Fonctionnement cérébral et cognitif des enfants atteints de cardiopathie congénitale

Abstract

Les cardiopathies congénitales (CC) sont des malformations cardiaques qui surviennent au cours de la période intra-utérine et qui constituent les malformations congénitales les plus fréquentes, affectant environ 1% des nouveau-nés. Dépendamment de leur sévérité, certains bébés doivent subir une ou des chirurgies réparatrices très tôt dans leur vie. De nos jours, le taux de survie s’élève maintenant à plus de 90 %, mais des atteintes neurodéveloppementales affectent un survivant sur deux. Ainsi, certains enfants présentent des difficultés motrices, langagières ou cognitives dès la petite enfance qui peuvent engendrer des impacts importants dans la sphère comportementale, affective, sociale et académique. De plus, la littérature a permis de démontrer que le développement cérébral structurel des nourrissons avec CC peut être altéré dès la période intra-utérine. Des lésions cérébrales acquises, notamment suite aux chirurgies réparatrices, sont aussi fréquemment retrouvées dans cette population. Toutefois, les études s'intéressant aux altérations des réseaux cérébraux fonctionnels sont peu nombreuses. Conséquemment, la relation entre la fonction cérébrale et le neurodéveloppement a été peu étudiée. Cette thèse a donc comme objectif d’étudier le fonctionnement cérébral chez les enfants avec CC à l’aide de la spectroscopie proche infrarouge ou Near infrared spectroscopy (NIRS), ainsi qu'investiguer la relation avec leur neurodéveloppement. La thèse est composée de deux études empiriques publiées. Le premier article, qui s'inscrivait dans un devis longitudinal, avait comme objectif de caractériser la topologie des réseaux cérébraux fonctionnels chez des nourrissons de 4 mois avec CC après leur chirurgie cardiaque. L'étude permet aussi d'investiguer si la relation entre le groupe (CC vs contrôle) et les résultats à une évaluation neurodéveloppementale à 24 mois dépendait de l'organisation topologique de ces réseaux. Les résultats montrent une topologie des réseaux cérébraux fonctionnels similaire entre les deux groupes à 4 mois, alors que les enfants avec CC présentent des habiletés langagières expressives plus faibles que les enfants nés en santé à 24 mois. Par ailleurs, les résultats révèlent que la relation entre le fait de présenter une CC et les habiletés de langage expressif est modérée par deux caractéristiques de l'organisation des réseaux cérébraux, soit le characteristic path length et le degree. Cette étude permet de démontrer que les enfants nés avec une malformation cardiaque ne semblent pas bénéficier d'une organisation optimale de leurs réseaux cérébraux fonctionnels comparativement à des enfants nés en santé. Le deuxième article se veut une étude prospective visant à caractériser les réponses cérébrales langagières pendant une tâche d'écoute passive d'une histoire chez des enfants de 42 mois atteints de CC. Nous nous sommes aussi intéressés à l'association entre les patrons fonctionnels d'activation cérébrale durant la tâche langagière et le neurodéveloppement des participants. Par rapport à leurs pairs nés en bonne santé, les enfants atteints de CC obtiennent des résultats significativement plus faibles aux épreuves verbales et de façon plus large sur le plan des habiletés intellectuelles générales. Les résultats révèlent aussi que lors de l'écoute d'histoire, les enfants avec CC présentent une activation cérébrale réduite dans les régions temporales postérieures par rapport aux enfants du groupe contrôle. Nous avons également démontré que les réponses cérébrales réduites dans les régions temporales postérieures sont corrélées à des résultats neurodéveloppementaux inférieurs dans les deux groupes. Cette étude suggère que l'activation des régions temporales postérieures pourrait potentiellement être un marqueur cérébral du développement cognitif. Ces résultats novateurs supportent la faisabilité de l'identification des corrélats cérébraux des vulnérabilités neurodéveloppementales chez les enfants atteints de CC. Globalement, cette thèse permet d'améliorer les connaissances actuelles sur le fonctionnement cérébral des enfants atteints de cardiopathie congénitale. Elle contribue également à l'avancement de la recherche sur les liens existants entre le développement cérébral et le neurodéveloppement au sein de cette population clinique. Enfin, les résultats réitèrent l'importance et la pertinence d'utiliser la neuroimagerie fonctionnelle en recherche dans l'optique de préciser notre compréhension des facteurs de risque inhérents à la condition de ces enfants afin de pouvoir favoriser leur développement. Congenital heart disease (CHD) are heart malformations that occur in utero. They constitute the most frequent congenital malformations, affecting around 1% of newborns. Depending on their severity, some babies need to undergo reconstructive surgery early in life. Today, the survival rate is over 90%, but neurodevelopmental disabilities affect one in two survivors. As a result, some children present motor, language, or cognitive difficulties from early childhood, which can have a major impact on the behavioral, emotional, social, and academic levels. The literature has shown that the structural brain development in infants with CHD can be altered from the intra-uterine period. Acquired brain lesions, particularly following heart repair, are also frequently found in this population. However, there is less evidence about functional brain network alterations. Consequently, the relationship between brain function and neurodevelopment has not been fully established. Thus, this thesis aims to study the brain function in children with CHD using near-infrared spectroscopy (NIRS) and to investigate the relationship with their neurodevelopment. The thesis consists of two published empirical studies. The aim of the first study, which was part of a longitudinal design, was to characterize the functional network topology in 4-month-old infants with repaired CHD. We also investigated the moderating effect of graph theory metrics on the relationship between group (CHD vs. Controls) and neurodevelopmental outcomes at 24 months. The results show a similar functional brain network topology at 4 months. At 24 months, children with CHD had lower expressive language skills compared to healthy-born children. Results also revealed that the relationship between group and expressive language skills was moderated by two graph theory metrics : the characteristic path length and the degree. This study shows that children with CHD do not seem to benefit from an optimal functional brain organization compared with healthy-born children. The second article is a prospective study aimed at characterizing brain responses during a passive story-listening task in 3-year-old children with CHD. We also investigated the relationship between functional brain patterns of language processing and neurodevelopmental outcomes. Compared to their healthy peers, children with CHD obtained significantly lower scores on verbal tasks and more broadly, on general intellectual skills. Results also revealed that during the passive story-listening task, children with CHD showed reduced brain activation in the temporal posterior regions compared with children in the control group. Reduced brain responses in the temporal posterior regions were also correlated with lower neurodevelopmental outcomes in both groups. This study suggests that the temporal posterior activation could be a potential brain marker of cognitive development. These novel results provide support for the feasibility of identifying brain correlates of neurodevelopmental vulnerabilities in children with CHD. Overall, this thesis improves current knowledge of brain function in children with CHD. It also contributes to research advancement on the relationship between brain development and neurodevelopment in this clinical population. Results reiterate the importance and relevance of using functional neuroimaging in research to refine our understanding of the risk factors inherent to these children condition, to be able to foster their development.