Cette thèse présente des modèles mathématiques pour la perception visuelle et s'occupe des phénomènes où on reconnait une brèche entre ce qui est représenté et ce qui est perçu. La complétion amodale consiste en percevoir un complètement d'un object qui est partiellement occlus, en opposition avec la complétion modale, dans laquelle on perçoit un object même si ses contours ne sont pas présents dans l'image [Gestalt, 99]. Ces contours, appelés illusoires, sont reconstruits par notre système visuelle et ils sont traités par les cortex visuels primaires (V1/V2) [93]. Des modèles géométriques de l'architecture fonctionnelle de V1 on le retrouve dans le travail de Hoffman [86]. Dans [139] Petitot propose un modèle pour le complètement de contours, équivalent neurale du modèle proposé par Mumford [125]. Dans cet environnement Citti et Sarti introduisent un modèle basé sur l'architecture fonctionnelle de la cortex visuel [28], qui justifie les illusions à un niveau neurale et envisage un modèle neuro-géometrique pour V1. Une autre classe sont les illusions d'optique géométriques (GOI), découvertes dans le XIX siècle [83, 190], qui apparaissent en présence d'une incompatibilité entre ce qui est présent dans l'espace object et le percept. L'idée fondamentale développée ici est que les GOIs se produisent suite à une polarisation de la connectivité de V1/V2, responsable de l'illusion. A partir de [28], où la connectivité qui construit les contours en V1 est modelée avec une métrique sub-Riemannian, on étend cela en disant que pour le GOIs la réponse corticale du stimule initial module la connectivité, en devenant un coefficient pour la métrique. GOIs seront testés avec ce modèle. / This thesis presents mathematical models for visual perception and deals with such phenomena in which there is a visible gap between what is represented and what we perceive. A phenomenon which drew the interest most is amodal completion, consisting in perceiving a completion of a partially occluded object, in contrast with the modal completion, where we perceive an object even though its boundaries are not present [Gestalt theory, 99]. Such boundaries reconstructed by our visual system are called illusory contours, and their neural processing is performed by the primary visual cortices (V1/V2), [93]. Geometric models of the functional architecture of primary visual areas date back to Hoffman [86]. In [139] Petitot proposed a model of single boundaries completion through constraint minimization, neural counterpart of the model of Mumford [125]. In this setting Citti and Sarti introduced a cortical based model [28], which justifies the illusions at a neural level and provides a neurogeometrical model for V1. Another class of phenomena are Geometric optical illusions (GOIs), discovered in the XIX century [83, 190], arising in presence of a mismatch of geometrical properties between an item in object space and its associated percept. The fundamental idea developed here is these phenomena arise due to a polarization of the connectivity of V1/V2, responsible for the misperception. Starting from [28] in which the connectivity building contours in V1 is modeled as a sub-Riemannian metric, we extend it claiming that in GOIs the cortical response to the stimulus modulates the connectivity of the cortex, becoming a coefficient for the metric. GOIs will be tested through this model.

Les dysplasies corticales focales de type 2 (DCF2) sont une cause fréquente d’épilepsie partielle pharmacorésistante pouvant bénéficier d’un traitement chirurgical. Leur détection en IRM est un facteur indépendant de bon pronostic. Leur diagnostic reste difficile avec jusqu’à 40% d’IRM négatives. Le travail de cette thèse a pour principal objectif d’améliorer la détection des DCF2 à partir des séquences conventionnelles, d’évaluer la pertinence d’une augmentation de champ magnétique, et de valider de nouveaux outils de détection, en particulier par l’identification d’anomalies des sillons associées aux DCF2 de manière automatique puis visuelles. Cette étude a été réalisée à partir d’une des plus importante cohorte de patients (>80 patients) porteurs de DCF2 prouvée histologiquement. L’évaluation de la fréquence de chacun des signes en IRM nous a permis de démontrer que, bien qu’aucune anomalie ne soit visible dans 41% des cas, les différents signes chez les patients avec une IRM positive n’étaient jamais isolés et que la combinaison des 3 signes les plus évocateurs de DCF2 (épaississement cortical, flou de l'interface blanc-gris et « transmantle sign »), était retrouvée chez 27 patients (64%) suggérant que l’IRM puisse être un examen très caractéristique. En augmentant le champ magnétique de 1,5 à 3T en IRM le taux de détection n’est que peu modifié mais la caractérisation des DCF2 est améliorée en raison d’une meilleure visualisation du « transmantle sign », considéré comme une signature en IRM des DCF2. L’analyse automatisée des sillons basés sur le calcul d’un nouveau paramètre appelé « énergie sulcale » permet d’identifier des motifs sulcaux anormaux chez les patients porteurs de DCF2 dans la région centrale en comparaison aux sujets sains. Ce résultat souligne l'importance d’une étude des sillons et pourrait fournir un critère supplémentaire pour détecter et localiser la lésion chez des patients à IRM négative. Enfin, l’analyse visuelle des sillons par un reformatage 3D du cortex nous a permis de décrire un nouveau marqueur des DCF2 de la région centrale : un motif sulcal dénommé le "Power Button Sign". Compte tenu de son excellente reproductibilité et de sa spécificité, il pourrait être utilisé comme un nouveau critère diagnostic majeur de DCF2 de la région