Phylogénèse et ontogénèse du cortex préfrontal

Phylogénèse et ontogénèse du cortex préfrontal

Le cortex préfrontal (CPF) correspond, chez le primate, à la partie antérieure du lobe frontal, la partie postérieure étant occupée par les aires motrices et prémotrices. La taille relative du cortex préfrontal n’a cessé d’augmenter au cours du développement phylogénique (figure 1), passant de 3,5% chez le chat à 11,5% chez le macaque, 17% chez le chimpanzé et, enfin, 29% du cortex chez l’humain (Korbinian Brodmann & Gary, 2006).

Cette augmentation importante du CPF serait principalement due à une augmentation de la quantité de matière blanche, traduisant l’augmentation des connexions établies par le CPF, la quantité de matière grise restant semblable à celle du singe (Schoenemann, Sheehan, & Glotzer, 2005 ; Semendeferi, Lu, Schenker, & Damasio, 2002). Comme nous le décrirons plus loin, le CPF fait l’objet de très nombreuses interconnexions avec de nombreuses régions corticales et sous-corticales.

Le volume de matière grise préfrontale augmente progressivement de la naissance jusqu’à 10-12 ans pour atteindre un pic, puis diminue lentement avec l’âge (Giedd et al., 1999 ; Pfefferbaum et al., 1994). Cette augmentation de matière grise préfrontale s’accompagne d’une forte réduction de la densité synaptique, expression du principe de spécialisation sélective lors de la formation de réseaux cognitifs (Huttenlocher, 1979). Cette spécialisation serait suivie d’une augmentation des connexions distantes avec les autres régions cérébrales.

Cytoarchitecture frontale

De nombreuses cartes cytoarchitectoniques du cerveau humain ont été proposées, dont la plus connue est celle de Brodmann (1909). Sa nomenclature reste largement utilisée, bien qu’ayant fait l’objet de réactualisations ultérieures (Pandya & Yeterian, 1996a ; Yeterian, Pandya, Tomaiuolo, & Petrides, 2012). L’un des principaux critères utilisés pour la description architectonique est la différenciation laminaire qui se caractérise par deux gradients architectoniques, paléocortical et archicortical. Le paléocortex et l’archicortex progressent à partir de régions constituées d’un allocortex primitif de faible densité neuronale, avec des couches corticales peu différenciées et sans bande granulaire, vers des régions isocorticales de forte densité corticale, avec six couches corticales bien différenciées, et avec bande granulaire. En 1935, Jacobsen utilisa le terme préfrontal pour désigner la zone du lobe frontal contenant une couche IV granulaire (avec des cellules étoilées et pyramidales) en opposition aux couches agranulaires des aires motrices et prémotrices. Pour préciser, toutes ces aires ne sont pas strictement granulaires, puisque l’aire 44 est dysgranulaire et les aires 11 (caudale) et 47 (orbitale) sont agranulaires (Preuss, 1995). Selon Fuster (1997), cette grande variabilité cytoarchitectonique reste l’un des obstacles majeurs au critère architectonique.

Anatomie des lobes frontaux

Le lobe frontal représente une part importante du volume du cortex, de 30 à 40% de l’espace supratentoriel. il se situe en avant de la scissure centrale et au-dessus de la scissure latérale. On distingue habituellement 3 faces : une face latérale qui appartient à la convexité cérébrale, une face médiane en regard de la scissure interhémisphérique et enfin, une face inférieure (ou orbitaire) reposant sur le toit osseux de la cavité orbitaire. Le lobe frontal est essentiellement formé de néocortex et seule la partie antérieure du gyrus cingulaire est formée d’archicortex et appartient au lobe limbique. Grâce à des sillons bien marqués, le cortex frontal est subdivisé en gyri.

Il comprend :
❖Le gyrus précentral (aire 4 de Brodmann)
❖Les 3 gyri frontaux latéraux, F1, F2, F3
❖Le gyrus frontal orbitaire
❖Le gyrus cingulaire antérieur (aires 24 et 32 de Brodmann) .

