Étude de la topologie des croisements de fibres dans la substance blanche du cerveau humain.

Exploring Fiber Crossing Topology in the White Matter of the Human Brain

• Auteur / Autrice : Julien Fouilloux
• Direction : Laurent Petit
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Inscription en doctorat le 26/07/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Maladies Neurodégénératives
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe d'imagerie neurofonctionnelle

Mots clés

Mots clés libres

Croisements

Substance blanche

Cerveau humain

Crossings

White matter

Human brain

Résumé

Dans le domaine innovant de la connectomique, seule la tractographie issue de l'imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd) permet actuellement de construire un connectome structurel complet de manière non invasive. Mais les algorithmes de tractographie actuels déduisent la direction des fibres de la substance blanche en se basant uniquement sur un profil de déplacement de diffusion des molécules d'eau et ne parviennent pas à reconstruire de manière fiable les croisements complexes de ces fibres. Cette thèse est destinée à étudier la topologie de ces croisements de fibres dans le cerveau humain à un degré de précision sans précédent, grâce à des approches avancées de tractographie multimodale issue de données de neuroimagerie (IRMd) et de neurophotonique. La neurophotonique est un nouveau domaine de l'optique qui consiste à exploiter différents mécanismes d'interaction entre la lumière et la matière pour extraire des informations utiles, notamment sur l'organisation de la microstructure de la matière blanche. Cette approche sera utilisée pour étudier la topologie des croisements de fibres à l'échelle mésoscopique sur des échantillons de cerveau humain post-mortem correspondant aux zones de croisement de fibres les plus ardues à tractographier actuellement avec les données classiques d'IRM de diffusion. Cela est particulièrement vrai au niveau du centrum semiovale où les fibres d'association, de projection et commissurale s'entrecroisent très fortement. Mieux connaître la topologie de ces croisements va permettre d'apporter des connaissances anatomiques préalables aux prochaines générations d'algorithmes de tractographie. Cela permettra alors de reconstruire un connectome structurel plus fiable où chaque type de fibres de la matière blanche (association projection, commissurale) sera tractographié de manière optimale sur la base des connaissances de la manière dont elles se croisent. Cette thèse est au cœur des défis relevés par OpTeam, un International Research Project (IRP) tout juste créé par le CNRS pour 5 ans (2024-2028). OpTeam (OPtimisation des algorithmes de Tractographie par l'intEgration de connaissances Anatomiques de la Matière blanche du cerveau) rassemble des experts en neuroanatomie et en tractographie autour d'un pôle international dédié à l'étude de l'anatomie de la matière blanche et au développement d'outils de pointe en tractographie multimodale, multiéchelle et multi-espèces dans ce domaine. Cette initiative est co-dirigée par Laurent Petit (GIN-IMN, UMR5293, France) et le Professeur Maxime Descoteaux (SCIL, Université de Sherbrooke, Canada). Il inclut également le Laboratoire d'Imagerie Numérique, Neurophotonique et Microscopie (LINUM, Université du Québec à Montréal (UQAM)) dirigé par le Professeur Joël Lefebvre avec lequel une partie de cette thèse sera effectuée.

In the innovative field of connectomics, only tractography derived from diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) currently enables the construction of a complete structural connectome in a non-invasive manner. However, current tractography algorithms deduce the direction of white matter fibers solely based on a profile of water molecule diffusion, and they struggle to reliably reconstruct the complex crossings of these fibers. This thesis aims to investigate the topology of these fiber crossings in the human brain with an unprecedented level of precision, utilizing advanced multimodal tractography approaches derived from neuroimaging data (dMRI) and neurophotonics. Neurophotonics is a novel optical field that exploits various interactions between light and matter to extract useful information, especially regarding the organization of white matter microstructure. This approach will be employed to study the topology of fiber crossings at the mesoscopic scale in post-mortem human brain samples corresponding to the most challenging crossing zones for current diffusion MRI data. This is particularly true in the centrum semiovale where association, projection, and commissural fibers strongly intertwine. Understanding the topology of these crossings will provide anatomical insights for the next generations of tractography algorithms. This, in turn, will enable the reconstruction of a more reliable structural connectome where each type of white matter fibers (association, projection, commissural) is optimally tracked based on knowledge of their crossing patterns. This thesis is at the core of the challenges addressed by OpTeam, an International Research Project (IRP) recently established by CNRS for a period of 5 years (2024-2028). OpTeam (OPtimization of Tractography algorithms through the intEgration of Anatomical knowledge of the brain white Matter) brings together experts in neuroanatomy and tractography within an international hub dedicated to the study of white matter anatomy and the development of cutting-edge multimodal, multiscale, and multi-species tractography tools. This initiative is co-directed by Laurent Petit (GIN-IMN, UMR5293, France) and Professor Maxime Descoteaux (SCIL, Université de Sherbrooke, Canada). It also includes the Digital Imaging, Neurophotonics and Microscopy Laboratory (LINUM, Université du Québec à Montréal (UQAM)) directed by Professor Joël Lefebvre with who a part of the thesis will be performed.