Contributions aux méthodes parcimonieuses pour la localisation de source en MEG/EEG

Contributions to sparse source localization for MEG/EEG brain imaging

• Auteur / Autrice : Yousra Bekhti
• Direction : Roland Badeau, Alexandre Gramfort
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal et Images
• Date : Soutenance le 22/03/2018
• Etablissement(s) : Paris, ENST
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Charles Soussen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maureen Clerc, Thomas Rodet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Albera, Erkki Somersalo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie médicale

Optimisation mathématique

Mots clés libres

Représentation parcimonieuse

Problème inverse

MCMC, Méthode de Monte-Carlo par chaînes de Markov

MEG/EEG

Sparse representation

Inverse problem

MCMC, Markov chain Monte Carlo

MEG/EEG

Résumé

Cette thèse a développé des méthodes parcimonieuses pour la localisation de sources en magnétoencéphalographie (MEG) et l'électroencéphalographie (EEG). Pour un champ électromagnétique donné, il y a un nombre infini de sources réparties à l’intérieur du cerveau qui aurait pu le créer. Cela signifie que le problème inverse est mal-posé, ayant de nombreuses possibles solutions. Cela nous contraint à faire des hypothèses ou des apriori sur le problème. Cette thèse a étudié les méthodes parcimonieuses, i.e., seulement quelques sources focales sont activées lors d’une tâche précise. La première contribution est de modéliser le problème comme une régression pénalisée dans le domaine temps-fréquence avec un dictionnaire multi-échelle pour prendre en compte tous les aspects d’un signal cérébral. En ajoutant le terme de régularisation spatio-temporel, le modèle ajoute un hyperparamètre qui reste à optimiser. Ceci a constitué la seconde contribution de cette thèse où une estimation automatique des hyperparamètres a été mise en oeuvre. La troisième contribution est de réduire l’écart entre les deux communautés qui formulent le problème inverse comme étant une régression pénalisée ou comme un modèle Bayésien. Cette thèse montre sous quelles hypothèses et sous quelle paramétrisation, on obtient une équivalence des deux formulations et comment profiter de cette nouvelle formulation Bayésienne pour quantifier l’incertitude de nos solutions. La dernière contribution a eu pour but de valider les solveurs sur des données fantôme, c’est à dire des vraies données avec une réalité terrain pour pouvoir quantifier l’erreur de localisation en position, orientation, et amplitude.

Understanding the full complexity of the brain has been a challenging research project for decades, yet there are many mysteries that remain unsolved. Being able to model how the brain represents, analyzes, processes, and transforms information of millions of different tasks in a record time is primordial for both cognitive and clinical studies. These tasks can go from language, perception, memory, attention, emotion, to reasoning and creativity. Magnetoencephalography (MEG) and Electroencephalography (EEG) allow us to non-invasively measure the brain activity with high temporal and good spatial resolution using sensors positioned all over the head, in order to be analyzed. For a given magnetic-electric field outside the head, there are an infinite number of electrical current source distributed inside of the brain that could have created it. This means that the M/EEG inverse problem is ill-posed, having many solutions to the single problem. This constrains us to make assumptions about how the brain might work. This thesis investigated the assumption of having sparse source estimate, i.e. only few sources are activated for each specific task. This is modeled as a penalized regression with a spatio-temporal regularization term. The aim of this thesis was to use outstanding methodologies from machine learning field to solve the three steps of the M/EEG inverse problem. The first step is to model the problem in the time frequency domain with a multi-scale dictionary to take into account the mixture of non-stationary brain sources, i.e. brain regions share information resulting in brain activity alternating from a source to another. This is done by formulating the problem as a penalized regression with a data fit term and a spatio-temporal regularization term, which has an extra hyperparameter. This hyperparameter is mostly tuned by hand, which makes the analysis of source brain activity not objective, but also hard to generalize on big studies. The second contribution is to automatically estimate this hyperparameter under some conditions, which increase the objectivity of the solvers. However, these state-of-the-art solvers have a main problem that their source localization solver gives one solution, and does not allow for any uncertainty quantification. We investigated this question by studying new techniques as done by a Bayesian community involving Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods. It allows us to obtain uncertainty maps over source localization estimation, which is primordial for a clinical study, e.g. epileptic activity. The last main contribution is to have a complete comparison of state-of-the-art solvers on phantom dataset. Phantom is an artificial object that mimics the brain activity based on theoretical description and produces realistic data corresponding to complex spatio-temporal current sources. In other words, all solvers have been tested on an almost real dataset with a known ground truth for a real validation.