L’accident vasculaire cérébral (AVC) est une maladie avec des taux de morbidité et de mortalité élevés, il est classé parmi les causes les plus fréquentes de décès et d’invalidité acquise dans le monde entier. Ainsi, évaluer son épidémiologie peut jouer un rôle crucial dans la réduction de son impact sur la population et la société. Le fardeau de l’AVC est attribué principalement aux pays en voie de développement, puisque les gens dans les pays développés ont une meilleure prise en charge et une sensibilisation accrue sur les symptômes et les facteurs de risque de l’AVC. Toutefois, dans les pays moins développés, où la population confronte l’énorme impact de l’urbanisation et de la mondialisation avec une augmentation accrue de la prévalence des facteurs de risque cardiovasculaire, l’incidence des AVC reste élevée. Peu de données épidémiologiques existent sur les AVC au Liban. Par conséquent, il était nécessaire de mener cette étude.Nous avons effectué une étude de cohorte multicentrique, prospective, basé sur l’incidence. Nous avons inclus 203 participants âgés de 18 ans et plus de 8 hôpitaux à Beyrouth entre Août 2015 et Août 2016 avec un diagnostic d’AVC confirmé. Les patients ont été suivis pendant une période d’un an (à l’admission à l’hôpital, à la sortie de l’hôpital et à 3, 6 et 12 mois par des visites à domicile).L’hypertension est le facteur de risque le plus puissant et le plus fréquent de l’AVC. Seulement 2,5 % des AVC ischémiques ont subi une thrombolyse. Le taux de mortalité cumulé était 13,3% à 1 mois et 21,2% à 1 an. Les complications et la gravité de l’AVC étaient des prédicteurs de décès à 1 mois et 1 an. Le niveau socio-économique bas, la dépendance dans les activités quotidiennes et les comorbidités étaient prédicteurs de mortalité supplémentaire à 1 an. La qualité de vie est relativement faible chez les patients atteints d’AVC et plus de 15 % d'entre eux étaient déprimés. Les principaux déterminants de la qualité de vie étaient: l’état fonctionnel, la dépendance dans les activités de la vie quotidienne, l’âge et la dépression. Les principaux déterminants de la dépression étaient l’état fonctionnel et la qualité de vie. Le coût direct hospitalier de tous les cas d’AVC était US$ 1,413,069 pour 2626 jours (538 US$ par jour à l’hôpital). Le coût moyen hospitalier par patient était US$ 6961±15, 663. Les AVC hémorragiques ont été les plus coûteux, l'accident ischémique transitoire étant le moins coûteux. Les prédicteurs de coûts étaient : la longueur du séjour hospitalier et dans l'unité de soins intensifs, le type d’AVC, la gravité de l’AVC, l'échelle de Rankin modifiée, les tiers payeurs, la chirurgie et les complications infectieuses.La prévention primaire est d’une importance primordiale dans la réduction de la charge de l’AVC. Les campagnes de sensibilisation sur les symptômes de cette maladie surtout pour la population hypertendue contribueront à limiter l’incidence de la maladie et donc à diminuer le fardeau financier et social élevé de l’AVC (le coût de la maladie et la qualité de vie). La mise en place d’unités spécialisées pour les AVC et l’augmentation du pourcentage de patients thrombolysés peuvent réduire la mortalité à court terme et les incapacités de longue durée et donc améliorer la qualité de vie des patients atteints d’AVC. / Stroke is a disease with high morbidity and mortality rates, classified among the most common causes of death and acquired disability worldwide. Thus, assessing its epidemiology may play a crucial role in reducing its impact on the population and the society. Stroke late burden is attributable to developing countries mainly, as people in developed countries have a better access to optimal care and an increased awareness on stroke symptoms and risk factors. However, in less developed countries, where population confronts the huge impact of urbanization and globalization with a great increase in the prevalence of