-operculaire et le réseau d'attention dorsale, pour n'en nommer que quelques-uns.

Il est important de noter que bon nombre de ces réseaux correspondent étroitement ou au moins partiellement aux réseaux qui ont été identifiés dans des études basées sur les tâches, ce qui permet de valider la signification fonctionnelle de cette activité coordonnée (Laird et al., 2011). De tels réseaux de connectivité fonctionnelle ont leur base en partie dans la connectivité structurelle (Betzel et al., 2014; Hermundstad et al., 2013; Horn & Blankenbourg, 2015; Horn, Ostwald, Reisert et Blankenbourg, 2014; Messe, Rudrauf, Giron, & Marrelec, 2015; Miranda-Dominguez et al., 2014), mais ne sont pas isomorphes avec des régions qui montrent une connectivité structurelle directe. En tant que tel, la cartographie des réseaux d'états de repos aux réseaux de tâches connus a conduit à l'hypothèse que les réseaux d'états de repos reflètent en partie des interactions organisées qui découlent d'une histoire de co-activation au cours du développement (Power et al., 2011). De tels réseaux sont maintenant fréquemment appelés réseaux de connectivité "intrinsèques", étant donné qu'ils ne dépendent pas de la performance d'une tâche particulière pour l'identification, sont présents même au repos et sont relativement cohérents entre les tâches et les états environnementaux. De nombreux articles de ce numéro spécial se concentrent sur ces réseaux pour comprendre la source de la pathologie dans diverses formes de dysfonctionnement cérébral.

Un deuxième objectif de ce numéro spécial est de fournir des résumés intégratifs et synthétiques de l'état du domaine dans notre compréhension actuelle des troubles de la connectivité cérébrale associés aux troubles neurologiques et neuropsychiatriques. En tant que tel, l'article de Hayes et ses collègues passe en revue l'état actuel de la littérature sur la compréhension des lésions cérébrales traumatiques (TBI) en tant que trouble de la connectivité cérébrale. Une grande partie du travail sur le TBI s'est longtemps concentrée sur les altérations de la substance blanche qui peuvent survenir à la suite des différents traumatismes qui peuvent conduire au TBI, avec la reconnaissance que des dommages aux connexions de la substance blanche peuvent se produire même lorsque des lésions focales ne sont pas trouvées . L'article de Hayes et al. fournit la preuve que le TBI est en effet associé à des lésions de la substance blanche. Le corps calleux semble être particulièrement vulnérable aux forces qui conduisent au TBI, mais les preuves existantes suggèrent que les dommages associés au TBI peuvent être assez diffus et présents dans de nombreuses voies différentes, peut-être en fonction de la nature et de la gravité du traumatisme causal. Ces dommages à la substance blanche persistent même dans les phases chroniques du TBI et ont été associés à des troubles cognitifs et fonctionnels. De plus, le TBI est également associé à des altérations de la connectivité fonctionnelle, plusieurs études mettant en évidence une connectivité perturbée du réseau en mode par défaut et sa contribution aux symptômes post-commotionnels et aux troubles de la concentration de l'attention.

L'article de synthèse de Teipel et ses collègues met en évidence les rôles potentiellement importants de la connectivité structurelle et fonctionnelle dans l'évolution de la maladie d'Alzheimer (MA). Comme décrit dans cet article de synthèse, il existe maintenant de nombreuses études transversales et longitudinales pertinentes à la maladie d'Alzheimer documentant les déficiences de la substance blanche, y compris les anomalies des voies limbiques telles que le fornix, le faisceau unciforme et les fibres postérieures et parahippocampiques du cingulum. En outre, il existe de plus en plus de preuves d'anomalies dans la connectivité à l'état de repos, plusieurs études démontrant des anomalies du réseau en mode par défaut. Des anomalies de connectivité ont également été documentées à l'aide de mesures de cohérence dans l'EEG. Il est important de noter qu'il existe de plus en plus de preuves de liens entre les déficiences structurelles et fonctionnelles de la connectivité dans le réseau en mode par défaut dans AD. Comme l'ont noté Teipel et al., ces résultats nous aident à comprendre les mécanismes étiologiques potentiels de la pathologie pertinente pour la MA, ainsi que l'évolution longitudinale de la maladie. Cependant, plus de travail est nécessaire pour que ces résultats aient une application clinique directe. À l'opposé de la durée de vie, Koyama et ses collègues plaident également pour l'importance de la connectivité dans la compréhension de la trajectoire de développement des enfants qui peuvent être à risque de développer une gamme de troubles qui ont un impact sur la fonction cérébrale.

Le troisième objectif de ce numéro spécial est de présenter des découvertes empiriques de pointe sur la nature et le rôle des troubles de la connectivité dans la compréhension des variations des fonctions cognitives et émotionnelles, ainsi que dans un éventail de populations cliniques. À cette fin, le numéro spécial comprend plusieurs nouvelles découvertes empiriques sur les façons dont la connectivité structurelle ou fonctionnelle contribue à la fonction cognitive et affective dans la santé et la maladie. Plusieurs articles fournissent des données sur les relations entre le comportement et la connectivité cérébrale chez les individus en bonne santé, fournissant des preuves de l'importance fonctionnelle de la variation individuelle de la connectivité cérébrale. Par exemple, Unger et ses collègues démontrent que les différences individuelles dans l'intégrité du faisceau longitudinal inférieur (ILF) et du faisceau fronto-occipital inférieur (IFOF) prédisent les performances de reconnaissance des émotions ainsi que la mémoire des visages émotionnels. Ly et ses collègues fournissent des preuves d'une relation entre la microstructure du fornix et la connectivité et les performances liées aux tâches lors de la reconnaissance épisodique dans le vieillissement en bonne santé, fournissant un modèle intéressant de voies potentielles vers les différences individuelles de mémoire.

