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Différentes régions particulières ont été détectées comme dysfonctionnelles dans le cerveau de nos enfants souffrant de TOC. Ces régions appartiennent au cortex préfrontal, c'est à dire la région en avant du cerveau.

Dans ce cortex préfrontal, le cortex orbito-frontal et le cortex cingulaire antérieur sont particulièrement mis en cause, avec, dans une moindre mesure, le cortex préfrontal dorso latéral.

Ces différentes régions sont retrouvées comme étant hyperactives, c'est à dire avec des neurones qui ont une très (trop) forte activité électrique. Attention, cela ne veut pas dire que cette hyperactivité est la cause du TOC, peut être qu'il s'agit d'une conséquence d'autre chose qui ne tourne pas rond, mais toujours est-il qu'aujourd'hui, cette hyperactivité de ces régions est le principal dysfonctionnement mis en évidence dans le TOC.

En plus de ces régions du cortex (ces régions corticales), les noyaux gris centraux sont également impliqués, en particulier leur partie antérieure. Parmi ces noyaux, nous avons le "noyaux caudé", le "nucleus accumbens" (qui est simplement la partie avant du noyaux caudé), le "globus pallidus" (ou "pallidum") interne et externe, le "putamen", le "thalamus", et le "noyaux sous thalamique". Le "striatum" regroupe le noyaux caudé (dont le nucleus accumbens), et le putamen. Par abus de langage, on appelle boucles cortico-stratales, les boucles qui relient le cortex avec l'ensemble des noyaux gris centraux bien que l'on ne cite que le striatum. Les boucles cortico-striatales (déjà décrites précédemment) relient donc les différentes régions corticales décrites à ces noyaux gris centraux avant de revenir à ces régions corticales, le tout formant un circuit fermé hyperactif (avec des neurones fonctionnant trop).

Les régions décrites sont ce que l'on appelle les régions limbiques du cerveau, c'est à dire les régions qui s'occupent des émotions et en particulier de l'anxiété. Ces boucles étant trop actives, il n'est pas étonnant de retrouver des enfants plutôt anxieux, même si ce n'est pas une règle absolue, certains patients souffrant de TOC n'étant pas anxieux.