Sur sa face latérale, 3 sillons sont nettement identifiables : le sillon frontal supérieur, le sillon frontal inférieur, le sillon précentral. Les sillons frontaux supérieur et inférieur ont une disposition horizontale. Ils interceptent à angle droit un sillon vertical souvent discontinu, le sillon frontal précentral. Ces 3 sillons vont permettre la délimitation de 5 gyri. Trois gyri sont de présentation horizontale : le gyrus frontal supérieur F1, le gyrus frontal moyen F2, le gyrus frontal inférieur F3. Le gyrus frontal inférieur F3 est subdivisé par la présence des rameaux horizontal et vertical de la fissure latérale. Le gyrus frontal inférieur est ainsi découpé en une partie operculaire, une partie triangulaire, et une partie orbitaire. Deux gyri ont une disposition plutôt verticale : le gyrus précentral et le gyrus subcentral.

Sur sa face médiane, on remarque la présence de la partie antérieure de la scissure limbique qui sépare le lobe limbique du néocortex. La partie antérieure de cette scissure est constituée de 2 sillons : le sillon subcalleux et le sillon cingulaire. Dans la partie frontale du lobe limbique, on retrouve le gyrus subcalleux et le gyrus cingulaire. Au-dessus de la scissure limbique se trouve le gyrus frontal supérieur qui se poursuit depuis la convexité cérébrale, et qui est limité en arrière par le débord médial de la scissure centrale. Le sillon paracentral limite en avant le lobule paracentral, qui correspond aux débords des gyri précentral et post central sur la face médiale de l’hémisphère. Le lobule paracentral est limité en arrière par la fissure cingulaire et correspond aux centres moteurs et sensitifs.

La face inférieure ou orbitaire du lobe frontal est délimitée par la présence de 2 sillons : le sillon orbitaire médial ou sillon olfactif, car il accueille le bulbe et le tractus olfactif et le sillon orbitaire latéral. Ces 2 sillons permettent de délimiter 5 gyri : le gyrus rectus ou gyrus droit, le gyrus orbitaire médian, le gyrus orbitaire latéral, le gyrus orbitaire antérieur et le gyrus orbitaire postérieur.

(a) Face latérale du lobe frontal
sillon frontal supérieur (fs), sillon frontal inférieur (fi), sillon précentral (pc), gyrus frontal supérieur (F1), gyrus frontal moyen (F2), gyrus frontal inférieur (F3), rameaux horizontal (h) et vertical (v), scissure latérale (SL), partie operculaire (op), partie triangulaire (tr), et partie orbitaire (or), gyrus précentral (PC), gyrus subcentral (SB).
(b) Face médiane du lobe frontal
sillon subcalleux (ss), sillon cingulaire (sc), gyrus subcalleux (SU), gyrus cingulaire (GC), gyrus frontal supérieur (F1), scissure centrale (SC), sillon paracentral (pa), lobule paracentral (LPC), fissure cingulaire (mc).
(c) Face inférieure ou orbitaire du lobe frontal
sillon orbitaire médial (om), sillon orbitaire latéral (ol), gyrus rectus (R) ou gyrus droit, fissure interhémisphérique (IH), sillon orbitaire médial (om), gyrus orbitaire médial (OM), gyrus orbitaire latéral (OL), gyrus orbitaire antérieur (OA), gyrus orbitaire postérieur (OP).

