Imagerie des boucles anatomo-fonctionnelles cortico-sous-corticales du cerveau

240 Pages·2012·27.63 MB·French

UNIVERSIT(cid:201) DE PARIS-SUD XI
(cid:201)COLE DOCTORALE STITS
SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L’INFORMATION
DES T(cid:201)L(cid:201)COMMUNICATIONS ET DES SYST¨MES
TH¨SE DE DOCTORAT
SpØcialitØ : Physiques
PrØsentØe par
Caroline Malherbe
Imagerie des boucles anatomo-fonctionnelles
cortico-sous-corticales du cerveau
Application (cid:224) l’Øtude du syndrome
de Gilles de la Tourette
soutenue le 28 mars 2012
Jury :
Rapporteurs : Christian Barillot
Pierre Celsis
Directeur : Habib Benali
PrØsident du jury : Luc Darrasse
Membres : Julien Doyon
StØphane LehØricy
JØr(cid:244)me Yelnik

Remerciements
La premiŁre personne que je souhaite remercier est Habib Benali, mon directeur
de thŁse, sans qui ce travail n’aurait pu Œtre possible. Il a su entre autres me guider
(cid:224) des moments clØs de la thŁse, que ce soit pour dØvelopper un modŁle ou rØdiger
une publication.
Ensuite, je voudrais remercier Pierre Celsis et Christian Barillot d’avoir acceptØ
d’Œtre rapporteurs de ce manuscrit. Je souhaite Øgalement remercier Pierre Celsis
pour son intervention lors de la soutenance de thŁse, vos quelques mots en dØbut de
discours m’ont grandement aidØe (cid:224) me sentir (cid:224) l’aise lors des questions des membres
du jury.
Je remercie Øgalement chaleureusement JØr(cid:244)me Yelnik et StØphane LehØricy
d’avoir bien voulu faire partie de mon jury de thŁse. J’ai eu la chance d’apprendre
unein(cid:28)mepartiedeleursconnaissancesdurantcettethŁseetcefutunhonneurpour
moi. J’espŁre pouvoir continuer (cid:224) interagir avec vous dans la suite! Merci (cid:224) Julien
Doyon d’avoir fait quelques remarques sur mon manuscrit et merci (cid:224) Luc Darrasse
d’avoir honorØ la place de prØsident du jury lors de la soutenance.
Rien de ceci n’aurait pu Œtre rØalisØ sans un soutien (cid:28)nancier, je remercie donc
l’Agence Nationale de la Recherche (projet ANR-07-NEURO-023-01) de m’avoir
(cid:28)nancØe durant ces trois annØes de thŁse. Je tiens aussi (cid:224) remercier les personnes
ayant initiØ ce projet et contribuØ (cid:224) son bon dØroulement et, notamment, Marie
Vidailhet, AndrØas Hartmann, StØphane LehØricy et Habib Benali.
S’ilyaunepersonnequiajouØunr(cid:244)leimportantaucoursdemathŁse,c’estbien
Yulia Worbe. AprŁs des dØbuts un peu tendus, nous avons bravØ (cid:224) contre-courant
les marØes et franchi les dØserts ensemble. Pour ta bonne humeur, ton immense
connaissance de la neuroanatomie dont tu m’as appris quelques ØlØments essentiels,
ton Ønergie positive, et cette dØtermination sans faille (cid:224) rØussir, et pour encore pas
maldechoses,jeteremercie.Etaussi,unimmensemercidem’avoiramenØeavectoi
lors de la publication du papier Brain, que nous devons toujours fŒter d’ailleurs :-D
Je remercie Luc Mallet pour ses conseils ØclairØs et son soutien lors de nos
quelques rencontres durant ma thŁse. J’en suis toujours ressortie avec de bonnes
idØes et beaucoup de motivation pour la suite. Je le remercie Øgalement d’avoir
acceptØ d’Œtre mon tuteur pour l’IFSBM.
Qu’aurait ØtØ ma thŁse sans l’atlas immunohistochimique des noyaux gris cen-
traux? Je remercie (cid:201)ric Bardinet de m’avoir initiØe aux structures sous-corticales
et de m’avoir laissØ un accŁs privilØgiØ (cid:224) son logiciel. Par la mŒme occasion, je re-
mercie JØr(cid:244)me Yelnik de m’avoir expliquØ longuement et dans les dØtails les aspects
anatomiques des noyaux gris centraux.
ii
J’aimeraisØgalementremerciertouteslespersonnestravaillantauCENIR(Chris-
tine, Romain, (cid:201)ric B2, KØvin, les manip’...) pour leur gentillesse et leur aide pour
les protocoles d’acquisition.
