Cachia, Arnaud (2003) Modèles statistiques morphométriques et structurels du cortex pour l'étude du développement cérébral. PhD thesis Signal et Images, ENST - TSI Traitement du Signal et des Images, ENST ENST 2003 E 037.

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Abstract

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.

Table of content

Introduction
I Introduction bibliographique
1 Maturation et différenciation régionale
1.1 La maturation cérébrale
1.1.1 Au niveau macroscopique
1.1.2 Au niveau microscopique
1.1.3 Origines des plissements
1.2 Variabilité anatomique
1.2.1 Les différentes sortes de variabilité
1.2.2 Variabilité quantitative du cortex
1.2.2.1 Variabilité microscopique
1.2.2.2 Variabilité macroscopique
1.3 Valeur fonctionnelle de la variabilité anatomique
1.3.1 Arguments ontogénétiques
1.3.2 Arguments phylogénétiques
1.3.3 Arguments anatomiques
1.3.4 Conclusion
1.4 Intérêts de l'IRM pour l'anatomie corticale
2 Les méthodes de morphométrie cérébrale
2.1 Introduction
2.2 Méthodes utilisant un système de coordonnées
2.2.1 Cartes statistiques de présences
2.2.1.1 Les SPAM de Talairach
2.2.1.2 Les SPAM monodimensionelles
2.2.2 Avantages et limites
2.3 Méthodes utilisant des régions d'intérêt
2.3.1 Caractérisation qualitative de la variabilité
2.3.2 Avantages et limites
2.4 Méthodes hybrides
2.4.1 Modèles paramétrés de forme (ASM)
2.4.2 Avantages et limites
2.5 Interprétation des résultats
2.6 Conclusion
II Variabilité morphologique
3 Parcellisation du cortex en gyri
3.1 Segmentation des gyri corticaux
3.1.1 Les gyri, structures de base du cortex
3.1.2 Variabilité du cortex
3.1.3 ...et stabilité de la parcellisation
3.1.4 Segmentation des structures cérébrales
3.1.4.1 Cas général
3.1.4.2 Le cas des plis corticaux
3.1.5 Dénition des gyri à partir des sillons
3.2 Description générale de la méthode
3.2.1 Segmentation et reconnaissance automatique des sillons
3.2.2 Projection des lignes sulcales 3D sur la surface corticale
3.2.3 Parcellisation en gyri
3.3 Projection des lignes de fond de sillons
3.3.1 Appariement point-à-point
3.3.1.1 Domaines à forte courbure
3.3.1.2 Profondeur maximale
3.3.1.3 Approche géométrique
3.3.1.4 Comparaison des trois méthodes
3.3.2 Projection robuste
3.4 Traitements morphologiques géodésiques à la surface corticale maillée
3.4.1 Dilatation géodésique et diagrammes de Voronoï
3.4.2 Points simples et squelettisation homotopique
3.5 Parcellisation volumique du cortex
3.5.1 Dénition des graines gyrales 3D
3.5.2 Parcellisation volumique
3.6 Choix des paramètres
3.7 Perspectives
4 La variabilité sulco-gyale
4.1 Segmentation automatique des gyri
4.1.1 Définition automatique vs définition manuelle
4.1.2 Les limites de cette approche
4.2 SPAM surfaciques
4.2.1 Calcul des SPAM surfaciques
4.2.2 Variation inter-sujets de la courbure
4.2.3 Variation inter-sujet des lignes sulcales
4.2.4 Variabilité intrinsèque et extrinsèque
III Stabilité structurelle
5 Le cerveau adulte
5.1 La théorie des «racines sulcales»
5.1.1 L'intérêt des structures stables
5.1.2 Variabilité externe et stabilité profonde
5.1.3 Le modèle des racines sulcales
5.1.3.1 Les hypothèses
5.1.3.2 Les arguments
5.1.3.3 L'exemple du sillon central
5.2 L'anatomie du cortex et l'information de courbure
5.2.1 Caractérisation des sillons des gyri
5.2.2 La courbure et la sulcogenèse
5.2.3 Estimation de la courbure discrète
5.3 Les méthodes d'analyse multi-échelles
5.3.1 Pourquoi une analyse multi-échelles ?
5.3.2 espace échelle et équations de diffusion
5.3.3 Les structures profondes
5.3.4 La notion d'échelle
5.3.5 L'espace échelle linéaire
5.3.5.1 Formulation axiomatique (cas continu)
5.3.5.2 Evolutions à travers les échelles
5.3.6 La diffusion anisotrope
5.3.7 Les équations d'évolution de courbes
5.3.8 Description multi-échelle de la courbure d'une surface
5.4 espace échelle d'une image discrète
5.4.1 Grille discrète régulière plane
5.4.2 Grille discrète irrégulière non-plane
5.4.2.1 Dénition du Laplacien géodésique
5.4.2.2 Estimation du Laplacien par paramétrisation locale du maillage
5.4.2.3 Estimation du Laplacien par éléments finis
5.4.2.4 Implantation numérique de l'Equation aux Dérivées Partielles (EDP)
5.4.2.5 Convergence et stabilité numérique
5.4.3 Conclusion
5.5 Le primal sketch: une description structurelle de l'espace échelle
5.5.1 Introduction
5.5.2 Les blobs en niveaux de gris
5.5.2.1 Définition
5.5.2.2 Construction
5.5.2.3 Sensibilité au bruit
5.5.3 Les blobs multi-échelles
5.5.3.1 Relations entre échelles des blobs en niveaux de gris
5.5.3.2 Causalité
5.5.3.3 Des blobs en niveaux de gris aux blobs multi-échelles
5.5.3.4 Echantillonnage adaptatif des échelles
5.5.3.5 La durée de vie et le paramètre d'échelle
5.6 Etude des traces des racines sulcales chez l'adulte
5.6.1 Du primal sketch au racines sulcales
5.6.2 Inuence de l'estimateur de courbure
5.6.3 Stabilité inter-individuelle
5.6.3.1 Le sillon central
5.6.3.2 Le sillon temporal supérieur
5.6.3.3 Conclusion
6 Le cerveau foeœtal
6.1 L'enjeu de l'imagerie antenatale
6.1.1 Diagnostic fonctionnel
6.1.2 Le système nerveux central
6.1.3 Etude du développement cérébral
6.2 Les méthodes d'acquisition
6.2.1 L'IRM anatomique
6.2.1.1 Neurogenèse
6.2.1.2 Gyrogenèse
6.2.1.3 Myelogenèse
6.2.2 L'IRM de diffusion
6.3 Les méthodes de traitement
6.3.1 Quel signal utiliser ?
6.3.2 Un signal difcile à analyser
6.3.3 Les mouvements du fœoetus
6.3.4 Modifications morphologiques et morphométriques du cerveau fœoetal
6.3.5 Le cadre clinique
6.4 Reconstruction du cerveau fœoetal
6.4.1 La chaîne de traitement d'image
6.4.2 Utilisation de la séquence clinique FSE
6.4.3 Modication des paramètres standard
6.4.4 Utilisation d'une séquence dédiée
6.5 Conclusion
Conclusion
Annexes
A La méthode VBM
B De l'IRM brute au graphe des sillons
C Brain anatomy in Turner syndrome
Bibliographie

Statistiques de consultation

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