Les connectivités frontales

Connectivités corticales 

L’une des dimensions de la compréhension des fonctions du cortex préfrontal est la connaissance de la connectivité corticale. Les connexions locales (dans le lobe frontal) semblent être organisées en relation avec les tendances architectoniques dorsale d’origine hippocampique et ventrale d’origine paléocorticale (Yeterian et al., 2012). Les longues connexions du CPF avec les régions post-rolandiques semblent être organisées de manière préférentielle par rapport aux tendances architectoniques préfrontales dorsale et ventrale. Les zones préfrontales sont reliées aux zones d’association auditives, visuelles et somatosensorielles post rolandiques, ainsi qu’aux régions multimodales et paralimbiques. Cette longue connectivité fonctionne probablement avec des connexions locales pour servir les fonctions corticales préfrontales. Les connexions afférentes et efférentes du cortex préfrontal avec les régions post-rolandiques sont transmises par de longues voies d’association spécifiques. Ces voies semblent également être organisées en relation avec les tendances architectoniques préfrontales dorsales et ventrales. Enfin, bien que les zones préfrontales aient des connexions préférentielles par rapport à des tendances architectoniques doubles, il est clair qu’il existe des interconnexions entre les zones de chaque tendance, ce qui peut constituer un substrat pour la fonction intégrative globale du CPF. La connectivité corticocorticale préfrontale peut aider à élucider à la fois les perspectives spécifiques à la région et intégratives sur les fonctions du cortex préfrontal (Yeterian et al., 2012).

Néanmoins, les lobes frontaux ne sont pas une région cellulaire homogène (Fuster, 1997) et ils peuvent être subdivisés en plusieurs aires distinctes (Pandya & Yeterian, 1996a) dont les parties préfrontales dorsolatérales (DLPFC) et ventromédianes (VMPFC). La région dorsolatérale (DL) comprend les aires 9 et 46 de Brodmann (Pandya & Yeterian, 1996b). Cependant, les aires de Brodmann constituant la partie ventromédiane (VM) ne sont pas si facilement identifiables. Elles le deviennent si nous considérons les différentes connexions cortico corticales (Pandya & Yeterian, 1996b ; Rolls, 1996). Ainsi, bien que les parties DL et VM soient directement interconnectées, elles se connectent également vers certaines structures cérébrales. Ainsi, la région DL reçoit des projections des aires sensorielles et motrices primaires, ainsi que du cortex pariétal, alors que la partie VM est exclusivement connectée au système limbique (Rolls, 1996). Généralement, la région VM inclut les aires de Brodmann 10, 11, 12, 13, 14 et 47, qui sont des régions qui ont des connexions réciproques vers le système limbique (Price, 1999). Le CFPVM est essentiellement connecté au système limbique (Rolls, 1994).

Connectivités sous-corticales

Le CPF est également connecté avec les structures sous-corticales grâce aux boucles cortico-striato-thalamocorticales. Il existe plusieurs voies cortico-sous corticales, chacune connectant une région du CPF avec des régions spécifiques du striatum, du pallidum et du thalamus (Alexander, DeLong, & Strick, 1986). Cinq circuits, anatomiques et fonctionnels, fronto-sous-corticaux ont été identifiés (Alexander et al., 1986). Ces réseaux structurels impliquent des régions distinctes du cortex préfrontal, mais également du thalamus et des ganglions de la base (figure 8). Deux de ces circuits intéressent le contrôle moteur et ne seront pas développés dans le cadre de ce travail. Les 3 circuits restants sont impliqués dans les fonctions frontales : 1) le circuit dorsolatéral, 2) le circuit orbitofrontal, et 3) et le circuit cingulaire antérieur/médian (Bonelli, Cummings, et al., 2007). A l’intérieur de chaque circuit, il existe des projections directes et indirectes (Alexander, Crutcher, & DeLong, 1990), ainsi que des afférences et efférences vers d’autres structures corticales, constituant une zone importante d’intégration des informations (Bonelli et al., 2007). Le dysfonctionnement de chacun de ces circuits produit un effet spécifique sur le comportement, suggérant des fonctions différentes aux régions médianes, orbitaires et latérales du CPF. La boucle préfrontale dorsolatérale emprunte la région dorsolatérale des noyaux caudés, dont l’intégrité est nécessaire aux fonctions exécutives. La boucle orbitofrontale, impliquée dans l’adaptation du comportement (intégration des informations viscérales et amygdaliennes sur l’état interne de l’organisme, ainsi que des informations limbiques et émotionnelles), se projetterait sur les parties ventrales des noyaux caudés.

Enfin, la boucle médiane, émanant du cortex cingulaire antérieur, activerait principalement le noyau accumbens (striatum ventral) essentiel aux fonctions motivationnelles (Carmichael & Price, 1996 ; Cummings, 1995).

