Cx moteur primaire Cx prémoteur Exécution Programmation Initiation. Cx préfrontal

Transcription

1 Cx moteur primaire Cx prémoteur Exécution Programmation Initiation Cx préfrontal

2 TROUBLES COMPORTEMENTAUX FRONTAUX Troubles attentionnels (distractibilité, hyperactivité motrice, difluence ) Inertie/apragmatisme Agressivité/jovialité Emoussement des affects Désinhibition (sexuelle, agressivité, impulsions, comportements archaïques ) Troubles de la motivation Perte des convenances sociales (familiarité ) Comportements antisociaux (délits/crimes, exhibitionnisme ) Négligence hygiéno-vestimentaire, troubles du comportement alimentaire Adhérence environnementale, collectionnisme Troubles de la flexibilité mentale (Stéréotypies, rigidité mentale, idées fixes) Perte de l insight (anosognosie, difficultés d introspection) Héminégligence spatiale Difficultés de conceptualisation, jugement, planification/organisation séquentielle programmation motrice...

3 «Capacités de pensée abstraite, de planifier, d initier, d effectuer des séquences d actions, de contrôler et d arrêter un comportement complexe» (DSM IV) «Executive functions refer to the capacity to plan and carry out complex goal - directed behaviors» (Stuss, 94)

4 Motivation Planification Exécution Contrôle

5 CORTEX PREFRONTAL ET FONCTIONS EXECUTIVES: «double tâche» D esposito et al., Nature, 1995 spatial-rotation (task 1) semantic-judgement (task 2) Task 1/baseline Dual Task 2/baseline Single Task 2 Baseline Task 1 Baseline Dual/task Time (s) Dual/task 1

6 LE CORTEX PREFRONTAL ET LA MEMOIRE EPISODIQUE Lésions du cortex préfrontal: Difficultés de classement chronologique (Self-ordered task) Troubles attentionnels («trouble de l encodage») Troubles d inhibition des interférences («proactives») Difficultés d auto-extraction et d auto-élaboration de stratégies Trouble de la mémoire de travail altèrent la qualité de l encodage et du rappel en ME

7 LE CORTEX PREFRONTAL ET LA MEMOIRE EPISODIQUE Imagerie fonctionnelle Le CPF intervient dans la mise en jeu des stratégies d encodage et de rappel 1. Le modèle HERA (hemispheric encoding/retrieval asymmetry) (Kapur et al., 1994; Tulving et al., 1994; Fletcher et al., 1995; Schacter et al., 1995; Buckner et al., 1996)) LPFC gauche: encodage LPFC droit: rappel (from Fletcher et al., TINS, 1997)

8 CORTEX PREFRONTAL Difficultés pour caractériser finement ses fonctions 1. C est une structure hétérogène Etablir le rôle de ses différentes sous-régions 2. Les fonctions frontales sont imparfaitement définies Déterminer des opérations cognitives plus élémentaires, bases des fonctions intellectuelles les plus élaborées

9 TAILLE RELATIVE DU CORTEX PREFRONTAL DANS DIFFERENTES ESPECES ANIMALES Rat Chat Chimpanzé Homme % de surface corticale Chat: 3,5% Macaque: 11,5% Chimpanzé: 17% Homme: 29%

10 LE «TRIANGLE» FRONTAL Face Latérale PROCESSUS COGNITIFS Face médiane AUTO-GENERATION DES COMPORTEMENTS Face orbito-ventrale PROCESSUS AFFECTIFS ET MOTIVATION

11 CORTEX PREFRONTAL DORSOLATERAL ET PLANIFICATION CPF-DL Troubles de la planification après lésions du CPF-DL (Luria, 1969; Schallice, 1982; Owen et al., 1990; Grafman et al., 1995) Activation du CPF-DL au cours de tâches de planification (Morris et al.1993; Baker et al., 1996; Owen et al., 1996; Dagher et al., 1999)

12 CORTEX PREFRONTAL DORSOLATERAL ET PLANIFICATION La «tour de Londres» Position initiale Position finale (5 déplacements) Elaboration d un plan d action: 1. Maintien et manipulation des représentations mentales des étapes intermédiaires; 2. Programmation et exécution d une séquence d action basée sur l enchaînement des représentations mentales.

