Academic literature on the topic 'Sillons cérébraux'

La paléoneurologie est un domaine complexe et l’étude de la croissance cérébrale chez les espèces humaines fossiles n’en est qu’à ses premiers pas. Le registre fossile disponible est parsemé, incomplet, sujet à interprétation. Il est aussi difficile d’estimer l’âge individuel des spécimens fossiles qui jalonnent notre histoire. Enfin, la forme globale de la boîte crânienne et son volume ne font pas tout, il faut chercher à documenter les variations des détails de la surface cérébrale. Il est ainsi indispensable de se pencher sur les petites traces laissées par le cerveau, en documentant sillons, lobes et aires cérébrales sur l’endocrâne, ainsi que leurs possibles changements au cours du temps. Ce texte récapitule ce que nous savons de la croissance et du développement du cerveau chez nos ancêtres préhistoriques, entre Australopithèques, Homo erectus et Néandertaliens. Les premiers résultats montrent combien le cerveau a varié au sein de l’humanité, que les changements entre les plus jeunes et les adultes au sein de chaque espèce sont autant de réponses diversifiées qu’il nous reste à documenter et à comprendre.

Deux faits signent la nature profonde de l’être humain : (i) un cerveau d’une grande plasticité et (ii) la puissance impérieuse de la culture qui se manifeste non seulement par la diversité et l’intensité de son expression, mais aussi par la forte influence qu’elle exerce rétroactivement sur le développement de notre architecture cérébrale – qui l’a rendue possible. Cette plasticité développementale, résumée dans l’idée que « nous héritons notre cerveau ; nous acquérons notre esprit » (we inherit our brains ; we acquire our minds)(Goldschmidt 2000), relève d’un processus plus général appelé « altricialité » par les éthologues. Le terme est dérivé de l’anglais altricial, mot qui vient lui-même du latin altrix : « celle qui nourrit », « nourrice » (Gaffiot 1934). Dans son acception première, l’altricialité signifie qu’une espèce n’est pas immédiatement compétente à la naissance, contrairement aux espèces dites précoces. C’est le cas, par exemple, de la plupart des passereaux qui naissent les yeux fermés et dont la survie dépend entièrement de l’aide apportée par leur entourage. Il en va de même pour notre espèce. Dans le cas des nouveau-nés humains, toutefois, s’ajoute à l’altricialité primaire une altricialité secondaire. On désigne ainsi le fait que notre cerveau n’est pleinement compétent (sur les plans cognitif, émotionnel, sensoriel et moteur) que tardivement. La force et la durée de la croissance cérébrale post-natale caractérisent cette altricialité secondaire. Du point de vue de la force, le chimpanzé Pan troglodytes, espèce animale qui nous est phylogénétiquement la plus proche, a un coefficient de croissance cérébrale de 2,5 entre la naissance et l’âge adulte, contre 3,3 chez les humains (DeSilva et Lesnik 2008). Du point de vue de la durée, on a longtemps cru que la maturité du cerveau humain coïncidait avec la puberté, mais on sait aujourd’hui que la période de surproduction et d’élimination des épines dendritiques sur les neurones pyramidaux du cortex préfrontal court jusqu’à la trentaine (Petanjeket al. 2011). Outre des contraintes obstétriques, cette maturation prolongée est probablement due aux coûts métaboliques élevés du développement cérébral (Goyal et al. 2014), un processus de co-évolution ayant favorisé l’étalement dans le temps de la dépense énergétique (Kuzawa et al. 2014). Cette forte altricialité cérébrale est propre aux êtres humains, le contrôle génétique qui s’exerce sur l’organisation somatopique de notre cortex, sur la connectique cérébrale et sur les aires d’association étant plus faible que chez le chimpanzé commun. Par exemple, deux frères chimpanzés auront des sillons cérébraux davantage similaires que deux frères humains, parce que le cerveau des premiers est moins réceptif aux influences environnementales que celui des membres de notre espèce (Gómez-Robles et al. 2015). Cette spécificité du cerveau humain est tout aussi importante que son quotient d’encéphalisation (6,9 fois plus élevé que celui d’un autre mammifère du même poids, et 2,6 fois supérieur à celui d’un chimpanzé), le nombre élevé de ses neurones (86 milliards contre 28 milliards chez le chimpanzé), la complexité de sa connectique (environ 1014 synapses), les changements néoténiques lors de l’expression des gènes (Somel et al. 2009) et son architecture complexe. Chez le nouveau-né humain, la neurogenèse est achevée, excepté dans la zone sous-ventriculaire – connectée aux bulbes olfactifs – et la zone sous-granulaire, qui part du gyrus denté de l’hippocampe (Eriksson et al. 1998). Toutefois, si tous les neurones sont déjà présents, le cerveau néonatal représente moins de 30% de sa taille adulte. Immédiatement après la naissance, sa croissance se poursuit au même taux qu’au stade fœtal pour atteindre 50% de la taille adulte vers 1 an et 95% vers 10 ans. Cette croissance concerne essentiellement les connexions des neurones entre eux (synaptogenèse, mais aussi élagage de cette interconnectivité ou synaptose) et la myélinisation néocorticale. À chaque minute de la vie du bébé, rappelle Jean-Pierre Changeux (2002), « plus de deux millions de synapses se mettent en place ! » Au total, 50% de ces connexions se font après la naissance (Changeux 2003). Cette spécificité d’Homo sapiens a une portée anthropologique capitale. Elle expose si fortement les êtres humains aux influences de leur environnement qu’ils deviennent naturellement des êtres hyper-sociaux et hyper-culturels, ce qu’avait pressenti Malinowski (1922 : 79-80) quand il soutenait que nos « états mentaux sont façonnés d’une certaine manière » par les « institutions au sein desquelles ils se développent ». Le développement du cerveau dans la longue durée permet une « imprégnation » progressive du tissu cérébral par l’environnement physique et social (Changeux 1983), en particulier lors des phases de socialisation primaire et secondaire. L’être humain a ainsi des «dispositions épigénétiques à l’empreinte culturelle » (Changeux 2002). Les effets sociaux et les incidences évolutionnaires (Kuzawa et Bragg 2012) d’une telle aptitude sont immenses. L’entourage doit non seulement aider les nouveau-nés, mais aussi accompagner les enfants jusqu’à leur développement complet, l’immaturité du cerveau des adolescents étant à l’origine de leur caractère souvent impulsif. Cet accompagnement de l’enfant se traduit par des changements dans la structure sociale, au sein de la famille et de la société tout entière, notamment sous la forme d’institutions d’apprentissage social et culturel. Les êtres humains sont ainsi contraints de coopérer, d’abord à l’intérieur de leur groupe familial et d’appartenance, puis sous des formes plus ouvertes (voir Coopération). Née de processus évolutifs anciens d’au moins 200 000 ans (Neubaueret al. 2018), l’altricialité secondaire nous donne un avantage adaptatif : contrairement à d’autres espèces, nos comportements ne sont pas « mis sur des rails » à la naissance, ce qui les rend flexibles face à des environnements changeants, favorisant ainsi la diversité phénotypique et culturelle. Cette plasticité cérébrale peut produire le meilleur. Par exemple, 15 mois seulement d’éducation musicale avant l’âge de 7 ans peuvent renforcer les connexions entre les deux hémisphères cérébraux (Schlaug et al. 1995) et induire d’autres changements structuraux dans les régions assurant des fonctions motrices, auditives et visuo-spatiales (Hyde et al. 2009). Une formation musicale précoce prévient aussi la perte d’audition (White-Schwoch et al. 2013) et améliore la perception de la parole (Du et Zatorre 2017). Cependant, comme cela est souvent le cas en évolution, il y a un prix à payer pour cet avantage considérable qu’est l’altricialité secondaire. Il a pour contrepartie un appétit vorace en énergie de notre cerveau (Pontzer et al. 2016). Il nous rend plus vulnérables, non seulement jusqu’à l’adolescence mais tout au long de la vie où, suppose-t-on, des anomalies des reconfigurations neuronales contribuent au développement de certaines pathologies neurologiques (Greenhill et al. 2015). Enfin, un risque associé au « recyclage culturel des cartes corticales » (Dehaene et Cohen 2007) est rarement noté : si ce recyclage peut produire le meilleur, il peut aussi produire le pire, selon la nature de la matrice culturelle dans laquelle les individus sont pris (Candau 2017). Par exemple, le choix social et culturel consistant à développer des industries polluantes peut provoquer des maladies neurodégénératives et divers désordres mentaux (Underwood 2017), notamment chez les enfants (Bennett et al. 2016), phénomène qui est accentué quand il est associé à l’adversité sociale précoce (Stein et al. 2016). Toujours dans le registre économique, la mise en œuvre de politiques qui appauvrissent des populations peut affecter le développement intellectuel des enfants (Luby et al. 2013), un message clé du World Development Report 2015 étant que la pauvreté est une « taxe cognitive ». Un dernier exemple : Voigtländer et Voth (2015) ont montré que les Allemands nés dans les années 1920 et 1930 manifestent un degré d’antisémitisme deux à trois fois plus élevé que leurs compatriotes nés avant ou après cette période. Bien plus souvent que d’autres Allemands, ils se représentent les Juifs comme « une population qui a trop d’influence dans le monde » ou « qui est responsable de sa propre persécution ». Ceci est la conséquence de l’endoctrinement nazi qu’ils ont subi durant toute leur enfance, notamment à l’école, en pleine période d’altricialité secondaire. En résumé, l’altricialité secondaire est au fondement (i) de l’aptitude naturelle de notre cerveau à devenir une représentation du monde et (ii) d’une focalisation culturelle de cette représentation, sous l’influence de la diversité des matrices culturelles, cela pour le meilleur comme pour le pire. Cette hyperplasticité du cerveau pendant la période altricielle laisse la place à une plasticité plus modérée à l’âge adulte puis décroît à l’approche du grand âge, mais elle ne disparaît jamais complètement. Par conséquent, loin de voir dans les données neurobiologiques des contraintes qui auraient pour seule caractéristique de déterminer les limites de la variabilité culturelle – limitation qui est incontestable – il faut les considérer également comme la possibilité de cette variabilité.