centrale. L’ensemble de ces résultat participe à la meilleure compréhension des phénomènes développementaux impliqués dans la physiopathologie des DCF2 et offre de nombreuses perspectives pour l’amélioration de leur détection en imagerie. / Focal cortical dysplasia type 2 (FCD2) is a common cause of intractable partial epilepsy surgically treatable. Their detection by MRI is an independent factor of good prognosis. The MR imaging diagnosis remains difficult with up to 40% negative MRI. Our main objective is to improve the detection of FCD2from conventional sequences, to assess the relevance of increased magnetic field and validate new tools for detection, in particular by identifying sulcal abnormalities associated with FCD2 automatically and visually. This study was carried out from one of the largest cohort of patients (> 80 patients) with histologically proven FCD2. The evaluation of the frequency of each MR signs showed that, although no abnormality is seen in 41% of cases, the different signs in patients with a positive MRI were never isolated and the combination of the 3 most suggestive signs of FCD2 (cortical thickening, bluring of the gray-white matter interface and "transmantle sign") was found in 27 patients (64%), indicating that MRI can be very suggestive. By increasing the magnetic field from 1.5 to 3T MRI detection rate is only slightly changed but characterization of FCD2 is improved thanks to a better visualization of the " transmantle sign " considered as a MR signature of FCD2. The automated sulcus analysis based on the calculation of a new parameter called "sulcal energy" identifies abnormal sulcal patterns in patients with FCD2 in the central region in comparison to healthy subjects. This result underlines the importance of the identification of sulci and could provide an additional criterion for detecting and locating the lesion in patients with negative MRI. Finally, the visual analysis of sulci by 3D reformatting of the cortex allowed us to describe a new MR sign of FCD2 in the central region: a sulcal pattern called the "Power Button Sign". Given its excellent reproducibility and specificity, it could be used as a new major diagnostic criterion of FCD2 in the central region. All these results contribute to the better understanding of the developmental processes involved in the pathophysiology of FCD2 and offers many opportunities for improving their MR detection.

Les travaux réalisés dans cette thèse se situent à l'interface des domaines de l'acquisition en imagerie par résonance magnétique (IRM) et du traitement d'image pour l'analyse automatique des structures cérébrales. La mesure de modifications structurelles telles que l'atrophie corticale nécessite l'application d'algorithmes de traitement d'image. Ceux-ci doivent compenser les artefacts en IRM tels que l'inhomogénéité du signal ou les effets de volume partiel (VP) pour permettre la segmentation des tissus cérébraux puis l'estimation d'épaisseur corticale. Nous proposons une nouvelle modélisation de VP proche de la physique de l'acquisition baptisée modèle bi-exponentiel qui vient concurrencer le traditionnel modèle linéaire. Il nécessite l'utilisation de deux images de contrastes différents parfaitement recalées. Ce modèle a été validé sur des simulations et des fantômes physique et numérique dans un premier temps. Parallèlement, la récente séquence MP2RAGE permet d'acquérir deux images co-recalées par acquisition et leur combinaison aboutit à l'obtention d'une image insensible aux inhomogénéités du signal et d'une carte de T1 des tissus imagés. Nous avons testé notre modèle sur des données in vivo MP2RAGE et avons montré que l'application du modèle linéaire de VP conduit à une sous-estimation systématique de la substance grise à l'échelle du voxel. Ces erreurs se propagent à l'estimation d'épaisseur corticale, biomarqueur très sensible aux effets de VP. Nos résultats plaident en faveur de l'hypothèse suivante : la modélisation de VP pour les images MP2RAGE doit être différente de celle employée pour des images obtenues avec des séquences plus classiques. Le modèle bi-exponentiel est une solution adaptée à cette séquence particulière. / The work developed in this thesis is within the scope of magnetic resonance imaging (MRI) acquisition and image processing for the automated analysis of brain structures. The measurement of structural modifications with time such as cortical atrophy requires the application of image processing algorithms. They must compensate for MRI artifacts such as intensity inhomogeneities or partial volume (PV) effects to allow for brain tissues segmentation then cortical thickness estimation. We suggest a new PV model relying on the physics of acquisition named bi-exponential model that differs from the commonly used linear model by modelling brain tissues and image acquisition. It requires the use of two differently contrasted and perfectly coregistered images. This model has been validated with simulations and physical and digital phantoms in a first place. In parallel, the recent MP2RAGE sequence provides two coregistered images and their combination results in a bias-field corrected image as well as a T1 map of the scanned tissues. We tested our model with in vivo MP2RAGE data and demonstrated that using the linear PV model leads to a systematic gray matter proportion underestimation in PV voxels. These errors result in cortical thickness underestimation. Our results favor the following assumption: PV modelling with MP2RAGE images must differ from the usual linear PV model applied for images obtained from more classic sequences. The bi-exponential model is an adapted solution to this particular sequence.

