Corrélats neuroanatomiques de l’apprentissage de séquences motrices chez les personnes jeunes et âgées

Abstract

La capacité d’apprendre de nouvelles habiletés motrices est essentielle à la réalisation des activités de la vie quotidienne, et ce tout au long de la vie. Suite à leur acquisition, les nouvelles traces mnésiques demeurent initialement dans un état fragile jusqu’à ce qu’elles soient transformées en formes plus robustes par l’entremise d’un processus nommé « consolidation ». Il est désormais reconnu que le sommeil, et plus précisément les fuseaux de sommeil, contribueraient significativement à la consolidation de la mémoire motrice séquentielle chez les jeunes adultes. Toutefois, l’effet du vieillissement sur les différents stades de ce type d’apprentissage ne demeure que partiellement compris à ce jour. De fait, bien que des études comportementales aient démontré que la phase initiale d’apprentissage soit relativement épargnée, les participants plus âgés ont tendance à démontrer des déficits lors de la consolidation de nouvelles séquences motrices. Par ailleurs, les substrats neuronaux de ce type d’apprentissage ont surtout étés caractérisés chez de jeunes adultes, révélant l’implication d’un large réseau de régions de matières grises corticales et sous-corticales. Jusqu’à récemment, cependant, peu d’études s’étaient penchées sur le rôle des faisceaux de matière blanche connectant ces régions et aucune n’avait investigué la manière dont des altérations de la matière blanche pourrait contribuer au déficit de consolidation observé chez la personne âgée. De plus, le lien entre matière blanche, fuseaux de sommeil et consolidation n’avait encore jamais été caractérisé. L’objectif général de cette thèse était donc d’établir les corrélats de matière blanche associés à l’acquisition initiale et de la consolidation d’une nouvelle séquence motrice à différents stades de l’âge adulte. Un objectif additionnel était d’investiguer la nature de la relation entre l’intégrité de la matière blanche, la consolidation motrice et les fuseaux de sommeil, étant donné le rôle présumé de ces oscillations neuroélectriques dans ce processus mnésique. Afin d’atteindre ces buts, nous avons utilisé l’imagerie de diffusion pour quantifier les propriétés de la matière blanche chez des participants adultes jeunes et plus âgés entrainés à une tâche de pianotage des doigts apprise explicitement, avant et après une période équivalente de sieste ou de repos éveillé. D’abord, nos analyses ont démontré qu’une meilleure performance lors de l’apprentissage initial était associée aux propriétés microstructurelles de la capsule interne et du genou du corps calleux, soient des faisceaux de matière blanche connectant, entre autres, les régions motrices frontales homologues, les régions motrices sous-corticales ainsi que la moelle épinière. De façon intéressante, ces résultats suggèrent que les mêmes régions de matière blanche sous-tendent la phase initiale d’apprentissage chez les adultes jeunes et plus âgés. Dans un second temps, les analyses ont révélé que les caractéristiques du faisceau thalamo-cortical, reconnu comme reliant des régions cérébrales motrices et étant impliqués dans l’expression des fuseaux de sommeil, peuvent avoir un impact significatif sur la consolidation de séquences motrices par le biais d’une modulation du nombre de fuseaux de sommeil post-apprentissage. Ceci nous amène à proposer que les difficultés observées chez la personne âgée sur le plan de la consolidation motrice pourraient découler en partie d’une dégradation liée à l’avancement en âge des régions de matière blanche impliquées dans l’expression des fuseaux de sommeil. Les implications de la présente thèse sont notables puisqu’une meilleure compréhension des substrats neuroanatomiques et neurophysiologiques de l’apprentissage moteur au cours de l’âge adulte pourrait éventuellement contribuer au développement de stratégies d’intervention visant la réduction des déficits de mémoire observés dans le vieillissement normal.

The learning of new motor skills is necessary for the performance of everyday activities throughout the lifespan. Memory consolidation refers to the process during which a newly acquired memory is transformed from an initial labile trace into a more stable and resistant form. Interestingly, there is now compelling evidence that sleep, and sleep spindles in particular, contribute to the consolidation of newly acquired motor sequences in young adults. Although a lot remains unknown regarding the effects of aging on this mnemonic process, behavioral studies have shown that while the initial learning phase is relatively spared in older participants, the latter tend to demonstrate an impairment in the consolidation of learned motor sequences. Work investigating the neural substrates mediating the different phases of motor sequence learning has mostly focused on the grey matter regions involved in this process, establishing that both cortico-cerebellar and cortico-striatal networks contribute to the initial learning stage, while consolidation and long term storage is mostly dependent on a distributed cortico-striatal circuit. Yet, until recently, very few studies had investigated the white matter substrates of motor sequence learning in healthy aging, and none had addressed how white matter differences may contribute to the age-related consolidation deficit. Moreover, no study had yet to investigate whether structural connectivity affects motor sequence consolidation in relationship with sleep spindles. To address these knowledge gaps, we set to characterize the white matter correlates of motor sequence learning and consolidation in healthy young and older adults, and assess the way sleep spindles interact with consolidation processes and this specific neural network. We achieved these goals with the use of diffusion weighted imaging in groups of young and older participants who were trained on an explicit finger sequence learning task before and after an afternoon nap, or an equivalent period of rest. First, our results extend the current knowledge of the neural processes underlying motor memory acquisition by showing that performance improvement relates to white matter characteristics in fiber tracts connecting motor related regions (ie. the internal capsule and the corpus callosum), and that this structure-behavior relationship is preserved across the adult life. Furthermore, our findings reveal that thalamo-cortical white matter indirectly affects motor memory consolidation through sleep spindles modulation in both young and older adults. Although still conjectural, these results suggest that age-related alterations in the white matter tracts known to be involved in sleep spindle expression may constitute one of the neural underpinnings of the motor memory consolidation impairment observed in the elderly. The present work has significant implications as a better understanding of the neural and physiological mechanisms underlying motor skill learning can eventually contribute to the development of interventions aimed to mitigate age-related declines in memory.