Le reality monitoring est un processus permettant de déterminer la source des souvenirs et plus particulièrement de distinguer les souvenirs d’évènements internes des souvenirs d’évènements externes. Les patients atteints de schizophrénie présentent des altérations de reality monitoring, plus spécifiquement une tendance à attribuer les souvenirs d’évènements internes comme provenant d’une source externe (i.e., biais d’externalisation). Encore peu d’études d’imagerie par résonnance magnétique (IRM) se sont intéressées aux corrélats neuroanatomiques du reality monitoring. Une étude a montré que les performances de reality monitoring sont associées avec le volume de matière grise et la morphologie d’un sillon du cortex préfrontal, le sillon paracingulaire. Sur le plan fonctionnel, les études d’IRM ont montré que le reality monitoring repose sur un réseau cérébral mettant en jeu le cortex préfrontal, notamment sa partie médiane, les cortex temporo-pariétaux et le cortex temporal médial avec l’hippocampe. Les patients atteints de schizophrénie présentent une altération de l’activité et de la connectivité au sein de ce réseau. Néanmoins ces résultats ne permettent pas de mettre en évidence l’implication causale de ces régions dans le reality monitoring. Dans ce travail de thèse, nous proposons d’étudier les bases cérébrales du reality monitoring dans le continuum de la schizophrénie à l’aide de l’IRM structurelle et la stimulation cérébrale non-invasive. Nous avons montré que les performances de reality monitoring sont corrélées à la longueur du sillon paracingulaire et au volume de matière grise dans des régions temporales et pariétales chez les patients atteints de schizophrénie (Étude 1). Néanmoins nous n’avons pas retrouvé ces résultats chez des patients avec un premier épisode psychotique (Étude 2). Dans une revue systématique des études examinant les effets des stimulations cérébrales non invasives sur le reality monitoring, nous avons montré le rôle du cortex préfrontal médian et des cortex temporo-pariétaux dans le reality monitoring chez le sujet sain et chez les patients atteints de schizophrénie (Étude 3). Dans une dernière étude, nous avons montré que la stimulation transcrânienne électrique non invasive ciblant ces régions permet d’améliorer les performances de reality monitoring chez les patients atteints de schizophrénie (Étude 4). Ces travaux ont permis de mettre en lumière le rôle des régions préfrontales et temporo-pariétales dans le processus de reality monitoring et les altérations présentes dans la schizophrénie
Reality monitoring refers to the ability to determine the source of memories and, more specifically, to distinguish memories of internally-generated information from memories of externally-derived information. Patients with schizophrenia present alterations in reality monitoring, more precisely a tendency to misattribute memories of internal events as coming from an external source (i.e. externalization bias). Few magnetic resonance imaging (MRI) studies have yet looked at the neuroanatomical correlates of reality monitoring. One study has reported that reality monitoring performance are associated with grey matter volume and the morphology of a sulcus in the prefrontal cortex, the paracingulate sulcus. From a functional perspective, MRI studies have shown that reality monitoring relies on a cerebral network involving the prefrontal cortex, particularly its medial part, the temporoparietal cortices and the medial temporal cortex with the hippocampus. Patients with schizophrenia show altered activity and connectivity within this network. Nevertheless, these results do not allow us to identify the causal involvement of these regions in reality monitoring. This thesis aims to study the cerebral bases of reality monitoring in the schizophrenia continuum using structural MRI and non-invasive brain stimulation. We have shown that reality monitoring performance correlates with paracingulate sulcus length and grey matter volume in temporal and parietal regions in patients with schizophrenia (Study 1). However, we did not find such results in patients with a first psychotic episode (Study 2). In a systematic review of studies examining the effects of non-invasive brain stimulation on reality monitoring, we reported the role of the medial prefrontal cortex and temporoparietal cortices in reality monitoring in healthy subjects and in patients with schizophrenia (Study 3). In a final study, we have shown that frontotemporal non-invasive transcranial electrical stimulation improves reality monitoring performance in patients with schizophrenia (Study 4). This work highlighted the role of the prefrontal and temporoparietal regions in the reality monitoring process and the alterations present in schizophrenia