Un os long est composé de tissus osseux cortical et spongieux. Ces tissus ont des structures et des caractéristiques physiques différentes mais ont tous deux la capacité de se régénérer de façon naturelle suite à une lésion. Cette régénération ou réparation implique une séquence bien caractérisée d’événements contrôlés par l’interaction étroite entre des facteurs de croissance, des cellules, l’environnement chimique et dynamique, ainsi que par la matrice extracellulaire. L’ostéopontine (OPN) et la sialoprotéine osseuse (BSP) sont des protéines de la matrice extracellulaire exerçant des fonctions importantes dans le tissu osseux. Le but de ce travail a été d’étudier le rôle de l’OPN et de la BSP dans la réparation osseuse par génétique expérimentale. Les modèles utilisés dans cette études consistent en des lésions, l’un diaphysaire et purement cortical, l’autre région épi-métaphysaire mêlant destruction de l’os cortical, trabéculaire et de la plaque de croissance. La réparation de ces lésions a été analysée par microtomographie haute résolution aux rayons X et par histomorphométrie. Dans un premier temps, la réparation d’une perforation épi-métaphysaire dans le fémur chez la souris, a été caractérisée et comparée à celle de même diamètre réalisée dans la diaphyse. Dans cette étude comparative, des profils distincts de réparation ont été mis en évidence bien que tous deux mettent en place un mécanisme d’ossification intramembranaire. Ainsi, le défect cortical diaphysaire est comblé par une formation osseuse centripète restreinte à la zone corticale. Dans le modèle épi-métaphysaire, la formation osseuse est initiée au fond du défect et se propager vers le cortex. Ce processus aboutit à une restauration des travées mais à une réparation incompléte du cortex. Ainsi, le premier modèle apparaît comme pertinent pour l’étude de la réparation corticale alors que le modèle épi-métaphysaire se présente plus adapté à l’étude de la réparation de l’os trabéculaire. L’OPN et la BSP n’ont pas de fonctions redondantes dans la réparation de ces lésions. En effet, l’OPN intervient principalement dans la réparation de l’os trabéculaire, son absence entraîne un retard lié à un défaut de progression de l’os au sein de la cavité. L’absence de BSP quant à elle, semble intervenir uniquement dans le processus de réparation de l’os cortical diaphysaire, provoquant un retard de réparation dû à un défaut de minéralisation de l’ostéoïde. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont permis de caractériser des modèles de lésions osseuses pertinents pour l’étude de la réparation de l’os cortical et spongieux. L’utilisation de ces modèles a permis d’améliorer la compréhension du rôle de deux protéines de la matrice extracellulaire osseuse dans la réparation de cortical et trabéculaire grâce aux modèles de génétique expérimentale. / Long bones consist of cortical and spongious bone tissue, which have different structures and physiological characteristics. Both can heal spontaneously. Bone healing is a complex multi-step process which depends on cells, soluble factors, mechanical environment and bone matrix. Osteopontin (OPN) and Bone Sialoportein (BSP) are extracellular matrix proteins, which have been shown to exert important functions in bone. The aim of this study is to address the role of OPN and BSP in bone repair using experimental genetic strategies. Injured bone models are drilled-hole defects performed in diaphyseal cortical bone or in the epi-metaphyseal region. Bone healing was analyzed by micro-tomography and histomorphometry. Epi-metaphyseal defect healing was characterized and compared to cortical bone repair. In this comparative study, distinct patterns of bone repair have been shown while in both models repair occurs through intramembranous ossification. Diaphyseal defect was rapidly filled with newly bone formed in a centripetal manner within the cortical gap. In contrast, bone formation within the epi-metaphyseal defect was initiated from the depth of the cavity and spread towards the cortical edges, regenerating cancellous bone and albeit not completely cortical wall. Therefore, diaphyseal drill defects appear pertinent for the study of spontaneous cortical healing whereas epi-metaphyseal drill defects appear as appropriate models to investigate spongy bone regeneration. OPN and BSP do not show redundancy in the bone repair process of these two models. Indeed, OPN is mainly involved in trabecular bone repair; its deficiency induced a delay due to impaired bone progression within the epi-metaphyseal cavity. The lack of BSP only delayed cortical bone repair due to an impaired mineralization of the bone matrix. This study permits to characterize pertinent models of cortical and trabecular bone repair. Application of these models added new insights on the involvement of matrix proteins in cortical defect healing and trabecular bone repair using experimental genetic models.

