Indices électrophysiologiques du neurodéveloppement et l’impact de la macrocéphalie comme trait isolé durant la première année de vie

Abstract

La première année de vie constitue une période critique du neurodéveloppement, car la plasticité cérébrale atteint son maximum. Pour cette raison, l’identification et la caractérisation des indices objectifs sensibles au neurodéveloppement et au développement cognitif du nourrisson durant cette période représentent une démarche indispensable afin de favoriser la détection précoce d’une altération. Dans ce contexte, le but principal de cette thèse était de contribuer, d’une part, à l’évaluation de la suppression neuronale (SN) et de la détection du changement comme indicateurs du développement cognitif du nourrisson durant la première année de vie, et d’autre part, à l’évaluation de l’impact de la macrocéphalie comme trait isolé sur l’activité cérébrale. Effectivement, la SN et la réponse de détection du changement ont été proposées comme les corrélats électrophysiologiques de l’habituation et de la réponse de nouveauté. Ces réponses reflètent des processus d’apprentissage sensoriel qui constituent la base de fonctions cognitives plus complexes. Toutefois, le lien entre ces réponses et le développement cognitif général du nourrisson durant la première année de vie n’a pas été suffisamment exploré. Afin de combler ce manque, l’objectif du premier article de cette thèse consistait à caractériser la SN et la détection du changement durant la première année de vie. Pour ce faire, nous avons évalué l’effet de l’âge et l’effet des habiletés adaptatives sur la SN et la réponse de détection du changement chez une population neurotypique de nourrissons âgés de 3 à 11 mois. Les habiletés adaptatives constituent une mesure du développement cognitif et comportemental du nourrisson souvent utilisée pour déterminer le niveau de sévérité d’un trouble neurodéveloppemental. Afin de mieux caractériser les réponses d’intérêt, nous avons utilisé la technique des potentiels évoqués et la technique des oscillations cérébrales (puissance spectrale et cohérence de phase). Nos résultats ont montré que la SN et la réponse de détection du changement ont été sensibles à la maturation cérébrale associée à l’âge et aux habiletés adaptatives du nourrisson, révélant différents patrons de réponses en fonction de l’âge et des habiletés adaptatives. De plus, ces patrons ont impliqué non seulement la SN et la détection du changement, mais aussi une augmentation de la réponse associée à la répétition (RE par ses sigles en anglais, repetition enhancement), ce qui est cohérent avec la littérature qui suggère que la SN et le RE constituent des processus complémentaires impliqués dans l’apprentissage sensoriel. Enfin, nos résultats ont révélé que les oscillations thêta et les oscillations gamma ont été les plus sensibles autant à la maturation cérébrale associée à l’âge qu’au développement cognitif et comportemental du nourrisson. Dans un deuxième temps, nous avons souhaité évaluer l’impact de la macrocéphalie comme trait isolé sur l’activité cérébrale chez le nourrisson autrement neurotypique. En effet, la présence d’une macrocéphalie durant la première année de vie a été associée aux troubles neurodéveloppementaux ; toutefois, la plupart des études ont été effectuées chez les populations pathologiques. En revanche, l’impact de la macrocéphalie comme trait isolé dans la population générale a été très peu exploré. Dans cette étude, nous avons comparé le signal électroencéphalographique (EEG) entre un groupe témoin et un groupe macrocéphalique de nourrissons en bonne santé âgés de 3 à 11 mois. Cette comparaison a été réalisée en deux étapes. Dans la première étape, qui correspond au deuxième article de cette thèse, nous avons comparé la complexité cérébrale à l’état de repos, mesurée à l’aide de l’entropie multiéchelle. Par la suite, dans le troisième article, les réponses de SN et de détection du changement ont été comparées. Concernant la complexité cérébrale, nos résultats ont mis en évidence une diminution de l’entropie multiéchelle chez le groupe macrocéphalique, et ce, surtout dans les échelles temporelles plus grossières. En ce qui concerne les réponses de SN et de détection du changement, nos résultats ont révélé différents patrons de réponses entre les groupes. Plus précisément, le groupe macrocéphalique a montré une plus forte réponse au changement dans les oscillations bêta. Ensemble, nos résultats ont permis de montrer la pertinence des effets de répétition (SN et RE) et de la réponse de détection du changement comme indices non seulement de la maturation cérébrale associée à l’âge, mais surtout des habiletés adaptatives du nourrisson. De plus, cette recherche a démontré un impact significatif de la macrocéphalie sur l’activité cérébrale durant la première année de vie, ce qui souligne l’importance d’approfondir la compréhension de cet effet et de ses conséquences à long terme.

