Multimodal investigation of the Parietal Operculum and its role in tinnitus perception.
Exploration multimodale de l'Operculum Pariétal et de son rôle dans la perception d'acouphènes
Résumé
Tinnitus, the subjective experience of sound outside any external auditory stimulus, is a recognised public health issue, with a 15% prevalence, a high diversity of causes and manifestations, and the potential for severe quality of life impairment. Neuroscientists and clinicians are faced with the challenge of distinguishing tinnitus perception from its associated distress, which is the main target of current treatment options. It is now well established that tinnitus perception involves dysfunctional cerebral activity patterns within and beyond the auditory pathway: tinnitus is increasingly viewed as a complex brain network disorder. Recent findings have linked tinnitus perception of acoustic trauma origin to middle ear dysfunction and identified the parietal operculum, and in particular, its third subdivision (OP3) as determined by cytoarchitectonic findings, as the central representation of this dysfunction.In this thesis, we question the role of OP3 as a potential key region in a cortical network underlying noise-induced tinnitus. First, we explored non-invasive MRI connectivity measures, and then we strove to verify these findings using invasive high spatiotemporal resolution sEEG, and to obtain a direct signature of noise-induced tinnitus in OP3.To examine the role of OP3 as part of a functional brain network, while limiting the heterogeneity and distress-related biases, we focused specifically on a homogenous group of non-bothersome tinnitus participants and conducted a seed-based resting-state fMRI connectivity analysis. The results from this study highlighted a specific connection between OP3 and a dorsal prefrontal region, suggesting the involvement of top-down cognitive control mechanisms in tinnitus, as further discussed in an article published in Brain Connectivity. To establish the position of OP3 within a structural network, and the influence of tinnitus perception on it, we used diffusion MRI and tractography in a bundle-specific approach. We highlighted tinnitus-related differences in white matter tract density along the uncinate fascicle and the inferior fronto-occipital fascicle, evocative of both dorsal and ventral stream alterations, as documented in an article published in NeuroImage: Clinical.The second aim of this thesis was to obtain a form of ground truth evidence of tinnitus perception, thus moving to a higher spectro-temporal scale while preserving spatial resolution. This was provided by using intracranial recordings in three different frameworks. First, we examined the cortico-cortical connectivity of OP3 evoked by low-frequency stimulation as provided by the F-TRACT database. This analysis was published as part of a review article on OP3 with a focus on tinnitus, in Brain Sciences. Then, we questioned the specificities of erroneous sound perceptions separated into hallucinations, resembling tinnitus, and illusions. Here, OP3 was found to be part of both an illusion and a hallucination network of high-frequency modulations, however, hallucinations were found to present a specific involvement of the limbic system. These results, interesting from the point of view of epilepsy, tinnitus, and schizophrenia who share fantom auditory percept semiology, were submitted as a publication in Neurology. Finally, we proposed a pseudo-tinnitus paradigm to provide verification of the main hypothesis of this thesis. Preliminary results provide evidence of the involvement of OP3 in the perception of the percussive stimulus, which is proposed to originate not from the sound processing stream, but from the somatosensory stream of the middle ear. This protocol is ongoing and has received support from the Fondation pour l'Audition to be continued for another year.Taken together, this thesis supports the view that OP3 plays a significant role in tinnitus as part of the network dealing with tinnitus-related somatosensory disturbances, and validates OP3 as a relevant neuromodulation target for tinnitus treatment.
Les acouphènes sont une perception sonore fantôme, touchant 15 % de la population avec des causes et des manifestations hautement variables. Les acouphènes sévères sont une grande source de détresse pour 0,5 à 2 % de la population pour qui il n’existe pas à ce jour de traitement efficace : il s’agit donc d’un enjeu majeur de santé publique. Les études s’accordent sur le fait que les acouphènes résultent d’un dysfonctionnement complexe, impliquant des régions cérébrales au sein et en dehors de la voie auditive, organisées en réseau. Parmi les régions de ce réseau, l’operculum pariétal, et en particulier sa 3e division OP3, une région clé d’intégration de la voie somatosensorielle, a été trouvée impliquée dans les acouphènes survenant après un traumatisme sonore.L’objectif de cette thèse est de préciser le rôle de l’OP3 au sein d’un réseau cérébral des acouphènes liés au bruit, d’abord par des moyens non-invasifs en IRM, puis en exploration invasive par stéréo-encéphalographie.Afin d’examiner le réseau cérébral fonctionnel lié aux acouphènes et le rôle d’OP3 dans ce réseau, nous avons réalisé en IRMf de repos une analyse par région d’intérêts, en nous focalisant sur des acouphènes non-invalidants et de même étiologie, afin de limiter les biais liés à l’hétérogénéité des participants. Dans cette étude publiée dans Brain Connectivity, nous démontrons une connectivité spécifique des acouphènes entre OP3 et une région dorso-préfrontale, qui souligne une implication des régions de la voie auditive dorsale d’intégration multisensorielle et motrice. Dans un second temps, nous avons cherché à évaluer l’impact des acouphènes sur la connectivité structurelle du cerveau grâce à l’analyse d’images d’IRM de diffusion. Dans cette approche, nous avons comparé les faisceaux de fibres entre les acouphènes et contrôles. Nos résultats, publiés dans NeuroImage: Clinical, mettent en évidence une différence de densité dans le faisceau unciné, qui sous-tend la voie auditive ventrale, ainsi que dans le faisceau inferieur fronto-occipital, qui suggère, comme en IRMf, une implication de la voie dorsale.Afin de vérifier ces résultats tout en bénéficiant d’informations temporelles et spectrales, nous nous sommes intéressés à la connectivité intracorticale de l’OP3 issue des données de l’atlas F-TRACT obtenu par stimulation cérébrale à 1Hz chez des patients implantés pour le traitement de l’épilepsie. Cette analyse a été intégrée dans une revue de la littérature sur la caractérisation d’OP3 dans le cadre des acouphènes pour Brain Sciences. Par ailleurs, nous avons analysé chez 50 patients stimulés à 50Hz et présentant des symptômes auditifs induits, les réseaux cérébraux impliqués dans les hallucinations, ou des perceptions sans source extérieure, et les illusions, ou des perceptions déformées d’une source sonore existante. Cette analyse, proposée comme publication dans Neurology, démontre l’implication d’OP3 dans ces deux perceptions auditives erronées, et met en évidence un rôle spécifique du système limbique dans les hallucinations. Enfin, dans une étude en cours ayant reçu le soutien de la Fondation pour l’Audition pour continuer encore une année, nous avons cherché à valider l’implication d’OP3 dans une perception de pseudo-acouphène générée par des impulsions sonores répétées. Ce protocole nous permettra de préciser la signature neuronale liée aux acouphènes dans OP3. Les résultats préliminaires nous permettent déjà de constater une activation significative de OP3 durant l’écoute des stimuli, ce qui suggère une implication somatosensorielle dans l’écoute d’un signal rythmé, par la voie proprioceptive de l’oreille moyenne.Cette thèse nous a permis d’explorer OP3 sous des angles complémentaires, et d’atteindre la conclusion que cette région pourtant non-auditive, constitue une cible pertinente dans les approches de traitement par stimulation cérébrale.
Origine : Version validée par le jury (STAR)