Apprentissage à partir de données multimodales pour la classification et la prédiction de la maladie d'Alzheimer

Learning from multimodal data for classification and prediction of Alzheimer's disease

• Auteur / Autrice : Jorge Alberto Samper González
• Direction : Olivier Colliot, Theodoros Evgeniou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 03/04/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut du cerveau et de la moelle épinière (Paris). Algorithmes, modèles et méthodes pour les images et les signaux du cerveau humain sain et pathologique
• Jury : Président / Présidente : Aurélie Kas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Lopes, Ninon Burgos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Barillot, Habib Benali

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage automatique

Imagerie pour le diagnostic

Imagerie par résonance magnétique

Tomographie par émission

Diagnostic

Alzheimer, Maladie d'

Mots clés libres

Apprentissage automatique

Classification

Reproductibilité

Maladie d'Alzheimer

IRM

TEP

Open-source

Données cliniques

Machine learning

Classification

Alzheimer's disease

Résumé

La maladie d’Alzheimer (MA) est la première cause de démence dans le monde, touchant plus de 20 millions de personnes. Son diagnostic précoce est essentiel pour assurer une prise en charge adéquate des patients ainsi que pour développer et tester de nouveaux traitements. La MA est une maladie complexe qui nécessite différentes mesures pour être caractérisée : tests cognitifs et cliniques, neuroimagerie, notamment l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie par émission de positons (TEP), génotypage, etc. Il y a un intérêt à explorer les capacités discriminatoires et prédictives à un stade précoce de ces différents marqueurs, qui reflètent différents aspects de la maladie et peuvent apporter des informations complémentaires. L’objectif de cette thèse de doctorat était d’évaluer le potentiel et d’intégrer différentes modalités à l’aide de méthodes d’apprentissage statistique, afin de classifier automatiquement les patients atteints de la MA et de prédire l’évolution de la maladie dès ses premiers stades. Plus précisément, nous visions à progresser vers une future application de ces approches à la pratique clinique. La thèse comprend trois études principales. La première porte sur le diagnostic différentiel entre différentes formes de démence à partir des données IRM. Cette étude a été réalisée à l’aide de données de routine clinique, ce qui a permis d’obtenir un scénario d’évaluation plus réaliste. La seconde propose un nouveau cadre pour l’évaluation reproductible des algorithmes de classification de la MA à partir des données IRM et TEP. En effet, bien que de nombreuses approches aient été proposées dans la littérature pour la classification de la MA, elles sont difficiles à comparer et à reproduire. La troisième partie est consacrée à la prédiction de l’évolution de la maladie d’Alzheimer chez les patients atteints de troubles cognitifs légers par l’intégration de données multimodales, notamment l’IRM, la TEP, des évaluations cliniques et cognitives, et le génotypage. En particulier, nous avons systématiquement évalué la valeur ajoutée de la neuroimagerie par rapport aux seules données cliniques/cognitives. Comme la neuroimagerie est plus coûteuse et moins répandue, il est important de justifier son utilisation dans les algorithmes de classification.

Alzheimer's disease (AD) is the first cause of dementia worldwide, affecting over 20 million people. Its diagnosis at an early stage is essential to ensure a proper care of patients, and to develop and test novel treatments. AD is a complex disease that has to be characterized by the use of different measurements: cognitive and clinical tests, neuroimaging including magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET), genotyping, etc. There is an interest in exploring the discriminative and predictive capabilities of these diverse markers, which reflect different aspects of the disease and potentially carry complementary information, from an early stage of the disease. The objective of this PhD thesis was thus to assess the potential and to integrate multiple modalities using machine learning methods, in order to automatically classify patients with AD and predict the development of the disease from the earliest stages. More specifically, we aimed to make progress toward the translation of such approaches toward clinical practice. The thesis comprises three main studies. The first one tackles the differential diagnosis between different forms of dementia from MRI data. This study was performed using clinical routine data, thereby providing a more realistic evaluation scenario. The second one proposes a new framework for reproducible evaluation of AD classification algorithms from MRI and PET data. Indeed, while numerous approaches have been proposed for AD classification in the literature, they are difficult to compare and to reproduce. The third part is devoted to the prediction of progression to AD in patients with mild cognitive impairment through the integration of multimodal data, including MRI, PET, clinical/cognitive evaluations and genotyping. In particular, we systematically assessed the added value of neuroimaging over clinical/cognitive data only. Since neuroimaging is more expensive and less widely available, this is important to justify its use as input of classification algorithms.