Perception sociale au cours du développement typique et dans les troubles du spectre de l'autisme : bases neurales en imagerie de diffusion et pattern du regard en eye-tracking

The main objectives of the studies performed in this thesis were: 1) To investigate the interindividual variability of eye gaze pattern to social cues in typically developing children and to investigate whether this variability in social behavior would be associated with variability in brain white matter (WM) integrity, particularly within regions of the social brain. For this purpose, we used an eye-tracking paradigm developed in our laboratory presenting characters in social interaction. This allowed us to make objective measurements of eye-gaze, in particular the number of fixations to the eyes. Correlations were studied between these measures and those obtained in DTI-MRI, in particular the fractional anisotropy (FA), an index of WM microstructural integrity. The results showed a highvariability of gaze pattern to the eyes and a positive correlation between this gaze pattern and FA values located mainly at the bilateral temporoparietal regions. Children who look more to the eyes of characters are those with higher FA values in these regions. 2) To investigate the interindividual variability of eye gaze pattern to social cues in childrenwith autism spectrum disorder (ASD) and whether this variability in social behavior would beassociated with variability in WM integrity. In addition, we investigated differences in themicrostructural WM integrity between typically developing (TD) children and those with ASD. We used the same methodology as in Study 1. The results show a significant positivecorrelation between FA values and the number of fixations to the eyes in children with ASDbut at a different degree of extension than in typically developing children. Children with ASD, who look more to the eyes, are those with higher FA in a much wider region, including the bilateral arcuate fasciculus. In addition, a decrease in FA values localized in the right temporal lobe has been observed in children with ASD compared to typically developing children. 3) Given the importance of eye-tracking studies both in research and in diagnostic assessment, it seemed important to study, in the same subjects, the different aspects of social perception measured by different types of stimuli. Thus, we investigated whether there would be a correlation between data obtained using visual preference-based paradigms, which measure social perception at a more global level, and data obtained using paradigms presenting complex social scenes, which measure social perception at a finer level. We studied gaze patterns to both types of stimuli in 124 TD and ASD children, adolescents, and adults. The results showed a positive correlation between global social perception and fine social perception as measured by eye-tracking. In both TD individuals and individuals with ASD, those who look more to biological motion in the visual preference paradigm were those who look more to the eyes of characters when viewing complex social scenes. The results obtained suggest the existence of a behavioral signature by the gaze towards social cues according to a continuum, specific to each group of subjects. This behavioral signature would be associated with a cerebral signature in terms of WM integrity at different degrees of extension between the two groups. These results offer a better understanding of the mechanisms of social perception and their cerebral correlates in typical development as well as in autism spectrum disorders and could open up therapeutic perspectives in ASD.Les études réalisées dans le cadre de cette thèse ont eu comme objectifs principaux : 1) Investiguer la variabilité interindividuelle du regard