Etude des variabilités inter-individuelles des faisceaux de la substance blanche profonde et superficielle et cartographie des réseaux de la cognition sociale

Study of inter-individual variabilities of deep and superficial white matter bundles and mapping of social cognition networks

• Auteur / Autrice : Bastien Herlin
• Direction : Cyril Poupon, Sophie Dupont, Ivy Uszynski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et imagerie médicale
• Date : Soutenance le 25/11/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• 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 : Richard Lévy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pamela Beatriz Guevara Alvez, Christophe Destrieux, Catherine Chiron, Stéphane Lehéricy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pamela Beatriz Guevara Alvez, Christophe Destrieux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie par résonance magnétique

Variation intra-population

Cognition sociale

Fibres en U

Imagerie par résonance magnétique de diffusion

Substance blanche

Cartographie cérébrale

Tractographie

Mots clés libres

Tractographie

Variabilité inter-Individuelle

Cartographie cérébrale

IRM de diffusion

IRM fonctionnelle

Cognition sociale

Tractography

Inter-Individual variability

Brain mapping

Diffusion MRI

Functionnal MRI

Social Cognition

Résumé

L'anatomie et le fonctionnement du cerveau sont deux domaines intriqués, pour lesquels il existe d'importantes variabilités inter-individuelles. Ces variabilités sont très étudiées concernant la morphologie externe du cerveau, notamment les variations de configuration des sillons corticaux. Cependant, les variations interindividuelles des faisceaux de substance blanche sont moins bien connues, de même que leurs liens avec le fonctionnement cérébral. Cette thèse s'est concentrée à une analyse approfondie des variabilités des faisceaux de substance blanche, en utilisant la base de données HCP-YA, qui comprend 1065 sujets sains. Nous avons effectué une analyse de l'IRM de diffusion à haute résolution de chacun de ces sujets, nous permettant de réaliser pour tous des tractographies cerveau-entier. Puis nous avons effectué un clustering inter-sujet à l'échelle de la cohorte complète afin d'extraire les faisceaux communs à plusieurs sujets, avec un seuil de nombre de sujet bas permettant de conserver les variabilités inter-individuelles. Nous avons tout d'abord validé notre approche sur les faisceaux profonds de substance blanche, dont l'anatomie est la mieux connue. Nous avons créé un nouvel atlas des faisceaux de substance blanche profonde, comprenant 77 faisceaux, que nous avons ensuite appliqué sur les tractographies de tous les sujets de la base de données HCP-YA pour en étudier la variabilité inter-individuelle. Cela nous a permis de décrire, à une échelle encore inégalée, les variations anatomiques des radiations optiques, un faisceau d'importance clinique pour la réalisation de chirurgie du lobe temporal. Nous avons ensuite analysé les variations morphologiques et microstructurelles de chacun des faisceaux profonds, et décrit de façon exhaustive les différences entre homme et femme pour ces différents paramètres. Dans un second temps, nous avons analysé les faisceaux superficiels de substance blanche, qui sont caractérisés par leur très forte variabilité inter-individuelle, ce qui rend leur étude particulièrement difficile. Pour cela, nous avons construit un atlas de la substance blanche superficiel possédant une meilleure couverture corticale que les travaux préexistants. De plus, notre atlas a la particularité de contenir des faisceaux retrouvés à une faible fréquence au sein de la cohorte HCP-YA, conservant ainsi toute leur variabilité inter-individuelle. Cela nous a permis de décrire et d'étudier cette variabilité d'une façon inédite. À partir de ces données, nous avons construit pour chaque sujet son pattern de connectivité superficielle, puis nous avons effectué un clustering à l'échelle de la population pour décrire des clusters de sujets partageant des patterns de connectivité superficielle similaires. Nous avons pu démontrer que les clusters ainsi obtenus corrélaient avec le sexe des sujets. Finalement, nous nous sommes intéressés aux corrélats cérébraux d'une fonction cognitive de haut niveau qui n'est encore que partiellement comprise : la cognition sociale. Nous avons développé un paradigme d'analyse de la cognition sociale en IRM fonctionnelle, que nous avons appliqué à une cohorte prospective de sujets sains. Nous avons utilisé les résultats obtenus en IRM fonctionnelle pour définir des régions-clefs, à partir desquelles nous avons pu décrire l'implication des faisceaux de substance blanche dans cette fonction. Les travaux effectués au cours de cette thèse apportent ainsi un éclairage novateur sur la variabilité inter-individuelle de la connectivité structurelle. Les protocoles et paradigmes développés durant celle-ci seront appliqués à des cohortes de patients souffrant de pathologies neurologiques responsables d'une altération de la cognition sociale, en commençant par des patients souffrant d'épilepsie focale temporale, qui seront comparés aux résultats obtenus chez les sujets sains et permettront de mieux comprendre les mécanismes responsables de ces altérations.

Brain anatomy and function are two intertwined domains with significant interindividual variability. This variability has been extensively studied with respect to the external morphology of the brain, particularly variations in the configuration of cortical sulci. However, inter-individual variability in white matter bundles and its relationship to brain function is less well understood. This work focused on an in-depth analysis of white matter bundle variability using the HCP-YA database of 1065 healthy subjects. We performed an analysis of the high-resolution diffusion MRI of each of these subjects, allowing us to construct whole-brain tractograms for all of them. We then performed inter-subject clustering at the scale of the entire cohort to extract fiber bundles common to multiple subjects, with a low subject number threshold to preserve inter-individual variability. We first validated our approach on deep white matter bundles, whose anatomy is best known. We created a new atlas of deep white matter bundles comprising 77 bundles, which we then applied to the tractograms of all subjects in the HCP-YA database to study inter-individual variability. This allowed us to describe the anatomical variations of the optic radiations, a tract of clinical importance in temporal lobe surgery, on an unprecedented scale. We then analyzed the morphological and microstructural variability of each of the deep white matter tracts and described in detail the differences between men and women in these different parameters. Second, we analyzed superficial white matter bundles, which are characterized by very high inter-individual variability, making them particularly difficult to study. To this end, we constructed a superficial white matter atlas with better cortical coverage than existing works. In addition, our atlas has the particularity of including bundles found at low frequency in the HCP-YA cohort, thus preserving all their inter-individual variability. This allowed us to describe and study this variability in an unprecedented way. Using these data, we constructed a surface connectivity pattern for each subject and then performed population-wide clustering to describe clusters of subjects with similar surface connectivity patterns. We were able to show that the resulting clusters correlated with the sex of the subjects.Finally, we focused on the brain correlates of a high-level cognitive function that is still only partially understood: social cognition. We developed a paradigm for analyzing social cognition using functional MRI, which we applied to a prospective cohort of healthy subjects. We used the functional MRI results to define key regions from which we were able to describe the involvement of white matter bundles in this function. The work performed in this thesis thus provides innovative insights into the inter-individual variability of structural connectivity. The protocols and paradigms developed in this thesis will be applied to cohorts of patients suffering from neurological pathologies responsible for social cognitive impairments, starting with patients suffering from focal temporal epilepsy, which will be compared with the results obtained in healthy subjects and will help to understand the mechanisms responsible for these alterations.