DÉVELOPPEMENT ET SPÉCIALISATION HÉMISPHÉRIQUE DES FONCTIONS INTELLECTUELLES : ANALYSE DE 2186 CAS DE LÉSION
CORTICALE UNILATÉRALE SELON LE QUOTIENT INTELLECTUEL
THÈSE PRÉSENTÉE
COMME EXIGENCE PARTIELLE DU DOCTORAT EN PSYCHOLOGIE
PAR
BENJAMIN GINGRAS
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL Service des bibliothèques
Avertissement
La diffusion de cette thèse se fait dans le respect des droits de son auteur, qui a signé le formulaire Autorisation de reproduire et de diffuser un travail de recherche de cycles supérieurs (SDU-522 – Rév.10-2015). Cette autorisation stipule que «conformément à l’article 11 du Règlement no 8 des études de cycles supérieurs, [l’auteur] concède à l’Université du Québec à Montréal une licence non exclusive d’utilisation et de publication de la totalité ou d’une partie importante de [son] travail de recherche pour des fins pédagogiques et non commerciales. Plus précisément, [l’auteur] autorise l’Université du Québec à Montréal à reproduire, diffuser, prêter, distribuer ou vendre des copies de [son] travail de recherche à des fins non commerciales sur quelque support que ce soit, y compris l’Internet. Cette licence et cette autorisation n’entraînent pas une renonciation de [la] part [de l’auteur] à [ses] droits moraux ni à [ses] droits de propriété intellectuelle. Sauf entente contraire, [l’auteur] conserve la liberté de diffuser et de commercialiser ou non ce travail dont [il] possède un exemplaire.»
Je tiens d'abord et avant tout à remercier mon directeur de thèse, le Professeur Claude M.J. Braun. Merci infiniment de m'avoir accompagné toutes ces années et d'avoir su me donner autant l'encadrement que l'autonomie nécessaires à l'aboutissement de cette thèse. Merci aussi à Isabelle Rouleau pour ses conseils indispensables, tant comme superviseure au CSP que dans les étapes préalables à la thèse. Merci à mes superviseurs d'internat, les Drs. Lisa Koski, David Sinyor, Marco Sinaï, et Maude Laguë-Beauvais pour leur encouragement et pour m'avoir pris sous leur aile.
Je tiens également à remercier mes parents Laurier et Louise pour leur soutien inconditionnel dès le début de mon parcours universitaire. Merci également à Bryan et Marc, qui m'ont suivi et encouragé de façon quotidienne depuis des années.
Je tiens aussi à remercier à mes ami-e-s, notamment Francis, Shanie, Élisabeth, Samuel, Alexandra, Claire, et Virginie. Merci aussi à Jessica Cole, qui a m'a toujours encouragé à courir toute la distance. Merci également à Julie Macherez, qui a su porter les intérêts des doctorants et doctorantes en psychologie jusqu'au bout.
Merci également à mes collègues de laboratoire, Y anick, Jonathan, et Taline. Merci aussi à mes collègues au CSP et en internat, dont Aliya, Ariane, Gaëlle, Marie-Ève, Justine, Simon, Lora, et Alexandra. Merci finalement à mes collègues de l'association étudiante, à mes camarades de classe, et à tout le monde qui de près ou de loin m'ont permis à arriver à la fin du parcours doctoral.
Galien. Commentaires sur les aphorismes
d'Hippocrate
RÉSUMÉ ... v
CHAPITRE I Introduction synthèse des deux articles ... 1
1.1 Introduction ... 1
1.2 Objectif et hypothèses ... 11
1.3 Méthode générale ... 12
CHAPITRE II Articles ... 14
Development of material specific hemispheric specialization from beginning to end 15 Intellectual outcome after a cortical lesion with or without epilepsy: A life span neurodevelopmental view ... 48
CHAPITRE III Discussion synthèse des trois articles ... 89
3 .1 Introduction ... 89
3 .2 Résultats du premier article ... 90
3 .3 Résultats du deuxième article ... 91
CONCLUSION ... 93
ANNEXE A Bibliographie des cas individuels ... 106
ANNEXE B Base de données des cas ... 198
Les questions entourant le développement cognitif après une lésion cérébrale focale sont parmi les plus classiques en neuropsychologie, et ont permis l'avancement substantiel des connaissances sur l'organisation et la récupération des fonctions plus avancées. Il est maintenant bien connu que l'âge au moment de la lésion modulera substantiellement la sémiologie clinique et l'étendue des déficits.
Plusieurs principes et modèles développementaux ont été élaborés afin de tenter d'expliquer l'apparente robustesse ou vulnérabilité de certaines fonctions suivant une lésion corticale. Le principe de Kennard, voulant qu'une lésion plus précoce prédise une meilleure récupération qu'une lésion plus tardive pour certaines fonctions dont la motricité, a récemment été investiguée et sérieusement remise en question en ce qui concerne le QI (Duval et al., 2007; Montour-Proulx et al., 2004). D'autres modèles, suggérant que la modulation des patrons de robustesse et de vulnérabilité passe par des modifications dans le partage du traitement de l'information entre les deux hémisphères (Lenneberg, 1967; Teuber, 1967; 1974; Rasmussen & Milner, 1977), ont également retenu l'attention des chercheurs. Bien que plusieurs tentatives aient été faites pour tenter de vérifier l'existence des effets soutenus par ces modèles, les études cliniques ont toutes été limitées par plusieurs facteurs, dont de petits échantillons comportant d'un à deux groupes d'âge arbitraires, ainsi qu'un faible contrôle sur les variables neurologiques confondantes (volume de la lésion, présence d'épilepsie, étiologie, etc.).
Au-delà de l'importance qu'ont ces questions pour la prise en charge clinique et pour informer le pronostic, l'étude des facteurs modulant la récupération intellectuelle post-lésionnelle ainsi que le déploiement de la spécialisation hémisphérique au fil des années permet de jeter un regard sur des patrons neurodéveloppementaux fondamentaux. Afin de pallier les limites des études précédentes, nous avons fait appel à un échantillon de 2186 cas individuels ayant subi une lésion cérébrale unilatérale, en documentant pour les facteurs neurologiques et biographiques et rapportant les scores de QIV et de QIP. Ainsi, deux articles ont été rédigés et publiés afin de réexaminer des questions entourant le développement et l'implantation de la spécialisation hémisphérique ainsi que du développement intellectuel suite à une lésion cérébrale. Le premier, examinant le déploiement de la spécialisation hémisphérique sur l'empan de la vie, a permis d'observer que celle-ci
progresse jusqu'en sénescence, et est soutenue par un gradient développemental entre les lobes temporaux touchant le QIV, et les lobes pariétaux touchant le QIP. Le second, examinant le rôle de l'épilepsie dans la récupération post-lésionnelle, a découvert que ce facteur neurologique agit comme médiateur du parcours de récupération, où la présence d'épilepsie entraîne un effet anti-Kennard tant pour le QIV que le QIP, alors qu'un effet Kennard est observé pour le QIP sans la présence d'épilepsie.
