Syndrome dysexécutif cognitif
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Article de synthèse Rev Neuropsychol 2009 ; 1 (1) : 34-41 Syndrome dysexécutif cognitif : un déficit de l’administrateur de la mémoire de travail ? Copyright © 2017 John Libbey Eurotext. Téléchargé par un robot venant de 88.99.165.207 le 25/05/2017. The cognitive dysexecutive syndrome: an impairment of the central executive of working memory? Richard Lévy Service de neurologie, Hôpital Saint-Antoine, Paris ; et Inserm U610, Hôpital de la Pitié-Salpêtrière, Paris <[email protected]> Le syndrome dysexécutif cognitif est secondaire à l’altération des processus cognitifs permettant d’élaborer et de contrôler volontairement les comportements dirigés vers un but. Ces processus cognitifs regroupent de nombreuses macrofonctions (planification, raisonnement, découverte de règles, etc.), reposant elles-mêmes sur des opérations élémentaires appartenant à la mémoire de travail. La conception psychologique de la mémoire de travail isole les systèmes de maintien de l’information en mémoire à court terme (les systèmes tampons) du système de gestion exécutive (l’administrateur central), manipulant et utilisant l’information maintenue en représentation mentale. Ce modèle psychologique a une pertinence anatomo-fonctionnelle, car il permet de dissocier les fonctions des cortex associatifs rétrorolandiques, indispensables pour le maintien en mémoire à court terme, du cortex préfrontal latéral dont les fonctions se superposent grandement à l’administrateur central de la mémoire de travail. Toutefois, si le syndrome dysexécutif cognitif correspond le plus souvent à une altération de l’administrateur central (terme qui tend progressivement à être remplacé par celui de « contrôle cognitif »), luimême secondaire à un dysfonctionnement préfrontal, une vision connexionniste et interactive des fonctions cérébrales suppose que l’intégrité des fonctions exécutives dépend d’un réseau plus vaste, incluant les cortex associatifs rétrorolandiques, le cortex frontal orbitaire et médian et les ganglions de la base. Résumé Mots clés : cortex préfrontal • contrôle cognitif • fonctions exécutives • IRMf Abstract 34 REVUE DE NEUROPSYCHOLOGIE NEUROSCIENCES COGNITIVES ET CLINIQUES doi: 10.1684/nrp.2009.0005 Correspondance : R. Lévy The cognitive dysexecutive syndrome is secondary to the impairment of the cognitive processes required to voluntary elaborate and control goal-directed behaviors. Planning, reasoning, rule finding, abstraction are some of the cognitive processes gathered under the concept of executive functions. They rely on more elementary operations that typically belong to working memory. According to the classical Baddeley’s psychological model, working memory is composed of buffer systems that maintain information in short-term memory and of a central executive module, essential to manipulate mental representations to prepare the forthcoming voluntary action. This psychological model is of interest for clinicians and neuroscientists because it can be related to a relevant anatomical-functional dissociation between retro-rolandic association cortices and the dorsolateral prefrontal cortex. Indeed, a large set of data, mostly from the monkeys and from imaging studies in human, supports the idea that the retro-rolandic association areas are involved in the short-term maintenance of information. In these posterior cortical brain regions, maintenance is topographically organized according to the domain of the material maintained Article de synthèse in working memory (visuospatial, objects features, verbal…). The dorsolateral prefrontal cortex is mostly involved in the central executive (or according to a more recent naming, the “cognitive control”). How the dorsolateral prefrontal cortex is organized to support its functions is still a matter of debate. Eventually, it is important to keep in mind, in a modern and connexionnist conception of brain functions, that a vast neural network (including retro-rolandic association cortices, orbital-medial prefrontal cortex and the basal ganglia) is essential to support executive functions and cognitive control. Copyright © 2017 John Libbey Eurotext. Téléchargé par un robot venant de 88.99.165.207 le 25/05/2017. Key words: prefrontal cortex • executive functions • cognitive control • functional imaging studies L’ adaptation de l’homme à son environnement nécessite l’apprentissage de règles physiques et sociales bien établies (« si je m’approche du feu, je me brûle. J’évite donc de m’en approcher »…). Ces règles de base sont nécessaires pour la survie, le maintien de l’homéostasie et la régulation minimale des comportements sociaux. Ces règles rigides reposent sur l’apprentissage associatif entre une connaissance ou un comportement et son résultat invariant. Ces connaissances, certes indispensables, demeurent insuffisantes pour l’adaptation pleine de l’individu au monde complexe et mouvant dans lequel nous évoluons. L’adaptation à des situations nouvelles ou suffisamment complexes nous oblige à établir des comportements régis par la mise en jeu de stratégies inédites et planifiées, se dégageant des comportements automatiques, réflexifs et routiniers. La flexibilité mentale, la résistance aux interférences, le partage des ressources attentionnelles, la découverte et l’apprentissage de nouvelles règles, la planification, le raisonnement, les stratégies pour réactiver les traces mnésiques, la conceptualisation et l’abstraction sont quelques-unes des fonctions mentales engagées dans les processus adaptatifs face à un monde en mouvement permanent et aux règles complexes. Elles appartiennent classiquement aux fonctions exécutives. Dans un sens restrictif, les fonctions exécutives sont l’ensemble des opérations mentales requises pour la réalisation d’une tâche cognitive complexe. Selon Miyake et al. [1], elles sont organisées autour de trois fonctions mentales plus élémentaires : la manipulation et l’actualisation des représentations mentales, le renversement de règles préétablies et