Les autres articles empiriques de ce numéro spécial démontrent comment des anomalies de la connectivité structurelle et/ou fonctionnelle peuvent contribuer à des déficiences comportementales et affectives dans diverses formes de pathologie cérébrale. Par exemple, Putcha et ses collègues fournissent des preuves intrigantes que le couplage altéré des réseaux de mode de saillance et de mode par défaut est lié à la fonction cognitive chez les individus en bonne santé et ceux atteints de la maladie de Parkinson. Les réseaux de saillance et de mode par défaut sont généralement « anti-corrélés », et on pense que la capacité à réguler à la baisse l'activité du réseau en mode par défaut pendant les tâches cognitives est importante pour des performances efficaces. La découverte de Putcha et al. qu'un manque d'anti-corrélation était associé à une fonction altérée dans les domaines de l'exécutif, de la mémoire et de la vitesse psychomotrice est cohérent avec cette hypothèse.

Dans le même ordre d'idées, Dobryakova et ses collègues fournissent des preuves qu'une connectivité altérée entre les régions fronto-pariétales prédit une vitesse de traitement réduite dans la sclérose en plaques. Rao et ses collègues ont examiné la connectivité de l'hippocampe aux régions fronto-temporales et fronto-pariétales chez les individus souffrant de dépression majeure en rémission par rapport aux témoins au cours de la performance de la mémoire épisodique sémantiquement indicée. Ils ont trouvé des preuves d'une altération des performances de la mémoire et d'une connectivité hippocampique altérée chez les personnes précédemment déprimées, ainsi que des preuves de relations perturbées entre la connectivité hippocampique et la mémoire.

Enfin, trois articles apportent une approche théorique des graphes pour comprendre comment les altérations des réseaux de neurones contribuent au développement de la pathologie cérébrale et des troubles associés de la fonction cognitive. La théorie des graphes est une branche des mathématiques qui fournit des algorithmes pour déterminer les métriques qui caractérisent les réseaux aux niveaux de fonction global et local. Un avantage majeur de la théorie des graphes est sa flexibilité ; les algorithmes peuvent être appliqués aux données de connectivité fonctionnelle, aux données de connectivité structurelle, ainsi qu'aux données obtenues à l'aide de MEG, EEG ou IRMf, permettant une convergence des résultats entre différentes modalités.

En outre, la science des réseaux permet la caractérisation des processus dynamiques à l'aide de métriques uniques, fournissant sans doute des descriptions plus puissantes et parcimonieuses de données hétérogènes que les approches décrites précédemment. Bien que beaucoup de travail soit nécessaire pour valider davantage l'utilisation de la théorie des graphes pour interpréter les données de connectivité cérébrale, la science des réseaux représente un nouveau domaine de recherche passionnant qui montre de plus en plus des associations entre les métriques de réseau et le comportement, ainsi que des anomalies dans les métriques de réseaux chez les personnes atteintes de troubles psychiatriques. et les troubles neurologiques.

Yeo et ses collègues utilisent la puissance d'une approche de théorie des graphes pour montrer que les réseaux cérébraux structurels des personnes atteintes de schizophrénie sont caractérisés par des longueurs de chemin caractéristiques plus longues (suggérant un temps de transit plus long pour l'information) et une connectivité globale réduite. Ces mesures de la théorie des graphes ont prédit la capacité cognitive globale chez les individus en bonne santé ainsi que chez les personnes atteintes de schizophrénie, et la réduction globale de la connectivité a médié la relation entre le diagnostic et la capacité cognitive globale.

De plus, Yeo et al. ont constaté qu'une mesure génétique reflétant la charge de mutation prédisait à la fois une longueur de chemin caractéristique plus longue et une capacité cognitive globale. Sedeno et ses collègues ont également adopté une approche de théorie des graphes pour comprendre les mécanismes qui pourraient contribuer aux déficiences cognitives et sociales dans la démence fronto-temporale. En utilisant la connectivité fonctionnelle à l'état de repos, ils ont montré une centralité du réseau réduite, une mesure de l'importance du rôle d'un nœud ou d'une région cérébrale dans un réseau, dans le réseau fronto-temporal-insulaire. De plus, cette centralité du réseau était associée à la cognition sociale et à la fonction exécutive chez les personnes atteintes de démence fronto-temporale et chez les personnes en bonne santé. Enfin, Han et ses collègues ont examiné les réseaux associés au comportement axé sur les objectifs chez les personnes atteintes de TBI chronique. Ils ont observé une connectivité interhémisphérique et inter-réseaux à longue portée nettement perturbée entre le réseau en mode par défaut, le réseau d'attention dorsale et le réseau de contrôle frontopariétal, avec pour résultat une efficacité globale et locale réduite.

En résumé, nous pensons que les articles présentés dans ce numéro spécial fournissent une entrée importante dans la littérature en plein essor sur le rôle des réseaux de neurones dans la cognition et la nature des altérations de la connectivité structurelle et fonctionnelle au niveau des circuits associées à la pathologie cérébrale. Comme indiqué dans de nombreux articles, ce domaine continue d'évoluer à mesure que les méthodes d'acquisition et d'analyse se développent et s'étendent, mais les preuves existantes indiquent la pertinence fonctionnelle de ces réseaux pour comprendre les variations du développement normal et l'importance cruciale de leur structure et la perturbation fonctionnelle cérébrale comme moyen de comprendre la physiopathologie et les voies potentielles d'intervention voire de prévention.