13 MEMOIRE DE TRAVAIL Goldman-Rakic, 1987 ENSEMBLE D OPERATIONS PERMETTANT DE MAINTENIR ET MANIPULER DES REPRESENTATIONS MENTALES EN PREVISION D UNE ACTION Opérations cognitives élémentaires, bases de fonctions intellectuelles dépendantes du CPF

14 SACCADES OCULOMOTRICES MEMORISEES OBSERVATION DELAI REPONSE

15 CORTEX PREFRONTAL DORSOLATERAL ET MEMOIRE DE TRAVAIL Lésions du CPF-DL = performances altérées aux tâches de réponses différées (saccades mémorisées) Sillon principal (aire 46) Non altérées par les lésions: Du cortex inféro-temporal (Jacobsen, 1931) Du cortex temporal sup (Jacobsen, 1931) Du cortex pariétal postérieur (Harlow, 1952, Pohl, 1973) Du cortex prémoteur et aire 8 (Goldman et al., 1971) De l hippocampe qd le délai < 30sec (Zola-Morgan et Squire, 1985)

16 OBSERVATION DELAI REPONSE DANS LA REGION LATERALE PENDANT LE DELAI : 1. Neurones dont l activité est en relation avec stimulus 2. Neurones dont l activité est en relation avec la réponse à venir 3. Neurones actifs au moment de la prise de décision 4. Neurones permettant un traitement séquentiel = «Outils» locaux pour de la PLANIFICATION (maintien, manipulation, utilisation de représentations mentales)

17 CPDF-DL ET MEMOIRE DE TRAVAIL EN IMAGERIE METABOLIQUE CHEZ L HOMME Activation dans CPF-DL? Jonides et al. PET 1993 Nature OUI Petrides et al. PET 1993 PNAS OUI Paulesu et al. PET 1993 Nature OUI McCarthy et al. IRMf 1994 PNAS OUI D esposito et al. IRMf 1995 Nature OUI Cohen et al. IRMf 1997 Nature OUI Courtney et al. IRMf 1997 Nature OUI Courtney et al. IRMf 1998 Science OUI Owen et al. IRMf 1998 PNAS OUI Jonides et al. PET 1998 PNAS OUI D esposito et al. IRMf 1999 PNAS OUI Prabhakaran et al. IRMf 2000 Nature Neurosci OUI

18 MEMOIRE DE TRAVAIL SPATIALE ET CORTEX PREFRONTAL CHEZ L HOMME Jonides et al., 1993, Nature Memory condition Memory vs Perception Time Perception condition

19 ACTIVITE DE MAINTIEN EN MEMOIRE A COURT -TERME DANS LES CORTEX ASSOCIATIFS POST-ROLANDIQUES Neurones actifs pendant le maintien en MT dans: Cortex pariétal postérieur (CPP), Chafee et al., 1998 Cortex inféro-temporal (IT), Fuster, 1990; Miller et al., 1991 CPP V1 CIT

20 IT CPF

21 QUELLE EST LA CONTRIBUTION SPECIFIQUE DU CPF-DL À LA MT? 1. Simple mémorisation à court-terme? Maintien des informations en MT 2. Organisation de la réponse? Programmation de l action à venir en fonction des informations maintenues en MT

22 SEQUENCES SPATIALES MEMORISEES Pochon et al., Cerebral Cortex, 2001 Reconnaissance Consigne ou Reproduction Présentation (8 sec.) Délai (6 sec.) Réponse (8 sec.)