Je ne sais comment remercier MØlanie... Toutes ces heures passØes devant mes
brouillonsa(cid:28)ndelestransformerenabstracts,articlesouenthŁselisibles...Sesmul-
tiples conseils qui m’ont appris, je l’espŁre, (cid:224) rendre mes idØes plus claires. Toujours
prŒte (cid:224) rendre service, que ce soit en informatique, en mathØmatiques... Ou tout
simplement dans la vie de tous les jours... Les chocolats ne sont qu’une in(cid:28)me part
des remerciements qui te sont dus.
Merci (cid:224) Guillaume, Vincent qui m’ont fait dØcouvrir l’IRMf et ses rØseaux, ainsi
que la philosophie qui se cache derriŁre. Merci pour les conseils prØcieux, que ce soit
d’ordre mØthodologique ou de mise en bonne et due forme de papiers.
Salma, ou la poisse lors des transferts de donnØes!! Haha!! Merci (cid:224) toi pour
tous tes aller-retours (cid:224) l’ISC pour rØcupØrer des donnØes. Je ne verrai plus jamais le
fromage de la mŒme fa(cid:231)on depuis que tu m’en as expliquØ quelques (cid:28)celles... Merci
(cid:224) toi d’avoir toujours ØtØ l(cid:224) pour moi. Et puis, je penserai (cid:224) toi (cid:224) chaque fois que
j’Øcrirai un ...M!
Catherine...Unimmensemercidem’avoirchouchoutØetoutaulongdemathŁse.
Car c’est toi qui m’a permis de partir en congrŁs et que tout se passe correctement.
Ton humour et nos discussions m’ont toujours donnØ le sourire, mŒme dans les jours
les moins (cid:19)funs(cid:20) de la thŁse.
Merci (cid:224) Clara pour nos bons et moins bons moments dans la cuisine, je te
souhaite que du bonheur pour la suite et tes conseils ont ØtØ prØcieux :-D
JevoudraisØgalementremercierlesjeunesetmoinsjeunesquej’aieulachancede
c(cid:244)toyerdurantmonsØjouraulaboratoire:Alexandre,Mathieu,Makhlouf,Amadou,
Mike,Linda,RØmi,David,Mounir,Paul-Joanne,Mike-Ely,Aude(mercid’Œtrevenue
de Grenoble pour la soutenance), Jean-Marc, Basile, Adeline, AlainS (De Cesare,
Giron toujours prŒt (cid:224) rendre service), Philippe, Marie-Odile, FrØdØrique, (cid:201)lie. Une
mention (cid:19) spØcial Stoemp (cid:20) pour Alain Herment et Muriel pour leurs remarques
dØsobligeantes (cid:224) l’heure du repas!!
Qu’auraient ØtØ les pauses, les repas, les soirØes endiablØes sans (cid:201)milie, Nadjia
(faut pas m’oublier pour les couscous quand je serai partie!!!), StØphane (et son
ØternelpackdebiŁre:p),Blandine,Christophe(d’ailleurs,ilestoølerhum??),Anas
(j’attendstoujourstesbricks!),Constantin(courage,c’estpresque(cid:28)ni),JessicaS(de
Paris et de LiŁge), Christophe, Marion.
J’aimerais remercier chaleureusement Lionel Moisan, d’avoir cru en moi (cid:224) un
moment charniŁre de mes Øtudes, et de m’avoir donnØ la chance d’entrer dans (cid:19)la
iii
cour des grands (cid:20). Encore aujourd’hui je me demande, mais qu’ai-je bien pu faire
pour avoir cette chance? Ce fut un honneur immense, et j’espŁre ne pas vous avoir
dØ(cid:231)u.
Un clin d’(cid:247)il (cid:224) mes amis du master MVA, qui ont suivi le mŒme chemin qu’est
la thŁse et (cid:224) qui je souhaite le meilleur pour leur soutenance proche : (cid:201)milie, Lo(cid:239)c
et Anne-Laure.
Merci aux joyeux lurons de l’IFSBM pour leur soutien et le reste : Marianne,
Claire et Mikaºl, Julien, Louis et Clint’.
Une immense pensØe (cid:224) mes amis, un peu dØlaissØs ces derniers temps, mais plus
pour trŁs longtemps : Guillemette, Yohan, Michaºl, RØmi, Armelle, SolŁne, Fred,
Caro, Alex, Chb, Sonia, GØrald, LaØtitia, Lindsay, Nico, Manu, Buu, Juju, Mehdi,
Maºlyne, Yannick...