l’inhibition des réponses réflexives. Dans un sens plus large, les fonctions exécutives peuvent être définies par l’ensemble des fonctions mentales impliquées dans l’élaboration et le contrôle de comportements volontaires, dirigés vers un but [2]. En d’autres termes, toutes les opérations mentales concourant à la réalisation volontaire de l’action font partie des fonctions exécutives. Il est donc possible d’y inclure toutes les fonctions mentales permettant de créer le but et d’impulser le besoin d’agir (il s’agit des fonctions de volition incluant les traitements affectifs poussant à agir comme la prise en compte des renforcements positifs et négatifs potentiels), toutes les fonctions nécessaires à élaborer le plan d’action, une fois le but choisi (il s’agit des étapes cognitives de construction de l’action), des étapes de préparation motrice et d’exécution de l’action volontaire et des processus nécessaires de rétrocontrôles cognitif et affectif permettant de vérifier si le comportement en cours est valide ou s’il doit être modifié [3]. Ainsi, le syndrome dysexécutif peut être d’ordre cognitif ou socio-affectif. Dans cet article, nous nous limiterons à discuter des bases neuropsychologiques et neurales du versant cognitif du syndrome dysexécutif, c’est-à-dire principalement des opérations mentales permettant de construire un plan d’action dirigé vers un but (nous mettrons de côté le versant affectif ou social des fonctions exécutives). La constitution d’un plan d’action repose sur des opérations élémentaires telles que l’élaboration et le maintien d’un but et de ses étapes intermédiaires, la programmation de la séquence d’actions à effectuer et l’inhibition des actions inappropriées. Certaines de ces opérations élémentaires peuvent être regroupées sous le concept de mémoire de travail. Le concept de mémoire de travail prend sa source dans le champ de la psychologie cognitive sous l’impulsion des travaux d’Atkinson et Shiffrin [4], puis de Baddeley [5]. Une définition de la mémoire de travail, généralement admise par ceux utilisant l’approche expérimentale chez le singe et l’imagerie fonctionnelle chez l’homme, est la suivante : il s’agit d’un ensemble d’opérations mentales permettant le maintien, la manipulation et l’utilisation de représentations internes d’informations provenant du monde extérieur ou du stock mnésique en prévision d’une action [6]. Dans la définition proposée ci-dessus, la mémoire de travail regroupe au moins deux ensembles de processus cognitifs distincts mais interdépendants : la capacité de maintenir à court terme une représentation, et la gestion exécutive, c’est-à-dire l’utilisation mentale en vue de l’action, des informations maintenues en représentation interne. Cette fragmentation de la mémoire de travail recoupe en grande partie le modèle psychologique de Baddeley [5] postulant à l’existence, d’une part, de systèmes « tampons » permettant le stockage sous une forme « active » de l’information et, d’autre part, d’un « administrateur central », gestionnaire allouant les ressources attentionnelles et manipulant l’information maintenue activement en mémoire à court terme. Dans sa finalité, la mémoire de travail est très différente de la mémoire déclarative à long terme, car sa fonction n’est pas dirigée vers le stockage (même s’il s’agit d’une étape obligatoire) mais vers la réalisation d’actions à court terme. Comme le souligne, le REVUE DE NEUROPSYCHOLOGIE NEUROSCIENCES COGNITIVES ET CLINIQUES 35 Article de synthèse Copyright © 2017 John Libbey Eurotext. Téléchargé par un robot venant de 88.99.165.207 le 25/05/2017. psychologue Baddeley [5], elle correspond à une interface entre la mémoire et l’action. L’administrateur central de la mémoire de travail représente un ensemble de processus actif sur les représentations mentales maintenues en mémoire à court terme. Théoriquement, si ce module de la mémoire de travail était altéré, il pourrait entraîner un syndrome dysexécutif d’intensité sévère mais probablement dissocié. En effet, son altération affecterait principalement l’ensemble des fonctions nécessitant la manipulation et l’actualisation des représentations mentales en mémoire de travail. Il s’agit de la planification, du raisonnement déductif, du calcul mental, de l’apprentissage de procédures motrices ou cognitives séquentielles, de l’élaboration de règles basées sur plusieurs paramètres, de la réalisation concomitante de deux tâches cognitives, de la navigation spatiale dans un espace représenté mentalement, de la lecture de textes complexes ou narratifs, etc. Toutefois, d’autres aspects des fonctions exécutives resteraient relativement préservés : il s’agit des capacités de maintien des représentations mentales ne nécessitant pas de réorganisation de l’information (capacités reposant sur les systèmes « tampon »), les renversements de règles, les capacités d’inhibition des actions réflexives, archaïques ou le blocage des stimuli environnementaux potentiellement interférents, les capacités stratégiques permettant d’extraire des zones de stockage la trace mnésique utile à un moment donné. Enfin, si l’on considère que les fonctions exécutives ne sont pas purement cognitives mais aussi sociales et affectives (voir ci-dessus), un déficit de l’administrateur central de la mémoire de travail ne peut rendre compte d’un défaut de prise en compte des conséquences des actions, plutôt explicable par une diminution de la sensibilité au renforcement ou d’un trouble de la cognition sociale souvent dû à un défaut d’empathie, un émoussement affectif ou un trouble de la théorie de l’esprit (partiellement dépendant de l’administrateur central de la mémoire de travail). Au total, un déficit isolé de l’administrateur central rend certainement compte d’une partie importante du syndrome dysexécutif cognitif, mais il ne peut expliquer l’ensemble « cognitif » de ce syndrome et moins encore, le syndrome dysexécutif dans sa globalité si l’on considère qu’il n’est pas impliqué dans la composante affective et sociale des fonctions exécutives. La psychologie expérimentale a permis d’isoler l’administrateur central des autres composantes de la mémoire de travail. La neuropsychologie permet d’aborder la question de la relation entre un concept psychologique et son substrat biologique. Dans le cas précis, existe-t-il une région ou un réseau de régions cérébrales qui, lorsqu’elle ou il est lésé(e), permet de rendre compte d’un déficit isolé de l’administrateur central ? Le réseau cérébral dévolu à la mémoire de travail est vaste et inclus des régions corticales rétrorolandiques, des régions frontales et des structures sous-corticales [6]. Au sein de ce vaste réseau, peut-on attribuer à l’une ou plusieurs structures le rôle spécifique d’administrateur central de la mémoire de travail ? 