La mise en évidence de bio marqueurs spécifiques de pathologies cérébrales à l'échelle d'une population reste extrêmement difficile compte tenu de la variabilité inter-individuelle de la topographie sulco-gyrale. Cette thèse propose de répondre à cette diffculté par l'identification automatique de 125 structures sulcales et leur mise en correspondance au travers des individus, à partir d'une base de 62 sujets labélisés manuellement. En s'appuyant sur la théorie des racines sulcales, les plissements corticaux sont découpés en entités élémentaires à labéliser. Dans une première phase, l'approche structurelle proposée précédemment par Jean-François Mangin et Denis Rivière a été revisitée pour faire face aux nombreux descripteurs morphométriques impliqués dans le processus d'identification. Dans une deuxième phase, cette modélisation a été reconsidérée intégralement au profit d'un cadre Bayésien exploitant des informations localisées (positions ou directions) négligées jusqu'alors, autorisant ainsi des schémas d'optimisation efficace. Dans ce cadre, la normalisation des données est essentielle ; cette question a été traitée sous la forme d'un processus de recalage affine global ou local à chaque sillon, de façon couplée au problème d'identification des sillons. Dans l'optique d'introduire plus d'information structurelle, une modélisation Markovienne traduisant une vue localisée de l'agencement entre plissements corticaux voisins a été introduite avec succès pour atteindre un taux de reconnaissance de plus de 86% pour chaque hémisphère. Seules les configurations atypiques ou les structures anatomiques les plus variables présentent encore de réelles difficultés
The determination of specific biomarkers of brain pathologies at population scale is extremely difficult because of the huge inter-individual variability of the sulco-gyral topography. This thesis addresses this issue by automatically identifying 125 sulcal structures and pairing them through individuals, thanks to a manually labeled database of 62 subjects. Relying on the sulcal roots theory, cortical folds are split into elementary segments to be labeled. In a first time, the structural approach proposed earlier by Jean-François Mangin and Denis Rivière has been revisited to manage the increasing amount of morphometric features involved in the identification process. In a second time, this model has been fully reviewed in favor of a Bayesian framework based on localized information (positions or directions) previously neglected, thus allowing effective optimization schemes. In this context, data normalization is essential ; this issue has been considered through global or sulciwise local a ne registration techniques, jointly to the sulcal identification. In order to introduce more structural informations, a Markovian model has been successfully introduced to reflect the local neighbored cortical folds organization. Finally, the overall recognition rate has reached 86 % for each hemisphere. From now on, only atypical patterns or the most variable anatomical structures remain a real issue

La mise en évidence de biomarqueurs spéciques de pathologies cérébrales à l'échelle d'une population reste extrêmement dicile compte tenu de la variabilité inter-individuelle de la topographie sulco-gyrale. Cette thèse propose de répondre à cette diculté par l'identication automatique de 125 structures sulcales et leur mise en correspondance au travers des individus, à partir d'une base de 62 sujets labélisés manuellement. En s'appuyant sur la théorie des racines sulcales, les plissements corticaux sont découpés en entités élémentaires à labéliser. Dans une première phase, l'approche structurelle proposée précédemment par Jean-François Mangin et Denis Rivière a été revisitée pour faire face aux nombreux descripteurs morphomé- triques impliqués dans le processus d'identication. Dans une deuxième phase, cette modélisation a été reconsidérée intégralement au prot d'un cadre Bayésien exploitant des informations localisées (positions ou directions) négligées jusqu'alors, autorisant ainsi des schémas d'optimisation ecace. Dans ce cadre, la normalisation des données est essentielle ; cette question a été traitée sous la forme d'un processus de recalage ane global ou local à chaque sillon, de façon couplée au probl ème d'identication des sillons. Dans l'optique d'introduire plus d'information structurelle, une modélisation Markovienne traduisant une vue localisée de l'agencement entre plissements corticaux voisins a été introduite avec succès pour atteindre un taux de reconnaissance de plus de 86% pour chaque hémisphère. Seules les congurations atypiques ou les structures anatomiques les plus variables présentent encore de réelles dicultés.