Ensemble, nos résultats permettent de constater que le développement intellectuel, la récupération post-lésionnelle, et la spécialisation hémisphérique des fonctions associées à l'intelligence sont plus dynamiques et complexes que ce qui a été rapporté précédemment. Les modèles neurodéveloppementaux doivent considérer les facteurs neurologiques: présence ou non d'épilepsie, le site lobaire, le côté, ainsi que l'âge à la lésion. Nos résultats nous permettent également de constater que la spécialisation hémisphérique existe chez l'humain davantage en tant que processus qu'en tant que trait, dans la mesure que celle-ci est en mouvance constante et n'est pas « fixée » dans le temps. Une certaine spécialisation hémisphérique semble exister avant même la naissance, devenant fonctionnellement différenciée à la petite enfance, et continuant à se déployer tout au long de la vie. Nous avançons l'hypothèse que l'implantation plus tardive des fonctions langagières dans l'hémisphère gauche ainsi que l'organisation apparemment prénatale des fonctions visuospatiales, telle que manifestée par des lésions corticales unilatérales congénitales, soient le résultat d'un programme épigénétique différencié. Les fonctions visuospatiales sont beaucoup plus anciennes dans l'histoire phylogénétique, et sont cruciales dès la naissance. L'intelligence verbale, phylogénétiquement beaucoup plus récente, ne se consolide que plus tard dans le développement, son implantation dans l'hémisphère gauche s'opérant principalement après la naissance. Finalement, nous arguons que la robustesse de l'intelligence verbale suivant une lésion de l'hémisphère gauche reflète l'importance cruciale des fonctions langagières dans le fonctionnement social de l'être humain.
Mots-clés : lésion cérébrale, intelligence, développement, épilepsie, spécialisation hémisphérique, récupération, âge
Questions pertaining to cognitive development after a focal brain injury are among the most classical in all of neuropsychology, and have allowed for substantial advances in our understanding of the organization and recovery of complex functions. lt is now well established that age at the time of in jury will significantly influence the clinical presentation and extent of cognitive deficits.
Several principles and developmental models have been established in order to account for the apparent robustness or vulnerability of certain functions following brain damage. The Kennard principle, by which a lesion with earlier onset will predict a more favourable outcome than a later one for certain functions such as motor skills, was recently investigated and called into serious question when it cornes to IQ (Duval et al., 2007; Montour-Proulx et al., 2004). Other models, proposing that the modulation of robustness and vulnerability patterns stems from modifications in the distribution of information processing between the two hemispheres (Lenneberg, 1967; Teuber, 1967; 1974; Rasmussen & Milner, 1977), have also caught the attention of investigators. Although several attempts have been made in order to verify the existence of the effects proposed by these models, clinical studies have all been limited by several factors, namely small samples composed of one or two arbitrary age groups, as well as poor control over confounding neurological variables (lesion volume, presence of epilepsy, etiology, etc.).
Beyond the importance of these issues with regards to clinical management and informing prognosis, the study of the factors modulating post-lesion intellectual recovery as well as the implementation of hemispheric specialization throughout life allows us to examine fundamental neurodevelopmental patterns. In order to surpass the limits of previous studies, we used a sample of 2186 individual cases having sustained unilateral cortical injury, while documenting their neurological factors and reporting their VIQ and PIQ. Hence, two articles have been written and published in order to re-examine questions surrounding the development and implementation of hemispheric specialization and of intellectual development following brain injury. The first, examining the implementation of hemispheric specialization throughout the life span, allowed us to determine that lateralization progresses into senescence and is supported by a developmental gradient between the temporal for VIQ and the parietal lobes for PIQ. The second, examining the role of epilepsy in post-lesional recovery,
discovered that presence or absence of seizures mediates cognitive recovery, where the presence of epilepsy leads to an anti-Kennard effect for both VIQ and PIQ, while an anti-Kennard effect is observed in PIQ in the absence of epilepsy.
Ta.ken together, our results have allowed us to observe that intellectual development, post-lesional recovery, and hemispheric specialization of functions related to intelligence are more dynamic and complex than previously reported. Neurodevelopmental models must consider neurological factors: presence or absence of epilepsy, lobar locus, side, and age at lesion onset. Our results have also allowed us to determine that hemispheric specialization exists more as a process than as a trait, in the sense that it is in a constant state of change and is not "fixed" in time. A certain level of hemispheric specialization appears to exist even before birth, becoming functionally differentiated in early childhood and progressing throughout life. We offer the hypothesis that the late implementation of language functions in the left hemisphere and the apparent prenatal organization of visuospatial functions, manifested through unilateral cortical lesions, are the result of a differentiated epigenetic program. Visuospatial functions are far more ancient in our phylogenetic history, and are crucial from birth. Verbal intelligence, much more recent phylogenetically, only consolidates later in development, its implementation in the left hemisphere ta.king place primarily after birth. Finally, we argue that the robustness of verbal intelligence following left-hemisphere damage reflects the crucial importance of language functions in human social functioning.
Keywords: brain injury, intelligence, development, epilepsy, hemispheric specialization, recovery, age
INTRODUCTION SYNTHÈSE DES DEUX ARTICLES
1.1 Introduction
Le développement cognitif et le développement cérébral changent ensemble tout au long de la vie. Ces processus sont caractérisés par une chaine prolongée et nettement organisée d'événements ontogénétiques (de Graaf-Peters & Hadders-Algra, 2006). La question de comment se développe l'appareil cérébral chez l'humain et de comment se déploie le fonctionnement cognitif tout au long de la vie sont des enjeux au cœur de la psychologie développementale. Les connaissances sur le développement intellectuel chez l'humain ont été grandement fortifiées par des études examinant les suites d'une atteinte cérébrale, permettant d'informer le pronostic et d'en tirer des conclusions sur la nature de l'intelligence. L'étude de comment les hémisphères cérébraux deviennent fonctionnellement différenciés pour le traitement cognitif a accompagné ces investigations, sans pour autant que des conclusions robustes soient établies concernant le cadre complet de la vie. Plusieurs modèles ont été proposés afin d'éclairer la recherche sur le développement intellectuel, et de très nombreuses études ont été réalisées afin de vérifier ces hypothèses. Une grande part de ces études est limitée par la faible taille de leur échantillon, le peu de contrôle sur les facteurs tels que l'âge à la lésion, l'âge à l'évaluation intellectuelle, et les facteurs de l'atteinte neurologique elle-même tels l'étiologie et la présence d'épilepsie. Ainsi, ces questions classiques, mais profondément importantes pour la connaissance des
fondements de la cognition humaine ainsi que pour la pratique en neuropsychologie, exigent un nouveau regard.
Pour la présente thèse, deux grands enJeux entourant le développement et la spécialisation hémisphérique des fonctions intellectuelles ont été étudiés. Plus précisément, ont été abordés :
1) le déploiement de la spécialisation hémisphérique de l'intelligence en fonction de l'âge, ainsi que les régions cérébrales qui la soutiennent, en examinant si cette spécialisation est un processus se poursuivant tout au long de la vie, si elle plafonne avec l'âge, ou si elle présente un portrait intrahémisphérique ou interhémisphérique plus complexe et dynamique;
2) le rôle de facteurs neurologiques tels que l'épilepsie dans la récupération cognitive post-lésionnelle. Des études récentes (Duval et al., 2008; Montour-Proulx et al., 2004) ont remis en question un principe autrefois classique en neuropsychologie, le principe de Kennard, qui proposait qu'une lésion cérébrale précoce prédise une meilleure récupération qu'une lésion survenue plus tard dans la vie. Malgré l'ingéniosité de ces études, un faible contrôle pour des facteurs neurologiques confondants peut avoir laissé passer sous le silence des effets plus nuancés, ayant des implications majeures pour le pronostic intellectuel post-lésionnel.
Ces questions ont été examinées à travers une mesure commune : le quptient intellectuel. Avant de poursuivre plus loin, il est important de bien saisir la nature de ce construit. D'abord, l'intérêt scientifique pour l'intelligence en psychologie est apparu au 19e siècle, mais a connu son envolée au début du 2oe siècle. Ce sont Binet et Simon, faisant suite aux travaux de Francis Galton, qui en 1905 ont introduit les premiers tests d'intelligence normés selon l'âge, avec l'objectif de dépister la déficience intellectuelle. Contrairement à leurs prédécesseurs, Binet et Simon
cherchaient à mesurer de façon directe les fonctions cognitives, plutôt que de les inférer par le biais de mesures telles que l'acuité visuelle (Hergenhahn, 2007). C'est le psychologue allemand William Stem qui proposa en 1911 le concept « d'âge mental », afin d'expliquer l'écart observé entre l'âge chronologique et le rendement intellectuel attendu selon le niveau de développement. En divisant l'âge mental obtenu par l'âge chronologique, on obtenait un ratio : le quotient intellectuel. Lewis Terman proposa quelques années plus tard de multiplier ce ratio par 100 afin d'éliminer les décimales (Cianciolo & Sternberg, 2004). Ceci marquait l'apparition du QI tel qu'on le connaît aujourd'hui, bien que la notion d'âge mental ait été abandonnée et le calcul du quotient se soit raffiné.