36 La principale région candidate est la région latérale du cortex préfrontal (CPFL ; Brodmann [BA], 8, 9, 10, 44, 45, 46 et 47) [6-9]. De haut en bas, le CPFL occupe la partie latérale du gyrus frontal supérieur (BA 8/9), le gyrus frontal moyen (BA 9/46), le gyrus frontal inférieur (BA 12/44/45). Sa partie antérieure est représentée par la portion externe du pôle frontal (BA 10). Ses afférences sont principalement les régions associatives rétrorolandiques (les lobes pariétaux et temporaux, y compris les régions internes hippocampiques, entorhinales et parahippocampiques), le CPFL controlatéral, les autres régions frontales et la partie externe (« parvocellulaire ») du noyau dorsomédian du thalamus [6, 7]. Il projette principalement vers les structures motrices du cerveau (les cortex prémoteur et moteur, les ganglions de la base et les noyaux moteurs du tronc cérébral). Il réalise donc une double interface entre, d’une part, les régions d’intégration perceptive et les régions motrices [10] et, d’autre part, entre les régions intégrant le passé (hippocampes et régions associatives stockant les connaissances sémantiques) et celles projetées vers l’action à venir (en particulier, les cortex prémoteurs qui vont programmer la séquence d’actions à venir). Cette double interface est essentielle pour assumer un rôle d’administrateur central. En effet, l’administrateur central doit recevoir un signal « montant » (bottom-up) des régions cérébrales où sont stockées les représentations mentales (les régions associatives rétrorolandiques) et dans le même temps exercer son rôle exécutif (top down) en adressant un signal réciproque vers ces mêmes régions (permettant l’adressage d’une requête ou le filtrage attentionnel des stimuli non pertinents). Dans ce sens, les lésions du CPFL chez l’homme augmentent précocement (20 ms après la stimulation), l’amplitude des potentiels évoqués dans les régions sensorielles postrolandiques en réponse à des stimuli non pertinents, suggérant que le traitement sélectif des informations pertinentes et non pertinentes est sous le contrôle inhibiteur du cortex préfrontal [11]. Enfin, l’interface du CPFL vers des régions telles que le cortex prémoteur, les ganglions de la base et les noyaux moteurs du tronc cérébral lui permet de jouer un rôle essentiel dans la préparation, l’exécution et le contrôle de l’action. Quels sont les arguments expérimentaux ou cliniques permettant de relier le CPFL à l’administrateur central de la mémoire de travail ? Les singes présentant une destruction bilatérale du CPFL ne peuvent effectuer correctement une épreuve appelée la tâche des réponses différées (delayed response task). Dans cette épreuve, l’animal est soumis à un choix de réponse en fonction d’une information présentée quelques secondes plus tôt mais séparée de la réponse par un intervalle de plusieurs secondes appelé « délai », et pendant lequel l’information n’est plus présente. Ainsi, ces épreuves découplent la perception de l’information de la réponse en interposant une phase tampon qui a pour but d’obliger l’animal à sélectionner sa réponse sur la base du stimulus maintenu sous la forme d’une représentation interne. De ce fait, au moment de sa réponse, l’animal ne peut pas s’appuyer sur des indices externes REVUE DE NEUROPSYCHOLOGIE NEUROSCIENCES COGNITIVES ET CLINIQUES Copyright © 2017 John Libbey Eurotext. Téléchargé par un robot venant de 88.99.165.207 le 25/05/2017. Article de synthèse guidant son choix au moment de la réponse. Il doit donc utiliser les données présentées avant le délai. Pour réaliser cette tâche, le singe devra alors maintenir une trace (ou représentation interne) de l’information pertinente et préparer mentalement l’action à venir. Il s’agit donc de tâches « prototypiques » de mémoire de travail. Après une lésion bilatérale du CPFL, le déficit est tellement sévère que le comportement du singe paraît dicté par le hasard [12-16]. Plus précisément, au sein du CPFL, des lésions circonscrites à sa partie moyenne, c’est-à-dire au cortex préfrontal dorsolatéral englobant un sillon cortical, le sillon principal, suffisent à produire un déficit massif [14, 17-21]. En revanche, les lésions d’autres régions corticales associatives (frontales ou plus postérieures) entraînent peu ou pas de déficit à cette épreuve [12, 13, 15, 22]. Il faut bien noter que ces singes frontolésés et présentant un déficit aux épreuves de réponses différées n’ont pas de paralysie motrice ou de troubles sensoriels primaires pouvant expliquer leur difficulté. Enfin, lorsqu’ils effectuent cette épreuve en l’absence de délai, la performance redevient normale, indiquant bien que le déficit est lié à une difficulté à effectuer les opérations mentales mises en jeu pendant le délai, c’est-à-dire la mémoire de travail. Toutefois, les données lésionnelles ci-dessus pourraient suggérer, du moins chez le primate non humain, que le rôle du CPFL est au moins aussi important pour le maintien en mémoire à court terme que pour l’administrateur central. En effet, dans les réponses spatiales différées, le choix se fait entre deux stimuli. Pour répondre correctement, il suffit donc de maintenir active la représentation du stimulus pertinent pendant le délai. Aucune manipulation de l’information n’est utile. Ainsi, les lésions du CPFL chez le macaque rhésus induisent un