cardiovascular risk factors, the incidence of stroke remains high. Lebanon is lacking data on the epidemiology of stroke. Therefore, it was necessary to conduct this study and highlight some features of the disease epidemiology.We carried out a multicenter prospective incidence-based cohort study. We included 203 participants aged 18 years and more from 8 hospitals in Beirut between August 2015 and August 2016 with confirmed diagnosis of stroke. Patients were followed for a 1-year period (at hospital admission and discharge, and by home visits at 3, 6 and 12 months).Hypertension was the most powerful and prevalent risk factor for stroke. Only 2.5% of ischemic strokes received thrombolytic therapy. Cumulative mortality rates were 13.3% at 1-month and 21.2% at 1-year. Stroke severity and complications were predictors of death at 1-month and 1-year. Low socioeconomic status, dependency in daily living activities, and co-morbidities were additional 1-year mortality predictors. The quality of life was relatively low in stroke patients and more than 15% of them were depressed. The main determinants of quality of life were functional status, dependency in daily living activities, age, and depression. The main determinants of depression were functional status and quality of life. The direct in-hospital cost for all cases was US$1,413,069 for 2626 days (US$538 per in-hospital day). The average in-hospital cost per stroke patient was US$6961±15,663. Hemorrhagic strokes were the most costly, transient ischemic attack being the least costly. Cost drivers were hospital and intensive care unit length of stay, type of stroke, stroke severity, modified Rankin Scale, third party payer, surgery and infectious complications.Primary prevention is of paramount importance in reducing the burden of stroke. Awareness campaigns on stroke symptoms especially among hypertensive population would help limit the incidence of the disease and therefore decrease the high financial and social burden of stroke (cost of illness and quality of life). The establishment of stroke units and increasing the percentage of thrombolysis may reduce short-term mortality and long term disabilities and therefore improve the quality of life of stroke patients.

Le développement de moyens d'évaluation à visées diagnostique et prédictive adaptés aux clientèles victimes d’un accident vasculaire cérébral (AVC) constitue un enjeu important pour les milieux d'intervention et les individus concernés. La recherche contemporaine dans le domaine préconise donc de plus en plus le développement de moyens d’évaluation capables d’orienter, d’appuyer et de justifier l’application des interventions et ce, dès l’entrée en centre de réadaptation. La présente étude explore la contribution des variables de vitesse de traitement de l’information à l'évaluation précoce de cette clientèle. Le degré d’incapacité fonctionnelle des 39 participants à l’étude est évalué à partir des résultats à la Mesure d’indépendance fonctionnelle (MIF) administrée dans les 72 heures suivant l’entrée en réadaptation. Les relations entretenues entre les résultats à cette épreuve et ceux obtenus à un test informatisé permettant la mesure des temps de réaction à différentes tâches élémentaires de comparaison et de catégorisation (Test de rendement cognitif) indiquent des corrélations allant de 0,73 à 0,81 entre la portion cognitive de la MIF et les indices du Test. Lorsque la classification des sujets, quant à la sévérité de leurs atteintes, est effectuée sur la base de la sous-échelle cognitive de la MIF, des différences significatives à p< 0,0001 peuvent être observées pour les indices du Test de rendement cognitif entre les groupes d’atteinte légère et sévère de même que sévère et modérée, et à p < 0,05 entre les groupes d’atteinte légère et modérée. Les résultats sont discutés en fonction de leurs implications sur le suivi de ces clientèles en phase de réadaptation.

