Modélisation du développement et de la maturation du plissement cortical chez l'homme. Nouvelle méthode d'estimation de la profondeur sulcale

Modeling early development and maturation of human cortical folding

• Auteur / Autrice : Maxime Dieudonne
• Direction : Julien Lefevre, Guillaume Auzias
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Mathématiques et Informatique de Marseille
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INT - Institut des Neurosciences de la Timone
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Cachia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Lefevre, Irène Kaltenmark, Claire Cury, Olivier Colliot, Frédéric Richard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arnaud Cachia, Olivier Colliot

Mots clés

Mots clés libres

Sulcal pits

Plissement cortical

Foetus

Humain

Sulcal pits

Cortical folding

Early development

Human

Résumé

Les avancées récentes des outils de traitement d’images appliqués aux images par résonance magnétique cérébrales permettent d’extraire automatiquement la surface corticale sous la forme d’un maillage triangulaire. Parmi les différentes mesures de la géométrie de cette surface corticale, l’estimation de la profondeur des plissements corticaux en chaque point de la surface est particulièrement pertinente pour décrire l'évolution spatio-temporelle du plissement du cerveau chez les fœtus et les nouveau-nés, entre la naissance et l'âge adulte. Des études récentes suggèrent que les mesures de la profondeur sulcale chez les fœtus ont une valeur pronostique pour le développement cognitif ultérieur et permettent de détecter les malformations neurodéveloppementales. Pour autant les algorithmes disponibles de nos jours pour estimer la profondeur sulcale ont été pensés et paramétrés sur des cerveaux adultes et de fait, ne prennent pas en compte les variations dans la taille du cerveau entre individus, ce qui peut biaiser les comparaisons statistiques entre populations présentant de telles variations comme notamment des groupes d'enfants d'âge différent. Nous introduisons un nouveau cadre d’étude pour évaluer les méthodes d’estimation de profondeur sulcale et nous introduisons une nouvelle méthode d'estimation de la profondeur des sillons du cortex humain. Notre nouveau cadre d’étude et notre méthode sont utiles pour décrire la forme du cortex et analyser son développement et ont été élaborés en réponse à la difficulté d'évaluer la pertinence anatomique des méthodes utilisées jusqu'à présent. En parallèle, nous apportons des réponses à un ensemble de questions liées à l'élaboration de notre algorithme, à savoir: Comment définir la profondeur sulcale ? Pourquoi est-ce une information pertinente pour décrire la forme du cerveau ? Quelles sont les limites des méthodes existantes ? En quoi nous proposons une amélioration ? Comment utiliser notre méthode pour décrire le développement de la surface corticale ?

Recent advances in image processing tools applied to cerebral magnetic resonance images have made it possible to automatically extract the cortical surface in the form of a triangular mesh. Among the various measures of the geometry of this cortical surface, the estimation of the depth of cortical folding at each point on the surface is particularly relevant for describing the spatio-temporal evolution of brain folding in the foetus and neonate, between birth and adulthood. Recent studies suggest that measurements of sulcal depth in the foetus have prognostic value for later cognitive development and can be used to detect neurodevelopmental malformations. However, currently available algorithms for estimating sulcal depth have been designed and parameterised on adult brains and do not take into account variations in brain size between individuals, which may bias statistical comparisons between populations with such variations, such as groups of children of different ages. We present a new framework for evaluating sulcal depth estimation methods and a new method for estimating sulcal depth in human cortex. Our new framework and method are useful for describing the shape of the cortex and analysing its evolution, and have been developed in response to the difficulty of assessing the anatomical relevance of the methods used to date. At the same time, we provide answers to a number of questions related to the development of our algorithm: How is sulcal depth defined? Why is it relevant for describing the shape of the brain? What are the limitations of existing methods? How do we propose to improve them? How can our method be used to describe the evolution of the cortical surface?