Table des matières

INTRODUCTION
VALORISATIONS SCIENTIFIQUES
CHAPITRE I – ORGANISATION NEUROANATOMIQUE DES LOBES FRONTAUX
1. Repérages anatomiques
1.1. Phylogénèse et ontogénèse du cortex préfrontal
1.2. Cytoarchitecture frontale
1.3. Anatomie des lobes frontaux
1.4. Repérages du lobe frontal en imagerie à résonance magnétique
1.5. Les connectivités frontales
1.5.1. Connectivités corticales
1.5.2. Connectivités sous-corticales
2. Modélisation neuroanatomique des lobes frontaux de Stuss (2007, 2011)
2.1. Circuit médian et énergisation : contrôle motivationnel
2.2. Circuit dorsolatéral et contrôle exécutif cognitif
2.3. Circuit orbitofrontal et autorégulation du comportement et des émotions
2.4. Cortex polaire et métacognition
CHAPITRE II – LA COGNITION DANS LA MALADIE D’ALZHEIMER
1. Du vieillissement cognitif normal à la maladie d’Alzheimer
1.1. Le vieillissement cognitif normal
1.2. Le vieillissement cognitif pathologique : la maladie d’Alzheimer
1.2.1. La plainte cognitive subjective
1.2.2. Le trouble neurocognitif
1.2.3. La sévérité des troubles neurocognitifs
1.2.4. Les activités de la vie quotidienne
2. La sémiologie cognitive
2.1. Profil cognitif dans la forme typique
2.2. Dysfonctionnement exécutif cognitif et comportemental, perturbations socioémotionnelles dans la maladie d’Alzheimer
3. Les fonctions frontales dans la maladie d’Alzheimer
3.1. Circuit médian, énergisation et contrôle motivationnel
3.1.1. Apathie et énergisation
3.1.2. Fluence verbale et énergisation
3.2. Circuit dorsolatéral et contrôle cognitif
3.3. Circuit orbitofrontal et autorégulation comportementale/émotionnelle
3.3.1. Maladie d’Alzheimer et prise de décision
3.3.2. Maladie d’Alzheimer et reconnaissance des émotions
3.4. Cortex polaire et théorie de l’esprit
3.4.1. Inférer les émotions, les intentions ou encore les croyances d’autrui dans la maladie d’Alzheimer
3.4.2. Théorie de l’esprit affective et cognitive, fausses croyances
3.5. Synthèse
CHAPITRE III – PROBLEMATIQUE, OBJECTIFS ET METHODOLOGIE
1. La problématique du vieillissement exécutif
2. Objectifs et hypothèses
3. Méthodologie générale
3.1. Participants
3.2. Quelle évaluation cognitive ?
3.2.1. Evaluation neurocognitive globale : efficience globale, autonomie et sphère thymique
3.2.2. Evaluation des lobes frontaux selon la modélisation neuroanatomique de Stuss
3.2.3. Evaluation des interactions communicationnelles
3.3. Procédure
3.4. Cadre éthique de la recherche
CHAPITRE IV – ETUDE DU FONCTIONNEMENT FRONTAL DANS LE VIEILLISSEMENT NORMAL ET DANS LA MALADIE D’ALZHEIMER VALORISATIONS SCIENTIFIQUES
1. Etude des fonctions exécutives
1.1. Méthode
1.2. Présentation des épreuves mobilisant les fonctions exécutives
1.2.1. Le test du zoo
1.2.2. La batterie rapide d’efficience frontale
1.3. Résultats
1.3.1. Dans le vieillissement normal : comparaisons sujets jeunes et âgés
1.3.2. Dans la maladie d’Alzheimer : comparaisons sujets âgés sains et atteints de maladie d’Alzheimer
2. Etude de l’autorégulation comportementale/émotionnelle
2.1. Méthode
2.2. Présentation des épreuves mobilisant l’autorégulation du comportement/émotion
2.2.1. La reconnaissance des émotions faciales de base
2.2.2. Le test de renversement/extinction
2.2.3. Le test des deux carrés