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une technique d'investigation classiquement utilisée dans l'évaluation du cortex moteur. La TMS est utilisée dans l'étude de la fatigue afin de distinguer sa composante centrale. Peu d'études ont utilisé cette technique pour évaluer les effets de l'exercice locomoteur et aucune dans des conditions extrêmes. Ainsi, l'objectif de cette thèse était double: d'abord, répondre à certaines questions méthodologiques concernant l'utilisation de la TMS dans l'évaluation de la fatigue, en particulier du muscle quadriceps, et deuxièmement, étudier les effets de l'exercice en conditions extrêmes sur le développement de la fatigue centrale et supraspinal ainsi que sur l’excitabilité et l'inhibition corticospinales. Dans les Etudes 1 et 2, l'effet de différentes approches d'une force cible avant l’application d'une impulsion TMS ainsi que les différences entre les principales méthodes utilisées pour déterminer l'intensité optimale de TMS ont été étudiés. Dans l'Etude 3, l'effet d'une nuit de privation de sommeil sur les performances cognitives et physiques et les paramètres centraux a été étudié. L'effet d'un ultra-trail de 110 km sur la composante supraspinale de la fatigue centrale a été évalué dans l'Etude 4. Les conclusions principales de cette thèse sont, sur le plan méthodologique, i) que lors de l'évaluation par TMS pendant de brèves contractions volontaires, il est essentiel d’appliquer l'impulsion de TMS après que la force produite par le sujet se soit stabilisée à la valeur cible et ii) qu'une courbe stimulus-réponse à 20% de la force maximale volontaire est appropriée pour déterminer l'intensité de TMS optimale dans les études portant sur l'exercice et la fatigue. De plus, bien que la privation de sommeil ait des impacts négatifs sur les performances cognitives et à l'exercice, elle n'a pas d'influence sur des paramètres neuromusculaires ni ne provoque une plus grande fatigue centrale. Une fatigue supraspinale se développe et l’excitabilité corticospinale augmente au cours d’exercices d'endurance/ultra-endurance en course à pied et ne vélo, tandis que les effets sur les mécanismes inhibiteurs corticospinaux sont équivoques et probablement dépendent des caractéristiques de l'exercice et de l'intensité de la TMS / Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a widely-used investigative technique in motor cortical evaluation. TMS is now being used in the investigation of fatigue to help partition the effects of central fatigue. Few studies have utilized this technique to evaluate the effects of locomotor exercise and none in conditions of extreme exercise. Therefore, the purpose of this thesis was twofold; first, to answer methodological questions pertaining to the use of TMS in fatigue evaluation, particularly of the quadriceps, and second, to investigate the effects of extreme exercise conditions on the development of central and supraspinal fatigue and corticospinal excitability and inhibition. In Studies 1 and 2, the effect of approaching a target force in different ways before the delivery a TMS pulse and the difference between commonly-employed methods of determining TMS intensity on the selection of optimal TMS intensity were investigated. In Study 3, the effect of one night sleep deprivation on cognitive and exercise performance and central parameters was investigated. The effect of a 110-km ultra-trail on the supraspinal component of central fatigue was evaluated in Study 4. The principal findings from this thesis are that during TMS evaluation during brief voluntary contractions, it is essential to deliver the TMS pulse once the force has stabilized at the target and that a stimulus-response curve at 20% MVC is appropriate for determining optimal TMS intensity in exercise and fatigue studies. Furthermore, while sleep deprivation negatively-impacted cognitive and exercise performance, it did not influence neuromuscular parameters nor result in greater central fatigue. Supraspinal fatigue develops and corticospinal excitability increases during endurance/ultra-endurance running and cycling, while the effects on inhibitory corticospinal mechanisms are equivocal and probably depend on exercise characteristics and TMS intensity

Le processus du traitement de la parole est latéralisé au niveau cortical. En effet la théorie de l’échantillonnage asymétrique suggère que le signal acoustique est segmenté sous forme d’unités discrètes, et ensuite traité par les deux cortex auditifs non primaires en utilisant des fenêtres d’intégrations respectivement adaptées aux traitements des modulations lentes et rapides du signal de la parole. L’objectif de cette thèse était d’étudier les concepts de cette théorie au moyen de deux approches (psychophysique et neurophysiologique), en s’intéressant à l’activation corticale dans les deux hémisphères en fonction de la nature du signal auditif présenté. Les résultats révèlent que les scores d’intelligibilité de ces stimuli sont plus importants quand les modulations rapides arrivent au cortex auditif gauche et les modulations lentes arrivent au cortex auditif droit. Les résultats de l’IRMf démontrent une interaction entre l’enveloppe des stimuli présentés et les rythmes corticaux. Les deux cortex auditifs présentaient des asymétries inter-hémisphériques en réponse à ces stimuli. En outre, l’activité neuronale augmente