La spasticité est une exagération du tonus musculaire qui s’observe très fréquemment chez les adultes avec accident vasculaire cérébral (AVC) et les enfants avec déficience motrice cérébrale (DMC). La spasticité s’accompagne de parésie (faiblesse musculaire) et de l’altération du contrôle moteur sélectif, le tout résultant de la perte des contrôles supraspinaux et limitant les capacités fonctionnelles et la qualité de vie. Spasticité et parésie sont des cibles centrales d’intervention en réadaptation neurologique mais il est fréquent que les déficiences sensorimotrices persistent. De nouvelles approches utilisant des technologies de pointe en recherche tentent précisément d’influencer la plasticité cérébrale et de réduire la spasticité invalidante pour un meilleur retour du contrôle moteur au niveau des membres parétiques spastiques. La thèse s’est intéressée à l’utilisation des stimulations magnétiques répétitives périphériques (RPMS des nerfs / muscles) noninvasives et indolores. Le but général était de tester si les RPMS étaient efficaces pour réduire la spasticité et améliorer le contrôle moteur en AVC et DMC tout en documentant les changements de fonctionnement corticomoteur (marqueurs de plasticité cérébrale, mécanismes d’action) accompagnant les améliorations motrices et fonctionnelles. Les méthodes employées pour l’évaluation de la spasticité revêtaient alors une importance particulière pour bien détecter l’effet de l’intervention testée. L’étude 1 de la thèse a souligné le manque d’évidences métrologiques des outils de mesure de la spasticité auprès de la clientèle pédiatrique avec DMC. Les études 2 à 4 ont montré que les RPMS diminuaient la spasticité et amélioraient la fonction motrice d’adultes avec AVC et d’enfants avec DMC. Plus précisément, les RPMS ont induit une baisse de la résistance à l’étirement des muscles fléchisseurs plantaires en DMC (études 2-3) et des fléchisseurs du poignet et des doigts en AVC (étude 4). Les changements corticomoteurs concomitants à ces améliorations ont témoigné d’une augmentation d’excitabilité du cortex moteur primaire (études 3-4). La thèse suggère donc que les RPMS, en induisant un flux massif d’informations sensorielles vers le cerveau, ont déclenché un changement de fonctionnement cérébral (plasticité dynamique) dans les réseaux liés au contrôle moteur. L’approche testée dans la thèse pourrait avoir un impact clinique significatif en réadaptation neurologique.

Plusieurs études menées chez le petit animal ont montré que l'IRM réhaussé avec les nanoparticules d'oxyde de fer (USPIO) permettait de détecter la neuroinflammation. Cependant, à notre connaissance, aucune équipe n'avait à ce jour étudié le potentiel de cette approche pour le suivi d'un traitement anti-inflammatoire. Dans ce contexte, nous avons démontré la faisabilité de cette approche pour monitorer les effets de la minocycline suite à une ischémie cérébrale chez la souris. L'IRM est une technique très sensible pour la détection du fer, mais la localisation précise des USPIO tout comme leur quantification est difficile. Nous avons donc proposé de compléter l'approche IRM par une technique inédite à notre connaissance dans le domaine de l'imagerie cérébrale des USPIO : la tomographie par rayonnement Synchrotron. Nous présentons ici les tous premiers résultats montrant la faisabilité de l'approche, ainsi qu'une étude comparée de la sensibilité, des deux techniques pour la détection des USPIO dans le cerveau. Dans la première partioe de notre travail , nous apportons nos résultats concernant la biotransformation des USPIOs dans la rate de la souris dans les 40 premiers jours suivant leur injection intraveineuse obtenus en microscopie électronique par transmission (MET). / Several studies on small animals have shown that MRI enhanced with nanoparticles of iron oxide (USPIO) is able to detect the neuroinflammation. However, to our knowledge, no team had yet investigated the potential of this approach for monitoring an anti-inflammatory treatment. In this context, we have demonstrated the feasibility of this approach to monitor the effects of minocycline after cerebral ischemia in mice. MRI is a very sensitive technique for the detection of iron, but the precise location of USPIO as well as their quantification is difficult. We therefore propsed to complete the MRI approach by a new technique to our knowledge in the field of USPIO imaging in the brain : Synchrotron radiation tomography. We here present the first results showing the feasibility of this approach and a comparative study of the sensitivity of two techniques used for the detection of USPIO in the brain. In the last part of our work, we report our results on the biotransformation of USPIOs in the spleen of the mouse during the first 40 days after intravenous injection obtained by transmission electron microscopy (TEM).