déficit qui peut être expliqué par un défaut de maintien de l’information en mémoire à court terme sans faire intervenir l’administrateur central [20]. Néanmoins, les données issues de l’enregistrement unitaire de neurones du CPFL chez le singe pendant le délai des réponses différées ont permis de mettre en évidence des activités neuronales en relation avec diverses opérations élémentaires typiquement dépendantes de l’administrateur central. Outre les activités associées au maintien pendant quelques secondes de l’information présentée sous la forme d’une représentation mentale, suggérant que le CPFL intervient dans le stockage en mémoire à court terme (quelques secondes) [6, 7, 23], d’autres activités sont en relation avec la préparation de l’action à venir [24, 25], l’inhibition d’une action réflexive ou d’une information non pertinente [24], au codage temporel d’un stimulus dans une séquence [26] et à la sélection parmi plusieurs réponses plausibles, suggérant leur implication dans la construction de règles comportementales complexes [27]. Au total, chez le primate non humain, il semble que le CPFL joue un rôle essentiel pour le maintien en mémoire à court terme, mais qu’il possède aussi, en termes d’activité neurale, l’ensemble des outils permettant d’effectuer les fonctions d’administrateur central. Ainsi, en suivant Goldman-Rakic [28], le CPFL combinerait les fonctions d’administrateur central et des systèmes tampons du modèle de mémoire de travail de Baddeley. Néanmoins, les activations du CPFL observées lorsque le singe doit maintenir « passivement » l’information en mémoire à court terme ne signifient pas nécessairement que le maintien s’effectue dans le CPFL. En effet, le CPFL est connecté de façon réciproque par des boucles réverbérantes aux cortex associatifs rétrorolandiques, et il peut envoyer vers ces régions un signal tonique durable permettant le maintien à disposition de la représentation mentale (sans transfert représentationnel vers le CPFL). Plusieurs arguments plaident dans ce sens. Tout d’abord, lors des tâches différées, des co-activations, en tout point identiques à celles observées dans les neurones du CPFL, sont observées dans le cortex pariétal postérieur et le cortex temporal inférieur avec lesquels le CPFL entretient des relations anatomiques réciproques [29-34]. Ces observations indiquent que la mémorisation à court terme est aussi effectuée dans d’autres régions corticales en relations anatomiques directes avec le CPFL. De façon intéressante, Miller et Desimone [35] ont comparé les profils d’activité des neurones dans deux régions dans lesquelles les neurones ont la capacité de maintenir une activité soutenue pendant la phase de délai de tâches à réponses différées : le cortex inférotemporal et le CPFL. Dans cette expérience, les singes voyaient défiler une série de stimuli visuels séparés les uns des autres par un bref délai. Ils avaient pour consigne de relâcher un levier de pression quand un stimulus cible réapparaissait à l’écran. Ce stimulus cible ne réapparaissait qu’après la présentation de plusieurs stimuli interférents. Des neurones activés par le stimulus cible et maintenant leur activité de façon soutenue pendant le délai étaient détectés dans le cortex inférotemporal et le CPFL. Toutefois, dans le CPFL, cette activité se maintenait jusqu’à la réapparition du stimulus cible (et par conséquent jusqu’à la réponse comportementale), tandis que dans le cortex inférotemporal l’activité cédait dès l’apparition du stimulus suivant. Ces données suggèrent donc que dans le CPFL, l’activité de maintien est dirigée vers la réponse comportementale, et qu’il ne s’agit pas uniquement d’une activité liée à la mémorisation per se. Chez l’homme, en imagerie fonctionnelle, Paulesu et al. [36] ont montré que l’un des systèmes tampon de la mémoire de travail, la boucle phonologique, était organisé entre l’aire de Broca et une région du cortex pariétal postérieur gauche, le gyrus supramarginal (BA 40). Cette dernière région étant impliquée dans le maintien passif du matériel verbal (phonological buffer), tandis que l’aire de Broca alimente activement ce système passif de maintien à court terme par la répétition sous-vocale. Ces données expérimentales sont renforcées par la clinique. En effet, une forme clinique de la maladie d’Alzheimer à début postérieur, appelée aphasie progressive logopénique ou phonologique [37], commençant par l’atteinte symptomatique du lobule pariétal postérieur gauche se manifeste initialement par un trouble majeur de la boucle phonologique altérant les capacités de maintien en mémoire de travail verbale et se répercutant sur les capacités de compréhension et de REVUE DE NEUROPSYCHOLOGIE NEUROSCIENCES COGNITIVES ET CLINIQUES 37 Copyright © 2017 John Libbey Eurotext. Téléchargé par un robot venant de 88.99.165.207 le 25/05/2017. Article de synthèse répétition de mots longs (c’est-à-dire comprenant un nombre important de syllabes). Ainsi, même si le CPFL intervient dans le maintien simple de l’information en mémoire de travail, son rôle critique pourrait se trouver ailleurs, en particulier dans les tâches de gestion exécutive (ou d’administrateur central). En particulier, un des rôles principaux résiderait dans l’utilisation des représentations mentales pour préparer l’action volontaire à venir. Plusieurs études d’imagerie fonctionnelle chez l’homme sain ont montré des activations significativement plus importantes dans le CPFL au cours de tâches nécessitant une préparation plus intense de l’action à venir (telle qu’une version automatisée de l’épreuve de la « Tour de Londres ») par comparaison à des épreuves dans lesquelles seul le maintien « passif » en mémoire de travail était requis [38-40]. Dans le même ordre d’idée, dans notre laboratoire, nous avons montré en IRMf à l’aide de tâches dérivées des réponses différées chez le singe (les épreuves dites de « séquences spatiales mémorisées » et de « double délai ») que l’activation du CPFL dépend au premier chef de l’utilisation mentale de l’information maintenue en représentation