2.3. Résultats
2.3.1. Dans le vieillissement normal : comparaisons sujets jeunes et âgés
a) Comparaisons intragroupes : présence d’un effet de complexité sur les émotions faciales
b) L’effet de l’âge sur les émotions faciales et la régulation comportementale
2.3.2. Dans la maladie d’Alzheimer : comparaisons sujets âgés sains et atteints de maladie d’Alzheimer
3. Etude de l’énergisation
3.1. Méthode
3.2. Présentation des épreuves mobilisant l’énergisation
3.2.1. Temps de réaction simple
3.2.2. Fluence (lettres FAS)
3.2.3. Echelle d’apathie
3.3. Résultats
3.3.1. Dans le vieillissement normal : comparaisons sujets jeunes et âgés
3.3.2. Dans la maladie d’Alzheimer : comparaisons sujets âgés sains et atteints de maladie d’Alzheimer
4. Etude de la théorie de l’esprit
4.1. Méthode
4.2. Présentation des épreuves mobilisant la théorie de l’esprit
4.2.1. Le face eye test
4.2.2. Le test des attributions d’intentions
4.2.3. Le test des faux Pas
4.3. Résultats
4.3.1. Dans le vieillissement normal : comparaisons sujets jeunes et âgés
a) Comparaisons intergroupes
a) Analyse corrélationnelle des performances en théorie de l’esprit des personnes âgées
4.3.2. Dans la maladie d’Alzheimer : comparaisons sujets âgés sains et atteints de maladie d’Alzheimer
5. Synthèse des résultats
5.1. Comparaisons sujets jeunes et sujets âgés
5.2. Compaisons sujets âgés et avec maladie d’Alzheimer
6. Etude des fonctions frontales dans le vieillissement cognitif normal et pathologique
6.1. Méthode
6.2. Résultats
6.2.1. Kruskall-Wallis
6.2.2. Analyse a posteriori au test de Mann-Whitney
6.2.3. Synthèse des résultats dans le vieillissement normal et dans la maladie d’Alzheimer
6.3. Synthèse des résultats
CHAPITRE V – FONCTIONNEMENT FRONTAL, TROUBLES NEUROCOGNITIFS ET AUTONOMIE DANS LA MALADIE D’ALZHEIMER VALORISATIONS SCIENTIFIQUES
1. Les troubles neurocognitifs dans la maladie d’Alzheimer : Diagnostic et symptomatologie clinique
1.1. Introduction
1.2. Problématique et objectifs
1.3. Méthodologie
1.3.1. Participants
1.3.2. Evaluation de l’efficience cognitive globale
1.3.3. Evaluation de l’autonomie
1.3.4. Analyse statistique
1.4. Résultats
1.4.1. Effet de l’âge sur la mesure de l’efficience globale
1.4.2. Effet de la maladie d’Alzheimer sur la mesure de l’efficience globale
1.4.3. Effet de la maladie d’Alzheimer sur la mesure de l’autonomie
1.4.4. Des marqueurs cliniques propres à la sémiologie Alzheimer
1.5. Discussion
1.6. Conclusion
2. Troubles neurocognitifs, efficience globale et fonctionnement frontal dans la maladie d’Alzheimer
2.1. Méthode
2.2. Fonctions frontales et MoCA : résultats
2.2.1. Contrôle exécutif
2.2.2. Autorégulation du comportement et des émotions
2.2.3. Contrôle motivationnel
2.2.4. Théorie de l’esprit
2.3. Synthèse des résultats obtenus
3. Impact des fonctions frontales sur les activités de la vie quotidienne dans la maladie d’Alzheimer
3.1. Introduction
3.2. Problématique
3.3. Méthode
3.3.1. Participants
3.3.2. L’évaluation neurocognitive
3.3.3. Analyse statistique
3.4. Résultats
3.4.1. Comparaisons intergroupes sujets âgés et patients avec maladie d’Alzheimer
3.4.2. Analyse corrélationnelle dans la maladie d’Alzheimer
3.5. Discussion
CONCLUSION

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