avec les performances. Dans l'ensemble, les résultats de nos études vont dans le sens des prédictions de la théorie d’échantillonnage asymétrique. Nous supposons que, l’application des effets de la théorie de la latéralisation auditive dans le traitement du signal auditif pourrait améliorer la perception de la parole chez les personnes sourdes profonds en développant les stratégies de codage des Implants cochléaire de manière à les alignées sur les propriétés corticales d’échantillonnages intrinsèques / Speech perception consists of a set of bilateral computations that take continuously varying acoustic waveforms as input and generate discrete representations. Hypothesis of ‘asymmetric sampling in time’, suggests that auditory functional asymmetries can be explained by differences in temporal sampling between the two auditory cortices. We suggest that asymmetry in auditory cortical oscillations could play a role in speech perception by fostering hemispheric triage of information across the two hemispheres. Due to this asymmetry, fast speech temporal modulations, could be best perceived by the left auditory cortex, while slower modulations would be better captured by the right one. The aim of this thesis was to study and to test the validity of the predictions of the AST theory by investigating psychophysical and neurophysiological approach. They focus on the cortical activation in both hemispheres according to the nature of the auditory signal presented to both ears. Our results show that when we provide a different part of the speech envelope to each ear, word recognition is facilitated when the temporal properties of speech match the rhythmic properties of auditory cortices. We further show that the interaction between speech envelope and auditory cortices rhythms translates in their level of neural activity (as measured with fMRI). In the left auditory cortex, the neural activity level related to stimulus/brain rhythm interaction predicts speech perception facilitation. This interaction impacts speech perception performance. We propose that this lateralization effect could have practical implications in the framework of bilateral cochlear implants

Le toucher a un rôle critique dans notre vie quotidienne pour saisir, manipuler des objets, ou simplement marcher. Les aires primaires somatosensorielles présentent la particularité d'être organisées somatotopiquement, donnant lieu au dénommé Homunculus. Alors que la plupart de notre surface corporelle est représentée suivant un ordre similaire à sa continuité physique, l'Homunculus présente une discontinuité majeure, la main et le visage étant représentés côte à côte. La frontière main-visage a été souvent utilisée comme un repère pour étudier l'une des particularités les plus fascinantes de notre cerveau, sa capacité de réorganisation. En particulier, la plasticité somatosensorielle a été trouvée capable de traverser la frontière main-visage suite à une privation d'afférences. Alors qu'il est connu depuis longtemps que l'augmentation des afférences conduit également à des changements corticaux souvent associés à des bénéfices perceptifs, la possibilité qu'une telle plasticité puisse traverser la frontière main-visage reste inexplorée. Le travail de ma thèse a pour but d'examiner cette question. Une première étude comportementale a révélé que le fait d'augmenter les afférences d'un doigt améliore non seulement l'acuité tactile de ce doigt, mais aussi du visage, suggérant un transfert de changements plastiques au travers de la frontière main-visage. Afin d'examiner ceci, deux études supplémentaires ont été réalisées en utilisant deux techniques complémentaires d'imagerie cérébrales, à savoir l'IRMf et la MEG. En adéquation avec nos hypothèses, une réorganisation des représentations de la main et du visage a été trouvée. Dans l'ensemble, ce travail révèle qu'une plasticité adaptative menant à des bénéfices perceptifs peut se propager sur de larges distances corticales, en particulier au-delà de la frontière main-visage, et par conséquent ouvre une nouvelle fenêtre d'investigation pouvant avoir un réel impact dans la promotion de rééducation / Touch plays a critical role in our daily life to grasp and manipulate objects, or simply walk. The primary somatosensory areas exhibit the striking feature of being somatotopically organized, giving rise to the so-called Homunculus. While most of our body surface is represented following an order similar to its physical continuity, the Homunculus displays a major discontinuity, the hand and the face being represented next to each other. The hand-face border has been widely used as a somatotopic hallmark to study one of the most fascinating features of our brain, its capacity for reorganization. Particularly, somatosensory plasticity was found to cross the hand-face border following deprivation of inputs. While it has long been known that increasing inputs also leads to cortical changes typically associated with perceptual benefits, whether such plasticity can cross the hand-face border remains unknown. My thesis work aimed to investigate this question. A first behavioural study revealed that increasing inputs to a finger improves not only the tactile acuity at this finger, but also at the face, suggesting a transfer of plastic changes across the hand-face border. To investigate this, two additional studies were performed using two complementary brain imaging techniques, namely high-field fMRI and MEG. In agreement with our hypotheses a reorganization of both hand and face representations was found. Altogether, this work reveals that adaptive plasticity leading to perceptual benefits can spread over large cortical distances, in particular across the hand-face border, and thus opens up a new window of investigation that may have a real impact in promoting rehabilitation