Charles Spearman (1904; 1923), à travers la nouvelle méthode statistique de l'analyse factorielle, avança grandement les connaissances sur la nature de l'intelligence humaine. Il proposait l'existence de deux facteurs pouvant expliquer le rendement intellectuel. Selon lui, les capacités des humains dans des tâches spécifiques telles que les arts et les mathématiques formaient une série d'habiletés distinctes (les facteurs spécifiques, ou s). Ces facteurs, bien que distincts, corrélaient entre eux, ce qui a motivé Spearman à proposer l'existence d'un facteur général de l'intelligence (le facteur g), qui occupait une position hiérarchiquement supérieure aux facteurs s (Cianciolo & Sternberg, 2004). Spearman (1927) ajoutait une notion développementale et proposait la loi des moindres retours, par laquelle les corrélations observées entre les facteurs spécifiques auraient tendance à s'atténuer au fur et à mesure que l'individu grandissait, reflétant une distinction croissante des habiletés intellectuelles avec le temps.
Poursuivant les travaux de Spearman, Hom et Cattell (1967) ont proposé que le facteur g soit sous-divisé en deux construits: l'intelligence fluide et l'intelligence cristallisée. L'intelligence fluide est conçue comme un processus et l'intelligence cristallisée comme une représentation (Ardilla, 1999; Burgaleta et al., 2013; Haasz et
al., 2013). Wechsler (1944) opérationnalisa le concept et définit l'intelligence comme étant « l'agrégat ou la capacité globale à agir intentionnellement, à penser rationnellement, et à agir de façon efficace dans l'environnement ». Les tests d'intelligence qui émergeaient pendant cette période sous la direction de Wechsler reprenaient essentiellement la distinction de Horn et Cattell, en proposant que le fonctionnement intellectuel puisse être quantifié avec un quotient intellectuel verbal (QIV), un quotient intellectuel de performance visuospatiale (QIP), en plus d'un quotient intellectuel global (QIG). Le QIV se veut une mesure entre autres de la mémoire sémantique, les connaissances et des capacités d'abstraction verbo-sémantiques, alors que le QIP reflète des fonctions non-verbales telles que le raisonnement visuospatial et visuoconstructif, ainsi que la vitesse de traitement de l'information.
Les échelles d'intelligence de Wechsler (1991; 1997; 2002; 2008) sont les plus utilisées au monde depuis la deuxième moitié du 2oe siècle (Brown & McGuire, 1976; Kaufman, 1990; Louttit & Browne, 1947; Lubin, Larsen, & Matarazzo, 1984), avec de nombreuses traductions normées disponibles (Dai, Ryan, Paolo, & Harrington, 1990; Enns & Reddon, 1983; Zimmerman, Whitmyre, & Fields, 1970) et des mises à jour régulières. Elles sont les plus étudiées (Ardilla et al., 1999) et possèdent plusieurs qualités psychométriques qui en font un outil particulièrement utile pour des études développementales. D'abord, elles ont l'immense avantage d'être normées selon l'âge pour tout l'empan de la vie, permettant de comparer des scores obtenus à des âges différents. La structure factorielle demeure la même entre les trois tests (WPPSI, WISC, WAIS), et la fidélité test-retest est très élevée, même avec un changement de test dû à l'avancement en âge (Mulhern, Ochs, & Fairclough, 1992).
La spécialisation de l'hémisphère gauche pour les fonctions langagières est connue depuis les travaux de Broca (1861) sur l'aphasie. Depuis, il est bien établi que l'hémisphère gauche soutient les fonctions langagières alors que l'hémisphère droit
est spécialisé pour les fonctions visuospatiales et visuoconstructives. Plusieurs études ont tenté d'utiliser les tests d'intelligence comme localisateurs de lésions unilatérales selon le profil de déficits cognitifs observés. C'était le cas notamment avec les batteries de Halstead-Reitan (Heaton, Grant, Anthony, & Lehman, 1981; Russel, 1995) et Luria-Nebraska (Sears, Hirt, & Hall, 1984), qui pouvaient localiser correctement selon l'hémisphère dans 70% des cas. Les mêmes essais ont été faits avec les échelles de Wechsler en utilisant l'écart entre le QIV et le QIP comme indicateurs de la spécialisation hémisphérique. Warrington, James, et Maciejewski (1986) rapportent avoir trouvé des écarts significatifs entre le QIV et le QIP chez 656 adultes ayant subi une lésion corticale unilatérale, ce qui suggèrerait une certaine spécialisation hémisphérique pour ces fonctions. Toutefois, l'utilisation des échelles de Wechsler comme indicateur d'une quelconque spécialisation hémisphérique a été fortement critiquée, des auteurs remettant en question leur validité prédictive (lverson, Mendrek, & Adams, 2004; Ryan et al., 2009).
L'assignation proposée du QIV à gauche et QIP à droite n'est pas parfaite et est possiblement modulée par l'âge. Une atteinte droite avant l'âge d'un an entraînerait un déficit significatif du QIV et du QIP, mais une lésion droite après le premier anniversaire entraînerait un déficit dans le QIP, mais pas le QIV (Woods, 1980; Riva & Cazzaniga, 1986). Nass, Peterson, et Koch (1989) ont étudié les différences entre des lésions congénitales gauches et droites quant au QI et rapportent que les enfants avec une lésion de l'hémisphère droit ont un déficit important dans les trois mesures (QIG, QIV, et QIP). Ballantyne, Scarvie, et Trauner (1994) ont étudié les effets d'un AVC périnatal sur le développement intellectuel selon le côté affecté et ont observé que le QI était normal pour les deux groupes cliniques bien qu'inférieurs aux contrôles, mais que le QIV était supérieur au QIP chez les lésés droits, alors qu'il n'y avait pas d'écart entre le QIV et le QIP chez les lésés gauches, ce qui est anormal lorsqu'on se fie au profil adulte attendu de la spécialisation hémisphérique. Le développement apparemment normal du langage malgré l'excision précoce de
l'hémisphère gauche (Boatman et al., 1999; Dennis & Kohn, 1975; Smith & Sugar, 1975; Vargha-Khadem et al., 1997) indiquerait l'existence d'une grande plasticité interhémisphérique des fonctions langagières.
Ce sont des effets paradoxaux de la sorte qui ont amené Teuber (1967; 1974) à proposer le modèle d'entassement (« crowding ») de l'hémisphère droit. Selon ce modèle, une lésion précoce de l'hémisphère gauche entraînerait une migration des fonctions langagières vers l'hémisphère droit, où le connectome fonctionnel serait accaparé au détriment des fonctions visuospatiales, causant ainsi un effet de plafonnement dans le développement des fonctions normalement assignées à l'hémisphère droit. Les études testant cette hypothèse ne sont pas unanimes, quelques données l'appuyant (MacWhinney, Feldman, Sacco, & Valdés-Perez, 2000) alors que d'autres études d'envergure non (Montour-Proulx et al., 2004; Staudt et al., 2002). Rasmussen et Milner (1977) ont raffiné le modèle d'entassement de Teuber en proposant qu'une lésion précoce de la région périsylvienne gauche puisse entraîner une telle migration des fonctions langagières vers l'hémisphère droit, telle que déterminée par le test d'amobarbital sodique. Une telle migration se ferait à un coût très élevé pour le fonctionnement intellectuel (Strauss, Satz, & W ada, 1990). Corballis et Morgan (1978) affirment que, pour qu'un tel déplacement des fonctions langagières vers l'hémisphère droit soit possible sans que le contraire le soit, il doit y exister un gradient développemental entre les deux hémisphères. Ainsi, l'hémisphère gauche ne serait pas « consacré » au langage en début de vie, alors que l'hémisphère droit le serait pour le fonctionnement visuospatial. Des études lésionnelles semblent appuyer cette hypothèse (Nass, 1984; Nass & Peterson, 1989).