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration avec le groupe Guerbet. Il visait à caractériser la lésion qui fait suite à un accident vasculaire cérébral (AVC) ischémique en imagerie par résonance magnétique (IRM) grâce à des agents de contraste novateurs. Guerbet et leurs collaborateurs ont développés des USPIO ciblés (ultrasmall superparamagnetic iron oxide), particules de fer couplées à des peptides reconnaissant spécifiquement un biomarqueur. Dans un modèle d’ischémie cérébrale avec reperfusion réalisé chez la souris, nous avons recherché la capacité de ces agents à caractériser la lésion d’une part en terme de type de mort cellulaire par le ciblage de la phosphatidylsérine (PS), marqueur cellulaire externalisé au cours de l’apoptose, et d’autre part en terme de déficit vasculaire par le ciblage de VCAM-1, molécule d’adhésion impliquée dans le processus inflammatoire. En ce qui concerne l’apoptose, nous avons tout d’abord montré par immunohistochimie l’expression de caspase-3 active, marqueur apoptotique, dès 6 heures et jusqu’à 72 heures après l’ischémie. Cependant, en IRM, l’utilisation d’USPIO ciblant la PS (le P03234 et le P03675) n’a pas permis la détection du phénomène apoptotique. Actuellement d’autres agents de contraste de ce type sont en cours de développement chez Guerbet. En ce qui concerne l’inflammation vasculaire, l’étude de l’expression de VCAM-1 par immunohistochimie a montré l’apparition d’un marquage dès 6 heures après l’ischémie avec un maximum à 24 heures. L’utilisation d’un USPIO-VCAM-1 (le P03011) a permis de mettre en évidence sur les images IRM des zones d’hypointensités dans la lésion, ce qui correspond à la présence de particules de fer. L'analyse histologique de ces cerveaux a montré une colocalisation de l’USPIO avec sa cible VCAM-1, ce qui établit la preuve de concept. Ces travaux ont permis mettre en évidence la capacité d’USPIO développés par Guerbet à cibler des marqueurs biologiques, notamment VCAM-1, à la suite d’une ischémie cérébrale. Ceci suggère que ce type d’agent de contraste pourrait être un bon outil clinique pour la caractérisation de la lésion ischémique chez les patients victimes d’AVC. / This work is a collaboration with Guerbet group. It aimed to characterize the lesion that follows an ischemic stroke with magnetic resonance imaging (MRI) by innovative contrast agents. Guerbet developped targeted USPIO (ultrasmall superparamagnetic iron oxide), which are iron particles coupled to peptides which specifically bind a biomarker. In a mouse model of cerebral ischemia-reperfusion, we studied the capacity of these agents to characterize the lesion on the one hand in terms of cellular death by targeting phosphatidylserin (PS), a cellular marker externalized during apoptosis, and on the other hand in terms of vascular deficit by targeting VCAM-1, an adhesion molecule implied in the inflammatory process. Concerning apoptosis, we showed by immunohistochemistry the expression of active caspase-3, an apoptotic marker, between 6 and 72 hours after ischemia. Nevertheless on MRI, the use of USPIO targeting PS (both P03234 and P03675) did not allow us to detect the apoptotic phenomenon. Currently, other PS-targeted contrast agents are developed by Guerbet. Concerning vascular inflammation, the study of VCAM-1 by immunohistochemistry showed an up-regulated expression 6 hours after ischaemia which reached a maximum at 24 hours. VCAM-1-USPIO (P03011) induced a decrease of the MRI signal appearing as hypointense foci in the lesion, which correspond to iron particles. The histological analysis of these brains showed a colocalisation of the USPIO with its target VCAM-1, which establishes the proof of concept. This work showed the capacity of USPIO developed by Guerbet to target biological markers, particularly VCAM-1, following cerebral ischemia. This suggests that this kind of contrast agent could be a good clinical tool to characterize the ischemic lesion in patients suffering from stroke.

