Nature of crossmodal plasticity in the blind brain and interplay with sight restoration

Abstract

Ce travail de thèse s’est intéressé à la plasticité cérébrale associée à la privation/restauration visuelle. A travers deux études transversales utilisant l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle auprès d’un groupe de participants présentant une cécité congénitale ou précoce (ainsi qu’auprès d’un groupe contrôle de participants voyants), nous avons tenté de caractériser la manière dont le cortex occipital - typiquement dédié au traitement de l’information visuelle - se réorganise afin de traiter différents stimuli auditifs. Nous démontrons qu’en cas de cécité précoce, différentes régions du cortex occipital présentent une préférence fonctionnelle pour certains types de stimuli non-visuels, avec une spécialisation fonctionnelle qui respecte celle de régions typiquement impliquées dans le traitement d’informations similaires en vision. Ces découvertes constituent une avancée conceptuelle concernant le rôle joué par les contraintes intrinsèques d’une part, et par l’expérience d’autre part, dans l’émergence de réponses sensorielles et fonctionnelles du cortex occipital. D’une part, l’observation de réponses occipitales à la stimulation auditive chez le non-voyant précoce (réorganisation transmodale) rend compte de la capacité du cortex occipital à réorienter sa modalité sensorielle préférentielle en fonction de l’expérience. D’autre part, l’existence de modules cognitifs spécialisés dans le cortex occipital du non-voyant précoce, semblables à ceux du cerveau voyant, démontre les contraintes intrinsèques imposées à une telle plasticité. Dans une étude de cas longitudinale, nous avons également exploré comment les changements plastiques associés à la cécité interagissent avec une récupération visuelle partielle à l’âge adulte. Nous avons réalisé des mesures pré et post-opératoires auprès d’un patient ayant récupéré la vision, en combinant les techniques comportementales ainsi que de neuroimagerie fonctionnelle et structurelle afin d’investiguer conjointement l’évolution de la réorganisation transmodale et de la récupération des fonctions visuelles à travers le temps. Nous démontrons que les changements structurels et fonctionnels caractérisant le cortex occipital du non-voyant sont partiellement réversibles suite à une récupération visuelle à l’âge adulte. De manière générale, ces recherches témoignent de l’importante adaptabilité du cortex occipital aux prises avec des changements drastiques dans l’expérience visuelle.

The present Ph.D. work was dedicated to the study of experience-dependent brain plasticity associated with visual deprivation/restoration. In two cross-sectional studies involving the use of functional magnetic resonance imaging in a group of participants with congenital or early blindness (and in a control group of sighted participants), we attempted to characterize the way the occipital cortex - typically devoted to vision – reorganizes itself in order to process different auditory stimuli. We demonstrate that in case of early visual deprivation, distinct regions of the occipital cortex display a functional preference for specific non-visual attributes, maintaining a functional specialization similar to the one that characterizes the sighted brain. Such studies have shed new light on the role played by intrinsic constraints on the one side, and experience on the other, in shaping the modality- and functional tuning of the occipital cortex. On the one hand, the observation of occipital responses to auditory stimulation (crossmodal plasticity) highlights the ability of the occipital cortex to reorient its preferential tuning towards the preserved sensory modalities as a function of experience. On the other hand, the observation of specialized cognitive modules in the occipital cortex, similar to those observed in the sighted, highlights the intrinsic constraints imposed to such plasticity. In a longitudinal single-case study, we further explored how the neuroplastic changes associated with blindness may interact with the newly reacquired visual inputs following partial visual restoration in adulthood. We performed both pre- and post-surgery measurements in a sight-recovery patient combining behavioral, neurostructural and neurofunctional methods in order to jointly investigate the evolution of crossmodal reorganization and visual recovery across time. We demonstrate that functional and structural changes evidenced in the visually-deprived occipital cortex can only partially reverse following sight restoration in adulthood. Altogether, our findings demonstrate the striking adaptability of the occipital cortex facing drastic changes in visual experience.