Toutefois, des asymétries prénatales du cerveau remettent en question l'idée par laquelle l'hémisphère gauche ne soit pas spécialisé en début de vie. Wada, Clarke, et Hamm (1975) ont découvert que le planum temporale gauche est plus volumineux chez les nouveau-nés que dans l'hémisphère droit, une différence qui s'accentue à
l'âge adulte. Ils ont également observé que l'operculum frontal est plus volumineux au côté droit que gauche chez des enfants prématurés, la différence étant visible même dès la 29e semaine de gestation. Bien qu'il soit nécessaire de toujours faire preuve de prudence lorsqu'on extrapole des différences physiologiques à partir d'asymétries morphologiques, plusieurs études argumentent de façon convaincante qu'une telle différence est présente même dès le plus jeune âge. Or, des différences hémisphériques quant au traitement de l'information semblent exister également. Glanville, Best, et Levenson (1977) ont démontré à l'aide de l'ÉEG que l'hémisphère gauche est plus sensible que le droit aux variations liées au langage oral chez des enfants de 3 mois. Molfese et Molfese (1979) affirment plutôt qu'un traitement de formants vocaux est latéralisé à gauche chez le nouveau-né alors qu'un processus langagier secondaire bilatéral agit parallèlement, suggérant que la perception de stimuli vocaux peu après la naissance dépend de mécanismes combinés impliquant les deux hémisphères cérébraux. D'autres études rapportent également des différences hémisphériques à la naissance avec l'ÉEG (Crowell, Jones, Kapuniai, & Nakagawa, 1973; Davis & Wada, 1977; Molfese, Freeman, & Palermo, 1975) et les potentiels évoqués auditifs (Molfese, Nunez, Seibert, & Ramanaiah, 1976).
Les études s'étant intéressées à la spécialisation hémisphérique prénatale des fonctions cognitives sont loin d'être unanimes. Avec le QI, une seule étude a rapporté un profil de spécialisation hémisphérique adulte chez des adultes ayant subi une lésion prénatale (Raz et al., 1994). Une large part de la discussion entourant la spécialisation hémisphérique prénatale concerne la théorie de l'équipotentialité de Lenneberg (1967). Selon ce modèle, les habiletés langagières ne seraient pas strictement déterminées, en début de vie, à se localiser dans l'hémisphère gauche, mais auraient initialement un potentiel égal pour chaque hémisphère. Cette équipotentialité serait suivie d'une réduction graduelle de la contribution de l'hémisphère droit aux processus langagiers. Ainsi, l'hémisphère gauche serait
prédisposé à représenter de façon unilatérale le langage, mais l'hémisphère droit en aurait la même capacité en cas d'atteinte majeure du côté gauche.
Les modèles descriptifs de la spécialisation hémisphérique suggèrent que celle-ci soit modulée par l'âge (Kolb & Whishaw, 1980). Or, peu d'études se sont intéressées à savoir comment la spécialisation hémisphérique des hautes fonctions cognitives se modifie avec le vieillissement. Des modulations de la spécialisation hémisphérique peuvent refléter des changements dans l'architecture cérébrale soutenant l'intelligence. Il est bien connu que la sénescence comporte des altérations importantes au parenchyme cérébral, notamment dans le cortex et la matière blanche du lobe frontal (Kril, 2005; Raz et al., 2005). Ainsi, la matière cérébrale soutenant les fonctions intellectuelles se verrait fragilisée. Une proposition faisant un lien direct entre le vieillissement cérébral et la spécialisation hémisphérique est le modèle du vieillissement hémisphérique droit (« right hemi-ageing model », ou RHAM) de Brown et Jaffe (1975). Selon ce modèle, les détériorations cognitives observées chez les personnes âgées, particulièrement concernant les habiletés fluides, seraient dues à une dégénérescence asymétrique entre les deux hémisphères cérébraux, affectant davantage le côté droit et ainsi affectant les habiletés cognitives sous-jacentes. Schnack et al. (2014) démontrent que le cortex de l'hémisphère droit semble s'amincir d'environ trois ans plus tôt que le côté gauche, ce qui pourrait appuyer le modèle RHAM. Pujol et al. (2002) rapportent également des modifications dans le ratio matière grise/matière blanche plus précoces dans l'hémisphère droit, sans que ce soit associé à la performance dans des habiletés visuospatiales.
Un modèle plus contemporain souvent mis en opposition à RHAM est le modèle de réduction de l'asymétrie chez les adultes âgés(« hemisphere asymmetry reduction in older adults » ou HAROLD) de Cabeza (2002). S'appuyant sur l'imagerie fonctionnelle, ce modèle avance que les patrons d'activation préfrontale, fortement latéralisés chez les jeunes adultes, semblent devenir plus bilatéraux chez les
personnes âgées. Selon ce modèle, cette dédifférenciation suggèrerait une compensation active du déclin neurocognitif associé au vieillissement, possiblement en adoptant de nouvelles stratégies cognitives. Ces changements peuvent également refléter un changement plus global dans l'architecture neuronale sous-tendant la performance à une tâche. Des preuves appuyant le phénomène de dédifférenciation préfrontale chez les personnes âgées tout en maintenant une activité cognitive normale ont été rapportées (Cabeza, 2002; Collins & Mohr, 2012; Dolcos, Rice, & Cabeza, 2002; Hatta et al., 2014). Toutefois, les modèles plus récents se sont éloignés de la spécialisation hémisphérique (Reuter-Lorenz & Park, 2014), mais ont comme point commun la notion selon laquelle le cerveau enclenche un processus actif afin de maintenir un niveau d'activité homéostatique.
Outre l'âge à la lésion, la récupération cognitive post-lésionnelle est influencée par une panoplie de facteurs, notamment le volume de la lésion, l'étiologie, et l'hémisphère affecté. Un facteur neurologique jouant un rôle particulièrement important est l'épilepsie. L'apparition précoce de l'épilepsie a été associée à la déficience intellectuelle, l'autisme, le TDAH ainsi que d'autres morbidités neurologiques (Hermann et al., 2008; Trevathan, 1999). Les études s'intéressant au rôle de l'épilepsie dans le développement intellectuel tendent à démontrer que l'apparition précoce de symptômes épileptiques prédit un pronostic plus négatif (Berg et al., 2012; Cormack et al., 2007; D' Argenzio et al., 2012; Kaaden & Helmstaedter, 2009; Vasconcellos et al., 2001; Vendrame et al., 2009). Par contre, lorsqu'on s'intéresse aux sous-domaines du QI, le portrait devient beaucoup moins clair. Hermann et al. (2008) ont observé que le QIP était davantage affecté que le QIV, bien que les deux scores se soient améliorés lors d'une seconde évaluation. Luerding et al. (2003) ont quant à eux observé chez des patients âgés de 13 et 53 ans que le QIP tendait à décliner avec le temps, alors que le QIV tendait à récupérer. D'autres études rapportaient plutôt que le QIV était plus vulnérable que le QIP chez des patients souffrant d'épilepsie (O'Leary et al., 1983; Rantanen et al., 2010; Van Iterson et al.,
2013). Bjomaes et al. (2002) ont proposé un modèle développemental selon lequel l'épilepsie entraverait l'accumulation de capacité intellectuelle brute chez l'enfant, ce qui se manifesterait par un déclin dans le QI au fur et à mesure que l'écart se creuse entre les habiletés de l'enfant et son groupe d'âge de référence. L'impact de l'épilepsie chez l'adulte serait insuffisant pour provoquer un tel déclin, étant donné que l'accumulation brute de l'intelligence est déjà en grande partie complétée vers l'âge de 7 ans, tel qu'observé dans les cahiers de normes des tests de Wechsler (Braun, Guimond, Payette, & Daigneault, 2013). Des facteurs associés à l'épilepsie, autres que les pics électriques, peuvent contribuer davantage à entraver le développement intellectuel. La prise de médication anticonvulsivante est associée à des effets secondaires neurotoxiques (Hermann et al., 2010; Meador et al., 2009; O'Leary et al., 1983) et peut affecter négativement la vitesse psychomotrice (Boelen et al., 2015), une composante importante du QIP.