Les accidents vasculaires cérébraux (AVC) constituent un problème majeur de santé publique. Ils sont en majorité de type ischémique, c’est-à-dire liés à l’occlusion d’une artère cérébrale. Le seul traitement actuel de ces AVC ischémiques est la thrombolyse par l’activateur tissulaire du plasminogène recombinant (rt-PA). Cependant, ce traitement est associé à un risque élevé d’hémorragies intracérébrales post-ischémiques, encore appelées transformations hémorragiques (TH), qui contribuent à la dégradation neurologique des patients. Il apparaît donc indispensable de développer des stratégies à associer au rt-PA, afin de protéger le lit vasculaire et de réduire les TH. L’objectif de ce travail de thèse était d’étudier l’implication d’une enzyme, la poly(ADP-ribose)polymérase ou PARP, dans les effets délétères du rt-PA, et plus particulièrement au niveau de la barrière hémato-encéphalique (BHE). Nos travaux ont été menés dans un modèle d’ischémie cérébrale réalisé chez la souris. Dans ce modèle, nous avons mis en évidence le rôle de la PARP dans les TH induites par le rt-PA, grâce à deux techniques : le Western blot d’hémoglobine, permettant d’évaluer la quantité de sang présente dans le parenchyme cérébral, et l’Imagerie par Résonnance Magnétique. Afin de préciser les cibles de la PARP sous-tendant sa contribution aux TH post-thrombolyse, nous nous sommes intéressés à différents constituants de la BHE : la claudine-5, l’occludine et ZO-1 (zonula occludens-1), protéines des jonctions serrées, la VE-cadhérine des jonctions adhérentes et le collagène IV et la laminine, constituants de la lame basale. Nous avons montré que l’ischémie s’accompagne d’une dégradation de la claudine-5, de ZO-1, et de la VE-cadhérine qui est aggravée par le rt-PA ; l’administration d’un puissant inhibiteur de PARP, le PJ34, permet de s’opposer à la dégradation de ces protéines par le rt-PA. Une réduction de la dégradation de la laminine par le rt-PA a également été observée avec le PJ34. Grâce à une collaboration avec le Pr Bérézowski de Lens, nous avons pu montrer dans un modèle in vitro que le PJ34 est capable de traverser la BHE, à la fois dans des conditions « physiologiques » et dans des conditions mimant l’ischémie cérébrale (oxygen/glucose deprivation). Afin de déterminer les voies de signalisation modulées par la PARP conduisant à la dégradation de la BHE et aux TH, nous avons travaillé sur un modèle in vitro de cultures de cellules endothéliales (lignée bEnd.3). Sur ce modèle, nous avons d’ores et déjà pu mettre en évidence une mort cellulaire après un stress excitotoxique et le rôle de la PARP dans cette mort. L’ensemble de ces travaux a permis de démontrer le rôle de la PARP dans la dégradation de différents constituants de la BHE par le rt-PA à la suite de l’ischémie cérébrale. Les futures études in vitro sur cultures cellulaires devraient nous permettre d’explorer les mécanismes mis en jeu dans cette situation pathologique. Une meilleure connaissance de ces mécanismes renforcera l’intérêt des inhibiteurs de PARP pour la prévention des TH post-thrombolyse chez les patients victimes d’AVC ischémiques. / Stroke is a leading public health problem, the majority of which is ischemic, i.e. caused by the occlusion of a cerebral artery. The only pharmacological approved treatment for acute ischemic stroke is thrombolysis by recombinant tissue plasminogen activator (rt-PA). However, this treatment increases the risk of intracerebral hemorrhages, also called hemorrhagic transformations (HT), which contribute to the neurologic aggravation of the patients. It therefore appears essential to develop strategies protecting the vascular bed after cerebral ischemia in order to reduce these HT. The aim of the present work was therefore to study the implication of a nuclear enzyme, the poly(ADP-ribose)polymerase (PARP) in the vascular effects of rt-PA , with special concern for the blood-brain barrier (BBB). Focal cerebral ischemia was performed in mice by permanent endovascular occlusion of the left middle cerebral artery. In this model, we demonstrated the role of PARP in the rt-PA induced HT by two methods: the Western blot of hemoglobin to evaluate the quantity of blood in the cerebral parenchyma, and magnetic resonance imaging. In order to clarify the targets of PARP underlying its contribution to post-thrombolysis HT, we studied several components of the BBB by Western blot: proteins of tight junctions [claudin-5, occludin and zonula occludens-1 (ZO-1)], protein of adherens junction (VE-cadherin) and proteins of basal membrane (collagen IV and laminin). We demonstrated that ischemia induced a marked decrease of claudin-5, ZO-1 and VE-cadherin, which was aggravated by rt-PA. Administration of a potent PARP inhibitor, PJ34, counteracted the degradation of these proteins by rt-PA. A reduction of the degradation of the laminin by rt-PA was also shown with PJ34. Thanks to a collaboration with Pr Berezowski from Lens, we showed in an in vitro BBB model that PJ34 is able to cross the BBB in physiological condition and during oxygen and glucose deprivation, a condition that mimicks cerebral ischemia. In order to determine the molecular pathways modulated by PARP leading to the degradation of the BBB and to HT, we developed an in vitro model of endothelial cell culture (cell line bEnd.3). In this model, we have already shown a cell death after an excitotoxic stress and the role of PARP in this cell death. This work thus demonstrated the role of PARP in the degradation of different components of the BBB induced by rt-PA after cerebral ischemia. The future in vitro studies on cell culture will enable us to further understand the mechanisms implicated in this pathologic situation. A better knowledge of these mechanisms will increase the interest of the use of PARP inhibitors in the prevention of post-thrombolysis HT in patients suffering from ischemic stroke.

Le cortex moteur primaire (M1) est souvent endommagé lors des lésions cérébrales telles que les accidents vasculaires cérébraux. Ceci entraîne des déficits moteurs tels qu'une perte de contrôle des membres controlatéraux. La récupération des lésions M1 s'accompagne d'une réorganisation hémodynamique dans les zones motrices intactes des deux hémisphères. Cette réorganisation est plus prononcée dans les premiers jours et semaines qui suivent la lésion. Toutefois, nous avons une compréhension limitée de la réorganisation neuronale rapide qui se produit dans ce réseau moteur cortical complexe. Ces changements neuronaux nous informent sur l’évolution possible de la plasticité subaiguë impliquée dans la récupération motrice. Par conséquent il était grand temps qu’une caractérisation de la réorganisation rapide de l'activité neuronale dans les régions motrices des deux hémisphères soit entreprise. Dans cette thèse nous avons exploré l'impact d'une lésion corticale localisée, unilatérale et réversible dans M1 sur l'activité neuronale des zones motrices des hémisphères ipsi et contralésionnel lorsque des primates non humains ont effectués des mouvements d’atteinte et de saisie. Notre modèle d'inactivation nous a permis d'enregistrer en continu des neurones isolés avant et après l'apparition des déficits moteurs. Dans une première étude, la réorganisation rapide qui se produit dans le cortex prémoteur ventral (PMv) des deux hémisphères a été étudiée (Chapitre 2). Le PMv est une zone connue pour être impliquée dans le contrôle moteur de la main et la récupération des lésions M1. Dans une seconde étude, la réorganisation rapide du M1 contralésionnel (cM1) a été étudiée et comparée à celles se produisant dans les PMv bilatérales (Chapitre 3). Le cM1 joue un rôle complexe dans la récupération des mouvements de précision de la main suite à une blessure à son homologue. Nous révélons une réorganisation neuronale importante et beaucoup plus complexe que prévu dans les deux hémisphères lors de l’apparition initiale des déficiences motrices. Nos données démontrent que les changements neuronaux survenant quelques minutes après une lésion cérébrale sont hétérogènes à la fois dans et entre les zones du réseau moteur cortical. Ils se produisent dans les deux hémisphères lors des mouvements des bras parétiques et non parétiques, et ils varient au cours des différentes phases du mouvement. Ces découvertes constituent une première étape nécessaire pour démêler les corrélats neuronaux complexes de la réorganisation au travers du réseau moteur des deux hémisphères à la suite d’une lésion cérébrale. / After brain injuries such as stroke, the primary motor cortex (M1) is often damaged leading to motor deficits that include a loss of fine motor skills of the contralateral limbs. Recovery from M1 lesions is accompanied by hemodynamic reorganization in motor areas distal to the site of injury in both hemispheres that are most pronounced early after injury. However, we have limited understanding of the rapid neuronal reorganization that occurs in this complex and distributed cortical motor network. As these neural changes reflect the landscape on which subacute plasticity involved in motor recovery will take