mentale pour préparer l’action à venir et peu ou pas du simple maintien en mémoire de travail [41, 42]. Le simple maintien en mémoire à court terme n’active pas le CPFL. En revanche, lorsque le maintien en mémoire de travail requiert la mise en jeu de stratégies exécutives comme le classement temporel, alors le CPFL est activé [42]. Au total, l’ensemble de ces travaux souligne l’implication de la région latérale du CPF dans la gestion exécutive (manipulation et préparation) d’un comportement élaboré. Quelle est l’organisation anatomo-fonctionnelle du CPFL pour mettre en place ses fonctions d’administrateur central de la mémoire de travail ? Les travaux chez l’animal et l’homme suggèrent qu’il existe, parallèlement à l’organisation modulaire cognitive décrite par Baddeley, une organisation modulaire anatomique de la mémoire de travail, dans laquelle différentes régions cérébrales sont impliquées, plus ou moins spécifiquement, dans un ou plusieurs des processus cognitifs décrits dans le modèle de Baddeley. Deux axes principaux de différenciation du rôle de ces différentes régions dans la mémoire de travail guident les études anatomo-fonctionnelles. Premièrement, une différenciation en fonction du domaine de l’information traitée (par exemple spatial, verbal ou figuratif dans la modalité visuelle) ; secondairement, une différenciation en fonction des processus cognitifs impliqués par la tâche étudiée (par exemple, opération de stockage à court terme, de comparaison ou de manipulation active des informations en mémoire de travail). L’organisation du cortex rétro-rolandique fait apparaître une ségrégation fonctionnelle principalement domainedépendante. La mémoire de travail visuo-verbale impliquerait principalement le cortex pariétal inférieur gauche (gyrus supramarginal gauche) [36, 43, 44]. La mémoire de travail visuo-spatiale paraît impliquer de façon prédominante le cortex pariétal droit [43, 45, 46]. Plus précisément, les cortex pariétaux droits inférieur (gyrus supramarginal, BA 40) 38 et supérieur (BA 7) paraissent le plus souvent impliqués dans les tâches de mémoire de travail visuo-spatiale [47]. Quant à la mémoire de travail visuelle non spatiale (stimuli de type objets ou images abstraites, visages), elle ferait intervenir de façon prédominante le cortex pariétal postérieur gauche mais aussi le cortex temporal inférieur gauche [47, 48]. Ainsi, en modalité visuelle, il semble exister une ségrégation domaine-dépendante épousant la dissociation dorsoventrale décrite par Mishkin et Ungerleider dans le traitement des informations visuelles par le cortex rétrorolandique [49]. La latéralisation interhémisphérique suggérée par certaines de ces études n’est évidemment pas absolue, apparaissant principalement lorsque l’on compare directement les domaines verbal et spatial entre eux. Le rôle du cortex pariétal gauche (gyrus supramarginal) a été spécifiquement étudié en mémoire de travail verbale [36, 44, 47]. Cette région semble impliquée dans le stockage passif des informations verbales. Le cortex pariétal supérieur droit serait impliqué dans la récapitulation des informations spatiales, impliquant des déplacements d’attention spatiale focale [47, 50-52], en particulier dans le stockage passif à court terme [47, 48]. Les régions rétrorolandiques semblent donc suivre une organisation en fonction du domaine de l’information visuelle traitée et être impliquées plus spécifiquement dans les processus de maintien en mémoire à court terme en mémoire de travail. En avant du sillon rolandique, les modèles actuellement proposés d’organisation anatomique et fonctionnelle du CPFL suggèrent que celui-ci peut aussi être divisé en sousrégions selon la nature des processus cognitifs mis en jeu. Plusieurs modèles sont proposés à partir des données expérimentales : • les travaux de Fuster [7, 53] et plus récemment de Miller et al. [54-56] chez le singe et de D’Esposito et al. chez l’homme [57] plaident pour un rôle d’intégration supramodale du CPFL dont la fonction serait dirigée vers les aspects les plus exécutifs de la mémoire de travail. Dans ce modèle, le CPFL n’est pas divisible en plusieurs sous-régions effectuant un traitement différent sur l’information maintenue en mémoire de travail. Au contraire, cette fonction de gestion des ressources mentales nécessite l’intégration d’informations de nature sensorielle multiple ; • pour Petrides et Owen, le CPFL est organisé en deux sousrégions (inférieure et supérieure) différentes pour la nature des opérations effectuées en mémoire de travail [58-61]. Dans ce modèle à « deux étages », la région supérieure (BA 9 et la partie supérieure de BA 46) est impliquée dans la manipulation et la gestion séquentielle des informations maintenues en mémoire de travail. La région inférieure (BA 12/45/47 et la partie inférieure de BA 46) assurerait le maintien en mémoire de travail et la réalisation de comportement nécessitant peu ou pas de manipulation mentale (par exemple, juger si une information maintenue en mémoire de travail doit être manipulée ou non) ; • Goldman-Rakic et al. soutiennent un modèle différent de ségrégation du CPFL. Dans ce modèle, le CPFL est subdivisé en modules anatomiques de mémoire de travail diffé- REVUE DE NEUROPSYCHOLOGIE NEUROSCIENCES COGNITIVES ET CLINIQUES Copyright © 2017 John Libbey Eurotext. Téléchargé par un robot venant de 88.99.165.207 le 25/05/2017. Article de synthèse rents entre eux par la nature sensorielle de l’information traitée [6, 20, 21, 28, 62-64]. Par exemple, la région moyenne du CPFL (représentée chez le singe par l’aire 46 de Walker) serait essentielle pour le traitement en mémoire de travail des informations visuelles spatiales, c’est-à-dire le traitement de la position spatiale d’un stimulus visuel quelles que soient ses caractéristiques physiques (forme, couleur, taille, etc.). Au contraire, la partie inférieure du CPFL (convexité inférieure ou aires 12/45 de Walker) permettrait le traitement en mémoire de travail des caractéristiques physiques des objets et des visages indépendamment de leur