Includes vita. / Title from PDF of title page. / Document formatted into pages; contains 222 pages. / Includes bibliographical references. / Text (Electronic thesis) in PDF format. / ABSTRACT: This dissertation presents a knowledge-guided expert system that is capable of applying routinesfor multispectral analysis, (un)supervised clustering, and basic image processing to automatically detect and segment brain tissue abnormalities, and then label glioblastoma-multiforme brain tumors in magnetic resonance volumes of the human brain. The magnetic resonance images used here consist of three feature images (T1-weighted, proton density, T2-weighted) and the system is designed to be independent of a particular scanning protocol. Separate, but contiguous 2D slices in the transaxial plane form a brain volume. This allows complete tumor volumes to be measured and if repeat scans are taken over time, the system may be used to monitor tumor response to past treatments and aid in the planning of future treatment. Furthermore, once processing begins, the system is completely unsupervised, thus avoiding the problems of human variability found in supervised segmentation efforts.Each slice is initially segmented by an unsupervised fuzzy c-means algorithm. The segmented image, along with its respective cluster centers, is then analyzed by a rule-based expert system which iteratively locates tissues of interest based on the hierarchy of cluster centers in feature space. Model-based recognition techniques analyze tissues of interest by searching for expected characteristics and comparing those found with previously defined qualitative models. Normal/abnormal classification is performed through a default reasoning method: if a significant model deviation is found, the slice is considered abnormal. Otherwise, the slice is considered normal. Tumor segmentation in abnormal slices begins with multispectral histogram analysis and thresholding to separate suspected tumor from the rest of the intra-cranial region. The tumor is then refined with a variant of seed growing, followed by spatial component analysis and a final thresholding step to remove non-tumor pixels.The knowledge used in this system was extracted from general principles of magnetic resonance imaging, the distributions of individual voxels and cluster centers in feature space, and anatomical information. Knowledge is used both for single slice processing and information propagation between slices. A standard rule-based expert system shell (CLIPS) was modified to include the multispectral analysis, clustering, and image processing tools.A total of sixty-three volume data sets from eight patients and seventeen volunteers (four with and thirteen without gadolinium enhancement) were acquired from a single magnetic resonance imaging system with slightly varying scanning protocols were available for processing. All volumes were processed for normal/abnormal classification. Tumor segmentation was performed on the abnormal slices and the results were compared with a radiologist-labeled ground truth' tumor volume and tumor segmentations created by applying supervised k-nearest neighbors, a partially supervised variant of the fuzzy c-means clustering algorithm, and a commercially available seed growing package. The results of the developed automatic system generally correspond well to ground truth, both on a per slice basis and more importantly in tracking total tumor volume during treatment over time. / System requirements: World Wide Web browser and PDF reader. / Mode of access: World Wide Web.

Résumé Les premières études électrophysiologiques et anatomiques ont établi le rôle crucial du cortex somatosensoriel primaire et secondaire (SI et SII) dans le traitement de l'information somatosensorielle. Toutefois, les récentes avancées en techniques d’imagerie cérébrale ont mis en question leur rôle dans la perception somatosensorielle. La réorganisation du cortex somatosensoriel est un phénomène qui a été proposé comme cause de la douleur du membre fantôme chez les individus amputés. Comme la plupart des études se sont concentrées sur le rôle du SI, une étude plus approfondie est nécessaire. La présente série d'expériences implique une exploration du rôle des régions somatosensorielles dans la perception des stimuli douleureux et non-douleureux chez des volontaires sains et patients avec des douleurs de membre fantôme. La première étude expérimentale présentée dans le chapitre 3 est une méta-analyse des études de neuro-imagerie employant des stimuli nociceptifs chez des volontaires sains. En comparaison aux précédentes, la présente étude permet la génération de cartes quantitatives probabilistes permettant la localisation des régions activées en réponse à des stimuli nociceptifs. Le rôle du cortex somatosensoriel dans la perception consciente de stimuli chauds a été étudié dans le chapitre 4 grâce à une étude d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, dans laquelle des stimuli thermiques douloureux et non-douloureux ont été administrés de manière contrebalancée. Grâce à cette procédure, la perception de la chaleur fut atténuée par les stimuli