Les troubles du spectre autistique sont vraisemblablement liés à des altérations des circuits neuronaux au cours du développement. Des études en imagerie cérébrale ont mis en évidence des anomalies anatomo-fonctionnelles localisées notamment au niveau du sillon temporal supérieur (STS) dans l’autisme. Chez le sujet sain, le STS est impliqué dans la perception et la cognition sociale, dont les dysfonctionnements sont au coeur des symptômes autistiques. En effet, des anomalies de la perception sociale, notamment un manque de préférence par les yeux, ont été mises en évidence dans l’autisme. Dans cette thèse nous avons montré qu’il est possible de moduler l’activité neuronale du STS droit à l’aide de la stimulation magnétique transcranienne (TMS) avec un impact significatif sur la perception sociale, mesurée par l’eye-tracking. En effet, suite à une inhibition du STS, des jeunes volontaires sains regardent moins les yeux des personnages dans les scènes sociales. Par ailleurs, cette perception sociale a été corrélée au débit sanguin cérébral (DSC) au repos, mesuré en IRM avec la séquence arterial spin labelling. Ainsi, les volontaires sains qui regardaient le plus les yeux des personnages étaient ceux chez qui le DSC au repos était plus élevé au niveau des régions temporales droites. De plus, cette corrélation a été également observée chez des enfants avec autisme: les enfants qui regardaient le plus les yeux des personnages étaient ceux chez qui le DSC au repos était plus important au niveau des régions temporales droites. Enfin, les résultats préliminaires concernant l’application de la TMS chez des adultes avec autisme ouvrent des nouvelles perspectives thérapeutiques
Autism is a pervasive developmental disorder associated with alterations of neural circuits. Neuroimaging studies in autism have revealed anatomo-fonctional abnormalities, particularly located within the superior temporal sulcus (STS). In normal subjects, STS is largely implicated in social perception and social cognition. Deficits in social cognition and particularly in social perception are the core symptoms of autism. Indeed, abnormalities of social perception have been described in adults and children with autism. These abnormalities are characterized by a lack of preference for the eyes. In this thesis, we have shown that it is possible to modulate neural activity within the right STS using a transcranial magnetic stimulation (TMS) protocol, with significant effects on social perception parameters, measured by eye-tracking during passive visualization of social scenes. Furthermore, social perception parameters were correlated with rest cerebral blood flow (CBF), measured with arterial spin labelling (ASL) MRI. We have shown that the healthy young volunteers who looked more to the eyes during passive visualization of social scenes were those who had higher rest CBF values within right temporal regions. In addition, this correlation was also observed in children with autism: children who looked more to the eyes during passive visualization of social scenes were those who had higher rest CBF values within right temporal regions. Finally, preliminary results concerning application of the TMS protocol in adults with autism open up new perspectives on innovate therapeutically strategies

Les nouveau-nés reconnaissent leur langue maternelle à la naissance et sont meilleurs que leur maman pour percevoir les sons de toutes les langues existantes dans le monde. Comment la structure du cerveau peut-elle favoriser le développement de telles facultés ? Au cours de cette thèse, j'ai étudié l'anatomie des aires corticales du langage afin de mieux comprendre l'émergence du langage au début de la vie. L'anatomie a été décrite dans une population de nourrissons, à partir d'une séquence d'images IRM. En m'aidant de l'expertise des équipes de recherche de Neurospin, j'ai mis en place plusieurs outils méthodologiques : D'une part, nous avons proposé une nouvelle méthode de segmentation du cortex pour faire face au faible contraste des images dans les premiers mois de vie. Cette méthode s'appuie sur plusieurs propriétés des tissus dans l'image, sans faire appel à un atlas. Elle consiste à déformer deux surfaces, initialisées de part et d'autre du cortex, afin qu'elles convergent sur l'interface séparant la matière grise et la substance blanche. Nous obtenons de très bons résultats pour les cerveaux des nouveau-nés (coefficient de Dice = 0,89). D'autre part, nous avons défini un indice de maturation à partir des intensités du signal du cortex. La démarche a été validée en mesurant une forte corrélation de cet indice avec l'âge des nourrissons dans toutes les régions observées (R2=0,88). Selon l'hypothèse la plus vraisemblable, les variations de cet indice sont dues à une baisse du contenu en eau du cortex relative à la prolifération des membranes. Dans les images IRM, nous avons tracé manuellement les sillons du cortex dans les régions du langage. Puis, nous avons mesuré leurs asymétries et les indices de maturation du cortex