The first year of life is considered a critical period for neurodevelopment given that brain plasticity has shown to be maximal during this period. For this reason, the identification and characterization of objective and sensitive indicators of brain and cognitive development is essential to promote an early detection of brain dysfunction and an effective intervention. In this context, the main goal of this research was on the one hand, the evaluation of the repetition suppression (RS) and change detection responses as indicators of infant’s cognitive development during the first year of life and, on the other hand, the evaluation of the impact of macrocephaly as an isolated trait on brain activity. RS and change detection response have been proposed as the electroencephalographic correlates of habituation and novelty detection. These responses are thought to reflect basic perceptual learning processes that underlie more complex cognitive functions. However, the relationship between these electrophysiological responses and general cognitive development during the first year of life has not been sufficiently explored. To address this issue, the first objective of this dissertation was to characterize RS and change detection responses during the first year of life. With this aim, we evaluate age and adaptive skills effects on RS and change detection responses in neurotypical infants aged between 3 and 11 months. We used Event Related Potentials technique (ERPs) and brain oscillations (spectral power and phase coherence) to better characterized the responses of interest. We use adaptive skills as a measure of infants’ cognitive and behavioral development, which is frequently used to determine the severity of neurodevelopmental disorders. Our results revealed that RS and change detection responses were sensitive to brain maturation associated with age and to adaptive skills, showing differential patterns of response as a function of age and infant’s adaptive skills. Further, these patterns of response involved not only the RS and change detection responses, but also a repetition enhancement (RE) response. These findings are consistent with previous literature suggesting that RS and RE constitute complementary processes involved in perceptual learning. Finally, our results revealed that theta and gamma oscillations were more sensitive not only to brain maturation associated with age, but also to infant’s cognitive and behavioral development. Subsequently, we investigated the impact of macrocephaly as an isolated trait on brain activity in otherwise neurotypical infants. Indeed, the presence of a macrocephaly during the first year of life has been associated with neurodevelopmental disorders, however most of the studies have involved pathological populations. By the contrary, the impact of macrocephaly as an isolated trait in general population has been rarely explored. In this study, we compared EEG signal between a control group and a macrocephalic group of healthy infants aged between 3 and 11 months. This comparison was undertaken in two stages. In the first stage, corresponding to the second article of this dissertation, we compared brain complexity, as measured by multiscale entropy, at resting state. Thereafter, in the third article, we compared RS and change detection responses. With respect to brain complexity, our results showed a decrease in multiscale entropy in the macrocephalic group, particularly in the coarser time scales. Regarding RS and change detection responses, our results revealed distinct response patterns between groups. To be more precise, the macrocephalic group showed greater change detection response in terms of beta oscillations. Together, our results emphasize the significance of repetition effects (RS and RE) and change detection response, not only as indicators of brain maturation associated with age, but more importantly as indicators of infant’s adaptive skills. Further, this research showed a significant impact of macrocephaly as an isolated trait on brain activity during the first year of life, highlighting the need for further investigation of this effect and its long-term consequences.