douloureux, ce qui permit la comparaison des stimuli consciemment perçus avec ceux qui ne le furent pas. Les résultats ont montrés que les stimulations chaudes perçues ont engendré l’activation de l’aire SI controlatérale, ainsi que de la région SII. Grâce à l’évaluation clinique de patients amputés présentant une altération de leurs perceptions somatosensorielles, il est également possible de dessiner un aperçu des régions corticales qui sous-tendent ces modifications perceptuelles. Dans le chapitre 5 nous avons émis l'hypothèse proposant que les sensations du membre fantôme représentent un corrélat perceptuel de la réorganisation somatotopique des représentations sensorielles corticales. En effet, la réorganisation des sensations peut donner des indices sur les régions impliquées dans la genèse des sensations référées. Ainsi, un protocole d’évaluation sensoriel a été administré à un groupe de patients affligés de douleur au niveau du membre fantôme. Les résultats ont montré que, contrairement aux études précédentes, les sensations diffèrent grandement selon le type et l'intensité des stimuli tactiles, sans évidence de la présence d’un modèle spatialement localisé. Toutefois, les résultats actuels suggèrent que les régions corticales à champs récepteurs bilatéraux présentent également des modifications en réponse à une déafférentation. Ces études présentent une nouvelle image des régions corticales impliquées dans la perception des stimuli somatosensoriels, lesquelles comprennent les aires SI et SII, ainsi que l'insula. Les résultats sont pertinents à notre compréhension des corrélats neurologiques de la perception somatosensorielle consciente. / Abstract Early anatomical and single-unit recording studies established a crucial role for the primary and secondary somatosensory cortices (SI & SII) in processing somatosensory information. However, recent advances in brain imaging and analysis techniques have called into question their role in somatosensation. Findings from this recent research are relevant to the study of the reorganizational changes occurring in the somatosensory cortices that have been causally linked to the genesis of pain in amputee patients. These patients continue to perceive and experience pain in the absent limb, which is usually referred to as phantom-limb pain; but little research on this phenomenon has focused on other regions outside SI, and further study is needed. The present series of experiments involve an exploration of the roles of the somatosensory cortices in the perception of noxious and innocuous tactile stimuli in healthy volunteers and patients with phantom-limb pain. The first experimental study in Chapter 3 is a meta-analytic review of neuroimaging studies examining noxious stimuli evoked activation in healthy volunteers. In comparison to previous reviews that have merely reported the prevalence of pain-related activation, the present study yields quantitative probabilistic maps that permit localization of the likelihood of obtaining activation in response to noxious stimuli within any brain region. The role of the somatosensory cortices in the conscious perception of brief warm stimuli was explored in Chapter 4 using functional magnetic resonance imaging, where noxious and innocuous thermal stimuli were counterbalanced within the experimental protocol. This procedure allowed a gating of the somatosensory system in which the perception of warm stimuli was attenuated by painful stimuli, thus permitting the comparison of detected with undetected stimuli. Results showed that detected warm stimuli significantly activated SI and SII. It is also possible to draw insight regarding which cortical regions subserve somatosensory processing and its organization by clinical assessment of amputee patients, who demonstrate altered somatosensation. To date, few studies have explored the relationship between referred sensations to the phantom and cortical reorganization. In Chapter 5 we hypothesized that referred sensations to phantom limbs are a perceptual correlates of a somatotopic reorganization of sensory representations. Derangements in referred sensations can give clues to the regions involved in referred sensations genesis. Thus, a quantitative sensory testing protocol was administered to a group of phantom-limb pain patients. Results showed that, contrary to previous reports, referred sensations to the phantom differed greatly based on the type and intensity of the tactile stimuli applied to the body, with no evidence of a spatially localized pattern. Previous reports of referred sensations have solely focused on plastic changes in SI. However, the present results suggest that other cortical regions with bilateral receptive fields also undergo reorganizational changes in response to deafferentation. These studies present an emerging picture of the cortical regions involved in the perception of somatosensory stimuli, which include SI and SII, as well as the insula. Findings are relevant to our understanding of the neural correlates of conscious perception of somatosensation and the formation of the mental representation of stimuli applied to the body.

