Des données de neuroimagerie des différents états de conscience, obtenues à partir d'un vaste effort de collaboration scientifique internationale, ont convergé pour la première fois pour révéler les similitudes et les différences dans nos états de conscience possibles. L'étude publiée dans Science Advances, dont Athéna Demertzi (Chercheuse qualifiée FNRS, GIGA- ULiège) est co-premier auteur, est une étape importante vers la révélation de signatures cérébrales très recherchées mais insaisissables qui sont intrinsèques et spécifiques à la conscience consciente.
Ces résultats représentent un grand progrès dans la remarquable gamme d'expériences conscientes disponibles aux patients dans des conditions non communicantes, car ils illustrent l'évolution temporelle de la complexité associée à la conscience, et peuvent informer les cliniciens de fenêtres pendant lesquelles des interventions non-invasives peuvent être plus efficaces pour rétablir la conscience.
Avec la collaboration d'un groupe d'experts internationaux financés par la prestigieuse subvention de la Fondation James S. McDonnell, la Dr. Athéna DMEMERTZI (Chercheuse qualifiée FNRS, GIGA- ULiège) en collaboration avec Dr. Jacobo Sitt (de l’équipe du Pr Lionel Naccache de l’Institut du Cerveau et de la Moelle épinière à l’Hôpital de la Pitié-Salpêtrière) et ses collègues ont cherché à découvrir un lien entre l'évolution de l'activité cérébrale au fil du temps et le niveau de conscience.
Les chercheurs ont mené une étude multicentrique comprenant des données sur 159 patients souffrant de lésions cérébrales graves et des sujets en bonne santé dans quatre centres cliniques à Paris (Hôpital de la Pitié-Salpêtrière), Liège (CHU de Liège), New-York (Weill Cornell Medical College) et London, Ontario (Université Western Ontario). Ces centres sont des experts internationaux de premier plan dans le domaine des soins et de la recherche pour les patients souffrant de troubles de la conscience. Les chercheurs ont utilisé des signaux hémodynamiques cérébraux mesurés par IRM fonctionnelle chez des patients en état végétatif/syndrome d'éveil non réactif, à l'état de conscience minimale, scannés sous anesthésie et sans sédation. Ils ont trouvé des modèles généralisables spécifiques aux états conscients et inconscients.
Les auteurs ont d'abord analysé des données provenant de Paris, de Liège et de New York afin d'extraire des modèles communs d'activation cérébrale et d'étudier comment ces signaux fonctionnels sont liés à l'anatomie du cerveau, le câblage physique qui relie différentes régions du cerveau.
« Nous avons trouvé un schéma cérébral complexe, au cours duquel la connectivité fonctionnelle était notablement différente de la connectivité structurelle. Cette tendance était plus présente chez les sujets conscients et presque inexistante chez les patients inconscients. D'autre part, nous avons trouvé un modèle de coordination du signal plus simple, qui présentait une grande similitude avec la connectivité anatomique, et qui était plus fréquemment présent chez les patients inconscients. Il est important de noter que nos résultats ont été stables et robustes sur les trois sites de numérisation », explique le Dr Athéna Demertzi (FNRS, GIGA-ULiège), co-premier auteur de l'étude.
La deuxième étape de ce travail a consisté à exclure toute confusion potentielle, comme les différences anatomiques ou comportementales, entre patients conscients et inconscients. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé les données de patients qui ont été scannés sous anesthésie. « Nous avions une hypothèse de travail : si nos premiers résultats étaient liés à la conscience, toutes les différences entre patients conscients et inconscients devraient disparaître sous anesthésie. Si les différences reflétaient simplement l'anatomie sous-jacente, la prévalence des différents schémas d'activité cérébrale devrait être préservée », explique Dr Enzo Tagliazucchi, professeur adjoint à l'Université de Buenos Aires et premier co-auteur de cette étude. Il s’est avéré que toutes les différences entre les patients conscients et inconscients disparaissaient sous anesthésie, confirmant que les différences anatomiques ne déterminent pas les modèles d'activité cérébrale identifiés par IRM fonctionnelle.
Sur la base de signes cliniques (comportement, mouvements, réactions à des stimuli), les patients sont diagnostiqués comme conscients, à conscience minimale ou dans un état végétatif ou non réactif. Afin d'écarter l'effet des différences comportementales dans les modèles de connectivité fonctionnelle du cerveau, les chercheurs ont travaillé avec des données acquises au Canada, où l'évaluation des patients n'est pas seulement basée sur le comportement, mais implique également une tâche active dans le scanner, à savoir demander aux patients de suivre les ordres en effectuant des tâches de visualisation mentale. En effet, des études ont montré que certains patients dont le comportement les identifie comme étant insensibles/végétatifs, réagissent néanmoins à ces tâches en exécutant la commande requise et en montrant des modèles d'activité cérébrale correspondant à leur exécution, et ne peuvent donc pas être considérés inconscients.
Dans l’étude de Science Advances, les auteurs ont utilisé les modèles d'activité extraits de Paris, de Liège et de New York et les ont généralisés à l'ensemble de données du Canada, réussissant ainsi à distinguer les patients qui ne réagissaient pas au comportement ou qui étaient végétatifs mais pouvaient effectuer la tâche dans le scanner par rapport à ceux qui ne le pouvaient pas. Il est important de noter que cette technique révèle des schémas cérébraux spécifiques de la conscience, indépendamment des différences comportementales ou anatomiques potentielles entre les patients.
« Dans l'ensemble, nous avons montré que la technique que nous avons utilisée pour analyser les schémas cérébraux est spécifique à la capacité de la conscience et non à l'anatomie ou au comportement du cerveau. Notre étude ouvre la porte à la détection de ces fenêtres de haute capacité consciente ou de perméabilité à la conscience. La prochaine étape consiste à identifier ces états et à tenter d'établir un canal de communication avec le patient lorsqu'ils sont plus perméables au monde extérieur », conclut le Dr Jacobo Sitt, responsable de l'étude.
Human consciousness is supported by dynamic complex patterns of brain signal coordination. Demertzi et coll., Science Advances, 2019; 5:eaat7603, Février 2019
Athéna DEMERTZI, chercheuse qualifiée FNRS, GIGA Consciousness-ULiège,
+32 4 366 34 70
Pr Dr Steven LAUREYS, directeur de recherches FNRS, GIGA Consciousness-ULiège, CHU de Liège,
+32 4 366 38 58
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