proche de ces sillons. Nous observons une organisation précoce des aires du langage, proche de celle observée dans le cerveau adulte. Plus précisément : D'une part, nous rapportons une asymétrie de profondeur du sillon temporal supérieur, encore peu connue ; la plus grande profondeur de ce sillon à droite se maintiendrait tout au long du développement, tandis que la faible profondeur à gauche reflèterait l'initiation d'une structure plus compartimentée le long du sillon. Nous confirmons également les asymétries du planum temporale et du gyrus de Heschl, ainsi qu'un déplacement ventral et en arrière des régions temporales postérieures gauches. Ces asymétries seraient associées à une connectivité plus dense dans ces régions à gauche et à des différences interhémisphériques dans le traitement des stimuli auditifs, particulièrement la parole. D'autre part, notre indice de maturation a révélé une avance relative de l'aire de Broca au sein des régions préfrontales, souvent jugées immatures à cet âge. Nous observons aussi la présence d'une décroissance du degré de maturation suivant un axe dorso-ventral dans le lobe temporal, cohérente avec l'organisation hiérarchique des traitements du langage. Enfin, les indices de maturation dans l'aire de Broca et dans la région postérieure du sillon temporal supérieur étaient corrélés avec un autre indice de développement (anisotropie fractionnelle) dans le faisceau arqué. Cette corrélation suggère la formation précoce d'une voie dorsale du langage entre l'aire de Broca et les régions temporo-pariétales. Enfin, nous discutons des origines et des influences génétiques sur cette organisation, en suggérant l'existence de modules innés spécifiques au langage. Les résultats de cette thèse posent de nouvelles questions : si l'asymétrie du sillon temporal supérieur reflète une structure plus segmentée dans l'hémisphère gauche, quels sont les effets de ces compartiments sur les processus du langage ? Par ailleurs, quel rôle jouerait la voie dorsale que nous avons observée dans la latéralisation du langage ?

Les dysplasies corticales focales de type 2 (DCF2) sont une cause fréquente d’épilepsie partielle pharmacorésistante pouvant bénéficier d’un traitement chirurgical. Leur détection en IRM est un facteur indépendant de bon pronostic. Leur diagnostic reste difficile avec jusqu’à 40% d’IRM négatives. Le travail de cette thèse a pour principal objectif d’améliorer la détection des DCF2 à partir des séquences conventionnelles, d’évaluer la pertinence d’une augmentation de champ magnétique, et de valider de nouveaux outils de détection, en particulier par l’identification d’anomalies des sillons associées aux DCF2 de manière automatique puis visuelles. Cette étude a été réalisée à partir d’une des plus importante cohorte de patients (>80 patients) porteurs de DCF2 prouvée histologiquement. L’évaluation de la fréquence de chacun des signes en IRM nous a permis de démontrer que, bien qu’aucune anomalie ne soit visible dans 41% des cas, les différents signes chez les patients avec une IRM positive n’étaient jamais isolés et que la combinaison des 3 signes les plus évocateurs de DCF2 (épaississement cortical, flou de l'interface blanc-gris et « transmantle sign »), était retrouvée chez 27 patients (64%) suggérant que l’IRM puisse être un examen très caractéristique. En augmentant le champ magnétique de 1,5 à 3T en IRM le taux de détection n’est que peu modifié mais la caractérisation des DCF2 est améliorée en raison d’une meilleure visualisation du « transmantle sign », considéré comme une signature en IRM des DCF2. L’analyse automatisée des sillons basés sur le calcul d’un nouveau paramètre appelé « énergie sulcale » permet d’identifier des motifs sulcaux anormaux chez les patients porteurs de DCF2 dans la région centrale en comparaison aux sujets sains. Ce résultat souligne l'importance d’une étude des sillons et pourrait fournir un critère supplémentaire pour détecter et localiser la lésion chez des patients à IRM négative. Enfin, l’analyse visuelle des sillons par un reformatage 3D du cortex nous a permis de décrire un nouveau marqueur des DCF2 de la région centrale : un motif sulcal dénommé le "Power Button Sign". Compte tenu de son excellente reproductibilité et de sa spécificité, il pourrait être utilisé comme un nouveau critère diagnostic majeur de DCF2 de la région centrale. L’ensemble de ces résultat participe à la meilleure compréhension des phénomènes développementaux impliqués dans la physiopathologie des DCF2 et offre de nombreuses perspectives pour l’amélioration de leur détection en imagerie