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Le comportement humain est à la fois singulier et universel. La singularité serait principalement due aux trajectoires de vie propre à chaque individu (variant entre autres selon leur culture) alors que l’universalité émanerait d’une nature universelle ancrée dans un génome universel. Démêler les influences de la nature et de la culture sur le comportement humain est le Saint Graal de l’anthropologie biologique. J’aborde cette question en explorant les effets génétiques et environnementaux sur les bases psychiques du comportement. Plus particulièrement, je teste l’hypothèse que la singularité et l’universalité comportementales humaines s’observent au plan psychique par l’exploration de leur substrat neurobiologique, et que ce substrat possède à la fois un ancrage génétique et environnemental. À l’aide de données d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) recueillies auprès de 862 participants du Human Connectome Project (HCP), j’analyse les activations cérébrales liées à sept tâches socio-cognitives qui recoupent diverses facultés, dont le langage, la mémoire, la prise de risque, la logique, les émotions, la motricité et le raisonnement social. Après avoir groupé les sujets selon la similarité de leurs patrons d’activation cérébrale (c.-à-d. leurs sous-types neurobiologiques), j’estime l’influence génétique et environnementale sur la variabilité interindividuelle de ces divers sous-types. Les résultats démontrent bel et bien l’existence d’un regroupement des sujets selon la similarité de leurs cartes d’activation cérébrale lors d’une même tâche socio-cognitive, ce qui reflète à la fois le caractère singulier et universel des corrélats neuronaux d’un comportement observable. La variabilité interindividuelle constatée dans ces regroupements cérébraux témoigne quant à elle d’effets génétiques (héritabilité) ainsi qu’environnementaux (environnementalité), dont les ampleurs respectives varient selon la nature de la tâche effectuée. De plus, les sous-types cérébraux mis à jour révèlent une association avec les mesures comportementales et de performance effectuées lors des diverses tâches à l’étude. Enfin, les sous-types neurobiologiques résultant des diverses tâches partagent certaines bases génétiques. Dans leur ensemble, ces résultats appuient la notion que le comportement humain, ainsi que les processus neurobiologiques le sous-tendant, sont des phénotypes au même titre qu’un caractère morphologique ou physiologique, c’est-à-dire qu’ils sont le résultat de l’expression conjointe de bases génétiques (nature) et environnementales (culture). / Human behaviour is both singular and universal. Singularity is believed to be mainly due to life trajectories unique to each individual (influenced among others by culture), whereas universality would stem from a universal nature resulting from a panhuman genome. Unravelling the influences of nature and nurture on human behaviour is the Holy Grail of biological anthropology. I approach this issue by exploring genetic and environmental influences on the neuropsychological underpinnings of behaviour. In particular, I test the hypothesis that the singularity and universality of human behaviour are also observed at the psychological level through the exploration of the neurobiological basis of behaviour, and that these bases have both genetic and environmental sources. Using Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) data of 862 participants from the Human Connectome Project (HCP), I analyze brain activation related to 7 socio-cognitive tasks covering language, memory, risk taking, logic, emotions, motor skills, and social reasoning. After grouping subjects according to the similarity of their brain activation patterns (neurobiological subtypes), I estimate the genetic and environmental influences on the variation between participants on these subtypes. The inter-individual variability in cerebral groupings appears to have both genetic (heritability) and environmental (environmentality) sources that vary according to the particular psychological task involved. Moreover, these neurobiological subtypes show an association with behavioural and performance measures assessed by the socio-cognitive tasks. Finally, the neurobiological subtypes across the 7 tasks share common genetic links. Overall, the results support the notion that human behaviour, as well as its underlying neurobiological processes, are phenotypes in the same way as morphology or physiology, i.e., are the results of the integrated expression of a genetic basis (nature) and environmental influences (nurture).

