Imagerie des faisceaux de fibres et des réseaux fonctionnels du cerveau : application à l'étude du syndrome de Gilles de la Tourette

Imaging anatomical and functional brain cortico-subcortical loops : Application to the Gilles de la Tourette syndrome

• Auteur / Autrice : Caroline Malherbe
• Direction : Habib Benali
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/03/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'imagerie fonctionnelle (Paris) - Laboratoire d'Imagerie Fonctionnelle
• Jury : Président / Présidente : Luc Darrasse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Habib Benali, Luc Darrasse, Pierre Celsis, Christian Barillot, Stéphane Lehéricy, Julien Doyon, Jérôme Yelnik
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Celsis, Christian Barillot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Marqueurs biologiques

Imagerie par résonance magnétique

Maladie de Gilles de la Tourette

Mots clés libres

IRM fonctionnelle au repos

IRM de diffusion

Réseaux

Analyse en composantes indépendantes spatiales

Théorie des graphes

Modèle linéaire général

Connectivité

Syndrome de Gilles de la Tourette

Resting-state functional MRI

Diffusion MRI

Spatial independent component analysis

Graph theory

General linear model

Networks

Connectivity

Gilles de la Tourette syndrome

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'identifier et caractériser les boucles anatomiques et fonctionnelles cortico-sous-corticales chez l'Homme, à partir de données d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) au repos et de diffusion. Une boucle est un ensemble de régions corticales, sous-corticales et cérébelleuses, qui interagissent afin d'effectuer ou de préparer une tâche.Le premier axe de ce travail vise à identifier les réseaux fonctionnels cortico-sous-corticaux en IRMf au repos. Nous proposons une méthode statistique robuste séparant l'analyse corticale de l'analyse sous-corticale. Une analyse en composantes indépendantes spatiales est d'abord réalisée individuellement sur les régions corticales, et suivie d'une classification hiérarchique. Les régions sous-corticales associées sont ensuite extraites par un modèle linéaire général dont les régresseurs comportent la dynamique des régions corticales, suivi d'une analyse de groupe à effets aléatoires. La méthode est validée sur deux jeux de données différents. Un atlas immunohistochimique des structures sous-corticales permet ensuite de déterminer la fonction sensorimotrice, associative ou limbique des réseaux obtenus. Nous montrons enfin que l'anatomie est un support pour la fonction chez des sujets sains.Le dernier axe étudie le syndrome de Gilles de la Tourette, qu'on pense être dû à un dysfonctionnement des boucles cortico-sous-corticales. Nous caractérisons d'abord les boucles cortico-sous-corticales fonctionnelles grâce à des métriques d'intégration et de théorie des graphes, et des différences en termes de connectivité sont mises en évidence entre patients adultes et volontaires sains. Nous montrons également que les boucles cortico-sous-corticales fonctionnelles chez les patients sont soutenues par l'anatomie sous-jacente.

The objective of this thesis is to identify and characterize human anatomical and functional cortico-subcortical loops, using data from resting-state functional magnetic resonance imaging (fMRI) and diffusion MRI. A loop is a set of cortical, subcortical and cerebellar regions that interact to perform or prepare for a task.We first aim to identify cortico-subcortical functional networks from resting-state fMRI data. We propose a robust statistical method that separates the analysis of cortical regions from that of subcortical structures. A spatial independent component analysis is first performed on individual cortical regions, followed by a hierarchical classification. The associated subcortical regions are then extracted by using a general linear model, the regressors of which contain the dynamics of the cortical regions, followed by a random-effect group analysis. The proposed approach is assessed on two different data sets. An immunohistochemical subcortical atlas is then used to determine the sensorimotor, associative or limbic function of the resulting networks. We finally demonstrate that anatomy is a support for function in healthy subjects.The last part is devoted to the study of the Gilles de la Tourette syndrome, thought to be due to adysfunction of cortico-subcortical loops. Firstly, cortico-subcortical functional loops are characterized using metrics such as integration and graph theory measures, showing differences in terms of connectivity between adult patients and healthy volunteers. Secondly, we show that the cortico-subcortical functional loops in patients are supported by the underlying anatomy.