Exploration fonctionnelle multimodale du cervelet

Multimodal functional exploration of the cerebellum

• Auteur / Autrice : Giulia Rocco
• Direction : Olivier Meste
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 24/11/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Informatique, signaux et systèmes (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Descombes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Meste, Xavier Descombes, Élise Bannier, Nadège Roche-Labarbe, Jérôme Lebrun, Marie-Noële Magnié, Guilherme Wood, Jean-Marc Lina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Élise Bannier, Nadège Roche-Labarbe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurosciences

Imagerie par résonance magnétique

Spectroscopie infrarouge proche

Exploration fonctionnelle

Cervelet

Mots clés libres

Cervelet

Neuroscience

FNIRS

IRMF

Exploration multimodale

Cerebellum

Neuroscience

FNIRS

IRMF

Multimodal studies

Résumé

L'étude fonctionnelle du cervelet en neurosciences a connu un changement de paradigme ces dernières années : traditionnellement associé à la coordination motrice, le cervelet s'est avéré impliqué également dans un large éventail de processus cognitifs et émotionnels. Cependant, les mécanismes sous-jacents mériteraient d'être davantage explorés grâce à de nouvelles techniques plus flexibles et une approche expérimentale multimodale, afin de permettre des investigations dans des contextes variés. Cette thèse s'attaque à cette lacune par le développement et la validation d'un cadre expérimental multimodal pour l'acquisition de l'activité cérébelleuse, tant au niveau moteur que cognitif, dans des conditions réalistes de la vie quotidienne. Plus précisément, cette étude est la première à utiliser la spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge (fNIRS) pour mesurer l'activité cérébelleuse, en la confrontant, puis en l'associant à la technique de référence pour l'étude fonctionnelle du cervelet, à savoir l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Une série d'études préliminaires avec différents dispositifs, montages et participants a été réalisée pour identifier et relever les principaux défis de l'acquisition et de l'analyse des données fNIRS cérébelleuses. Globalement, toutes les expériences ont démontré la faisabilité de l'enregistrement de l'activité cérébelleuse par fNIRS, tout en affinant les lignes directrices générales pour le faire. Afin de répondre au scepticisme concernant la véracité de nos mesures fNIRS du cervelet, réalisées à partir du cuir chevelu, nous avons validé nos résultats grâce à un réseau d'optodes haute densité personnalisé en fonction de l'anatomie de chaque sujet. Cette configuration a permis la reconstruction d'images d'activation cérébelleuse à partir de la fNIRS cohérentes avec celles obtenues par IRMf, acquises séquentiellement au cours de même tâches motrices et auditives. Mis à part la forte variabilité inter-sujets attendue, les résultats indiquent une bonne corrélation spatiale et temporelle hémisphérique entre les données obtenues par fNIRS ou fMRI pour ces diverses tâches. Enfin, des enregistrements fNIRS-IRMf simultanés au niveau du cortex moteur et du cervelet ont été réalisés pendant une tâche motrice. Diverses chaînes de traitement conjoint des données par modèles linéaires généraux (GLM) ont été testées pour les acquisitions fNIRS-IRMf simultanées, révélant l'aspect critique de cette étape dans l'analyse des données lorsque le cervelet est région d'intérêt (ROI). Les résultats montrent alors de nouveau une forte corrélation spatiale et temporelle entre les deux modalités, en particulier avec les enregistrements simultanés. Nous avons ainsi obtenu une forte concordance entre les courbes temporelles d'hémodynamiques BOLD obtenues par IRMf et celle obtenues par fNIRS (HbO/HbR) pour tous les sujets et toutes les conditions.Dans l'ensemble, cette thèse démystifie l'idée qu'il est impossible d'obtenir des mesures de l'activité fonctionnelle cérébelleuse par dispositifs optiques non invasifs et prouve la forte concordance spatiale et temporelle entre la fNIRS et l'IRMf. Enfin, ces expériences ont révélé des différences importantes dans les réponses hémodynamiques évoquées par tâches entre le cervelet et le cortex moteur, en mettant en évidence une augmentation plus marquée du débit sanguin cérébral et des interactions dynamiques entre chromophores différentes. Cette thèse propose ainsi une approche multimodale complète pour les études fonctionnelles cérébelleuses, en couvrant la conception expérimentale, l'acquisition de données, le traitement du signal et les statistiques. Elle propose ainsi de nouveaux outils pour la détection et le suivi d'anomalies cérébelleuses pour diverses populations ciblées pour lesquelles l'IRMf est impossible.

Cerebellar neuroscience has undergone a paradigm shift over the recent years: traditionally associated with motor coordination, the cerebellum was shown to be also involved in a wide range of cognitive and emotional processes. However, the underlying mechanisms of cerebellar function remain poorly understood, and new flexible techniques and multimodal experimental set-ups are needed to allow investigations in multiple settings. This thesis addresses this gap by developing and validating a novel multimodal experimental framework for the acquisition of cerebellar activity. Specifically, this study pioneers the use of functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) to measure cerebellar activity and validates and integrates this technique with the gold standard for cerebellar examination, functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI).A set of preliminary studies with varying devices, montages, and participants was carried out to identify and address the major challenges of cerebellar fNIRS data acquisition and analysis. Overall, all experiments demonstrated the feasibility of recording cerebellar fNIRS and provided general guidelines for doing so. To address the skepticism regarding the accuracy of scalp-based fNIRS measurements of the cerebellum, we investigated the feasibility of using a personalized high-density optode montage, optimized based on the subject's specific anatomy. This configuration enables fNIRS image reconstruction, which is compared with fMRI data sequentially acquired during a motor and an auditory task. Taking into account the considerable inter-subject variability, the findings indicate a fair spatial and temporal correlation between fNIRS and fMRI data across various tasks and hemispheres. Finally, simultaneous fNIRS and fMRI recordings of the motor cortex and the cerebellum were performed during a motor task. A diverse array of General Linear Model (GLM) pipelines were tested for simultaneous fNIRS and fMRI, and proved to have significance in the analysis of the data, when cerebellum was the region of interest (ROI). The results show a high spatial and temporal correlation between the two modalities, especially in simultaneous recordings. In particular, the fMRI time course grand averages and the reconstructed fNIRS HbO and HbR exhibited highly conclusive temporal agreement for all subjects and conditions.Overall, this thesis debunks the belief that it is not possible to obtain non-invasive optical measurements of cerebellar functional activity and proves high spatial and temporal agreement with fMRI ones. Furthermore, these experiments revealed clear differences in task-evoked cerebellar responses. These responses were characterized by a marked increase in cerebral blood flow and a dynamic interplay between chromophores that differs from the motor cortex. This thesis provides a comprehensive multimodal approach to cerebellar investigations, covering experimental design, data acquisition, signal processing, and statistics. This lays the groundwork for novel tools for the detection and monitoring of abnormalities in targeted populations.