Novel methods to evaluate blindsight and develop rehabilitation strategies for patients with cortical blindness

Abstract

20 à 57 % des victimes d'un accident vasculaire cérébral (AVC) sont diagnostiqués aves des déficits visuels qui réduisent considérablement leur qualité de vie. Parmi les cas extrêmes de déficits visuels, nous retrouvons les cécités corticales (CC) qui se manifestent lorsque la région visuelle primaire (V1) est atteinte. Jusqu'à présent, il n'existe aucune approche permettant d'induire la restauration visuelle des fonctions et, dans la plupart des cas, la plasticité est insuffisante pour permettre une récupération spontanée. Par conséquent, alors que la perte de la vue est considérée comme permanente, des fonctions inconscientes mais importantes, connues sous le nom de vision aveugle (blindsight), pourraient être utiles pour les stratégies de réhabilitation visuelle, ce qui suscite un vif intérêt dans le domaine des neurosciences cognitives. La vision aveugle est un phénomène rare qui dépeint une dissociation entre la performance et la conscience, principalement étudiée dans des études de cas. Dans le premier chapitre de cette thèse, nous avons abordé plusieurs questions concernant notre compréhension de la vision aveugle. Comme nous le soutenons, une telle compréhension pourrait avoir une influence significative sur la réhabilitation clinique des patients souffrant de CC. Par conséquent, nous proposons une stratégie unique pour la réhabilitation visuelle qui utilise les principes du jeu vidéo pour cibler et potentialiser les mécanismes neuronaux dans le cadre de l'espace de travail neuronal global, qui est expliqué théoriquement dans l'étude 1 et décrit méthodologiquement dans l'étude 5. En d'autres termes, nous proposons que les études de cas, en conjonction avec des critères méthodologiques améliorés, puissent identifier les substrats neuronaux qui soutiennent la vision aveugle et inconsciente. Ainsi, le travail de cette thèse a fourni trois expériences empiriques (études 2, 3 et 4) en utilisant de nouveaux standards dans l'analyse électrophysiologique qui décrivent les cas de patients SJ présentant une cécité pour les scènes complexes naturelles affectives et ML présentant une cécité pour les stimuli de mouvement. Dans les études 2 et 3, nous avons donc sondé les substrats neuronaux sous-corticaux et corticaux soutenant la cécité affective de SJ en utilisant la MEG et nous avons comparé ces corrélats à sa perception consciente. L’étude 4 nous a permis de caractériser les substrats de la détection automatique des changements en l'absence de conscience visuelle, mesurée par la négativité de discordance (en anglais visual mismatch negativity : vMMN) chez ML et dans un groupe neurotypique. Nous concluons en proposant la vMMN comme biomarqueur neuronal du traitement inconscient dans la vision normale et altérée indépendante des évaluations comportementales. Grâce à ces procédures, nous avons pu aborder certains débats ouverts dans la littérature sur la vision aveugle et sonder l'existence de voies neurales secondaires soutenant le comportement inconscient. En conclusion, cette thèse propose de combiner les perspectives empiriques et cliniques en utilisant des avancées méthodologiques et de nouvelles méthodes pour comprendre et cibler les substrats neurophysiologiques sous-jacents à la vision aveugle. Il est important de noter que le cadre offert par cette thèse de doctorat pourrait aider les études futures à construire des outils thérapeutiques ciblés efficaces et des stratégies de réhabilitation multimodale.

20 to 57% of victims of a cerebrovascular accident (CVA) develop visual deficits that considerably reduce their quality of life. Among the extreme cases of visual deficits, we find cortical blindness (CC) which manifests when the primary visual region (V1) is affected. Until now, there is no approach that induces restoration of visual function and in most cases, plasticity is insufficient to allow spontaneous recovery. Therefore, while sight loss is considered permanent, unconscious yet important functions, known as blindsight, could be of use for visual rehabilitation strategies raising strong interest in cognitive neurosciences. Blindsight is a rare phenomenon that portrays a dissociation between performance and consciousness mainly investigated in case reports.

In the first chapter of this thesis, we’ve addressed multiple issues about our comprehension of blindsight and conscious perception. As we argue, such understanding might have a significant influence on clinical rehabilitation patients suffering from CB. Therefore, we propose a unique strategy for visual rehabilitation that uses video game principles to target and potentiate neural mechanisms within the global neuronal workspace framework, which is theoretically explained in study 1 and methodologically described in study 5. In other words, we propose that case reports, in conjunction with improved methodological criteria, might identify the neural substrates that support blindsight and unconscious processing.

Thus, the work in this Ph.D. work provided three empirical experiments (studies 2, 3, and 4) that used new standards in electrophysiological analyses as they describe the cases of patients SJ presenting blindsight for affective natural complex scenes and ML presenting blindsight for motion stimuli. In studies 2 and 3, we probed the subcortical and cortical neural substrates supporting SJ’s affective blindsight using MEG as we compared these unconscious correlates to his conscious perception. Study 4 characterizes the substrates of automatic detection of changes in the absence of visual awareness as measured by the visual mismatch negativity (vMMN) in ML and a neurotypical group. We conclude by proposing the vMMN as a neural biomarker of unconscious processing in normal and altered vision independent of behavioral assessments. As a result of these procedures, we were able to address certain open debates in the blindsight literature and probe the existence of secondary neural pathways supporting unconscious behavior.

In conclusion, this thesis proposes to combine empirical and clinical perspectives by using methodological advances and novel methods to understand and target the neurophysiological substrates underlying blindsight. Importantly, the framework offered by this doctoral dissertation might help future studies build efficient targeted therapeutic tools and multimodal rehabilitation training.