localisation spatiale. Selon ce modèle, il est possible d’envisager des modules de mémoire de travail au sein du CPF pour les données auditives, l’olfaction, la gustation, les émotions, etc. Le modèle de la modularité en fonction de la nature sensorielle de l’information traitée en mémoire de travail peut aussi dépendre de la latéralisation hémisphérique. Ainsi, s’il est clair que les aires de Brodmann 44/45 gauches sont systématiquement activées par la mise en jeu de la boucle phonologique (système verbal de la mémoire de travail), la région latérale du cortex préfrontal droit semble être plus spécifiquement activée par la mémoire de travail visuo-spatiale [47, 64]. Les raisons principales de la persistance du débat concernant l’organisation anatomo-fonctionnelle du CPFL sont d’ordre méthodologique : • de nombreuses données ayant permis l’élaboration des modèles ci-dessus ont été acquises chez le singe macaque rhésus. Or, il est difficile de transférer des connaissances de topographie fonctionnelle du singe à l’homme, en particulier pour le CPF, tant il existe de différences anatomiques entre les deux espèces liées à l’augmentation spectaculaire de taille du CPF chez l’homme par rapport aux autres espèces animales (y compris le macaque) [7] ; • l’autre approche ayant permis la construction de ces modèles est l’imagerie fonctionnelle. Celle-ci permet de tracer les contours du réseau cérébral impliqué dans une fonction cognitive mais ne permet pas de dire avec certitude si chacune des régions incluses dans le réseau est une région cruciale (la fonction ne peut être compensée en son absence) ou accessoire. L’approche par corrélation lésions focales-comportement n’a pratiquement jamais été tentée chez l’homme pour répondre à ces questions ; • enfin, très peu d’études ont été menées afin de vérifier au sein d’une même expérience lequel des modèles était le plus pertinent. Pour cela, il faudrait utiliser un paradigme expérimental permettant, dans une même étude, de tester de façon croisée tous les modèles proposés, et, éventuellement, que cette expérience permette de dégager un modèle alternatif. En effet, l’ensemble des données de la littérature, toutes valides intrinsèquement, sont peut-être à l’appui non pas des modèles proposés mais d’un modèle alternatif permettant d’expliquer différemment, mais de façon globalement cohérente, l’ensemble des données obtenues soutenant des interprétations jusqu’alors divergentes. Dans le sens de l’argumentation développée ci-dessus, nous avons élaboré un paradigme expérimental permettant de tester les principaux modèles décrits d’organisation anatomo-fonctionnelle du CPFL, en utilisant la convergence d’approches méthodologiques, la neuropsychologie et l’IRMf. Ce paradigme se compose de tâches dites de « n-back multidomaines » et permet de croiser les deux dimensions discutées dans les modèles : le domaine d’information (verbal, spatial, figuratif) et le type d’opérations mentales effectuées sur le matériel mémorisé. Le principe général est de déterminer si une information présentée à un temps donné est identique ou différente d’une information présentée antérieurement. Les informations sont présentées visuellement, une par une successivement. Selon le niveau de difficulté, l’information visuelle doit être comparée à une information présentée par une, deux ou trois présentations précédentes (1-, 2-, ou 3-back). Pour chaque niveau de complexité, le matériel à mémoriser est soit spatial, soit visuel non spatial, soit verbal. En croisant ces deux dimensions : le type de matériel et le niveau de complexité, le paradigme permet de tester les principaux modèles d’organisation du CPFL. Ce paradigme est couplé à deux approches complémentaires : • l’IRMf chez des sujets sains ; • la corrélation anatomo-clinique à l’aide de l’outil moderne de cartographie lésionnelle voxel par voxel [65] chez les patients cérébrolésés et des sujets sains appariés pour l’âge, le sexe et le niveau culturel. Ce type de cartographie statistique permet d’indiquer la zone cérébrale lésée contribuant le plus à un déficit donné. Nous faisons donc l’hypothèse que la conjonction de l’IRMf et de la cartographie lésionnelle permet de contourner les limites méthodologiques inhérentes à ces deux approches et de renforcer la valeur des interprétations apportées en termes de relation structure-fonction. C’est, à notre connaissance, la première étude d’approche bimodale intégrant ces deux dimensions de la mémoire de travail dans une même épreuve. Dans un premier temps, grâce à cette approche, nous avons montré qu’il existait une zone localisée dans la partie postérieure du gyrus frontal supérieur (BA 8) qui apparaît essentielle pour les plus hauts niveaux de manipulation de l’information en mémoire de travail quand celle-ci est de nature spatiale [66]. Ce paradigme a ensuite permis de montrer en IRMf, chez 12 sujets sains, et en cartographie lésionnelle voxel par voxel, chez 38 patients frontolésés (par comparaison à 48 témoins), la dissociation anatomofonctionnelle suivante [67] : la partie postérieure du gyrus frontal inférieur (région de Broca) est essentielle pour l’épreuve du 3-back dans la modalité verbale, tandis que la partie latérale du gyrus frontal supérieur gauche (BA 8) est essentielle pour le 3-back dans la modalité spatiale. En revanche, la région moyenne du CPFL (BA 9/46) intervient pour le 3-back dans toutes les modalités testées. Ces données indiquent que chaque région du CPFL interviendrait dans la mémoire de travail uniquement quand un certain niveau de complexité est atteint. Une fois ce niveau atteint, il existerait des modules anatomo-fonctionnels modalitédépendante et d’autres supramodaux. Ces données permet- REVUE DE NEUROPSYCHOLOGIE NEUROSCIENCES COGNITIVES ET CLINIQUES 39 Copyright © 2017 John Libbey Eurotext. Téléchargé par un robot venant de 88.99.165.207 le 25/05/2017. Article de synthèse tent de réconcilier les différents modèles d’organisation anatomo-fonctionnelle du CPFL. Toutefois, si ces données montrent bien l’hétérogénéité anatomo-fonctionnelle