Abstract :
[en] Patients with chronic disorders of consciousness make a challenging population. On the clinical side, establishing an accurate diagnosis is arduous, as the signs of consciousness can be subtle, or even undetectable behaviourally. Both the families and the caregivers need truthful information to make tough decisions about the patient’s management. Transcranial magnetic stimulation, coupled with high-density electroencephalography, is a promising technique to improve our diagnostic ability. The perturbational complexity index derived from this technique is able to distinguish between unconscious and conscious conditions. Its specificity remains to be determined. On the scientific side, the long-standing quest to discover the neural correlates of consciousness is still ongoing. Patients with disorders of consciousness have structural brain damage, and several areas may lose their ability to causally interact in complex patterns with long distance structure. The relation between this ability and structural integrity remains undetermined, despite a vast amount of neuroimaging studies on several networks and connectivities in this population.
Our objectives are i) to cross-validate the perturbational complexity index with other neuroimaging techniques, and to determine its specificity, and ii) to determine the relation between global structural integrity and the brain global ability to sustain complex long-range interactions.
To do so, we first combined transcranial magnetic stimulation with fluoro-deoxyglucose positron emission tomography, a validated technique studying the brain metabolism, in a population of patients behaviourally characterized by repeated assessments with the gold standard scale, the coma recovery scale – revised. To meet our second objective, we computed and compared the perturbational complexity index and the global fractional anisotropy, a magnetic resonance imaging marker of structural integrity, in patients and in healthy subjects.
We found an excellent congruence between electrophysiological and metabolic results in our first study, even in behaviourally unconscious patients showing indirect signs of consciousness. In our second study, we demonstrated that structural integrity largely correlated with the perturbational complexity index, and did not depend on the time since onset or the aetiology.
This confirms the diagnostic value of transcranial magnetic stimulation and the perturbational complexity index. It is not only sensitive at the single subject level, but also highly specific. It can detect covert signs of consciousness, as confirmed by other neuroimaging techniques. As such, it could be integrated in diagnostic algorithms and improve their accuracy, leading to better management of these patients. Moreover, the brain’s ability to sustain complex long-range interactions is highly dependant on the global structural integrity. By looking further in detail at the local correlation between these two parameters, our understanding of the emergence of consciousness from fixed structure with variable connectivity would improve. This would be one step forward in the quest for the neural correlates of consciousness.
[fr] Les patients souffrant d’une altération chronique de la conscience constituent une population difficile mais motivante. Du point de vue clinique, établir un diagnostic précis est compliqué, car les signes de conscience peuvent être subtils, voire indétectables comportementalement. Tant les familles que les soignants ont besoin d’informations fiables pour prendre des décisions difficiles au sujet de la prise en charge du patient. La stimulation magnétique transcrânienne couplée à l’électroencéphalographie à haute densité est une technique qui pourrait améliorer notre précision diagnostique. L’index de complexité perturbationelle dérivé de cette technique est capable de distinguer les sujets conscients et inconscients. Sa spécificité n’est pas encore démontrée. Du point de vue scientifique, la longue recherche des corrélats neurophysiologiques de la conscience est toujours en cours. Les patients avec une altération de la conscience ont des lésions cérébrales, et différentes aires peuvent perdre leur capacité d’interagir de façon complexe avec des structures distantes. La relation entre cette capacité et l’intégrité structurelle du cerveau n’est pas connue, malgré de très nombreuses études en neuroimagerie sur différents réseaux et leur connectivité.
Nos objectifs sont i) de valider l’index de complexité perturbationelle avec d’autres techniques de neuroimagerie, et d’en déterminer la spécificité, et ii) d’établir la relation entre l’intégrité structurelle globale et la capacité du cerveau à entretenir des interactions complexes et de longue distance.
Pour ce faire, nous avons d’abord associé la stimulation magnétique transcrânienne avec la tomographie à émission de positrons au glucose marqué, une technique validée d’étude du métabolisme cérébral, chez des patients bien caractérisés comportementalement par l’administration répétée d’une échelle validée, l’échelle « coma recovery scale – revised ». Afin de rencontrer notre second objectif, nous avons calculé et comparé l’index de complexité perturbationelle et la fraction d’anisotropie globale, un marqueur d’intégrité structurelle dérivé de l’imagerie par résonnance magnétique, chez des patients et des sujets sains.
Nous avons trouvé une excellente concordance entre les données électrophysiologiques et métaboliques dans notre première étude, et ce même chez les patients comportementalement inconscients démontrant des signes indirects de conscience. Dans notre seconde étude, nous avons démontré que l’intégrité structurelle était largement corrélée avec l’index de complexité perturbationelle, et que cette interaction ne dépendait pas du temps écoulé depuis le coma, ou de son étiologie.
Ces résultats confirment la valeur de la stimulation magnétique transcrânienne comme outil diagnostic, ainsi que de l’index de complexité perturbationelle. Il est en effet non seulement sensible au niveau individuel, mais également hautement spécifique. Il est capable de détecter des signes indirects de conscience, comme confirmé par d’autres techniques de neuroimagerie. Dès lors, il pourrait être intégré dans les algorithmes diagnostiques et améliorer leur précision, menant à une meilleure prise en charge de ces patients. De plus, la capacité du cerveau de soutenir des interactions complexes et distantes est hautement dépendante de l’intégrité structurelle globale. En étudiant plus en détail la corrélation locale entre ces deux paramètres, notre compréhension de l’émergence de la conscience depuis une structure fixe mais avec une connectivité fonctionnelle variable en serait grandie. Ce serait un pas supplémentaire dans notre connaissance des corrélats neurophysiologiques de la conscience.