vers les yeux face à des stimuli sociauxchez des enfants au développement typique et étudier si cette variabilité du comportementsocial serait associée à une variabilité de l’intégrité de la substance blanche (SB) cérébrale,notamment au sein de régions du cerveau social. Pour cela, nous avons utilisé un paradigmeen eye-tracking développé dans notre laboratoire présentant des personnages en interactionsociale. Cela nous a permis des mesures objectives du regard, notamment le nombre defixations dans les yeux. Les corrélations entre ces mesures et celles obtenues en IRM-DTI,notamment la fraction d’anisotropie (FA), indice d’intégrité micro-structurelle de la SB, ontété étudiées. Chez les enfants, une grande variabilité du regard vers les yeux ainsi qu’unecorrélation positive entre le regard vers les yeux et les valeurs de FA localisées principalement au niveau temporo-pariétal bilatéral ont été mises en évidences. Les enfants qui regardent plus vers les yeux présentent une valeur plus élevée de FA dans ces régions.2) Investiguer la variabilité interindividuelle du regard vers les yeux face à des stimuli sociauxchez des enfants avec trouble du spectre de l’autisme (TSA) et étudier si cette variabilité ducomportement social serait associée à une variabilité de l’intégrité de la SB. De plus, nousavons étudié les différences d’intégrité micro-structurelle de la SB entre les enfants audéveloppement typique et ceux ayant un TSA. La même méthodologie que dans l’étude 1 aété utilisée. Les résultats montrent une corrélation positive entre les valeurs de FA et lenombre de fixations dans les yeux chez les enfants TSA mais à un degré d’extension différent de celui observé chez les enfants au développement typique. Les enfants avec TSA, qui regardent plus vers les yeux, sont ceux dont la FA est plus élevée dans des régions beaucoup plus étendues, comprenant notamment le faisceau arqué bilatéral. De plus, une diminution de la FA localisée au niveau du lobe temporal droit a été observée chez les enfants avec TSA.3) Compte tenu de l'importance des études en eye-tracking à la fois en recherche et dans lesapproches diagnostiques et de dépistage, il nous semblait important d'étudier, chez lesmêmes sujets, les différents aspects de la perception sociale mesurés par différents types destimuli. Ainsi, notre objectif a été d'étudier s'il y avait une corrélation entre les mesures obtenues à l’aide de paradigmes basés sur la préférence visuelle, qui mesurent la perception sociale à un niveau plus global, et les mesures obtenues à l’aide de paradigmes présentant des scènes sociales complexes, qui mesurent la perception sociale à un niveau plus fin. Nous avons étudié le pattern de regard face à ces deux types de stimuli chez 124 enfants, adolescents et adultes au développement typique ou avec TSA. Les résultats ont mis en évidence une corrélation positive entre la perception sociale globale et la perception sociale fine mesurées en eye-tracking. En effet, tant chez les sujets au développement typique que chez les sujets avec TSA, les enfants qui regardaient plus le mouvement biologique dans le paradigme de préférence visuelle étaient ceux qui regardaient plus les yeux des personnages lors de la visualisation des scènes sociales complexes. Ces résultats suggèrent l’existence d’une signature comportementale par le regard vers les indices sociaux selon un continuum propre à chaque groupe de sujets. Cette signature comportementale s’accompagnerait d’une signature cérébrale en matière d’intégrité de la SB à des degrés d’extension différents entre les groupes. Ces résultats offrent une meilleure connaissance des mécanismes de perception sociale et des corrélats cérébraux dans le développement typique comme dans les TSA, qui pourrait ouvrir des perspectives thérapeutiques dans les TSA