23 PROCESSUS ISOLES PENDANT LE DELAI DES EPREUVES DE MT Maintien en MT Programmation de la séquence RECONNAISSANCE / CONTROLE + - REPRODUCTION / CONTROLE + + REPRODUCTION / RECONNAISSANCE - +

24 SEQUENCES SPATIALES MEMORISEES Reconnaissance/ contrôle Reproduction/contrôle Reproduction/ Reconnaissance Reproduction Reconnaissance Contrôles 1, 009 1, 007 1, 005 1, 003 1, 001 0, 999 0, 997 Right dorsolateral prefrontal cortex 0, 995 presentation delay response ISI 0,

25 ETUDE NEUROPSYCHOLOGIQUE Paradigme Séquences Spatiales Mémorisées Groupes. Patients avec lésion du CPF dorsolatéral (n = 8; gauche = 6, droit = 2). Sujets contrôles (n = 18)

26 RESULTATS Nombre de séquences incorrectes * Contrôles Frontaux * p < * * * * 0 Sans délai Avec délai Sans délai Avec délai

27 DEUX PROBLEMES D INTERPRETATION AVEC LE PARADIGME DES SEQUENCES SPATIALES MEMORISEES 1. Intrication entre préparation de l action et complexité de l épreuve 2. Dans les deux conditions, la consigne étant connue dès le début de l épreuve, pendant le délai, il y une intention d agir

28 Le principe du double délai Consigne Stimuli Délai Réponse Maintien + Préparation Instruction Consigne Stimuli Délai 1 Délai 2 Réponse Maintien en mémoire Elaboration de l action Processus général de maintien? Après un certain seuil? CPFDL Processus général d élaboration de l action? Uniquement quand couplage avec la mémoire?

29 1 er niveau MAINTIEN «mémoire à court -terme» 2 éme niveau ELABORATION DE L ACTION «organisation d une réponse à partir des informations stockées»

30 LE CORTEX PREFRONTAL EST UNE INTERFACE SMA 7m 7b 7ip 7a IpS SC NC

31 CORTEX DORSOLATERAL ET ATTENTION SELECTIVE INHIBITION DE L INFLUX PERCEPTIF ET DE l ACTION La région dorsolatérale (DLPFC) filtre les informations perceptives 1. Le DLPFC projette vers les régions d intégration sensorielle 2. L inhibition ou la destruction du DLPFC produit une levée de ce filtre 3. Activation du DLPFC (IRMf) au cours de tâches d attention sélective

32 PERTE DES CAPACITES DE MEMOIRE DE TRAVAIL ET DE L ATTENTION 1. Troubles «attentionnels» majeurs: hyperactivité, distractibilité, difficultés à se projeter dans l avenir et à maintenir un plan d action (difluence, trouble de la planification, raisonnement déductif ) héminégligence spatiale 2. Adhérence à l environnement: perte de l espace «tampon» permettant de découpler les perceptions de l action à venir: actions réflexives

33 MODELES D ORGANISATION ANATOMIQUE ET FONCTIONNELLE DU CPF POUR LA MT Modèle holistique (Fuster, Miller, D Esposito) Modèles de ségrégation PPC modèle domaine-spécifique (Goldman-Rakic) IT modèle complexité-dépendant (Owen, Petrides)

34 LE MODELE «PRIMATE» DOMAINE-DEPENDANT «Modèle de Goldman-Rakic» CPP Données anatomiques Données électrophysiologiques Données lésionnelles 46 12/45 V1 CIT CIT: cortex inféro-temporal CPP: cortex pariètal postérieur

35 Kelley et al., 1998, Neuron HAMMER Word Encoding Object Encoding Face Encoding Subject 1 Subject 2 Z-score % signal change Z-score

36 Courtney et al., 1996 D 1500 ms x ms Faces WM task Locations WM task Sensorimotor task (scrambled faces)

37 Owen et al., 1998, PNAS A 250 ms 500ms 250ms 500ms 250ms 500ms B C D A: spatial WM (3-back); B: spatial control; C: nonspatial WM (2-back); D: nonspatial control