L’IRM de diffusion (IRMd) est l’unique technique non invasive qui permet l’exploration de la microstructure cérébrale. En plus d’une large utilisation pour les applications médicales, l’IRMd est aussi utilisée en neuroscience pour comprendre l’organisation et le fonctionnement du cerveau. Toutefois, sa faible résolution spatiale et sa sensibilité aux artéfacts limitent son utilisation chez le primate non humain.L’objectif de cette étude est de développer une nouvelle approche qui permette d’acquérir des données d’IRMd à très haute résolution spatiale sur des cerveaux de macaques anesthésiés. Cette méthode est basée sur un balayage 3D de l’espace de Fourier avec un module de lecture d’Echo Planar-segmenté.Cette méthode a été tout d’abord implémentée sur une machine IRM 3 Tesla (Prisma, Siemens), puis validée et optimisée in-vitro et in-vivo. Par rapport à la méthode d’acquisition classique, un gain de sensibilité de l’ordre de 3 pour la substance grise cérébrale et de 4.7 pour la substance blanche cérébrale a été obtenu grâce à la méthode développée.Cette méthode a permis de réaliser l’IRMd du cerveau de Macaque avec une résolution spatiale isotrope de 0.5 mm jamais atteinte auparavant. L’intérêt de réaliser des données d’IRMd à une telle résolution pour visualiser et analyser in-vivo des structures fines non détectables avec la méthode d’acquisition classique comme les sous-champs de l’hippocampe ou encore la substance blanche superficielle, a été démontré dans cette étude. Des résultats préliminaires très encourageants ont également été obtenus chez l’homme / Diffusion MRI (dMRI) is the unique non-invasive technique that allows exploring the cerebral microstructure. Besides a wide use for medical applications, dMRI is also employed in neuroscience to understand the brain organization and connectivity. However, the low spatial resolution and the sensitivity to artefacts limit its application to non-human primates.This work aims to develop a new approach that allows to acquire dMRI at very high spatial resolution on anesthetized macaque brains. This method is based on a 3D sampling of Fourier space with a segmented Echo Planar imaging readout module. This method has been firstly implemented on a 3 Tesla MR scanner (Prisma, Siemens), validated and optimized in-vitro and in-vivo. Compared to the conventional acquisition method, a gain of sensitivity of 3 for the cerebral grey matter and of 4.7 for the white matter was obtained with the proposed approach.This method allowed us to acquire dMRI data on the macaque brain with a spatial isotropic resolution of 0.5 mm ever reached before. The interest to acquire dMRI data with such a spatial resolution to visualize and analyze in-vivo fine structures not detectable with the classical acquisition method, like the sub-fields of hippocampus and the superficial white matter, has also illustrated in this study. Finally, very encouraging preliminary results were also obtained in humans

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Object segmentation, quantification, and shape modeling are important areas inmedical image processing. By combining these techniques, researchers can find valuableways to extract and represent details on user-desired structures, which can functionas the base for subsequent analyses such as feature classification, regression, and prediction. This thesis presents a new framework for building a three-dimensional (3D) hippocampal atlas model with subfield information mapped onto its surface, with which hippocampal surface registration can be done, and the comparison and analysis can be facilitated and easily visualized. This framework combines three powerful tools for automatic subcortical segmentation and 3D surface modeling. Freesurfer and Functional magnetic resonance imaging of the brain's Integrated Registration and Segmentation Tool (FIRST) are employed for hippocampal segmentation and quantification, while SPherical HARMonics (SPHARM) is employed for parametric surface modeling. This pipeline is shown to be effective in creating a hippocampal surface atlas using the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative Grand Opportunity and phase 2 (ADNI GO/2) dataset. Intra-class Correlation Coefficients (ICCs) are calculated for evaluating the reliability of the extracted hippocampal subfields. The complex folding anatomy of the hippocampus offers many analytical challenges, especially when informative hippocampal subfields are usually ignored in detailed morphometric studies. Thus, current research results are inadequate to accurately characterize hippocampal morphometry and effectively identify hippocampal structural changes related to different conditions. To address this challenge, one contribution of this study is to model the hippocampal surface using a parametric spherical harmonic model, which is a Fourier descriptor for general a 3D surface. The second contribution of this study is to extend hippocampal studies by incorporating valuable hippocampal subfield information. Based on the subfield distributions, a surface atlas is created for both left and right hippocampi. The third contribution is achieved by calculating Fourier coefficients in the parametric space. Based on the coefficient values and user-desired degrees, a pair of averaged hippocampal surface atlas models can be reconstructed. These contributions lay a solid foundation to facilitate a more accurate, subfield-guided morphometric analysis of the hippocampus and have the potential to reveal subtle hippocampal structural damage associated.