place, an exploration of the rapid reorganization in neural activity that occurs in motor regions of both hemispheres is long overdue. In the current thesis, we set out to explore the impact of a localized, unilateral and reversible cortical injury to the M1 hand area on neuronal activity in motor-related areas of both the ipsi and contralesional hemispheres as non-human primates performed a reach and grasp task. Our inactivation model allowed us to continuously record isolated neurons before and after the onset of motor deficits. In a first study, the rapid reorganization taking place in the ventral premotor cortex (PMv) of both hemispheres was investigated (Chapter 2). The PMv is an area well-known to be critically involved in hand motor control and recovery from M1 lesions. In a second study, the rapid reorganization taking place in the contralesional M1 (cM1) was studied and compared to those occurring in bilateral PMv (Chapter 3). The cM1 has a complex role in recovery of dexterous hand movements following injury to its homologue. We reveal extensive, and much more complex than expected, neuronal reorganization in both hemispheres at the very onset of motor impairments. Our data demonstrate that neuronal changes occurring within minutes after brain injury are heterogenous both within and across areas of the cortical motor network. They occur in the two hemispheres during movements of both the paretic and non-paretic arms, and they vary during different phases of movement. These findings constitute a first step in a much needed and timely effort to unravel the complex neuronal correlates of the reorganization that takes place across the distributed motor network after brain injury.

L'analyse automatique de différences anatomiques en neuroimagerie a de nombreuses applications pour la compréhension et l'aide au diagnostic de pathologies neurologiques. Récemment, il y a eu un intérêt croissant pour les méthodes de classification telles que les machines à vecteurs supports pour dépasser les limites des méthodes univariées traditionnelles. Cette thèse a pour thème l'apprentissage automatique pour l'analyse de populations et la classification de patients en neuroimagerie. Nous avons tout d'abord comparé les performances de différentes stratégies de classification, dans le cadre de la maladie d'Alzheimer à partir d'images IRM anatomiques de 509 sujets de la base de données ADNI. Ces différentes stratégies prennent insuffisamment en compte la distribution spatiale des \textit{features}. C'est pourquoi nous proposons un cadre original de régularisation spatiale et anatomique des machines à vecteurs supports pour des données de neuroimagerie volumiques ou surfaciques, dans le formalisme de la régularisation laplacienne. Cette méthode a été appliquée à deux problématiques cliniques: la maladie d'Alzheimer et les accidents vasculaires cérébraux. L'évaluation montre que la méthode permet d'obtenir des résultats cohérents anatomiquement et donc plus facilement interprétables, tout en maintenant des taux de classification élevés. / Brain image analyses have widely relied on univariate voxel-wise methods. In such analyses, brain images are first spatially registered to a common stereotaxic space, and then mass univariate statistical tests are performed in each voxel to detect significant group differences. However, the sensitivity of theses approaches is limited when the differences involve a combination of different brain structures. Recently, there has been a growing interest in support vector machines methods to overcome the limits of these analyses.This thesis focuses on machine learning methods for population analysis and patient classification in neuroimaging. We first evaluated the performances of different classification strategies for the identification of patients with Alzheimer's disease based on T1-weighted MRI of 509 subjects from the ADNI database. However, these methods do not take full advantage of the spatial distribution of the features. As a consequence, the optimal margin hyperplane is often scattered and lacks spatial coherence, making its anatomical interpretation difficult. Therefore, we introduced a framework to spatially regularize support vector machines for brain image analysis based on Laplacian regularization operators. The proposed framework was then applied to the analysis of stroke and of Alzheimer's disease. The results demonstrated that the proposed classifier generates less-noisy and consequently more interpretable feature maps with no loss of classification performance.