Social perception in typical development and in autism spectrum disorders : neural basis in DTI-MRI and eye-gaze pattern in eye-tracking

Les études réalisées dans le cadre de cette thèse ont eu comme objectifs principaux : 1) Investiguer la variabilité interindividuelle du regard vers les yeux face à des stimuli sociauxchez des enfants au développement typique et étudier si cette variabilité du comportementsocial serait associée à une variabilité de l’intégrité de la substance blanche (SB) cérébrale,notamment au sein de régions du cerveau social. Pour cela, nous avons utilisé un paradigmeen eye-tracking développé dans notre laboratoire présentant des personnages en interactionsociale. Cela nous a permis des mesures objectives du regard, notamment le nombre defixations dans les yeux. Les corrélations entre ces mesures et celles obtenues en IRM-DTI,notamment la fraction d’anisotropie (FA), indice d’intégrité micro-structurelle de la SB, ontété étudiées. Chez les enfants, une grande variabilité du regard vers les yeux ainsi qu’unecorrélation positive entre le regard vers les yeux et les valeurs de FA localisées principalement au niveau temporo-pariétal bilatéral ont été mises en évidences. Les enfants qui regardent plus vers les yeux présentent une valeur plus élevée de FA dans ces régions.2) Investiguer la variabilité interindividuelle du regard vers les yeux face à des stimuli sociauxchez des enfants avec trouble du spectre de l’autisme (TSA) et étudier si cette variabilité ducomportement social serait associée à une variabilité de l’intégrité de la SB. De plus, nousavons étudié les différences d’intégrité micro-structurelle de la SB entre les enfants audéveloppement typique et ceux ayant un TSA. La même méthodologie que dans l’étude 1 aété utilisée. Les résultats montrent une corrélation positive entre les valeurs de FA et lenombre de fixations dans les yeux chez les enfants TSA mais à un degré d’extension différent de celui observé chez les enfants au développement typique. Les enfants avec TSA, qui regardent plus vers les yeux, sont ceux dont la FA est plus élevée dans des régions beaucoup plus étendues, comprenant notamment le faisceau arqué bilatéral. De plus, une diminution de la FA localisée au niveau du lobe temporal droit a été observée chez les enfants avec TSA.3) Compte tenu de l'importance des études en eye-tracking à la fois en recherche et dans lesapproches diagnostiques et de dépistage, il nous semblait important d'étudier, chez lesmêmes sujets, les différents aspects de la perception sociale mesurés par différents types destimuli. Ainsi, notre objectif a été d'étudier s'il y avait une corrélation entre les mesures obtenues à l’aide de paradigmes basés sur la préférence visuelle, qui mesurent la perception sociale à un niveau plus global, et les mesures obtenues à l’aide de paradigmes présentant des scènes sociales complexes, qui mesurent la perception sociale à un niveau plus fin. Nous avons étudié le pattern de regard face à ces deux types de stimuli chez 124 enfants, adolescents et adultes au développement typique ou avec TSA. Les résultats ont mis en évidence une corrélation positive entre la perception sociale globale et la perception sociale fine mesurées en eye-tracking. En effet, tant chez les sujets au développement typique que chez les sujets avec TSA, les enfants qui regardaient plus le mouvement biologique dans le paradigme de préférence visuelle étaient ceux qui regardaient plus les yeux des personnages lors de la visualisation des scènes sociales complexes. Ces résultats suggèrent l’existence d’une signature comportementale par le regard vers les indices sociaux selon un continuum propre à chaque groupe de sujets. Cette signature comportementale s’accompagnerait d’une signature cérébrale en matière d’intégrité de la SB à des degrés d’extension différents entre les groupes. Ces résultats offrent une meilleure connaissance des mécanismes de perception sociale et des corrélats cérébraux dans le développement typique comme dans les TSA, qui pourrait ouvrir des perspectives thérapeutiques dans les TSA.The main objectives of the studies performed in this thesis were: 1) To investigate the interindividual variability of eye gaze pattern to social cues in typically developing children and to investigate whether this variability in social behavior would be associated with variability in brain white matter (WM) integrity, particularly within regions of the social brain. For this purpose, we used an eye-tracking paradigm developed in our laboratory presenting characters in social interaction. This allowed us to make objective measurements of eye-gaze, in particular the number of fixations to the eyes. Correlations were studied between these measures and those obtained in DTI-MRI, in particular the fractional anisotropy (FA), an index of WM microstructural integrity. The results showed a highvariability of gaze pattern to the eyes and a positive correlation between this gaze pattern and FA values located mainly at the bilateral temporoparietal regions. Children who look more to the eyes of characters are those with higher FA values in these regions. 2) To investigate the interindividual variability of eye gaze pattern to social cues in childrenwith autism spectrum disorder (ASD) and whether this variability in social behavior would beassociated with variability in WM integrity. In addition, we investigated differences in themicrostructural WM integrity between typically developing (TD) children and those with ASD. We used the same methodology as in Study 1. The results show a significant positivecorrelation between FA values and the number of fixations to the eyes in children with ASDbut at a different degree of extension than in typically developing children. Children with ASD, who look more to the eyes, are those with higher FA in a much wider region, including the bilateral arcuate fasciculus. In addition, a decrease in FA values localized in the right temporal lobe has been observed in children with ASD compared to typically developing children. 3) Given the importance of eye-tracking studies both in research and in diagnostic assessment, it seemed important to study, in the same subjects, the different aspects of social perception measured by different types of stimuli. Thus, we investigated whether there would be a correlation between data obtained using visual preference-based paradigms, which measure social perception at a more global level, and data obtained using paradigms presenting complex social scenes, which measure social perception at a finer level. We studied gaze patterns to both types of stimuli in 124 TD and ASD children, adolescents, and adults. The results showed a positive correlation between global social perception and fine social perception as measured by eye-tracking. In both TD individuals and individuals with ASD, those who look more to biological motion in the visual preference paradigm were those who look more to the eyes of characters when viewing complex social scenes. The results obtained suggest the existence of a behavioral signature by the gaze towards social cues according to a continuum, specific to each group of subjects. This behavioral signature would be associated with a cerebral signature in terms of WM integrity at different degrees of extension between the two groups. These results offer a better understanding of the mechanisms of social perception and their cerebral correlates in typical development as well as in autism spectrum disorders and could open up therapeutic perspectives in ASD