38 META-ANALYSIS OF ACTIVATION FOCI REPORTED FOR SPATIAL WORKING MEMORY IN 10 STUDIES FROM 1993 TO 1996 Owen, 1997, Eur J Neurosci

39 Rainer et al., 1998 Stimulus Délai Délai: 149 neurones actifs: «Where» only: 73 «What» only 8 «What» & «Where» only 68

40 FACE ORBITOVENTRALE DU CORTEX FRONTAL BA, 11, 13, 14, 25, 47

41 ATTEINTE DE LA REGION ORBITOVENTRALE 1. Désintérêt à ses propres actions et aux autres 2. Emoussement affectif 3. Perte d empathie et repli égocentrique 4. Sociopathie (perte des convenances sociales) 5. Désinhibition des conduites personnelles et sociales

42 PHINEAS GAGE

43 EVR 35 ans, chef-comptable Méningiome orbitofrontal opéré Après l intervention QI = 125 Bilan neuropsychologique normal (y compris tests frontaux) Troubles comportementaux (prise de décision, collectionisme ) Sociopathie «acquise» Eslinger et Damasio, 1985

44 LE TEST DU «GAMBLING» Fort gain (G) Forte perte (F) P > G Fort gain Forte perte P > G Faible gain Faible perte G > P Faible gain Faible perte G > P

45 LE TEST DU «GAMBLING» Conductance cutanée FG FG

46 Bechara et al., 1998, J Neurosci A B A Bilateral Ventro-medial (N = 9) ABNORMAL GAMBLING/ ABNORMAL DELAY Right dorsolateral/medial (N = 4) B ABNORMAL GAMBLING/ NORMAL DELAY left Dorsolateral/medial (N = 6)

47

48 FACE ORBITOVENTRALE DU CORTEX FRONTAL 1. Seule structure néocorticale en relation avec le système neurovégétatif (hypothalamus) Sa stimulation peut produire des modifications neurovégétatives (arrêt cardiaque, dépression respiratoire ) 2. Appartient au système limbique (connexions avec le striatum ventral, l amygdale, l hippocampe, l ATV) 3. Détermine la valeur contextuelle des stimuli (Rolls, 1999) (d après Duvernoy)

49 CORTEX ORBITO-VENTRAL ET MOTIVATION Rewarded movement Instruction Trigger Lever touch Rewarded non-movement Liquid reward Instruction Unrewarded movement Trigger Liquid reward response to instruction expectation of reward response to reward Instruction Trigger Sound Lever touch PET-scan: Thut et al., 1997, Neuroreport (Tremblay et al., 1998

50

51 Système de traitement «affectivo-emotionnel» contexte Système d élaboration de l action volontaire planification COMMENT INTERAGISSENT CES DEUX RESEAUX POUR ELABORER L ACTION DIRIGEE VERS UN BUT?

52 The neural system that bridges reward and cognition in humans: an fmri study J.B. Pochon, R. Levy, P. Fossati, S. Lehéricy, J.B. Poline, B. Pillon, D. LeBihan, B. Dubois Proc Natl Acad Sci USA (2002)

53 COMMENT ETUDIER L INTERACTION ENTRE COGNITION ET MOTIVATION? 1. REALISER UNE EPREUVE COGNITIVE Un paradigme de mémoire de travail de différents niveaux de difficulté: les tâches de «N-back» (1-2-3-back). 2. FAIRE VARIER LA RECOMPENSE SELON LES ESSAIS Les essais du «n-back»sont fortement, faiblement ou non récompensés; Une somme d argent est attribuée en fonction de la performance. 3. ETUDIER LES VARIATIONS DU RESEAU NEURAL ACTIVE PENDANT LES EPREUVES EN FONCTION DE LA RECOMPENSE IRMf (3T) chez des sujets jeunes sains (étudiants de ans).