L’ambition des très hauts champs magnétiques (≥ 7T) à forts gradients (≥ 300mT/m) est de dépasser la résolution millimétrique imposée à plus bas champ pour atteindre l’échelle mésoscopique en neuroimagerie. Etudier le cerveau à cette échelle est essentiel pour comprendre le lien entre fonction et substrat anatomique. Malgré les progrès réalisés sur les aimants cliniques à 7T, il n’en est pas de même des gradients. Cette thèse vise à cartographier le cerveau humain à l’échelle mésoscopique via l’étude de pièces anatomiques post mortem. Une approche alternative a été choisie, reposant sur l'utilisation d'imageurs précliniques à très hauts champs (7T et 11.7T) et forts gradients (780mT/m). Après une première étape de préparation (extraction et fixation) opérée au CHU de Tours, une pièce anatomique complète a été scannée à 3T, avant découpe de l’hémisphère gauche en sept blocs. Un protocole d’acquisition IRM ciblant une résolution mésoscopique a ensuite été mis en place à 11.7T. Ce protocole, incluant des séquences anatomiques, relaxométriques, et de diffusion, a été validé à l’aide de deux structures clé: un hippocampe et un tronc cérébral. Les données anatomiques et de diffusion acquises à une résolution mésoscopique sur l’hippocampe ont permis de segmenter ses sous-champs, d’extraire le circuit polysynaptique et d’observer l’existence d’un gradient de connectivité et de densité neuritique positif dans la direction postéro-antérieure de l’hippocampe. L’utilisation de modèles avancés d’étude de la microstructure a également révélé l’apport de ces techniques pour la segmentation de l’hippocampe, les cartes de densité neuritique révélant les trois couches des champs ammoniens. Un tronc cérébral a ensuite été scanné, avec une résolution atteignant la centaine de micromètres. Une segmentation de 53 de ses 71 noyaux a été réalisée au sein du CHU de Tours, permettant d’établir la cartographie IRM du tronc cérébral humain la plus complète à ce jour. Les principaux faisceaux de la substance blanche ont été reconstruits, ainsi que les projections du locus coeruleus, structure connue pour être atteinte dans le maladie de Parkinson. Forts de ces résultats, la campagne d'acquisition de l'hémisphère gauche, d’une durée de 10 mois, a été initiée. Le protocole d’acquisition à 11.7T intègre des séquences anatomiques (100/150µm) ainsi que des séquences d'imagerie 3D pondérées en diffusion (b=1500/4500/8000 s/mm², 25/60/90 directions) à 200µm. Des acquisitions complémentaires réalisées à 7T comprenant des séquence d’écho de spin rapide avec inversion-récupération ont par ailleurs permis d’étudier la myéloarchitecture du cortex cérébral et d’identifier automatiquement sa structure laminaire. Un nouveau modèle de mélange de Gaussiennes a été développé, intégrant les informations myéloarchitecturales issues de la cartographie T1 et les informations cytoarchitecturales issues de l’imagerie de diffusion. Il a ainsi pu être démontré que l’utilisation conjointe de ces deux informations permettait de mettre en évidence des couches du cortex visuel, l’information myéloarchitecturale favorisant l’extraction des couches externes et la densité neuritique celle des couches plus profondes. Enfin, l’exploitation des données IRM acquises à 11.7T sur les différents blocs a nécessité la mise en place d’une chaîne de prétraitements pour corriger les artéfacts d’imagerie et reconstruire l’hémisphère entier à l’aide de stratégies de recalage difféomorphe avancées. L’objectif de ce projet est l’obtention d’un jeu de données IRM de très haute résolution spatio-angulaire de l’hémisphère gauche. Ce jeu de données anatomique et de diffusion unique permettra à terme de constituer un nouvel atlas IRM mésoscopique de la structure, de la connectivité et de la cytoarchitecture du cerveau humain. / The aim of ultra-high field strength (≥7T) and ultra-strong gradient systems (≥300mT/m) is to go beyond the millimeter resolution imposed at lower field and to reach the mesoscopic scale in neuroimaging. This scale is essential to understand the link between brain structure and function. However, despite recent technological improvements of clinical UHF-MRI, gradient systems remain too limited to reach this resolution. This thesis aims at answering the need for mapping the human brain at a mesoscopic scale by the study of post mortem samples. An alternative approach has been developed, based on the use of preclinical systems equipped with ultra-high fields (7T/11.7T) and strong gradients (780mT). After its extraction and fixation at Bretonneau University Hospital (Tours), an entire human brain specimen was scanned on a 3T clinical system, before separating its two hemispheres and cutting each hemisphere into seven blocks that could fit into the small bore of an 11.7T preclinical system. An MRI acquisition protocol targeting a mesoscopic resolution was then set up at 11.7T. This protocol, including anatomical, quantitative, and