Singularité de la connectivité structurelle de la substance blanche du cerveau de l'Homme comparée à celle du chimpanzé

Singularity of the white matter structural connectivity of the human brain compared to the chimpanzee brain

• Auteur / Autrice : Maëlig Chauvel
• Direction : Cyril Poupon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et imagerie médicale
• Date : Soutenance le 27/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Building large instruments for neuroimaging: from population imaging to ultra-high magnetic fields (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Stanislas Dehaene
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nikolaus Weiskopf, Rogier Mars, Baptiste Mulot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nikolaus Weiskopf, Rogier Mars

Mots clés

Mots clés contrôlés

Macaca fascicularis

Imagerie par résonance magnétique de diffusion

Pan troglodytes

Morphologie (biologie)

Cerveau -- Évolution

Atlas

Substance blanche

Mots clés libres

Atlas superficiel et profond de la substance blanche

Cerveau du chimpanzé

IRM de diffusion

Morphologie de la substance blanche

Deep and superficial white matter atlas

Chimpanzee brain

Diffusion MRI

White matter bundles morphology

Résumé

L'espère humaine est le fruit d'une évolution longue et complexe. Les récentes avancées scientifiques ont montré que les traits à la fois physiques et comportementaux partagés par les Hommes ont pour origine un ancêtre simiesque qui aurait vécu autour de 6 millions d'années avant notre ère. Les humains font partie de l'ordre des primates et de ce fait partagent d'importants traits phénotypiques avec les autres grands singes. Parmi les hominidés, notre cousin phylogénétique le plus proche est le chimpanzé (Pan troglodytes), du genre Pan, avec qui nous partageons 96% de patrimoine génétique. Cette proximité entre le chimpanzé et l'Homme interdit leur utilisation en recherche clinique pour des raisons éthiques évidentes. Toutefois, l'existence de méthodes d'imageries non invasives telles que l'IRM ont rendu possible l'élaboration d'études visant à comprendre les différences et points communs entre le chimpanzé et l'Homme, afin de mieux comprendre la singularité qui leur est propre. L'IRM de diffusion est de nos jours une méthode bien connue d'exploration de la microstructure des tissus cérébraux. A ce jour, cette méthode reste la seule permettant d'imager la connectivité structurelle du cerveau. L'anatomie sulco-gyrale et la connectivité structurelle sont intimement liées, avec des fonctions cérébrales résultant des connections entre les différentes régions corticales et/ou avec la substance grise profonde via des faisceaux de fibres axonales peuplant la substance blanche cérébrale, et de ce fait, établissant des réseaux fonctionnels. Un des challenges majeurs des neurosciences, d'un point de vue évolutif, est de créer et comparer des modèles de connectivité du cerveau entre différentes espèces. Un atlas du cerveau du chimpanzé a été établi grâce à une cohorte de 39 chimpanzés (comprenant des données IRM anatomiques et de diffusion) provenant du centre de conservation “Yerkes National Primates Research Center (YNPRC, Atlanta, Université d'Emory)” et partagée par le Pr. William Hopkins (MD Anderson cancer center, Department of comparative medicine, Bastrop, Texas), dans le contexte de la chaire d'excellence Blaise Pascal. Un atlas de la substance blanche du cerveau de l'Homme a été établi grâce à une cohorte de 39 sujets humains (aussi avec des données IRM anatomiques et de diffusion), intentionnellement identique en genre et en nombre avec la cohorte de sujets chimpanzés. La contribution principale de cette thèse est la création de deux nouveaux atlas de la connectivité structurelle des cerveaux de l'Homme et du chimpanzé, résultant d'un pipeline d'analyse de données issues de l'IRM de diffusion utilisant des algorithmes avancés de clustering de fibres, et adapté aux deux espèces. La seconde contribution de cette thèse consiste en l'étude comparative de la morphologie des faisceaux de substance blanche profonds et superficiels, grâce à une autre approche de clustering basé sur l'algorithme dit “isomap” originellement développé pour la l'étude de la morphométrie sulco-gyrale. La dernière contribution de cette thèse est l'étude du faisceau fronto-occipital inférieur chez le macaque Fascicularis grâce à l'utilisation de l'IRM à très haut champ (11.7 Tesla), permettant l'exploration de la connectivité structurelle d'un faisceau controversé chez cette espèce.

The human species is the fruit of a long and complex evolution. Recent scientific advances have shown that the physical and behavioral traits shared by all humans originated from apelike ancestors and evolved over a period of about six million years. Humans are part of the primate order, and share important phenotypic traits with the other great apes. Among hominids, our closest phylogenetic living relative is the common chimpanzee (Pan troglodytes), from the Pan order, with whom we share about 96 percent of gene proteins.The close phylogenetic proximity between chimpanzees and humans prohibits its use in clinical research for obvious ethical reasons, but the existence of non-invasive neuroimaging tools, such as magnetic resonance imaging (MRI), has made it possible to set up studies aimed at understanding the differences and commonalities of the chimpanzee and human brains, in order to better understand their compared singularity.Diffusion MRI is now a well-established MRI tool to explore the brain microstructure through the observation of the anisotropy of Brownian motion of water molecules present in tissues. To date, it remains the only method for the imaging of brain anatomical connectivity. Sulco-gyral anatomy and structural connectivity are intimately linked, with brain functions resulting from the connection of cortical regions and/or deep grey matter regions via axonal fiber bundles populating the cerebral white matter, thus establishing functional networks. One of the great challenges of neuroscience from an evolutionary point of view, is to build and compare models of the brain connectome between species, in order to be able to compare them. This thesis is part of this approach, using anatomical and diffusion MRI, two atlases of the human and chimpanzee brains comprising superficial and deep white matter connectivity were built with the intention of comparing them. The chimpanzee white matter bundle atlas was established thanks to a cohort of 39 chimpanzees (with anatomical and diffusion MRI data) stemming from the Yerkes National Primates Research Center (YNPRC, Atlanta, Emory University) shared by Pr. William Hopkins (MD Anderson cancer center, Department of comparative medicine, Bastrop, Texas) in the frame of the chair of excellence Blaise Pascal. The human white matter bundle atlas was built relying on a cohort of 39 subjects (with anatomical and diffusion MRI data), intentionally matching the chimpanzee cohort in terms of number of subjects and gender.The main contribution of this thesis was the creation of two novel atlas of the structural connectivity of the human and chimpanzee brains, resulting from a dedicated diffusion MRI processing pipeline using an advanced fiber clustering algorithm adapted for the two species. A second contribution of this thesis consisted of a comparative study of the morphology of deep and superficial white matter bundles between chimpanzee and human brains, using another clustering approach based on an isomap algorithm originally developed to compare the sulco-gyral morphometry. A last contribution driven in this thesis was the investigation of the inferior fronto-occipital fasciculus in the macaque fascicularis brain using ultra-high field MRI at 11.7 Tesla, allowing to explore the structural connectivity of an additional primate species with regard to a former controversial bundle concerning non-human primates.