Neural basis of interindividual variability in social perception in typically developing children and adolescents using diffusion tensor imaging

International audienceHumans show great interindividual variability in the degree they engage in social relationship. The neural basis of this variability is still poorly understood, particularly in children. In this study, we aimed to investigate the neural basis of interindividual variability in the first step of social behavior, that is social perception, in typically developing children. For that purpose, we first used eye-tracking to objectively measure eye-gaze processing during passive visualization of social movie clips in 24 children and adolescents (10.5 ± 2.9 y). Secondly, we correlated eye-tracking data with measures of fractional anisotropy, an index of white matter microstructure, obtained using diffusion tensor imaging MRI. The results showed a large interindividual variability in the number of fixations to the eyes of characters during visualization of social scenes. In addition, whole-brain analysis showed a significant positive correlation between FA and number of fixations to the eyes,mainly in the temporal part of the superior longitudinal fasciculi bilaterally, adjacent to the posterior superior temporal cortex. Our results indicate the existence of a neural signature associated with the interindividual variability in social perception in children, contributing for better understanding the neural basis of typical and atypical development of a broader social expertise

Arterial spin labeling brain MRI study to evaluate the impact of deafness on cerebral perfusion in 79 children before cochlear implantation

International audienceAge at implantation is considered to be a major factor, influencing outcomes after pediatric cochlear implantation. In the absence of acoustic input, it has been proposed that cross-modal reorganization can be detrimental for adaptation to the new electrical input provided by a cochlear implant. Here, through a retrospective study, we aimed to investigate differences in cerebral blood flow (CBF) at rest prior to implantation in children with congenital deafness compared to normally hearing children. In addition, we looked at the putative link between pre-operative rest-CBF and the oral intelligibility scores at 12 months post-implantation. Finally, we observed the evolution of perfusion with age, within brain areas showing abnormal rest-CBF associated to deafness, in deaf children and in normally hearing children. In children older than 5 years old, results showed a significant bilateral hypoperfusion in temporal regions in deaf children, particularly in Heschl's gyrus, and a significant hyperperfusion of occipital regions. Furthermore, in children older than 5 years old, whole brain voxel-by-voxel correlation analysis between pre-operative rest-CBF and oral intelligibility scores at 12 months post-implantation, showed significant negative correlation localized in the occipital regions: children who performed worse in the speech perception test one year after implantation were those presenting higher preoperative CBF values in these occipital regions. Finally, when comparing mean relative perfusion (extracted from the temporal regions found abnormal on whole-brain voxel-based analysis) across ages in patients and controls, we observed that the temporal perfusion evolution was significantly different in deaf children than in normally hearing children. Indeed, while temporal perfusion increased with age in normally hearing children, it remained stable in deaf children. We showed a critical period around 4 years old, where in the context of auditory deprivation, there is a lack of synaptic activity in auditory regions. These results support the benefits of early cochlear implantation to maximize the effectiveness of auditory rehabilitation and to avoid cross-modal reorganization