Force est de constater que la très grande majorité des études lésionnelles sont plombées par des petits échantillons, l'utilisation de groupes souvent hétérogènes et peu comparables, un manque de contrôle sur les facteurs neurologiques confondants, et la restriction de l'échantillon à des groupes de tranches d'âge arbitraires. Il apparaît donc nécessaire de pouvoir examiner le développement et la récupération intellectuelle sur l'empan complet de la vie avec un échantillon possédant suffisamment de puissance statistique afin d'arriver à des réponses claires aux questions entourant la littérature lésionnelle.
Les études lésionnelles récentes ayant examiné le développement et la récupération intellectuelle après une lésion cérébrale ont permis de remettre en question des principes développementaux auparavant pris pour acquis (Duval et al., 2008; Montour-Proulx et al., 2004). En faisant appel à un échantillon de cas individuels de taille très importante (voir annexes A et B), nous pouvons réexaminer les questions soulevées préalablement et approfondir l'investigation en considérant d'autres
variables. Une façon innovatrice de quantifier la spécialisation hémisphérique permettra de mieux saisir les effets développementaux plus subtils. De plus, en incluant une proportion importante de cas ayant subi une lésion prénatale, nous sommes en position de méta-analyser une immense part de la littérature lésionnelle portant sur les cas congénitaux et aboutir à des conclusions beaucoup plus définitives sur le développement et la spécialisation hémisphérique précoce de l'intelligence.
1.2 Objectif et hypothèses
L'objectif général de cette thèse est d'examiner les patrons développementaux soutenant le développement et la spécialisation hémisphérique des fonctions intellectuelles suivant une lésion cérébrale unilatérale. Une attention particulière est portée aux facteurs neurologiques pouvant influencer le parcours développemental des deux sous-types d'intelligence tels que mesurés par les échelles de Wechsler sur tout l'empan de la vie.
En ce sens, deux articles scientifiques, maintenant publiés, sont proposés et forment le corps de la présente thèse de doctorat. Ils visent à examiner les questions liées au développement de la spécialisation hémisphérique des fonctions intellectuelles suite à une lésion cérébrale, ainsi que des variables neurologiques pouvant moduler ou même médier le développement de l'intelligence. Le premier article dans la présente thèse porte sur le développement de la spécialisation hémisphérique des fonctions intellectuelles ainsi que sur les sites lobaires qui les soutiennent. Le deuxième article porte sur le rôle de l'épilepsie dans la récupération post-lésionnelle, en réexaminant les conclusions de Duval et al. (2008) et Montour-Proulx et al. (2004).
Nous avançons l'hypothèse que la spécialisation hémisphérique progresse de façon stable au cours de l'empan de la vie, telle que reflétée par une diminution de la plasticité du QIV et du QIP selon l'hémisphère affecté. Nous avançons également que
la présence de complications épileptiques influencera de façon importante la récupération cognitive post-lésionnelle, de manière inégale entre le QIV et le QIP.
1.3 Méthode générale
Cette thèse est une étude d'archives rétrospective utilisant la méthode anatamo-clinique. Pour la collecte de données, nous avons effectué des recherches bibliographiques avec le moteur de recherche Google Scholar avec les mots-clés pertinents (unilateral brain injury, cortical lesion, verbal intelligence, performance intelligence, VIQ, PIQ) afin d'identifier des études de cas qui pouvaient potentiellement remplir les critères d'inclusion. Plus de 200000 résultats ont été obtenus à travers cette recherche. Une analyse des bibliographies des études de cas a été effectuée afin de trouver d'autres cas potentiels pour la base de données. Cette méthode a permis de ratisser un nombre très important de cas individuels. Toutefois, nous ne prétendons pas que notre collecte de données soit exhaustive ou systématique en ce qui concerne la littérature lésionnelle.
À partir des 725 cas utilisés dans Duval (2007), nous avons ajouté 1461 cas additionnels pour un total de 2186. De ce nombre, 366 proviennent de dossiers médicaux anonymisés fournis par des collaborateurs dans différents hôpitaux au Canada (Hôpital de Montréal pour Enfants, Hôpital Notre-Dame, Hôpital pour Enfants de l'Est Ontarien, Grand River Hospital, Hôpital Marie-Enfant, Hôpital Sainte-Justine, et le Centre Hospitalier Côte-des-Neiges). L'accès aux dossiers médicaux a été approuvé par les différentes institutions autour de l'an 2000 pour utilisation dans la thèse de Montour-Proulx (2000). Aucune information pouvant identifier les patients n'a été transmise aux chercheurs, ainsi, l'entièreté des données récoltées est complètement anonyme.
Tous les cas, tant ceux provenant des dossiers médicaux que de la littérature scientifique, devaient respecter les critères d'inclusion utilisés par Montour-Proulx (2000) et Duval (2007), soit: présence d'une lésion corticale unilatérale confirmée par imagerie ou par chirurgie, informations quant au côté et le site lobaire de la lésion (frontal, temporal, pariétal, occipital), le sexe du patient, QIV et QIP provenant d'un test de Wechsler (WPPSI, WISC, ou W AIS, versions I à Ill), l'âge à la lésion, l'âge aux symptômes, et l'âge au test (incluant au deuxième test lorsque possible). La pathoétiologie et la présence d'épilepsie étaient notées lorsque mentionnées dans l'étude de cas. La date de transfert du dossier médical ou de la publication de l'étude de cas était également codée. Les étiologies congénitales ( définies selon les critères de Kleihues & Cavenee (2000) et Spaycar & Randolph (1995)) ont été codées comme ayant l'âge à la lésion équivalent à zéro. Pour les cas dont la lésion n'était pas congénitale, l'âge à la lésion était codé selon l'âge à l'apparition des symptômes moins le temps moyen entre l'incidence de la lésion et la présence de symptômes (cette procédure a été utilisée dans Montour-Proulx et al., 2000). Le volume de la lésion représente le nombre de lobes affectés par la lésion, tel qu'indiqué dans l'étude de cas.
Plusieurs critères d'exclusion ont été appliqués, dont les cas ayant une lésion bilatérale, qui sont morts moins d'un an après l'évaluation, ayant une autre neuropathologie centrale autre que la lésion corticale, présence d'une autre maladie systémique, et si le patient faisait de la radiothérapie ou chimiothérapie dans une période d'un an entourant la passation du test de QI. Les cas ayant un QI global inférieur à 40 étaient exclus de la base de données.
Une attention particulière a été portée quant à la présence de possibles doublons dans la base de données. Une approche multivariée incluant plusieurs rondes de vérifications manuelles et automatiques a été employée afin de détecter et éliminer ces cas.
