The dynamics of cerebro-cerebellar resting-state functional connectivity : relation to cognition, behavior, and pathophysiology - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

The dynamics of cerebro-cerebellar resting-state functional connectivity : relation to cognition, behavior, and pathophysiology

La dynamique de la connectivité fonctionnelle cérébro-cérébelleuse au repos : relation avec la cognition, le comportement et la physiopathologie

Résumé

Studies of resting-state functional connectivity (FC), measured by functional magnetic resonance imaging (rsfMRI), have revealed extensive functional connections between the cerebellum and association regions in the brain, supporting an important role for the cerebellum in cognition. These findings have been based on static FC measures averaged across entire scans spanning a few minutes. However, this is a narrow view that has been recently challenged, with findings pointing to the presence of an ongoing, behaviorally relevant dynamics in resting-state FC occurring at short timescales of a few seconds, which, given the dynamic nature of the brain, is a more natural view that may encode information about complex cognitive functions. So far, however, the cerebellum has been overlooked in most, if not all, studies of dynamic FC, despite its well-recognized role in coordinating complex cognitive functions. In this thesis, we hypothesized that the dynamics of cerebro-cerebellar FC, during rest, may be behaviorally relevant, capturing aspects of cognition and behavior not accounted for by static FC and exhibiting alterations in brain disorders commonly associated with cerebro-cerebellar dysfunction, such as alcohol use disorder (AUD). We tested these hypotheses in two separate studies focusing on the dynamics of cerebro-cerebellar FC in relation to complex traits and disorders, such as impulsivity (first study) and AUD (second study). The first study has been motivated by a recent hypothesis for a role of the cerebellum in impulsivity; a complex personality trait defined as the tendency to act without foresight. We hypothesized that individual differences in normal impulsivity traits could be associated with the (static) strength and (dynamic) temporal variability of cerebro-cerebellar resting-state FC. We tested this hypothesis using rsfMRI data and self-report questionnaires of impulsivity (UPPS-P and BIS/BAS) collected from a group of healthy individuals. In particular, we employed data-driven techniques to identify cerebral and cerebellar resting-state networks, compute summary measures of static and dynamic FC, and test for associations with self-reported impulsivity. We observed evidence linking multiple forms of impulsivity to the strength and temporal variability of resting-state FC between the cerebellum and a set of highly dynamic and integrative brain networks that support top-down cognitive control and bottom-up reward/saliency processes, supporting our hypothesis that cerebro-cerebellar FC dynamics are behaviorally relevant. In the second study, we hypothesized that the dynamics of cerebro-cerebellar FC at short timescales would differ between AUD and controls, especially in the frontocerebellar circuits. To test this hypothesis, we explored the differences in the dynamic cerebro-cerebellar FC between an AUD group (N=18) and a group of unaffected controls (N=18) by comparing groups on different dynamic connectivity measures. Results revealed altered cerebro-cerebellar FC dynamics in the AUD group characterized by hypervariability of FC within fronto-parieto-cerebellar networks, reduced cerebellar flexibility, and increased cerebellar integration, compared with controls. These results suggest a possible role for the dynamics of fronto-parieto-cerebellar networks in the pathophysiology of this disorder. Taken together, the findings from this thesis highlight the utility of complementing static FC approaches with dynamic FC analysis in furthering our understanding of the functional repertoire of cerebro-cerebellar networks and the neurobiological architecture of complex behaviors and brain disorders.
La connectivité fonctionnelle à l'état de repos (CF), mesurée avec l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), a mis en évidence des connexions fonctionnelles entre le cervelet et les régions cognitives du cerveau,qui a soutenu un rôle important pour le cervelet dans la cognition. Ces résultats ont été basés sur des mesures statiques de la CF. Cependant, il s'agit d'une approche simpliste du CF qui a récemment été remise en question, les résultats indiquant la présence d'une dynamique continue et non aléatoire dans le CF à de courts intervalles de quelques secondes, ce qui, étant donné la nature dynamique du cerveau, est une vision plus naturelle qui peut coder des informations sur des fonctions cognitives complexes. Jusqu'à présent, le cervelet a été négligé dans la plupart des études sur la CF dynamique, malgré son rôle bien reconnu dans les fonctions cognitives complexes. Dans cette thèse, nous avons émis l'hypothèse que la dynamique du cervelet au repos peut être significative, en saisissant des aspects de la cognition et du comportement non pris en compte par le cervelet statique et en présentant des altérations des troubles cérébraux associés au dysfonctionnement cérébro-cérébelleux, comme l'alcoolisme. Nous avons testé ces hypothèses dans deux études distinctes portant sur la dynamique de la CF cérébro-cérébelleuse en relation avec des traits complexes, tels que l'impulsivité (première étude) et l'alcoolisme (deuxième étude). La première étude a été motivée par une hypothèse récente sur le rôle du cervelet dans l'impulsivité, un trait de personnalité complexe défini comme la tendance à agir sans prévoyance. Nous avons émis l'hypothèse que les différences individuelles dans les traits normaux d'impulsivité pouvaient être associées à la force (statique) et à la variabilité temporelle (dynamique) du CF cérébro-cérébelleux. Nous avons testé cette hypothèse en utilisant des données d'IRMf à l'état de repos et des auto-rapports d'impulsivité (UPPS-P et BIS/BAS) d'un groupe d'individus en bonne santé (N=134). En particulier, nous avons utilisé des techniques robustes pour identifier les réseaux cérébraux et cérébelleux, calculer des mesures sommaires de la CF statique et dynamique, et tester les associations avec l'impulsivité. Nous avons observé des preuves liant de multiples formes d'impulsivité à la force et à la variabilité temporelle de la CF au repos entre le cervelet et un ensemble de réseaux cérébraux dynamiques et intégratifs qui soutiennent le contrôle cognitif et les processus de récompense, ce qui soutient notre hypothèse selon laquelle la dynamique de la CF cérébro-cérébelleuse est pertinente sur le plan comportemental. Dans la seconde étude, nous avons émis l'hypothèse que la dynamiques de la CF cérébro-cérébelleuse différerait entre les les patients alcooliques et les contrôles, en particulier dans les circuits frontocérébelleux. Pour tester cette hypothèse, nous avons exploré les différences de dynamiques de la CF cérébro-cérébelleuse entre un groupe de patients alcooliques (N=18) et un groupe de contrôles (N=18), en comparant des groupes sur différentes mesures de connectivité dynamique. Les résultats ont révélé une altération de la dynamique du réseau fonctionnel cérébro-cérébelleux chez les sujets alcooliques, caractérisée par une hypervariabilité de la CF dans les réseaux fronto-parieto-cérébelleux, une réduction de la flexibilité cérébelleuse et une augmentation de l'intégration cérébelleuse. Ces résultats suggèrent un rôle possible de la dynamique des réseaux fronto-pariétal-cérébelleux dans la physiopathologie de ce trouble. Pris ensemble, les résultats de cette thèse soulignent l'utilité de compléter les approches statiques de la CF par une analyse dynamique de la CF pour approfondir notre compréhension du fonctions des réseaux cérébro-cérébelleux et les neurobiologie des comportements complexes et les troubles du cerveau.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03881700 , version 1 (02-12-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03881700 , version 1

Citer

Majd Abdallah. The dynamics of cerebro-cerebellar resting-state functional connectivity : relation to cognition, behavior, and pathophysiology. Neurons and Cognition [q-bio.NC]. Université de Bordeaux, 2020. English. ⟨NNT : 2020BORD0126⟩. ⟨tel-03881700⟩
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