Nous abordons le développement d'une nouvelle génération de méthodes numériques pour la résolution des EDP évolutives qui modélisent des phénomènes multi-échelles en temps et en espace issus de divers domaines applicatifs. La raideur associée à ce type de problème, que ce soit via le terme source chimique qui présente un large spectre d'échelles de temps caractéristiques ou encore via la présence de fort gradients très localisés associés aux fronts de réaction, implique en général de sévères difficultés numériques. En conséquence, il s'agit de développer des méthodes qui garantissent la précision des résultats en présence de forte raideur en s'appuyant sur des outils théoriques solides, tout en permettant une implémentation aussi efficace. Même si nous étendons ces idées à des systèmes plus généraux par la suite, ce travail se focalise sur les systèmes de réaction-diffusion raides. La base de la stratégie numérique s'appuie sur une décomposition d'opérateur spécifique, dont le pas de temps est choisi de manière à respecter un niveau de précision donné par la physique du problème, et pour laquelle chaque sous-pas utilise un intégrateur temporel d'ordre élevé dédié. Ce schéma numérique est ensuite couplé à une approche de multirésolution spatiale adaptative permettant une représentation de la solution sur un maillage dynamique adapté. L'ensemble de cette stratégie a conduit au développement du code de simulation générique 1D/2D/3D académique MBARETE de manière à évaluer les développements théoriques et numériques dans le contexte de configurations pratiques raides issue de plusieurs domaines d'application. L'efficacité algorithmique de la méthode est démontrée par la simulation d'ondes de réaction raides dans le domaine de la dynamique chimique non-linéaire et dans celui de l'ingénierie biomédicale pour la simulation des accidents vasculaires cérébraux caractérisée par un terme source "chimique complexe''. Pour étendre l'approche à des applications plus complexes et plus fortement instationnaires, nous introduisons pour la première fois une technique de séparation d'opérateur avec pas de temps adaptatif qui permet d'atteindre une précision donnée garantie malgré la raideur des EDP. La méthode de résolution adaptative en temps et en espace qui en résulte, étendue au cas convectif, permet une description consistante de problèmes impliquant une très large palette d'échelles de temps et d'espace et des scénarios physiques très différents, que ce soit la propagation des décharges répétitives pulsées nanoseconde dans le domaine des plasmas ou bien l'allumage et la propagation de flammes dans celui de la combustion. L'objectif de la thèse est l'obtention d'un solveur numérique qui permet la résolution des EDP raides avec contrôle de la précision du calcul en se basant sur des outils d'analyse numérique rigoureux, et en utilisant des moyens de calculs standard. Quelques études complémentaires sont aussi présentées comme la parallélisation temporelle, des techniques de parallélisation à mémoire partagée et des outils de caractérisation mathématique des schémas de type séparation d'opérateur.