diffusion-weighted sequences, was validated through the study of two key structures: the hippocampus and the brainstem. From the high resolution anatomical and diffusion dataset of the human hippocampus, it was possible to segment the hippocampal subfields, to extract the polysynaptic pathway, and to observe a positive gradient of connectivity and neuritic density in the posterior-anterior direction of the hippocampal formation. The use of advanced microstructural models (NODDI) also highlighted the potential of these techniques to reveal the laminar structure of the Ammon’s horn. A high resolution anatomical and diffusion MRI dataset was obtained from the human brainstem with an enhanced resolution of a hundred micrometers. The segmentation of 53 of its 71 nuclei was performed at the Bretonneau University Hospital, making it the most complete MR-based segmentation of the human brainstem to date. Major white matter bundles were reconstructed, as well as projections of the locus coeruleus, a structure known to be impaired in Parkinson’s disease. Buoyed by these results, a dedicated acquisition campaign targeting the entire left hemisphere was launched for total scan duration of 10 months. The acquisition protocol was performed at 11.7T and included high resolution anatomical sequences (100/150μm) as well as 3D diffusion-weighted sequences (b=1500/4500/8000 s/mm², 25/60/90 directions, 200μm). In addition, T1-weighted inversion recovery turbo spin echo scans were performed at 7T to further investigate the myeloarchitecture of the cortical ribbon at 300µm, revealing its laminar structure. A new method to automatically segment the cortical layers was developed relying on a Gaussian mixture model integrating both T1-based myeloarchitectural information and diffusion-based cytoarchitectural information. The results gave evidence that the combination of these two contrasts highlighted the layers of the visual cortex, the myeloarchitectural information favoring the extraction of the outer layers and the neuritic density favoring the extraction of the deeper layers. Finally, the analysis of the MRI dataset acquired at 11.7T on the seven blocks required the development of a preprocessing pipeline to correct artifacts and to reconstruct the entire hemisphere using advanced registration methods. The aim was to obtain an ultra-high spatio-angular resolution MRI dataset of the left hemisphere, in order to establish a new mesoscopic post mortem MRI atlas of the human brain, including key information about its structure, connectivity and microstructure.

Les champs récepteurs corticaux se réorganisent en réponse aux changements de l'environnement. Par exemple, suite à une lésion périphérique, les modalités sensorielles préservées gagnent de l'espace cortical au détriment de celles lésées. L'étude du cortex somatosensoriel en tonneau des rongeurs a fourni des données importantes pour la compréhension des mécanismes synaptiques à l'origine de cette réorganisation corticale. En condition normale, les neurones de chaque colonne corticale répondent préférentiellement à la stimulation d'une seule vibrisse principale ("Principal Whisker, PW"). Au contraire, suite à l'amputation de l'ensemble des vibrisses sauf une ("Single Whisker Experience, SWE"), les neurones des colonnes associées aux vibrisses amputées répondent à la stimulation de la vibrisse conservée, à l'origine du renforcement et de l'expansion des représentations corticales des vibrisses conservées. Bien que des preuves indirectes aient révélées un rôle de la potentialisation à long terme ("Long-Term Potentiation, LTP") de synapses préexistantes dans la modification des cartes corticales, probablement via une augmentation du nombre des récepteurs AMPA (AMPARs) aux synapses, un lien direct entre la LTP, la réorganisation des cartes corticales, et l'adaptation des comportements sensori-moteurs suite à une altération des entrées sensorielles n'a pas encore été démontré. L'objectif de cette thèse a donc été de mettre en évidence cette relation de façon expérimentale et en condition physiologique. Pour cela, nous avons mis au point une stratégie in vivo combinant des enregistrements électrophysiologiques, de l'imagerie biphotonique et l'analyse du comportement d'exploration chez la souris contrôle ("Full Whisker Experience, FWE) et amputée de certaines vibrisses (SWE). Nous avons d'abord confirmé que la stimulation rythmique de la PW ("Rhytmic Whisker Swtimulation, RWS") renforce les synapses excitatrices (RWS-LTP) in vivo des souris anesthésiées FWE. Au contraire des souris FWE, les neurones pyramidaux des souris SWE présentent une augmentation de l'excitabilité neuronale et une absence de RWS-LTP, indiquant ainsi que les synapses corticales associées à la vibrisse intacte ont été potentialisées en réponse au protocole SWE. Pour mieux comprendre l'implication de la RWS-LTP dans la réorganisation des cartes corticales et l'adaptation des comportements sensori-moteurs, nous avons développé une nouvelle approche pour manipuler la LTP in vivo grâce à l'immobilisation des AMPARs par des anticorps extracellulaires ("cross-linking"). En effet, notre équipe a montré précédemment que le cross-linking des AMPARs empêche la LTP in vitro. Par ailleurs, une accumulation des AMPARs au niveau post-synaptique a été démontrée in vivo par imagerie biphotonique au cours d'une