Image registration methods underpin many analysis techniques in neuroimaging. They are essential in group studies when images of different individuals or different modalities need to be brought into a common reference frame. This thesis explores the potential of brain connectivity- driven alignment and develops surface registration techniques for magnetic resonance imaging (MRI), which is a noninvasive neuroimaging tool for probing function and structure of the human brain. The first part of this work develops a novel surface registration framework, based on free mesh deformations, which aligns cortical and subcortical surfaces by matching structural connectivity patterns derived using probabilistic tractography (diffusion-weighted MRI). Structural, i.e. white matter, connectivity is a good predictor of functional specialisation and structural connectivity-driven registration can therefore be expected to enhance the alignment of functionally homologous areas across subjects. The second part validates developed methods for cortical surfaces. Resting State Networks are used in an innovative way to delineate several functionally distinct regions, which were then used to quantify connectivity-driven registration performance by measuring the inter- subject overlap before and after registration. Consequently, the proposed method is assessed using an independent imaging modality and the results are compared to results from state-of-the-art cortical geometry-driven surface registration methods. A connectivity-driven registration pipeline is also developed for, and applied to, the surfaces of subcortical structures such as the thalamus. It is carefully validated on a set of artificial test examples and compared to another novel surface registration paradigm based on spherical wavelets. The proposed registration pipeline is then used to explore the differences in the alignment of two groups of subjects, healthy controls and Alzheimer's disease patients, to a common template. Finally, we propose how functional connectivity can be used instead of structural connectivity for driving registrations, as well as how the surface-based framework can be extended to a volumetric one. Apart from providing the benefits such as the improved functional alignment, we hope that the research conducted in this thesis will also represent the basis for the development of templates of structural and functional brain connectivity.

Succédant à une théorisation centrée sur le rôle des déficits des fonctions exécutives, les modèles contemporains du trouble déficit de l'attention / hyperactivité (TDAH) mettent en avant l’hétérogénéité d’une catégorie diagnostique impliquant des déficits neuropsychologiques, voies cérébrales et mécanismes étiopathogéniques multiples. En dépit de cette évolution, la majorité des études d'imagerie cérébrale des corrélats structurels du trouble menées à ce jour ont été conduites au niveau de la catégorie diagnostique, sans spécification supplémentaire. Cette approche comparant en moyenne un groupe de patients avec TDAH à un groupe de sujets sains a donné des résultats très variables d'une étude à l'autre, la comparaison inter-étude étant toutefois rendue difficile par la présence de facteurs confondants, tels que des différences en terme de régions d’intérêt examinées, de comorbidités acceptées chez les patients, de pourcentages de sujets masculins et féminins, de fenêtre d’âge sélectionnée, de méthodologie d'analyse ou encore de pourcentage de patients traités par méthylphénidate. Dans ce doctorat, nous nous sommes appuyés sur la morphométrie voxel-à-voxel pour isoler l’influence sur les volumes de matière grise de deux facteurs d’hétérogénéité intra-catégorielle dans le TDAH : le genre d’une part, et un polymorphisme génétique (Val158Met du gène Catéchol-O-méthyltransferase (COMT)) d’autre part ; ces deux facteurs présentant l’intérêt de moduler le risque associé de développer un trouble de type externalisé. Nous avons également comparé les volumes de matière grise d’enfants avec TDAH ayant reçu un traitement par méthylphénidate, de patients n'ayant jamais été exposé à la médication, et de sujet sains. Ces recherches expérimentales ont été inscrites dans une discussion plus générale de l’hétérogénéité des résultats de la littérature structurelle consacrée au TDAH et des sources neuropsychologiques de cette hétérogénéité. Dans notre étude des effets du genre sur les volumes de matière grise dans le TDAH, nous reportons pour la première fois une interaction entre genre et diagnostic, avec des corrélats structurels du trouble différents chez les garçons et les filles avec TDAH dans des régions de la ligne médiane du cerveau, impliquées à la fois dans la régulation émotionnelle et dans le fonctionnement du mode de réseau par défaut. Nous suggérons que ces différences structurelles pourraient contribuer aux différences de risque associé pour les troubles internalisés et externalisés présentées par