54 PROTOCOLE EXPERIMENTAL $$$ 0$ 3-back 2-back 0-back 1-back v T t p P b T v t X PERFORMANCE % Fenêtre d analyse du signal haemodynamique Temps (sec.)

55 RESULTATS (I) EFFET COMPLEXITE EN MEMOIRE DE TRAVAIL 98, , BACK 1-BACK 2-BACK 3-BACK 1-back vs. 0-back 2-back vs. 1-back 3-back vs. 2-back

56 RESULTATS (II): VARIATIONS DE LA RECOMPENSE épreuves récompensées vs. épreuves non récompensées Régions de Mémoire de Travail modulées par la récompense Régions non-activées par la MT modulées par la récompense CPF dorsolatéral (BA 9/46) CPF polaire latéral (10) CPF polaire médian (BA 10)

57 RESULTATS (III): VARIATIONS DE LA RECOMPENSE: DEACTIVATION épreuves non-récompensées vs. épreuves récompensées Régions dé-activées par la mémoire De travail et par la récompense Régions dé-activées par la récompense mais pas par la mémoire de travail CPF orbito-ventral (BA 47/11) Striatum ventral CPF orbito-ventral (BA 47/11) CPF subgénual (BA 25)

58 RESULTATS (IV) activation dé-activation 1,5 1 0,5 CPF dorsolatéral droit (BA 9/46) CPF subgénual (BA 25) EFFET RECOMPENSE high reward low reward no reward n-back 0, , ,5-0,5 2,5 2 1,5 1 0,5 CPF dorsolatéral droit (BA 9/46) EFFET COMPLEXITE 0-back 1-back 2-back 3-back n-back 0,5 0-0,5-1 CPF subgénual (BA 25) ,5-0,5

59 CONCLUSIONS (I) 1. Plus la récompense et la complexité augmentent, plus le cortex préfrontal dorsolatéral est activé 2. Plus la récompense et la complexité augmentent, plus les régions frontales orbito-ventro-médianes sont dé-activées 3. Plus la récompense augmente, plus le pôle frontal médian est activé

60 INTERACTION COGNITION / EMOTION LE CONCEPT DE FILTRAGE «EMOTIONNEL» 1. Recrutement maximal des aires de gestion attentionnelle et exécutive: Activation (maximale) du cortex préfrontal dorsolatéral 2. Inhibition des signaux interférant avec la performance (anxiété, phobie de l échec, ruminations négatives...) 3. Ce signal est en partie médié par les régions limbiques Dé-activation du cortex préfrontal orbito-ventro-médian $ $$$ 80

61 VUE MEDIALE DU CORTEX FRONTAL Gyrus frontal supérieur (F1) (SMA, pre-sma, SEF, CPF supérieur, pôle frontal médian) Gyrus cingulaire (CCA, SGPFC) BA 9 (médian), 10 (médian) 24, 25, 32 (d après Duvernoy)

62 ROLE DANS L AUTOGENERATION DES COMPORTEMENTS Chez l homme: 1. Mutisme akinétique 2. Aphasie transcorticale motrice 3. Négligence motrice 4. Relation entre l hypométabolisme de la SMA et du CCA et les troubles de l initiation et chez le Parkinsonien Chez le singe: Les lésions de la SMA et du CCA (Thaler et al., 1995): Diminution des comportements auto-générés controlatéraux pour rechercher la nourriture

63 PERCEPTION CPF ACTION LE CPF EST UN «ESPACE TAMPON» DECOUPLANT LES DONNEES PERCEPTIVES ET ENTEROCEPTIVES DE L ACTION A VENIR CREE UN DEGRE DE LIBERTE ENTRE L ENVIRONNEMENT ET LES CHOIX DE COMPORTEMENTS

64 CORTEX PREFRONTAL ET ADAPTATION Routines Perception Action Situations nouvelles Perception CPF Action Mémoire de travail Attention sélective DLPFC Evaluation affective et sociale des conséquences de l action OVPFC