Merci (cid:224) Kuku de m’avoir supportØe ces derniers mois, et de m’emmener toujours
plus loin, et (cid:224) toutes les miss de l’Øquitation qui m’ont donnØ le sourire le mardi
soir : Jennifer, Carole, Sandrine, Manon, Lydia, JØrØmie, Claire...
La liste est longue, j’essaye de n’oublier personne :-D mais si jamais par grande
erreur de ma part, vous ne vous Œtes pas retrouvØs dans ces remerciements, votre
place est ici.
Merci (cid:224) VØro, qui m’apporte beaucoup de courage et de force, merci (cid:224) toi papa,
qui a toujours ØtØ l(cid:224) et (cid:224) toi maman, qui mŒme loin n’a jamais cessØ de me soutenir.
Merci (cid:224) mes grands-parents, oø qu’ils soient, pour leur chaleur et leur prØsence, leur
soutien et le bon accueil (cid:224) chaque visite.
La vie est faite de choix. Et aujourd’hui je t’ai choisi toi. Les raisons de ce choix
sont longues et je ne suis pas trŁs douØe pour ce genre de choses. Du point de vue
de la thŁse, tu es la personne qui m’a donnØ envie d’apprendre plein de nouvelles
choses. Tu m’as fait dØcouvrir les premiers pas en imagerie de di(cid:27)usion, tu m’as
bien aidØe dans la comprØhension des codes en matlab, batch... Tu m’as prØsentØ en
dØtails les (cid:28)celles des petits-mondes et as toujours eu un avis critique et constructif
quand j’en avais besoin. Tu as ØtØ un (cid:19)coach(cid:20) plus que parfait lors de mon stage et
de ma thŁse! Merci pour tout cela, pour tout ce que tu me fais dØcouvrir au jour le
jour, pour tous les bons petits plats que tu prØpares avec Amour, pour ta zØnitude
(cid:224) toute Øpreuve, et il faut le dire, chapeau!! Merci (cid:224) ta famille de m’accueillir au
pays des Vikings :-) Le reste, tout le reste, ne regarde que nous :-D et je suis trŁs
(cid:28)Łre et heureuse d’Œtre (cid:224) tes c(cid:244)tØs.

Table des matiŁres
Introduction 1
1 Contexte : les boucles cortico-sous-corticales du cerveau 5
1.1 Description des boucles cortico-sous-corticales . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Description anatomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2 Description fonctionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.3 Les rØseaux fonctionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2 (cid:201)tude des boucles cortico-sous-corticales chez l’Homme en neuroima-
gerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.1 (cid:201)lectroencØphalographie, magnØtoencØphalographie . . . . . . 28
1.2.2 L’imagerie fonctionnelle mØtabolique . . . . . . . . . . . . . . 29
1.2.3 L’imagerie par rØsonance magnØtique (IRM) . . . . . . . . . . 30
1.3 Le syndrome de Gilles de la Tourette . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3.1 CliniqueetphysiopathologiedusyndromedeGillesdelaTou-
rette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3.2 Le syndrome de Gilles de la Tourette en IRM . . . . . . . . . 36
1.4 Objectifs de la thŁse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2 Identi(cid:28)cation et caractØrisation des boucles 41
2.1 Identi(cid:28)cation des rØseaux fonctionnels (cid:224) partir des donnØes d’IRMf
au repos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.1 MØthodes utilisant des a priori extØrieurs aux donnØes . . . . 44
2.1.2 MØthodes exploratoires ou dites guidØes par les donnØes . . . 47
2.1.3 (cid:201)tudes de groupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.1.4 RØsultats des Øtudes mettant en jeu les rØgions sous-corticales 57
2.2 Identi(cid:28)cation des rØseaux anatomiques extraits (cid:224) partir des donnØes
d’IRMd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.3 De l’identi(cid:28)cation (cid:224) la caractØrisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.4 CaractØrisation des rØseaux fonctionnels : mesures spØci(cid:28)ques (cid:224) l’IRMf 67
2.4.1 La connectivitØ fonctionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.4.2 La connectivitØ e(cid:27)ective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.4.3 L’intØgration fonctionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.4.4 RØsultats de la littØrature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.5 CaractØrisationdesrØseauxanatomiques:mesuresspØci(cid:28)ques(cid:224)l’IRMd 71
vi Table des matiŁres
2.5.1 ProbabilitØ de connexion anatomique . . . . . . . . . . . . . . 71
2.5.2 RØsultats de la littØrature en IRMd, dans le cas de liens
cortico-sous-corticaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.5.3 RØsultats de la littØrature couplant IRMf et IRMd . . . . . . 73
2.5.4 Atouts et limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.6 La thØorie des graphes et les rØseaux petit-monde . . . . . . . . . . . 76
2.6.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.6.2 Principales mØtriques et interprØtations . . . . . . . . . . . . 76
2.6.3 Utilisation de ces mØtriques en IRMf au repos . . . . . . . . . 80
2.6.4 Utilisation de ces mØtriques en IRMd . . . . . . . . . . . . . . 81
2.6.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.7 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3 Identi(cid:28)cation des boucles cortico-sous-corticales en IRMf au repos 85
3.1 Masquage des structures sous-corticales et principales notations . . . 86
3.2 (cid:201)tude des propriØtØs des signaux corticaux et sous-corticaux . . . . . 87