Focal cortical dysplasia type 2 (FCD2) is a common cause of intractable partial epilepsy surgically treatable. Their detection by MRI is an independent factor of good prognosis. The MR imaging diagnosis remains difficult with up to 40% negative MRI. Our main objective is to improve the detection of FCD2from conventional sequences, to assess the relevance of increased magnetic field and validate new tools for detection, in particular by identifying sulcal abnormalities associated with FCD2 automatically and visually. This study was carried out from one of the largest cohort of patients (> 80 patients) with histologically proven FCD2. The evaluation of the frequency of each MR signs showed that, although no abnormality is seen in 41% of cases, the different signs in patients with a positive MRI were never isolated and the combination of the 3 most suggestive signs of FCD2 (cortical thickening, bluring of the gray-white matter interface and "transmantle sign") was found in 27 patients (64%), indicating that MRI can be very suggestive. By increasing the magnetic field from 1.5 to 3T MRI detection rate is only slightly changed but characterization of FCD2 is improved thanks to a better visualization of the " transmantle sign " considered as a MR signature of FCD2. The automated sulcus analysis based on the calculation of a new parameter called "sulcal energy" identifies abnormal sulcal patterns in patients with FCD2 in the central region in comparison to healthy subjects. This result underlines the importance of the identification of sulci and could provide an additional criterion for detecting and locating the lesion in patients with negative MRI. Finally, the visual analysis of sulci by 3D reformatting of the cortex allowed us to describe a new MR sign of FCD2 in the central region: a sulcal pattern called the "Power Button Sign". Given its excellent reproducibility and specificity, it could be used as a new major diagnostic criterion of FCD2 in the central region. All these results contribute to the better understanding of the developmental processes involved in the pathophysiology of FCD2 and offers many opportunities for improving their MR detection

Les plissements du cortex caractérisent de manière unique chaque être humain. Ils apparaissent pendant le dernier trimestre de grossesse, c’est-à-dire pendant la mise en place de l’architecture cérébrale. Les motifs de ces plis sont impactés par les spécificités de cette architecture propres à chaque individu. Ils pourraient donc dévoiler les signatures de certaines anomalies du développement à l’origine de pathologies psychiatriques. Le laboratoire d’analyse d’images de Neurospin développe depuis 25 ans un programme de recherche visant à mettre en évidence de telles signatures grâce à la conception d’outils de vision par ordinateur dédiés qu’il diffuse à la communauté (http://brainvisa.info).Cette thèse a permis l’émergence d’une nouvelle génération d’outils basés sur des techniques d’apprentissage automatique. Le premier outil proposé classifie automatiquement des motifs locaux de plissements du cortex, un problème qui n’avait jamais été abordé jusqu’ici. Le second outil vise l’étiquetage automatique des sillons corticaux en modélisant des mécanismes de reconnaissance « top-down » nécessaires pour pallier les faiblesses des démarches « bottom-up » développées jusqu’à présent. Ainsi, en plus d'avoir des taux de reconnaissances plus élevés et un temps d’exécution plus court, le nouveau modèle proposé est robuste aux erreurs de sous-segmentation, ce qui est l'une des plus grandes faiblesses de l'ancien système. Pour réaliser ces deux outils, plusieurs algorithmes d'apprentissage automatique ont été implémentés et comparés. Ces algorithmes s'inspirent d'une part des méthodes multi-atlas, en particulier de l'approche par patch, qui sont largement utilisées pour la segmentation anatomique d'images médicales et d'autre part des méthodes d'apprentissage profond qui révolutionnent aujourd'hui le monde de la vision par ordinateur. Les travaux de cette thèse confirment l'incroyable efficacité des techniques d'apprentissage profond pour s'adapter à des problèmes complexes. Cependant, les performances obtenues avec ces techniques sont généralement équivalentes à celles des approches par patch, voire moins bonnes si la base de données d'apprentissage est restreinte. Ce qui fait de l'apprentissage profond un outil particulièrement intéressant en pratique n'est autre que sa rapidité d'exécution, d'autant plus pour l'analyse des bases de données colossales aujourd'hui disponibles
We are seven billion humans with unique cortical folding patterns. The cortical folding process occurs during the last trimester of pregnancy, during the emergence of cortical architecture. The folding patterns are impacted by architectural features specific to each individual. Hence, they could reveal signatures of abnormal developments that can lead to psychiatric syndroms. For the last 25 years, the image analysis lab of Neurospin has been designing dedicated computer vision tools to tackle the research of such signatures. The resulting tools are distributed to the community (http://brainvisa.info).This thesis has resulted in the emergence of a new generation of tools based on machine learning techniques. The first proposed tool automatically classifies local patterns of cortical folds, a problem that had never been addressed before. The second tool aims at the automatic labeling of cortical sulci by modeling