Study of hemodynamic variability in sane adult and children in fMRI
Etude de la variabilité hémodynamique chez l’enfant et l’adulte sains en IRMf
Résumé
In fMRI, the conclusions of experimental paradigms remain unreliable as far as they supposesome a priori knowledge on the neuro-vascular coupling which is characterized by thehemodynamic response function modeling the link between the stimulus input and the fMRIsignal as output. To improve our understanding of the neuronal and vascular changes inducedby the realization of a cognitive task given in fMRI, it seems thus critical to study thecharacteristics of the hemodynamic response in depth.This thesis gives a new perspective on this topic, supported by an original method for intra-subjectanalysis of fMRI data : the Joint Detection-Estimation (or JDE). The JDE approachmodels the hemodynamic response in a not parametric and multivariate manner, while itjointly detects the cerebral areas which are activated in response to stimulations deliveredalong an experimental paradigm.The first contribution of this thesis is centered on the thorough analysis of the interindividualand inter-regiona hemodynamic variability from a population of young healthyadults. This work has allowed to validate the JDE method at the group level and to highlightthe striking hemodynamic variability in some cerebral regions : parietal, temporal, occipitallobes, motor cortex. This variability is much more important as the region is involved in morecomplex cognitive processes.The second research axis has consisted in focusing on the study of the hemodynamic orga-nizationof a particularly important cerebral area in Humans, the language system. Becausethis function embeds the reading learning ability, groups of healthy children of 6 and 9 yearsold respectively, who were in the process of learning or of strenghting reading, were chosen forthis study. Two important methodological contributions have been proposed. First, a multi-sessionsextension of the JDE approach (until now limited to the processing of mono-sessiondata in fMRI) was worked out in order to improve the robustness and the reproducibility ofthe results. Then, a new framework was developed to overcome the main shortcoming of theJDE approach. The latter indeed relies on a prior parcellation of the data in functionally ho-mogeneousregions, the choice of which is critical for the subsequent inference and impacts thehemodynamic results. In order to avoid this a priori choice, the finalized alternative combinesthe results from various random data fragmentations by using “consensus clustering”.Finally, a second extension of the JDE approach was developed in order to robustly estimatethe shape of the hemodynamic response at the group level. So far, this model was validatedon simulations, and we plan to apply it on children data to improve the study of the BOLDresponse temporal characteristics in the language areas. Thus, this PhD work proposes onone hand new methodological contributions to characterize the hemodynamic response infMRI, and on the other hand a validation and a neuroscientific application of the proposedapproaches.
En IRMf, les conclusions de paradigmes expérimentaux restent encore sujettes à caution dans la mesure où elles supposent une connaissance a priori du couplage neuro-vasculaire, c’est-à- dire de la fonction de réponse hémodynamique qui modélise le lien entre la stimulation et le signal mesuré. Afin de mieux appréhender les changements neuronaux et vasculaires induits par la réalisation d’une tâche cognitive en IRMf, il apparaît donc indispensable d’étudier de manière approfondie les caractéristiques de la réponse hémodynamique. Cette thèse apporte un nouvel éclairage sur cette étude, en s’appuyant sur une méthode originale d’analyse intra-sujet des données d’IRMf : la Détection-Estimation Conjointe (« Joint Detection-Estimation » en anglais, ou JDE). L’approche JDE modélise de façon non paramétrique et multivariée la réponse hémodynamique, tout en détectant conjointement les aires cérébrales activées en réponse aux stimulations d’un paradigme expérimental. La première contribution de cette thèse a été centrée sur l’analyse approfondie de la variabilité hémodynamique, tant inter-individuelle qu’inter-régionale, au niveau d’un groupe de jeunes adultes sains. Ce travail a permis de valider la méthode JDE au niveau d’une population et de mettre en évidence la variabilité hémodynamique importante apparaissant dans certaines régions cérébrales : lobes pariétal, temporal, occipital, cortex moteur. Cette variabilité est d’autant plus importante que la région est impliquée dans des processus cognitifs plus complexes.Un deuxième axe de recherche a consisté à se focaliser sur l’étude de l’organisation hémodynamique d’une aire cérébrale particulièrement importante chez les êtres humains, la région du langage. Cette fonction étant liée à la capacité d’apprentissage de la lecture, deux groupes d’enfants sains, âgés respectivement de 6 et 9 ans, en cours d’apprentissage ou de consolidation de la lecture, ont été choisis pour mener cette étude. Deux apports méthodologiques importants ont été proposés. Tout d’abord, une extension multi-sessions de l’approche JDE (jusqu’alors limitée au traitement de données mono-session en IRMf) a été mise au point afin d’améliorer la robustesse et la reproductibilité des résultats. Cette extension a permis de mettre en évidence, au sein de la population d’enfants, l’évolution de la réponse hémodynamique avec l’âge, au sein de la région du sillon temporal supérieur. Ensuite, un nouveau cadre a été développé pour contourner l’une des limitations de l’approche JDE « standard », à savoir la parcellisation a priori des données en régions fonctionnellement homogènes. Cette parcellisation est déterminante pour la suite de l’analyse et a un impact sur les résultats hémodynamiques. Afin de s’affranchir d’un tel choix, l’alternative mise au point combine les résultats issus de différentes parcellisations aléatoires des données en utilisant des techniques de «consensus clustering». Enfin, une deuxième extension de l’approche JDE a été mise en place pour estimer la forme de la réponse hémodynamique au niveau d’un groupe de sujets. Ce modèle a pour l’instant été validé sur simulations, et nous prévoyons de l’appliquer sur les données d’enfant pour améliorer l’étude des caractéristiques temporelles de la réponse BOLD dans les réseaux du langage.Ce travail de thèse propose ainsi d’une part des contributions méthodologiques nouvelles pour caractériser la réponse hémodynamique en IRMf, et d’autre part une validation et une application des approches développées sous un éclairage neuroscientifique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)