3.2.1 MØthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.3 MØthode de construction des rØseaux fonctionnels . . . . . . . . . . . 89
3.3.1 Identi(cid:28)cation des rØseaux fonctionnels corticaux . . . . . . . . 90
3.3.2 Comparaison des rØseaux fonctionnels extraits (cid:224) partir des
donnØes avec et sans structures sous-corticales . . . . . . . . . 92
3.3.3 Identi(cid:28)cation des composantes sous-corticales . . . . . . . . . 93
3.3.4 Les rØseaux fonctionnels cortico-sous-corticaux . . . . . . . . 95
3.4 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.4.1 DonnØes ØtudiØes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.4.2 Comparaison des donnØes masquØes ou non . . . . . . . . . . 96
3.4.3 RØseaux cortico-sous-corticaux obtenus avec la mØthode pro-
posØe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.5 Discussion, limitations et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.5.1 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.5.2 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.5.3 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4 Validation de la mØthode d’identi(cid:28)cation des boucles cortico-sous-
corticales 107
4.1 ReproductibilitØ des rØsultats sur plusieurs jeux de donnØes d’IRMf
au repos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Table des matiŁres vii
4.1.1 DonnØes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.1.2 Comparaison entre deux jeux de donnØes : mØthode. . . . . . 109
4.1.3 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.1.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2 Validationdescomposantessous-corticalesviaunatlasdesterritoires
sous-corticaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.1 L’atlas des territoires sous-corticaux . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.2 Mesures e(cid:27)ectuØes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2.3 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.3 Validation des rØsultats par une analyse anatomo-fonctionnelle . . . 120
4.3.1 Comparaison des boucles cortico-sous-corticales anatomiques
et fonctionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.3.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5 CaractØrisation anatomo-fonctionnelle des rØseaux : cas du SGT 135
5.1 Contexte de l’Øtude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.1.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.1.2 DonnØes ØtudiØes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.2 CaractØrisation fonctionnelle des systŁmes cortico-sous-corticaux en
IRMf au repos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2.1 MØthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.3 CaractØrisation anatomique des boucles cortico-sous-corticales . . . . 158
5.3.1 MØthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.3.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Conclusion 165
A Rappels de neuroanatomie 169
A.1 Le cerveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
A.2 Les neurones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
B L’Imagerie par RØsonance MagnØtique : IRM 173
B.1 Principe gØnØral de l’IRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
B.1.1 Origine physique du signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
B.1.2 Formation de l’image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
viii Table des matiŁres
B.1.3 Les sØquences d’acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
B.2 Principe de l’IRM fonctionnelle (IRMf) . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
B.3 L’IRM de di(cid:27)usion (IRMd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
B.3.1 PrØsentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
B.3.2 La pondØration en di(cid:27)usion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
B.3.3 L’imagerie du tenseur de di(cid:27)usion (DTI : Di(cid:27)usion Tensor
Imaging). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
B.4 Un bref Øtat de l’art de la tractographie . . . . . . . . . . . . . . . . 185
B.4.1 Approches dØterministes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
B.4.2 Approche probabiliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
B.4.3 CritŁres d’arrŒt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
C PrØtraitements des donnØes d’IRMf et d’IRMd 191
C.1 PrØtraitements spØci(cid:28)ques aux donnØes d’IRMf au repos . . . . . . . 191
C.1.1 Correction du dØcalage temporel entre les coupes . . . . . . . 191
C.1.2 Correction du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
C.1.3 Lissage spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
C.1.4 PrØtraitements spØci(cid:28)ques (cid:224) l’Øtude des rØseaux fonctionnels . 193
C.2 PrØtraitements spØci(cid:28)ques aux donnØes d’IRMd . . . . . . . . . . . . 194
C.3 PrØtraitements communs aux donnØes d’IRMf au repos et aux don-
nØes d’IRMd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
C.3.1 Segmentation du cerveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
C.3.2 Normalisation spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Liste des acronymes 197
Liste des (cid:28)gures 203
Liste des tableaux 203
Publications et autres travaux 205
RØfØrences bibliographiques 207