ARTICLES
1) Development of material-specific hemispheric specialization from beginning to end
2) Intellectual outcome after a cortical lesion with or without epilepsy: A life span neurodevelopmental view
Development of material specific hemispheric specialization from beginning to end
Benjamin Gingras, B.Sc., & Claude M.J. Braun, Ph.D.
(Published in: Laterality: Asymmetries of Body, Brain and Cognition)
Abstract
Disparity of Verbal and Performance intelligence (VIQ, PIQ) on the Wechsler scales of intelligence is a conceptually cluttered and empirically weak measure of hemispheric specialization. However, in the context of life span research, it is the only measure that can be exploited meta-analytically with the lesion method from prenatal life to late senescence. We assembled 1917 cases with a unilateral cortical focal brain lesion occurring at ail ages and a post-lesion VIQ and PIQ. Lesion locus, volume and side were documented for each case,
as
wellas
age at lesion onset, age at first symptoms and age at IQ test, presence/absence of epilepsy, lesion aetiology, gender, date of publication or of transfer of medical file. With and without covariate adjustment, hemispheric specialization (HS) was significant across the life span though its pattern changed. HS increased linearly and highly significantly until late senescence. Only in early adulthood did VIQ appear to vacate the right temporal lobe and occupy the left and PIQ vacate the left parietal lobe and occupy the right until late senescence. Biomaturational factors are more important in the ontogeny of material-specific hemispheric specialization over the whole life span than previously established.Introduction
Hemispheric specialization in the intellectual domain has been studied primarily with the Wechsler scales of intelligence. There is general agreement that intellectual hemispheric specialization exists in human adults, as indicated by group findings of an advantage of Performance intelligence (Pl Q on the Wechsler scales of intelligence, 1 st to 3rd revisions) following left hemisphere lesions and an advantage of Verbal intelligence (VI Q on the Wechsler scales of intelligence, 1 st to 3 rd revisions) following right hemisphere lesions. For technical reasons, a truly convincing demonstration of hemispheric specialization with VIQ and PIQ would require such a crossed double dissociation. However, the second half of the dissociation bas been found to be very subtle and rarely reaches significance, even in adults. The largest sample of adult cases (at IQ test) of unilateral focal lesions with VIQ and PIQ comprised 656 patients of mixed pathoaetiology (left hemisphere lesions: VIQ = 94.7, PIQ = 99.7; right hemisphere lesions: VIQ = 106.8, PIQ = 94.8, Warrington, James & Maciejewski, 1986).
Clinicians, particularly those specialized in epilepsy, continue to this day to report cases with VIQ and PIQ, especially those reviewing case series from the past (Iijima et al., 2017). Epileptologists still refer to this type of laterality as "material-specific" hemispheric specialization while recognizing important limitations to the use of VIQ and PIQ for that purpose (Klamer et al., 2017). Clinicians are aware of course however that PIQ is more sensitive than VIQ to any diffuse brain deterioration in adults (Cullum & Bigler, 1986). Accordingly, in the field of geriatric neuropsychology, VIQ and PIQ are more commonly referred to respectively as crystallized versus fluid intelligence (Hom & Cattell, 1967; Botwinick, 1977; Reynolds, Chastain, Kaufman & McLean, 1987). Wechsler was aware that the raw score version of VIQ manifested little decline throughout senescence whereas the raw score version of PIQ plummeted by early senescence. Accordingly, he labelled some VIQ subscales HOLD and some PIQ subscales NO HOLD (Wechsler, 1958).
The distinction between VIQ and PIQ in the context of hemispheric specialization is conceptually cluttered because these two scales differ on at least three dimensions. VIQ is verbal, it is untimed, and it requires mental processing of overlearned material. PIQ is predominantly visuospatial/visuomotor, it is timed and it requires processing of relatively novel material. Y et despite the eclectic make-up of the Wechsler scales, advantages of collecting VIQ and PIQ in the neuropsychological and neurological clinic have been irresistible.
The Wechsler IQ indexes are the best predictors in existence of educational and occupational achievement (Freberg, Vandiver, Watkins, & Canivez, 2008). From a psychometric point of view ( standardization, norms, etc.) they are the best quantifications of high order cognitive ability. They present the huge advantage of being adjusted very finely for age, making them immediately and directly applicable in the clinic.
This also endows them with an inestimable advantage over other procedures and tests for life span investigation of post-lesion cases: each IQ score is adjusted for age such that any effect of the lesion is not contaminated by effects of age-related acquisition of skills during development nor by age-related decline due to naturally occurring brain atrophy in adult aging. Accordingly, in patients with focal lesions, variations in IQ measure lesion-specific effects along the life span. VIQ and PIQ are also reputed for exceptional stability over the life span, and their very well characterized variance allows for further fine-tuned clinical judgment. VIQ and PIQ measure constructs that should line up with behavioural neurology of the human hemispheres dating back long farther than the creation of the first IQ test by Binet and Simon (1905). Indeed, it has been known since the mid-l 9th century that the left hemisphere supports language and that the right hemisphere supports visuospatial function (Finger, 2001). It has been customary for any case report of a unilateral focal cortical lesion to include the VIQ and PIQ. There are thus tens of thousands of such cases in the academic literature that can be mined, and we have assembled a large subset of them, those that are particularly well characterized.
Despite the importance of VIQ and PIQ in clinical and educational psychology and in neurology and neurosurgery, the exact ontogeny of material-specific hemispheric specialization remains unknown. The picture is currently limited to multitudes of studies investigating limited age groups, most often with specific lesion aetiologies. It is not clear for example at which age the IQ type by lesion side interaction becomes significant or might cease to be so, with all else being equal.
It was known in the 1950s that congenital loss of the left hemisphere does not typically result in aphasia. This led Lenneberg (1967) to propose that material-specific hemispheric specialization is equipotential. Soon after Lenneberg's famous aphorism, numerous attempts were made to determine whether VIQ and PIQ reveal hemispheric specialization in patients with congenital onset of unilateral cerebral lesions. Only one of these studies, that of Raz and colleagues (1994) found any evidence of a crossed double dissociation. Eleven left hemisphere cerebrovascular accident (CV A) cases and nine right hemisphere CV A cases, with IQs in the normal range, presented an adult-like interaction of lesion side by IQ type. However, there was no evidence that each term of the interaction was significant. Strangely, another similar sample in the same report manifested no evidence of such laterality. The fact that the IQs were above the normative mean raises additional suspicion. Other studies with larger samples ail failed to find a significant interaction (Aram & Ekelman, 1986; Bava, Ballantyne, May, & Trauner, 2005; Cormack, Vargha-Khadem, Wood, Cross, & Baldeweg, 2012; Eisele & Aram, 1993; Funnell & Pitchford, 2010; Glass et al., 1998; Gonzalez-Monge et al., 2009; Isaacs, Christie, Vargha-Khadem, & Mishkin, 1996; Korkman & von Wendt, 1995; Lewandowski & De Rienzo, 1985; Muter, Taylor, & V argha-Khadem, 1997; Nass, deCoudres Peterson, & Koch, 1989; Paul et al., 2014; Reed & Reitan, 1969; Ricci et al., 2008; Schatz, Ballantyne, & Trauner, 2000; Thivard et al., 2005; Vargha-Khadem, Isaacs, van der Werf, Robb, & Wilson,
1992; Venter & Lord, 1999; Vollmer et al., 2006; Woods, 1980).
Whether the hemispheres are absolutely equipotential for VIQ and PIQ or not, ail commentators agree on one point. T o the extent that the lesion method reveals that
VIQ and PIQ are differentially lateralized in the brain, this material-specific hemispheric specialization certainly "increases" sometime after birth. It has been commonly stated that the so called "recovery period" between lesion onset and salient symptoms or between lesion onset and IQ testing may be critical in VIQ/PIQ imbalance by lesioned hemisphere (Levine, Kraus, Alexander, Suriyakham & Huttenlocher, 2005) but this has never really been clearly determined.
