Corrélats neuronaux de la mémoire de travail en magnétoencéphalographie à l’état de repos

Abstract

Purpose: There are few studies demonstrating the link between neural oscillations in magnetoencephalography (MEG) at rest and cognitive performance. Working memory is one of the most studied cognitive processes and is the ability to manipulate information on items kept in short-term memory. Heister & al. (2013) showed correlation patterns between brain oscillations at rest in MEG and performance in a working memory task (n-back). These authors showed that delta/theta activity in fronto-parietal areas is related to working memory performance. In this study, we use resting state MEG oscillations to validate these correlations with both of verbal (VWM) and spatial (SWM) working memory, and test their specificity in comparison with other cognitive abilities. Methods: We recorded resting state MEG and used clinical neuropsychological tests to assess working memory performance in 18 volunteers (6 males and 12 females). The other neuropsychological tests of the WAIS-IV were used as control tests to assess the specificity of the correlation patterns with working memory. We calculated means of Power Spectrum Density for different frequency bands (delta, 1-4Hz; theta, 4-8Hz; alpha, 8-13Hz; beta, 13-30Hz; gamma1, 30-59Hz; gamma2, 61-90Hz; gamma3, 90-120Hz; large gamma, 30-120Hz) and correlated MEG power normalised for the maximum in each frequency band at the sensor level with working memory performance. We then grouped the sensors showing a significant correlation by using a cluster algorithm. Results: We found positive correlations between both types of working memory performance and clusters in the bilateral posterior and right fronto-temporal regions for the delta band (r2 =0.73), in the fronto-middle line and right temporal regions for the theta band (r2 =0.63) as well as in the parietal regions for the alpha band (r2 =0.78). Verbal working memory and spatial working memory share a common fronto-parietal cluster of sensors but also show specific clusters. These clusters are specific to working memory, as compared to those obtained for other cognitive abilities and right posterior parietal areas, specially in slow frequencies, appear to be specific to working memory process. Conclusions: Slow frequencies (1-13Hz) but more precisely in delta/theta bands (1-8Hz), recorded at rest with magnetoencephalography, predict working memory performance and support the role of a fronto-parietal network in working memory.

L’étude et la caractérisation des oscillations cérébrales au repos en magnétoencéphalographie (MEG) en relation avec les performances cognitives ont été peu étudiées. La mémoire de travail permet la manipulation de l’information sur des éléments qui y sont temporairement stockés. Heister et al. (2013) ont étudié l’association entre la mémoire de travail et les oscillations cérébrales au repos. Leurs résultats mettent en évidence un lien entre la performance dans une tâche de mémoire de travail (n-back) et une activité delta/thêta fronto-pariétale droite. Notre projet utilise la MEG au repos pour valider ces corrélations avec des tests standardisés de mémoire de travail verbale et spatiale, et tester leur spécificité en comparaison avec d’autres capacités cognitives. Méthodologie: Nous avons enregistré 18 participants volontaires (6 hommes et 12 femmes) en magnétoencéphalographie de repos. Nous avons évalué les capacités de mémoire de travail verbale et spatiale au moyen de l’Indice de Mémoire de Travail de l’Échelle d'Intelligence de Wechsler pour Adultes - quatrième édition (WAIS-IV), et le sous test d’Addition Spatiale de l’Échelle Clinique de Mémoire de Wechsler - quatrième édition. Nous avons aussi calculé les corrélations avec les autres Indices du WAIS-IV pour évaluer la spécificité des patrons de corrélation observés avec la mémoire de travail. Nous avons moyenné la puissance de la décomposition spectrale pour chaque bande de fréquence (delta, 1-4Hz; thêta, 4-8Hz; alpha, 8-13Hz; beta, 13- 30Hz; gamma1, 30-59Hz; gamma2, 61-90Hz; gamma3, 90-120Hz; large gamma, 30-120Hz) puis nous avons corrélé cette puissance normalisée par le maximum de chaque bande au niveau des capteurs avec la performance dans un test de mémoire de travail. Nous avons ensuite regroupé les capteurs significatifs en cluster d'intérêt. Résultats: Nous avons mis en évidence une corrélation positive entre la performance en mémoire de travail et les régions fronto-pariétale droite pour la bande delta (r2=0,73), fronto-temporale médiale droite pour la bande thêta (r2=0,63), et pariéto-centrale pour la bande alpha (r2=0,78). Les résultats suggèrent que les mémoires de travail verbale et spatiale partagent un même réseau fronto-pariétal. Chaque type de mémoire de travail a aussi des corrélations spécifiques dans des régions différentes pour certaines banques de fréquence. Comparée à d'autres habiletés cognitives, la mémoire de travail est associée à des patrons de corrélations spécifiques avec le MEG au repos et une région pariétale droite qui semble spécialisée dans les basses fréquences à la mémoire de travail. Conclusions: Les basses fréquences (1-13Hz) et plus précisément delta/thêta (1-8Hz), enregistrées au repos en MEG dans les régions frontales et pariétales, permettent de prédire la performance de mémoire de travail ce qui supporte le rôle d’un réseau fronto-pariétal.