du CPFL, elles ne permettent pas de spécifier les processus cognitifs précis sous-tendus par le CPFL (par exemple, dans la région spatiale, quelle est la nature du traitement exécutif effectué sur les représentations mentales ?). À ce titre, il est intéressant de se pencher sur un modèle récent d’organisation du cortex préfrontal proposé par Koechlin et al. [68]. Ce modèle inspiré de la théorie de l’information de Shannon, de la mémoire prospective de Fuster [7] et du modèle top-down du contrôle cognitif de Miller et Cohen [8] propose une organisation modulaire postéro-antérieure représentant quatre niveaux de contrôle (sensoriel, contextuel, épisodique et des embranchements). Les données obtenues par Volle et al. [67] peuvent parfaitement se fondre et compléter le modèle de Koechlin et al. ■ Points clés Le syndrome dysexécutif est en partie dû au dysfonctionnement de l’administrateur central de la mémoire de travail. L’intégrité fonctionnelle de celui-ci repose plus particulièrement sur la région latérale du cortex préfrontal. Cette dernière est organisée en plusieurs modules anatomo-fonctionnels, apportant chacun une valeur ajoutée à la gestion exécutive des comportements volontaires. Références 1. Miyake A, Friedman NP, Emerson MJ, Witzki AH, Howerter A, Wager TD. The unity and diversity of executive functions and their contributions to complex ‘Frontal Lobe’ tasks: a latent variable analysis. Cognit Psychol 2000 ; 41 : 49-100. 2. Stuss DT, Alexander MP. Executive functions and the frontal lobes: a conceptual view. Psychol Res 2000 ; 63 : 289-98. 3. Levy R, Dubois B. Apathy and functional anatomy of the prefrontal cortex-basal ganglia circuits. Cereb Cortex 2006 ; 16 : 916-28. 4. Atkinson RL, Shiffrin RM. Human Memory: a proposed system and its central processes. In : Spence KW, Spence JT, eds. The psychology of learning and motivation, Vol. 2. New York : Academic Press, 1968. 5. Baddeley A. Recent developments in working memory. Curr Opin Neurobiol 1998 ; 8 : 234-8. 6. Goldman-Rakic PS. Circuitry of primate prefrontal cortex and regulation of behavior by representational memory. In : Plum F, Mountcastle V, eds. Handbook of Physiology. Vol. 5. Washington, DC : The American Physiological Society, 1987 : 373-517. 7. Fuster J. The prefrontal cortex. New York : Raven Press, 1997. 8. Miller EK, Cohen JD. An integrative theory of prefrontal cortex function. Annu Rev Neurosci 2001 ; 24 : 167-202. 9. Koechlin E, Summerfield C. An information theoretical approach to prefrontal executive function. Trends Cogn Sci 2007 ; 11 : 229-35. 10. Goldman-Rakic PS, Bates JF, Chafee MV. The prefrontal cortex and internally generated motor acts. Curr Opin Neurobiol 1992 ; 2 : 830-5. 11. Yamaguchi S, Knight RT. Gating of somatosensory inputs by human prefrontal cortex. Brain Res 1990 ; 521 : 281-8. 12. Jacobsen CF. Studies of cerebral function in primates. Comp Psychol Monogr 1936 ; 13 : 1-68. 13. Harlow HF, Davis RT, Settlage PH, Meyer DR. Analysis of frontal and posterior association syndromes in brain-damaged monkeys. J Comp Physiol Psychol 1952 ; 45 : 419-29. 14. Goldman PS, Rosvold HE. Localization of function within the dorsolateral prefrontal cortex of the rhesus monkey. Exp Neurol 1970 ; 27 : 291-304. 15. Goldman PS, Rosvold HE, Vest B, Galkin TW. Analysis of the delayed-alternation deficit produced by dorsolateral prefrontal lesions in the rhesus monkey. J Comp Physiol Psychol 1971 ; 77 : 212-20. 16. Butters N, Pandya D, Stein D, Rosen J. A search for the spatial engram within the frontal lobes of monkeys. Acta Neurobiol Exp (Warsz) 1972 ; 32 : 305-29. 17. Mishkin M. Effects of small frontal lesions on delayed alternation in monkeys. J Neurophysiol 1957 ; 20 : 615-22. 18. Butters N, Pandya DN. Retention of delayed-alternation: effect of selective lesion of sulcus principalis. Science 1969 ; 165 : 1271-3. 40 19. Stamm JS, Rosen SC. The locus and crucial time of implication of prefrontal cortex in delayed response tasks. In : Pribram HK, Luria AR, eds. Psychophysiology of the frontal lobes. New York : Academic Press, 1973 : 139-53. 20. Levy R, Goldman-Rakic PS. Association of storage and processing functions in the dorsolateral prefrontal cortex of the non-human primate. J Neurosci 1999 ; 19 : 5149-58. 21. Levy R, Goldman-Rakic PS. Segregation of working memory functions within the dorsolateral prefrontal cortex. Exp Brain Res 2000 ; 133 : 23-32. 22. Pohl W. Dissociation of spatial discrimination deficits following frontal and parietal lesions in monkeys. J Comp Physiol Psychol 1973 ; 82 : 227-39. 23. Funahashi S, Bruce CJ, Goldman-Rakic PS. Neuronal activity related to saccadic eye movements in the monkey’s dorsolateral prefrontal cortex. J Neurophysiol 1991 ; 65 : 1464-83. 24. Funahashi S, Chafee MV, Goldman-Rakic PS. Prefrontal neuronal activity in rhesus monkeys performing a delayed anti-saccade task. Nature 1993 ; 365 : 753-6. 25. Hasegawa R, Sawaguchi T, Kubota K. Monkey prefrontal neuronal activity coding the forthcoming saccade in an occulomotor delayed matching-to-sample task. J Neurophysiol 1998 ; 79 : 322-33. 26. Barone P, Joseph JP. Prefrontal cortex and spatial sequencing in macaque monkey. Exp Brain Res 1989 ; 78 : 447-64. 27. Kim JN, Shadlen MN. Neural correlates of a decision in the dorsolateral prefrontal cortex of the macaque. Nat Neurosci 1999 ; 2 : 176-85. 28. Goldman-Rakic PS. Regional and cellular fractionation of working memory. Proc Natl Acad Sci USA 1996 ; 93 : 13473-80. 29. Fuster JM, Jervey JP. Inferotemporal neurons distinguish and retain behaviourally relevant features of visual stimuli. Science 1981 ; 212 : 952-5. 30. Batuev AS, Shaefer VI, Orlov AA. A comparative characteristic of unit activity in the prefrontal and parietal areas during delay performance in monkeys. Behav Brain Res 1985 ; 16 : 57-70. 31. Cavada C, Goldman-Rakic PS. Posterior parietal cortex in rhesus monkey: II. Evidence for segregated corticocortical networks linking sensory and limbic areas with the frontal lobe. J Comp Neurol 1989 ; 287 : 422-45. 