In senescence, there is even more uncertainty concerning age-related change of the IQ type x lesion side interaction. lt is simply not known how the profile changes as a function of age at lesion onset. Only age at the IQ test has been accounted for, never in enough detail for a life span developmental perspective. There are several frequently cited models of normal brain aging centred on hemispheric specialization. One model proposed that the right hemisphere becomes functionally deficient in senescence (Brown & Jaffe, 1975; Albert & Moss, 1988). Another model, termed HAROLD, proposed that hemispheric specialization markedly wanes because the senescent brain is forced to exploit larger neuronal assemblies to maintain intellectual performance (Cabeza, 2002). More recent modelling of brain aging generally no longer pays any attention to hemispheric specialization (Reuter-Lorenz & Park, 2014). In this context, one can only ardently wish the lesion method had weighed into these models with good hard meaningful data, but it has not. With focal unilateral lesions we still have no idea whether material-specific hemispheric specialization declines as a Junction of age at lesion onset in very old age or continues to increase or whether it settles at a plateau.
In order to characterize development of material-specific hemispheric specialization over the life span, methodological preconditions would have to be met. First, lesion volume and lesion locus would have to be precisely determined. Age-specific events would have to be tagged precisely: age at lesion onset, age at symptom onset, and age at IQ testing. The lesions should always involve the cortex. A demonstration would have to be made to the effect that the WPPSI, WISC and WAIS scale versions of VIQ and PIQ measure the same construct throughout the life
span in brain lesioned patients. A crossed double dissociation between VIQ and PIQ and lesion-side would have to be demonstrated, at least at some point, with each term reaching significance. Epilepsy, male gender prevalence, severe aetiology, massive lesions, all more common in juveniles, would have to be controlled by sampling or as covariates. Assembling the necessary giant database of focal unilateral cortical lesion cases with post-lesion VIQ and PIQ could entrain a Flynn effect (Pietschnig & Voracek, 2015). A Flynn effect would then also have to be controlled by sampling or as a covariate. Only with all these conditions met would characterization of the ontogeny of material-specific hemispheric specialization appear convincing.
Method
Case selection
A total of 366 cases were obtained from records of six hospitals in Eastern Canada and 1551 from published case reports. The selection criteria were similar to Duval et al. (2008). All cases had to have an exclusively unilateral lesion involving the cortex and IQs had to have been obtained exclusively from Wechsler tests of intelligence (WPPSI, WISC, W AIS). Each case had to present complete data regarding gender, lesion side, lesion location in the hemisphere (frontal, temporal, parietal, occipital), number of lobes damaged, FSIQ, VIQ, PIQ, age at lesion onset, age at symptom onset, age at IQ test, and age at IQ retest. Incidence of epilepsy prior to IQ testing and pathoaetiology of the focal lesion were noted when mentioned and coded into the quantitative database. Date of the provision of hospital cases and publication dates were coded for each case to control an eventual Flynn effect. Cases with a full-scale intelligence quotient (FSIQ) below 40 were excluded. See table 1 for a clinical description of the cases.
Table 1. Clinical description of the sample
Nominal variables (Frequencies out of 1917) Left frontal damage: 404 Right frontal damage: Left parietal
399 damage:415
Left temporal damage: 73 l Right temporal damage: Left occipital
503 damage: 264
One lobe damaged: 1169 2 lobes damaged: 385 3 lobes damaged: 129
Epilepsy/seizures: 1075 Male gender: ll49 Metabolic pathoaetiology: 32 Infectious pathoaetiology: 86 Cerebrovascular accident Traumatic
pathoaetiology: 512 pathoaetiology: 228 Autoimmune pathoaetiology: Arteriovenous Mitotic
38 malformation pathoaetiology: 326
pathoaetiology: 13 l
Continuous variables (Mean, standard deviation, range)
Variable (N) Mean Standard deviation
Age at lesion onset (years) 16.39 22.14 (N=l917)
Age at first symptoms (years) (N = 18.35 21.62 1917)
Age at first IQ test (years) 27.67 19.76 (N=l917)
Age at first of two IQ tests (years) 20.72 16.74 (N= 452)
Age at second oftwo IQ tests (years) 23.81 16.19 (N = 452)
VIQ (N = 1917) 91.83 17.41
PIQ(N=l517) 88.97 18.28
VIQ first oftwo tests (N = 452) 91.68 18.31 PIQ first oftwo tests (N = 452) 90.16 19.16 VIQ second oftwo tests (N = 452) 92.23 18.53 PIQ second oftwo tests (N = 452) 92.82 19.61 Date of publication or ofhospital 1998
case handover
Right parietal damage: 349
Right occipital damage: 197 4 lobes damaged: 234 Dysplastic pathoaetiology: 205 Porencephalic pathoaetiology: 95 Sclerotic pathoaetiology (excluding multiple sclerosis): 180 Range 0-84 0-84 3-84.42 3- 76 3-76.10 35-146 17-138 35-140 17-138 45-148 30-144 1950-2017
Stability ofWechsler VIO and PIO scales for life span research on post-lesion cases
The versions of the Wechsler scales of intelligence for toddlers (WPPSI), children (WISC) and adults (W AIS) purport to measure the same constructs at all ages. Until the third revision of each test, all Wechsler scales of intelligence generated a Verbal intelligence quotient (VIQ) and a Performance intelligence quotient (PIQ). Both of these intellectual quotients measure the same construct, in neurotypicals, on the WPPSI, the WISC and the W AIS at all ages, in a reliable, stable and valid manner (see Duval, 2006, for a review of the relevant evidence).
With regard to persons with focal unilateral cortical lesions, our own database is probably the most fit to determine whether or not the WPPSI, WISC and W AIS measure VIQ and PIQ similarly, as a single test would. Our database contains cases tested and retested on the WPPSI, WISC or W AIS, but also cases retested with different Wechsler intelligence tests. Table 2 indicates that change of Wechsler intelligence scale had negligible impact on test-retest reliability of VIQ or PIQ. In addition, the test-retest correlations were quite good regardless of the mixture of Wechsler tests used.
Table 2. Comparison of test-retest reliability of the Wechsler scales of intelligence within-test and across-test in our cases with unilateral cortical lesions
First Second N Pearson R VIQ Pearson R PIQ test test WPPSI WPPSI 12 .80 .84 WISC WISC 169 .84 .78 WAIS WAIS 200 .82 .79 WPPSI WISC 37 .78 .80 WISC WAIS 26 .84 .84 WPPSI WAIS 3 .99 .85
Evidence of brain laterality as an indisputable disparity ofVIO and PIO
It has long been established that PIQ is more sensitive to diffuse brain lesions in adults than is VIQ (Cullum & Bigler, 1986). For this reason, any change in disparity of VIQ and PIQ could be a mere artefact, unless the interaction between IQ type and lesion side were to reach significance, in which case, the only interpretation possible is to conclude that some sort of hemispheric specialization exists. Even then, if one hemisphere were to never manifest VIQ/PIQ disparity, then all that could be concluded is that one hemisphere is more fragile than the other, not that each hemisphere selectively embodies its own "material-specific" processing mode. Thus, we first set out to determine at which age of lesion onset the hemispheres manifest the most clearly opposite disparity, both statistically significant by narrowing the age at lesion onset span of the entire sample from each end, one year at a time, and running the ANOV A anew, until the minimum p value was obtained for the effect of interest. With age of lesion onset between 1 year and 29 years, the interaction was canonical with each hemisphere presenting the most significant and opposite VIQ/PIQ disparity (see table 3).
Table 3. Material-specific hemispheric specialization in cases with age at lesion onset between 1 year and 29 years.