the top-down recognition mechanisms necessary to overcome weaknesses of the current bottom-up systems. Thus, in addition to having higher recognition rates and shorter execution time, the proposed new model is robust to sub-segmentation errors, which is one of the greatest weaknesses of the old system. To realize these two tools, several machine learning algorithms were implemented and compared. These algorithms are inspired on the one hand by multi-atlas methods, in particular the patch approach, which are widely used for the anatomical segmentation of medical images and on the other hand by the deep learning methods that are revolutionizing the world of computer vision. The work of this thesis confirms the incredible effectiveness of deep learning techniques to adapt well to complex problems. However, the performances obtained with these techniques are generally equivalent to those of patch approaches, or even worse if the training database is limited. What makes deep learning a particularly interesting tool in practice is its fast execution, especially for the analysis of the huge databases now available

La recherche des variations anatomiques du cortex, complémentaire des investigations fonctionnelles, a été fortement stimulée ces dernières années par le développement des méthodes d'analyse des images cérébrales. Ces nouvelles possibilités ont conduit à la création de vastes projets de cartographie anatomo-fonctionnelle du cerveau humain, comparables par l'ampleur qu'ils pourraient prendre aux projets de cartographie du génome. Durant les années 90, la communauté de la neuroimagerie a choisi d'appréhender ce problème en développant une technique appelée la normalisation spatiale. Il s'agit de doter chaque cerveau d'un système de coordonnées (surfaciques ou volumiques) qui indiquent une localisation dans un cerveau de référence. Ce système s'obtient en déformant chaque nouveau cerveau de manière à l'ajuster autant que possible au cerveau de référence. Cependant, cette morphométrie fond ée sur la technique de normalisation spatiale a des limites. En effet, il est largement admis qu'elle ne permet pas de gérer précisément la très grande variabilité des plissements corticaux et ne donne accès qu'aux différences anatomiques les plus marquées. Ces considérations ont motivé le développement de nouveaux outils de morphométrie, permettant l'analyse ne des structures corticales. Jusqu'à ces dernières années, une telle morphométrie structurelle, prenant en compte les particularités anatomiques individuelles de chaque cortex, était limitée par la difculté et la lourdeur du travail «manuel» à réaliser. Le développement récent de nouveaux outils d'analyse d'images, permettant d'extraire et de reconnaître automatiquement les sillons corticaux des images IRM anatomiques, a modié cet état de fait et a ouvert la voie aux études à grandes échelles de morphométrie structurelle. Cependant, d'un point de vue anatomo-fonctionnel, la structure de base du cortex est le gyrus et non pas le sillon. Or, si la littérature propose maintenant de nombreuses méthodes dédiées aux sillons corticaux, il n'en existe aucune spécifique aux gyri, essentiellement à cause de leur très grande variabilité morphologique. Le premier axe de travail de cette thèse est le développement d'une méthode entièrement automatique pour les segmenter, prenant en compte leur anatomie individuelle. Cette méthode propose un formalisme générique pour définir chaque gyrus à partir d'un ensemble de sillons-frontières le délimitant; un critère de distance, sous-jacent au diagramme de Voronoï utilisé pour parcelliser la surface corticale, permet d'extrapoler cette définition dans les zones où les sillons sont interrompus. L'étude des mécanismes mis en jeu lors du plissement du cortex durant son développement, ante- et post-natal, est un point clé pour analyser et comprendre les variations de l'anatomie corticale, normale ou non, et caractériser ses liens avec le fonctionnement du cerveau. Des travaux récents suggèrent qu'il existerait une proto-organisation sulcale stable, visible sur le cerveau du foeœtus, et qui laisserait une empreinte dans le relief cortical adulte. Pour le deuxième axe de travail de cette thèse, nous avons essayé de recouvrer les traces de ces structures enfouies, les racines sulcales, inscrites dans les plissements corticaux. Nous avons pour cela développé un modèle original du cortex, le primal sketch des courbures, permettant une description multi-échelles et structurelle de la courbure corticale. Cette description est issue d'un lissage surfacique de la carte (2D) de la courbure, obtenu par l'implantation de l'équation de la chaleur, calculée géodésiquement au maillage de la surface corticale. Cette description nous a permis de recouvrer les deux racines sulcales putatives enfouies dans le sillon central, et les quatre racines du sillon temporal supérieur. En parallèle, nous avons initié une étude directe des premiers plis sulcaux à travers la reconstruction tridimensionnel du cerveau foeœtal in utero.