Automated In Vivo Dissection of White Matter Structures from Diffusion Magnetic Resonance Imaging
Dissection Automatique In Vivo des Structures de la Matière Blanche à partir de l'imagerie par Résonance Magnétique de Diffusion
Résumé
The motivation of this thesis is the in vivo dissection of the human brain's white matter from diffusion magnetic resonance imaging. This procedure isolates the human brain's white matter tracts that play a role in a particular function or disorder of the brain so they can be analysed. Manually performing this task requires a great knowledge of brain anatomy and several hours of work. Hence, the development of a technique to automatically perform the identification of white matter structures is of utmost importance. The brain is organized in networks that are made up of tracts connecting different regions. These networks are important for the development of brain functions such as language or vision. Moreover, lesions and cognitive disorders are sometimes better explained by disconnection mechanisms between cerebral regions than by damage of those regions. Despite several decades of tracing these networks in the brain, our knowledge of cerebral connections has progressed very little since the beginning of the last century. Recently, we have seen a spectacular development of magnetic resonance imaging (MRI) techniques for the study of the living human brain. One technique for exploring white matter tissue characteristics and pathways in vivo is Diffusion MRI (dMRI). Particularly, dMRI-based tractography facilitates tracing the white matter tracts in vivo. Overall, dMRI is a promising technique to explore the anatomical basis of human cognition and its disorders. This thesis has several contributions. We develop the means for the automatic dissection of WM tracts from dMRI, this is based on a mathematical framework for the WM and its tracts based on the Gaussian process formalism. Using this framework, we develop techniques to find group differences in the white matter, particularly between healthy and schizophrenic subjects and to improve the visualization and representation of spinal cord MRI images.
La motivation de cette thèse est la dissection in vivo de la MB. Cette procédure permet d'isoler les faisceaux de la MB, qui jouent un rôle particulier dans le fonctionnement du cerveau, de façon à pouvoir les analyser. L'exécution manuelle de cette tache requiert une grande connaissance du cerveau et demande plusieurs heures de travail. Le développement d'une technique automatique est donc de la plus grande importance. Le cerveau est organisé tel un réseau reliant différentes régions. Ce réseau est important pour le développement de fonctions comme le langage. Certains troubles cognitifs peuvent être expliqués par des problèmes de connexion entres régions plutôt qu'à un dommage de ces dernières. Malgré plusieurs décennies de travail sur ces réseaux, nos connaissances sur le sujet n'ont pas beaucoup évoluées depuis le début du siècle dernier. Récemment, un développement spectaculaire des techniques de l'imagerie à résonance magnétique (IRM) à permis l'étude vivant du cerveau humain. Une technique permettant l'exploration les faisceaux de la matière blanche (MB) in vivo est l'IRM de diffusion (IRMd). En particulier, la trajectographie à partir de l'IRMd facilite le traçage des faisceaux de la MB. C'est donc une technique prometteuse afin d'explorer l'aspect cognitif de l'anatomie humaine ainsi que de ses troubles. Cette thèse contient plusieurs contributions : Nous développons des moyens d'automatiser la dissection de la MB, c'est a dire le cadre mathématique nécessaire à sa compréhension. Ces outils nous permettent ensuite de développer des techniques d'analyse de la moelle épinière et de recherche de différences dans la MB entre des individus sains et schizophrènes.