Etude méthodologique et structurale du développement cérébral en IRM : applications aux aires du langage dans une population de nourrissons

par François Leroy

Thèse de doctorat en Neuroimagerie du développement cérébral

Sous la direction de Ghislaine Dehaene-Lambertz.

Soutenue en 2011

à Paris 6 .


  • Résumé

    Les nouveau-nés reconnaissent leur langue maternelle à la naissance et sont meilleurs que leur maman pour percevoir les sons de toutes les langues existantes dans le monde. Comment la structure du cerveau peut-elle favoriser le développement de telles facultés ? Au cours de cette thèse, j’ai étudié l’anatomie des aires corticales du langage afin de mieux comprendre l’émergence du langage au début de la vie. L’anatomie a été décrite dans une population de nourrissons, à partir d’une séquence d’images IRM. En m’aidant de l’expertise des équipes de recherche de Neurospin, j’ai mis en place plusieurs outils méthodologiques: D’une part, nous avons proposé une nouvelle méthode de segmentation du cortex pour faire face au faible contraste des images dans les premiers mois de vie. Cette méthode s’appuie sur plusieurs propriétés des tissus dans l’image, sans faire appel à un atlas. Elle consiste à déformer deux surfaces, initialisées de part et d’autre du cortex, afin qu’elles convergent sur l’interface séparant la matière grise et la substance blanche. Nous obtenons de très bons résultats pour les cerveaux des nouveau-nés (coefficient de Dice = 0,89). D’autre part, nous avons défini un indice de maturation à partir des intensités du signal du cortex. La démarche a été validée en mesurant une forte corrélation de cet indice avec l’âge des nourrissons dans toutes les régions observées (R2=0,88). Selon l’hypothèse la plus vraisemblable, les variations de cet indice sont dues à une baisse du contenu en eau du cortex relative à la prolifération des membranes. Dans les images IRM, nous avons tracé manuellement les sillons du cortex dans les régions du langage. Puis, nous avons mesuré leurs asymétries et les indices de maturation du cortex proche de ces sillons. Nous observons une organisation précoce des aires du langage, proche de celle observée dans le cerveau adulte. Plus précisément : D’une part, nous rapportons une asymétrie de profondeur du sillon temporal supérieur, encore peu connue ; la plus grande profondeur de ce sillon à droite se maintiendrait tout au long du développement, tandis que la faible profondeur à gauche reflèterait l’initiation d’une structure plus compartimentée le long du sillon. Nous confirmons également les asymétries du planum temporale et du gyrus de Heschl, ainsi qu’un déplacement ventral et en arrière des régions temporales postérieures gauches. Ces asymétries seraient associées à une connectivité plus dense dans ces régions à gauche et à des différences interhémisphériques dans le traitement des stimuli auditifs, particulièrement la parole. D’autre part, notre indice de maturation a révélé une avance relative de l’aire de Broca au sein des régions préfrontales, souvent jugées immatures à cet âge. Nous observons aussi la présence d’une décroissance du degré de maturation suivant un axe dorso-ventral dans le lobe temporal, cohérente avec l’organisation hiérarchique des traitements du langage. Enfin, les indices de maturation dans l’aire de Broca et dans la région postérieure du sillon temporal supérieur étaient corrélés avec un autre indice de développement (anisotropie fractionnelle) dans le faisceau arqué. Cette corrélation suggère la formation précoce d’une voie dorsale du langage entre l’aire de Broca et les régions temporo-pariétales. Enfin, nous discutons des origines et des influences génétiques sur cette organisation, en suggérant l’existence de modules innés spécifiques au langage. Les résultats de cette thèse posent de nouvelles questions : si l’asymétrie du sillon temporal supérieur reflète une structure plus segmentée dans l’hémisphère gauche, quels sont les effets de ces compartiments sur les processus du langage? Par ailleurs, quel rôle jouerait la voie dorsale que nous avons observée dans la latéralisation du langage?

  • Titre traduit

    Structural and Methodological Study of Brain Development with MRI : Focus on Language Areas within a Set of Infant Brains


  • Résumé

    Newborns not only recognize their mother tongue at birth but are also capable of distinguishing far better than their mothers the totality of sounds of languages spoken on earth. What is the particular organization of the human brain that permits such linguistic abilities? During my Ph. D. , I studied language areas in the brain’s anatomy to better understand the early acquisition of language in life. Anatomy was described and analyzed by using magnetic resonance images (MRI) on infant brains. With the help of Neurospin research teams, I built the following methodological tools: We first proposed a cortical segmentation framework to deal with the weak image contrast during the first months of life. This method is based on several image properties of tissues and requires no atlas. Two initial segmentations, which are set on each side of the cortex, are deformed so as to converge at the gray-white matter interface. Segmentation results were very good for younger infants, i. E. , neonates (Dice coefficient = 0. 89). Then, we defined a maturation index based on the cortical image intensity. As it was expected, the index strongly increased with age in every region of interest (R2=0. 88). Index variations are most likely due to a decrease of water content related to membrane proliferation. In MR images, we manually drew cortical sulci within language areas. We then measured asymmetry and maturation indices along these sulci. Early organization was found in language areas close to the one reported in adults for both indices. A little-known depth asymmetry was found at the superior temporal sulcus. The deepest part of this sulcus onthe right hemisphere might be a lifelong landmark, whereas the shallower left sulcus would be related to a more segmented pattern. Also, we characterized the early forward and upward shift of the posterior end of the right Sylvian fissure. Moreover we confirmed the asymmetrical sizes of both the planum temporale and the Heschl’s gyrus. These asymmetries might be related to a larger connectivity in the left areas as well as to interhemispheric differences in processing auditory stimuli, specifically speech. As for the maturation index, the index value of the Broca’s area was far from being the lowest among language areas, which is at odds with the common opinion that prefrontal regions are immature at birth. We also reported a decrease of the maturation index along a dorso-ventral axis in the temporal lobe, consistent with the hierarchical organization of linguistic processes. Last of all, maturation indices of both Broca’s area and the posterior part of the superior temporal sulcus were correlated with another developmental index (fractional anisotropy) in the arcuate fasciculus. This correlation suggests the early development of the linguistic dorsal pathway between Broca’s area and temporo-parietal regions. We discuss in the end the genetic origins and mechanisms of this organization, suggesting that some innate modules might be dedicated to process speech. The results presented in this thesis bring further questions: if the asymmetry of the superior temporal sulcus means a more segmented pattern on the left hemisphere, what are the consequences of such segmentation on the linguistic processes? Furthermore, what role does the dorsal pathway play in language lateralization?

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  • Détails : 1 vol. ([212] p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.179-202

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