stimulation RWS, suggérant un rôle de la mobilité de ces récepteurs dans cette RWS-LTP. Au cours de cette thèse, nous avons démontré que le cross-linking des AMPARs in vivo bloque également l'expression de la RWS-LTP, mais sans affecter la transmission synaptique basale, ni l'induction de la RWS-LTP, indiquant ainsi que la mobilité des AMPARs est également fondamental pour l'expression de la LTP in vivo. De façon importante, le cross-linking des AMPARs de façon chronique, au cours du SWE, permet non seulement de rétablir la RWS-LTP et l'excitabilité neuronale, et donc de bloquer la réorganisation corticale, mais aussi de modifier les capacités de récupération sensori-motrices des souris amputées. Dans l'ensemble, nos données démontrent pour la première fois un rôle critique et direct de la RWS-LTP dans le réarrangement des circuits en réponse à l'amputation de certaines vibrisses. La réorganisation des cartes corticales serait ainsi assurée par le renforcement de la transmission synaptique, et constituerait alors un mécanisme compensatoire pour optimiser le comportement sensorimoteur de l'animal lors de l'altération des entrées sensorielles. / Neuronal receptive fields in the cerebral cortex change in response to peripheral injury, with active modalities gaining cortical space at the expense of less active ones. Experiments on the mouse whisker-to-barrel cortex system provided important evidences about the synaptic mechanisms driving this cortical remapping. Under normal conditions, neurons in each barrel-column have receptive fields that are strongly tuned towards one principal whisker (PW). However, trimming all the whiskers except one (single-whisker experience, SWE) causes layer (L) 2/3 pyramidal neurons located in the deprived and spared-related columns to increase their response towards the spared input. This results in a strengthening and expansion of the spared whisker representation within the barrel sensory map. Indirect evidences suggest that these cortical alterations might depend on the activity-dependent potentiation of pre-existing excitatory synapses (LTP), likely through increased levels of postsynaptic AMPA receptors (AMPARs). However, a clear link between LTP, cortical remapping, and the adaptation of sensorimotor skills following altered sensory experience has not yet convincingly been demonstrated. Here, we combined in vivo whole-cell recordings, 2-Photon calcium imaging and a whisker-dependent behavior protocol to directly demonstrate this relationship. It has been described that rhythmic whisker stimulation potentiates cortical synapses (RWS-LTP) in vivo. An accumulation of postsynaptic AMPARs during similar sensory stimulation was also reported by imaging evidences. Our data demonstrates that this potentiation is occluded by SWE, suggesting that cortical synapses are already potentiated by this trimming protocol. This is translated into an increased neuronal excitability in the spared column and sensorimotor recovery by the spared whisker. To better understand the implication of LTP in cortical remapping, we developed a novel approach to manipulate LTP in vivo without affecting overall circuit properties. Our team showed previously that the blockage of AMPARs synaptic recruitment by extracellular antibody cross-linking prevents LTP in vitro. Here, we report that in vivo cross-linking of AMPARs blocks the expression but not the induction of RWS-LTP, suggesting that the synaptic recruitment of AMPARs is fundamental for in vivo LTP as well. Moreover, chronic AMPAR cross-linking during SWE reverts RWS-LTP occlusion and the increased neuronal excitability caused by whisker trimming. As consequence, the sensorimotor performance by the spared whisker is permanently impaired by the blockage of cortical remapping. Altogether, these evidences led us to define a critical role for synaptic LTP on circuit re-arrangement after whisker trimming. Our data shows that LTP-driven cortical remapping is a compensatory mechanism to optimize animal’s sensorimotor behavior upon altered sensory experience.

Optimizing of Epilepsy Surgery in Paediatric Patients Abstract Epilepsy surgery represents an effective treatment of intractable focal epilepsy. The presented work aims to describe the state of the art and enhance diagnostic and therapeutic algorithm in paediatric patients. The ultimate goal is to improve the outcome of surgeries. The work depicts the evolution of the paediatric epilepsy surgery program in Motol Epilepsy Center over the course of years 2000-2017. Complexity of patients (younger age, epileptogenic zone in proximity of eloquent cortex, multifocal MRI findings) and surgeries (hemispherotomy) alike increased over time. However, the outcomes in terms of postoperative seizure-freedom and complications remained stable. Cognitive abilities of patients improved by 9.1 IQ/DQ points one year after surgery. Patients with preexisting intellectual deficit reached the most significant increase. We developed a novel paradigm of intraoperative cortical electrical stimulation mapping. Furthermore, we introduced a technique employing visual detection of SEEG electrodes during the surgery. These procedures aim to achieve a complete resection while avoiding complications. We developed and standardized Czech versions of questionnaires IPES a QOLIE-AD-48 assessing quality of life in children with epilepsy. We...