les garçons et filles avec TDAH. Dans notre étude explorant l'influence du polymorphisme Val158Met sur les volumes de matière grise, nous mettons en évidence une modulation génétique des corrélats structurels du trouble : les sujets homozygotes pour l'allèle Val158, identifiés dans la littérature comme à risque pour le développement d'un trouble des conduites, présentent des volumes de matière grise supérieurs dans le noyau caudé comparativement aux sujets sains, tandis que les patients avec TDAH porteurs d'un allèle Met158 présentent des volumes de matière grise plus faibles dans le cortex préfrontal inférieur droit, une région cruciale pour les processus de contrôle attentionnel. Enfin, dans notre étude des corrélats structurels de l'exposition au méthylphénidate, nous reportons un effet potentiellement normalisateur du traitement sur les volumes de matière grise de l'insula et du pole temporal, des volumes de matière grise plus faibles chez les patients traités comparativement aux sujets sains dans le gyrus frontal moyen et dans le gyrus précentral, et une association entre volume de matière grise dans le nucleus accumbens gauche et durée d'exposition au méthylphénidate chez les sujets traités. (...) / Previous models of Attention Deficit / Hyperactivity Disorder (ADHD) such as Barkley’s or Brown’s conceptualized ADHD as essentially a developmental impairment of executive function. Against this view, it is now recognized that ADHD is a heterogeneous disorder, involving multiple deficits and multiple neuronal pathways. Despite this current theoretical framework, most structural brain imaging studies in ADHD have compared groups of children with ADHD with typically developing children, without trying to identify subgroups within the diagnostic category. This approach has yielded heterogeneous findings, possibly due to inter-studies variations in the type and number of comorbidities, the percentage of medicated participants included, the number of girls included, and/or methodological and statistical differences. Patients participating in these studies were also often exposed to methylphenidate, and potential medication effects on grey matter volumes are still unclear in certain brain regions such as the frontal lobe, despite a therapeutic action involving the preferential activation of catecholamine neurotransmission within the prefrontal cortex. In this thesis, we used voxel-based morphometry to study the influence of two important risk factors for the development of comorbid conditions in ADHD. The first of these two factors was gender, and the second a genetic polymorphism of the Catechol-O-methyltransferase gene known to put children with ADHD at risk for developing a conduct disorder (Val158Met). We also compared grey matter volumes in children with ADHD exposed to methylphenidate, never-medicated children with ADHD and typically developing children. These experimental studies were part of a more general discussion of ADHD neuropsychological and neurobiological heterogeneity. In our study exploring the influence of gender on the structural correlates of ADHD, we report for the first time a gender-by-diagnosis interaction, with grey matter volume differences in boys and girls with ADHD in midline cortical structures, involved in emotional regulation and part of the default mode network. We propose that these differences may contribute to explain why girls with ADHD more often develop inattentive and internalizing symptoms, whereas externalizing symptoms are predominant in boys with ADHD. In our study investigating the effects of Val158Met in ADHD, we report the first evidence of a COMT-related genetic modulation of ADHD-related grey matter volume alterations. Indeed, children with ADHD at higher risk for developing a conduct disorder (children homozygotes for the Val158 allele) presented increased grey matter volumes in the caudate nucleus when compared with typically developing children, whereas children carrying a Met158 allele presented with decreased grey matter volumes in the right inferior frontal cortex, a region known for its key role in attention. Finally, we measured grey matter volumes in medicated children with ADHD, never-medicated children with ADHD and typically developing children using both whole-brain voxel-based morphometry and automated tracing procedures in chosen regions of interest. We document potential methylphenidate-related grey matter volume normalization and deviation in previously unexplored frontal and temporal regions, and report a positive association between treatment history and grey matter volume in the nucleus accumbens, a key region for reward processing. Our first two experimental studies therefore contribute to a better understanding of the influence of important sources of within-category heterogeneity, while the third helps clarifying the potential confounding effect of medication exposure in previous structural brain imaging studies in ADHD.