El primer año de vida constituye un periodo crítico para el neurodesarrollo, ya que la plasticidad cerebral alcanza su máximo potencial. Por esta razón, la identificación y la caracterización de índices objetivos sensibles al neurodesarrollo y al desarrollo cognitivo del niño durante este periodo constituye un proceso indispensable para favorecer la detección precoz de una alteración. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis ha sido contribuir, por un lado, a la evaluación de la supresión neuronal (SN) y de la respuesta de detección del cambio, como indicadores del desarrollo cognitivo del niño durante el primer año de vida y, por otro lado, a la evaluación del impacto de la macrocefalia como rasgo aislado sobre la actividad cerebral. En efecto, la SN y la respuesta de detección del cambio han sido propuestos como correlatos electrofisiológicos de la habituación y de la respuesta a la novedad. Dichas respuestas reflejan procesos de aprendizaje sensorial que constituyen la base de funciones cognitivas más complejas. Sin embargo, el vínculo entre estas respuestas y el desarrollo cognitivo general del niño durante el primer año de vida no ha sido suficientemente explorado. Con el fin de subsanar esta falta, el objetivo de primer artículo de esta tesis consistió en caracterizar la SN et la respuesta de detección del cambio durante el primer año de vida. Para ello se evaluó el efecto de la edad y de las habilidades adaptativas sobre la SN et la respuesta de detección del cambio en una población neurológicamente intacta de bebés con edades entre 3 y 11 meses. Las habilidades adaptativas constituyen una medida del desarrollo cognitivo y comportamental del niño con frecuencia utilizada para determinar la severidad de una alteración del neurodesarrollo. Con el objetivo de caracterizar de mejor manera las respuestas de interés, se utilizaron simultáneamente la técnica de potenciales evocados y la técnica de las oscilaciones cerebrales (poder espectral y coherencia de fase). Los resultados mostraron que la SN y la respuesta de detección del cambio fueron sensibles a la maduración cerebral asociada a la edad y a las habilidades adaptativas del bebé, revelando diferentes patrones de respuesta en función de la edad y de las habilidades adaptativas. Además, estos patrones de respuesta involucraron no solamente la SN y la respuesta de detección del cambio, sino también un incremento de respuesta asociado a la repetición (RE por sus siglas en inglés, repetition enhancement), lo cual es coherente con la literatura que sugiere que la SN et la RE, constituyen procesos complementarios implicados en el aprendizaje sensorial. Finalmente, nuestros resultados revelaron que las oscilaciones theta y gamma fueron las más sensibles tanto a la maduración cerebral asociada a la edad como al desarrollo cognitivo y comportamental de bebé. En un segundo momento, el estudio se dirigió a evaluar el impacto de la macrocefalia como rasgo aislado sobre la actividad cerebral del niño neurológicamente intacto. En efecto, la presencia de una macrocefalia durante el primer año de vida ha sido asociada a diversas alteraciones del neurodesarrollo, sin embargo, la mayoría de los estudios han sido efectuados en poblaciones con alguna patología. Por el contrario, el impacto de la macrocefalia como rasgo aislado en la población general ha sido muy poco explorado. En este estudio, se comparó la señal electroencefalográfica (EEG) entre un grupo control y un grupo de bebés con macrocefalia, todos ellos sanos y neurológicamente intactos, y con edades entre 3 y 11 meses. Dicha comparación tuvo lugar en dos etapas. En la primera etapa, que comprende el segundo artículo de esta tesis, se comparó la complejidad cerebral al estado de reposo, medida en términos de la entropía multiescala. Seguidamente, en el tercer artículo de esta tesis, se compararon las respuestas de SN y de detección del cambio. Con respecto a la complejidad cerebral, los resultados ponen en evidencia una disminución de la entropía multiescala en el grupo con macrocephalia, particularmente en las escalas temporales más gruesas. En lo que se refiere a las respuestas de SN y de detección del cambio, los resultados revelan diferentes patrones de respuesta entre los grupos. Específicamente, el grupo con macrocefalia mostró una mayor respuesta al cambio en las oscilaciones. En conjunto, nuestros resultados enfatizan la relevancia de los efectos de repetición (SN y RE) y de la respuesta de detección del cambio como índices no sólo de la maduración cerebral asociada con la edad, sino principalmente, de las habilidades adaptativas del bebé. Adicionalmente, esta investigación demuestra el impacto significativo que la macrocefalia tiene sobre la actividad cerebral durante el primer año de vida, lo que subraya la importancia de profundizar en este efecto y sus posibles consecuencias a largo plazo.