32. Ungerleider LG, Gaffan D, Pelak VS. Projections from inferior temporal cortex to prefrontal cortex via the uncinate fascicle in rhesus monkey. Exp Brain Res 1989 ; 76 : 473-84. 33. Miller EK, Li L, Desimone R. A neural mechanism for working and recognition memory in inferior temporal cortex. Science 1991 ; 254 : 1377-9. REVUE DE NEUROPSYCHOLOGIE NEUROSCIENCES COGNITIVES ET CLINIQUES Copyright © 2017 John Libbey Eurotext. Téléchargé par un robot venant de 88.99.165.207 le 25/05/2017. Article de synthèse 34. Chafee MV, Goldman-Rakic PS. Matching patterns of activity in primate prefrontal area 8a and parietal area 7ip neurons during a spatial working memory task. J Neurophysiol 1998 ; 79 : 2919-40. 35. Miller EK, Desimone R. Parallel neural mechanisms for short-term memory. Science 1994 ; 263 : 520-2. 36. Paulesu E, Frith CD, Frackowiak RS. The neural correlates of the verbal component of working memory. Nature 1993 ; 362 : 342-5. 37. Gorno-Tempini ML, Brambati SM, Ginex V, et al. The logopenic/ phonological primary progressive aphasia. Neurology 2008 ; 71 : 1227-34. 38. Baker SC, Rogers RD, Owen AM, et al. Neural systems engaged by planning: a PET study of the Tower of London task. Neuropsychologia 1996 ; 34 : 515-26. 39. Owen AM, Doyon J, Petrides M, Evans AC. Planning and spatial working memory: a positron emission tomography study in humans. Eur J Neurosci 1996 ; 8 : 353-67. 40. Rowe JB, Toni I, Josephs O, Frackowiak RS, Passingham RE. The prefrontal cortex: response selection or maintenance within working memory? Science 2000 ; 288 : 1656-60. 41. Pochon JB, Levy R, Poline JB, et al. The role of the lateral prefrontal cortex in the preparation of the forthcoming actions: a fMRI study. Cereb Cortex 2001 ; 11 : 260-6. 42. Volle E, Pochon JB, Léhéricy S, Pillon B, Dubois B, Levy R. Specific cerebral networks for maintenance and response organization within working memory as evidenced by the ‘double delay/double response’ paradigm. Cereb Cortex 2005 ; 15 : 1064-74. 43. Smith EE, Jonides J, Koeppe RA. Dissociating verbal and spatial working memory using PET. Cereb Cortex 1996 ; 6 : 11-20. 44. Cohen JD, Perlstein WM, Braver TS, et al. Temporal dynamics of brain activation during a working memory task. Nature 1997 ; 386 : 604-8. 45. Jonides J, Smith EE, Koeppe RA, Awh E, Minoshima S, Mintun MA. Spatial-working memory in humans as revealed by PET. Nature 1993 ; 363 : 623-5. 46. Awh E, Jonides J. Overlapping mechanisms of attention and spatial-working memory. Trends Cogn Sci 2001 ; 5 : 119-26. 47. Smith EE, Jonides J. Neuroimaging analyses of human-working memory. Proc Natl Acad Sci USA 1998 ; 95 : 12061-8. 48. Ungerleider LG, Courtney SM, Haxby JV. A neural system for human visual working memory. Proc Natl Acad Sci USA 1998 ; 95 : 883-90. 49. Mishkin M, Ungerleider LG. Contribution of striate inputs to the visuospatial functions of parieto-preoccipital cortex in monkeys. Behav Brain Res 1989 ; 6 : 57-77. 50. Awh E, Smith E, Jonides J. Human rehearsal processes and the frontal lobes: PET evidence. Ann N Y Acad Sci 1995 ; 769 : 97-119. 51. Courtney SM, Petit L, Maisog JM, Ungerleider LG, Haxby JV. An area specialized for spatial working memory in human frontal cortex. Science 1998 ; 279 : 1347-51. 52. Smith EE, Jonides J. Storage and executive processes in the frontal lobes. Science 1999 ; 283 : 1657-61. 53. Quintana J, Yajeya J, Fuster JM. Prefrontal representation of stimulus attributes during delay tasks. I. Unit activity in cross-temporal integration of sensory and sensory-motor information. Brain Res 1988 ; 474 : 211-21. 54. Rao SC, Rainer G, Miller EK. Integration of what and where in the primate prefrontal cortex. Science 1997 ; 276 : 821-4. 55. Rainer G, Asaad WF, Miller EK. Memory fields of neurons in the primate prefrontal cortex. Proc Natl Acad Sci USA 1998 ; 95 : 15008-13. 56. Miller EK. The prefrontal cortex: complex neural properties for complex behavior. Neuron 1999 ; 22 : 15-7. 57. D’Esposito M, Detre JA, Alsop DC, Shin RK, Atlas S, Grossman M. The neural basis of the central executive system of working memory. Nature 1995 ; 378 : 279-81. 58. Petrides M, Alivisatos B, Evans AC, Meyer E. Dissociation of human mid-dorsolateral from posterior dorsolateral frontal cortex in memory processing. Proc Natl Acad Sci USA 1993 ; 90 : 873-7. 59. Petrides M. Impairments on non-spatial self-ordered and externally ordered working memory tasks after lesions of the mid-dorsal part of the lateral frontal cortex in the monkey. J Neurosci 1995 ; 15 : 359-75. 60. Owen AM, Stern CE, Look RB, Tracey I, Rosen BR, Petrides M. Functional organization of spatial and non-spatial working memory processing within the human lateral frontal cortex. Proc Natl Acad Sci USA 1998 ; 95 : 7721-6. 61. Petrides M. Lateral prefrontal cortex: architectonic and functional organization. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 2005 ; 360 : 781-95. 62. Wilson FA, Scalaidhe SP, Goldman-Rakic PS. Dissociation of object and spatial processing domains in primate prefrontal cortex. Science 1993 ; 260 : 1955-8. 63. O’Scalaidhe S, Wilson F, Goldman-Rakic PS. A real segregation of face-processing neurons in prefrontal cortex. Science 1997 ; 278 : 1135-8. 64. McCarthy G, Puce A, Constable RT, Krystal JH, Gore JC, Goldman-Rakic PS. Activation of human prefrontal cortex during spatial and non-spatial working memory tasks measured by functional MRI. Cereb Cortex 1996 ; 6 : 600-11. 65. Rorden C, Karnath HO. Using human brain lesions to infer function: a relic from a past era in the fMRI age? Nat Rev Neurosci 2004 ; 5 : 813-9. 66. du Boisgueheneuc F, Levy R, Volle E, et al. The functions of the left superior frontal gyrus in humans: a lesion study. Brain 2006 ; 129 : 3315-28. 67. Volle E, Kinkinghehun S, du Boisgueheneuc F, et al. The functional architecture of the posterior and lateral prefrontal cortex. Cereb Cortex 2008 ; 18 : 2460-9. 68. Koechlin E, Ody C, Kouneiher F. The architecture of cognitive control in the human prefrontal cortex. Science 2003 ; 302 : 1181-5. REVUE DE NEUROPSYCHOLOGIE NEUROSCIENCES COGNITIVES ET CLINIQUES 41