VIQ Mean (SD) Left hemisphere 89.95 lesion (N
=
365) (17.03) Right 92.56 hemisphere (16.54) lesion (N = 328) PIQ Mean (SD) 92.87 (17.61) 89.36 (18.89) t value (matched samples) 3.6 3.7 p .0004 .0003Detennining the relative importance and significance of various age-related independent variables
Age at lesion onset is an "archaeological" or biomaturational probe: the event can occur before IQ can be measured, indeed before intelligence exists at all. Age at symptom onset is more of an "ecological" probe: symptom onset may be particularly disruptive of everyday life ( clinical tests, hospitalization, epilepsy, psychiatrie or cognitive catastrophes, disturbance of school or occupational life ). Also, short intervals between lesion onset and symptom onset could be indicative of virulence of the overall brain pathology. Age at IQ test is more of a "cultural" probe: by the time IQ is tested, the basic organic healing process is usually over. The patient has typically had time to do what he or she could to optimize his or her intellect (return to school or to work, cultural activities, etc.). The time it takes, after a lesion, to reach IQ testing is particularly long and arbitrary (see table 1): in the hospital setting it typically depends on screening through the multidisciplinary team, prioritization via a decision tree, and scheduling in a non-urgent context. Sometimes the desire of somebody to publish a case may inspire IQ testing many years after lesion onset. One of the IQ types could recover better than the other over a prolonged period of time. Nothing is known about how age at any of these critical events (lesion onset, symptom onset, and IQ test) relates to material-specific hemispheric specialization over the life span.
Results
How does hemispheric specialization develop over the life span?
Many clinical and some biographie variables could interact with age at lesion onset, making the main question of the present investigation purely descriptive, devoid of scientific meaning. In our sample of 1917 cases, age at lesion onset is significantly related to every other measured variable described in table 1 except
presence/absence of encephalitis, trauma, arteriovenous malformation (A VM), and cancer. We therefore adopted the following two strategies. First it was important to characterize disparity ofVIQ and PIQ as a function of lesion side in the whole sample (N = 1917) without statistical "correction" to get a clear descriptive picture of the context of the study as a whole. See figure 1.
104 99
a
>
94 as...
Figure 1. VIQ and PIQ following either a left or a right hemisphere lesion occurring across the life span (N
=
1917)- Left lfflon ,&
l t l i - Rlghtleolon
..
,1a,
6
.
,.,. j •• , 1o..
1 1 o'~ 1 1 1 1 l ' 1 1 81 u Il,, f..
~ t I t I j 76 20 40 60 80 zo 40 60Age at lesion onset Age at lesion onset
- Left lesion - Rlght leolon
Second, to ensure that modulation of hemispheric specialization by age at lesion onset is confirmed with everything else being equal we planned a repeated measures ANCOV A, also on the whole sample. The repeated measures were VIQ and PIQ. Age at lesion onset dichotomized at the median (exactly 5.00 years) and lesion side were the between factors. All the other variables were covariates: date of publication, epilepsy, gender, lesion volume, the four lesion loci, the seven relevant aetiopathological categories, the intervals between age at lesion and at first symptoms, the interval between age at first symptoms and age at IQ test. This statistical inference test addresses an abstract scientific question: with the unilateral focal cortical brain insult being as uniform as possible (via statistical adjustment), does age at lesion onset modulate hemispheric specialization The interaction between IQ type (adjusted) and lesion side was significant (Fo, 1896) = 78.60, p = 1.71 E-18). Left hemisphere lesions (LHL) yielded an adjusted VIQ of 90.30 and PIQ of 90.35. Right hemisphere lesions (RHL) yielded an adjusted VIQ of93.49 and PIQ of 87.39. See figure 2.
The interaction between IQ type, lesion side and age at lesion onset ( dichotomized at median), with the aforementioned covariates, was significant (Fo, 1896) = 25.42, p = 5_53E-7). The IQ type by lesion side interaction was greater in the late lesion onset subsample. However, when repeating the analysis on left and right-hemisphere cases respectively, the effect of IQ type did not reach significance in the left hemisphere cases. See figure 2 and table 4.
Table 4. Effects of left and right hemisphere lesions on VIQ and PIQ in age of lesion onset-dichotomized groups.
Left hemisphere lesions (N
=
1068) Right hemisphere lesions (N=
849)Age categories VIQ PIQ F p VIQ PIQ
F
p< 5 years at 89.91 88.99 0.33 .568 91.39 87.78 21.62 .000005 lesion onset (N= 564) (N= 564) (N
=
367) (N=
367)5+ years at 90.70 91.71 1.03 .310 95.59 87.00 180.96 4.59E·35 lesion onset (N= 504) (N= 504) (N
=
482) (N=
482)Figure 2. Effects of unilateral lesions occurring before and after 5 years of age on VIQ and PIQ.
97
-
95:E
w
"'
-
93Q
C: n, 91 Q)E
"C 89 Q)....
en :::s=c'
87 <( 85LVIQ LPIQ RVIQ R PIQ
Which age-tagged event relates most to hemispheric specialization: lesion onset, syrnptom onset, or age at 10 testing?
In order to determine which age-related event was most closely related to hemispheric specialization, we planned a test of curve fit between each of the three age-tags and a laterality quotient using the whole sample (N = 1917). The laterality quotient was calculated a posteriori, using each case's score as its own control, allowing us to dramatically reduce intragroup variance. The laterality quotient was computed by first calculating a ratio between the VIQ and PIQ split over the sum of VIQ and PIQ divided by two, then multiplying by 100, and then multiplying the product by side of the lesion (-1 for left, + 1 for right ). Full formula: ( (VI Q -PIQ)/((VIQ + PIQ)/2)) x 100 x lesion side (-1, +l).
The best curve fit for each age-specific event was as follows: age at lesion onset (linear): R2 = 0.015, Fo, 1915) = 30.07,p = 4.7E·8; age at symptom onset (linear): R2 = 0.015, Fo, 1915) = 29.21,p = 7_3E-8); age at IQ test (linear): R2 = .009, Fo, 191s)= 18.34, p = .00002). Unsurprisingly, the ages at which these three events occur were all highly positively and significantly correlated. See figure 3.
Figure 3. Laterality quotient curve fit for each age-specific event (LOESS-50%) t' '• ~; • f ' ' ~-'. • • • • • • • • • • •
Does development of hemispheric specialization of VIO and PIO depend on particular lobes within the hemispheres?
To determine whether lesion lobar loci within the hemispheres stand out as being important in implementing hemispheric specialization, we ran a repeated measures ANOV A on the 1169 cases with a lesion having damage to only one lobe. VIQ and PIQ were the repeated measure. Lesion side and lobe (damaged or not) were the between variables. The IQ type x lobe x lesion side interaction did not reach significance (Fo, 1161) = 1.71,p = n.s.), although IQ type x lesion site did (Fo, 1161)= 28.52,p
=
8.51 E-lS).However, we already knew that hemispheric specialization is barely detectable in the numerous cases with congenital lesion onset (see figure 1 ). In order to determine the progression of hemispheric specialization by lobar locus, we ran a series of curve fit analyses of the relation between the laterality quotient and age at lesion onset. This was done separately for each of the four lobes using cases with injury to a single lobe (see figure 4). No significant trends were found for the frontal (R2 = .003, Fo. 315) = 0.82, p = n.s.) or occipital lobes (R2 = .002, Fo, 56) = 0.10, p = n.s.), but significant linear trends were found for the temporal (R2 = .006, Fo. 653) = 3.99, p = .046) and parietal lobes (R2 = .056, Fo, 137) = 8.16, p = .005). Repeated measures ANOVA revealed significant interactions between lesion side and IQ type for both the temporal (Fo. 653) = 11.72, p = .001) and parietal lobes (Fo, 137) = 4.24, p
