L’imagerie par résonance magnétique pondérée en diffusion est une modalité d’imagerie médicale non invasive qui permet de mesurer les déplacements microscopiques des molécules d’eau dans les tissus biologiques. Il est possible d’utiliser cette information pour inférer la structure du cerveau. Les techniques de modélisation locale de la diffusion permettent de calculer l’orientation et la géométrie des tissus de la matière blanche. Cette thèse s’intéresse à l’optimisation des métaparamètres utilisés par les modèles locaux. Nous dérivons des paramètres optimaux qui améliorent la qualité des métriques de diffusion locale, de la tractographie de la matière blanche et de la connectivité globale. L’échantillonnage de l’espace-q est un des paramètres principaux qui limitent les types de modèle et d’inférence applicable sur des données acquises en clinique. Dans cette thèse, nous développons une technique d’échantillonnage de l’espace-q permettant d’utiliser l’acquisition comprimée pour réduire le temps d’acquisition nécessaire.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l'effet d'apprentissages à court et long terme sur le système visuel. Nous avons d'abord montré grâce à des enregistrements Éléctroencéphalographiques que l'apprentissage d'une séquence de stimuli visuels induisait une activité cérébrale spontanée et sélective au prochain stimulus devant apparaitre et que cette activité sélective s'exprimait dans les bandes alpha et beta de l'activité électrique cérébrale. Par la suite nous avons montré grâce à de l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle que lors d'apprentissages longs (trois semaines) les représentations neurales de catégories visuelles associées étaient modulées et devenaient plus similaires après l'apprentissage. Les travaux présentés dans cette thèse ont donc permis de mieux caractériser l'impact d'apprentissages à différentes échelles de temps sur les représentations neurales d'objets visuels. / The work presented in this thesis deals with the effect of short- and long-term learning on the visual system. We first demonstrated through electroencephalographic recordings that learning a sequence of visual stimuli induced spontaneous and selective cerebral activity to the next-to-appear stimulus and that this selective activity was expressed in the alpha and beta bands of cerebral electrical activity. Subsequently, we showed through functional magnetic resonance imaging that during long learning (three weeks) the neural representations of associated visual categories were modulated and became more similar due to learning. The work presented in this thesis has thus made it possible to better characterize the impact of learning at different time scales on the neural representations of visual objects.

Le travail présenté ici a consisté en la mise au point d’une méthode de spectroscopie localisée proton filtrée carbone 13C chez la souris ainsi que de la mise en place d’un protocole pour des acquisitions, in vivo, de spectroscopie localisée en rotation à l’angle magique sur la drosophile. Le travail sur la souris a en particulier porté sur l’effet d’un traitement antivasculaire sur des tumeurs cérébrales. Pour réaliser cette étude il a également fallu concevoir une sonde de mesure (support + détecteur) spécialement dédiée à ce type d’étude. Le travail a permis de mettre en évidence l’apport de cette nouvelle méthode par rapport à la méthode classique de spectroscopie proton. Le travail sur la drosophile a permis la mise en place de la spectroscopie localisée par tranche, ce qui était l’objectif de départ, mais également la mise en place d’imagerie de déplacement chimique à 1 dimension spatiale, qui permet de réaliser une cartographie de la répartition spatiale des métabolites. Ces deux méthodes de spectroscopie sur la drosophile représentent à notre connaissance, deux premières, et ouvrent des perspectives importantes de recherche sur cet insecte qui est le plus utilisé dans le domaine, en particulier car il représente un très bon modèle génétique. / Here we present a 1H −13 C filtered method for localized spectroscopy for the study of mice brain metabolism and, also for the development of localized HRMAS spectroscopy methods for the in vivo study of drosophila. The aim of the work on mice was to study the effect of a vascular disrupting agent on glioma. We had to build a probe (cradle + detector) dedicated to this work. With this work we succeed to show the contribution of the 1H −13 C spectroscopic method, compared to the classical one, 1H spectroscopy. For the drosophila part of my work we succeed to perform slice selective spectroscopy on living drosophila using high Resolution Magic Angle Spinning, we even perform chemical shift imaging (1 spatial dimension) which give us a mapping of the metabolites distribution. As far we known, those methods represent two « premieres », and offer new perspectives of research on this insect, which is the most used in this field, particularly because of the numerous genetic studies on this animal.

Le cancer colo-rectal est un problème de santé publique majeur dans les pays développés. Le cancer du rectum est défini comme une marge distale de la tumeur à moins de 15 cm de la marge anale. Sa prise en charge optimale impose une discussion entre une chirurgie mutilante emportant les sphincters ou une chirurgie conservatrice laissant en place l'appareil sphinctérien et évitant l'incontinence et la colostomie. L’Imagerie par résonance magnétique (IRM) est l’examen de référence pour le diagnostic de la tumeur initiale. Dans projet, nous avons utilisé des outils IRM modernes comme la volumétrie et l’imagerie de diffusion dans l’évaluation thérapeutique des cancers du rectum après chimioradiothérapie.Nous avons ainsi montré que la variation de volume tumoral au cours du traitement du cancer du rectum était associée à une survie sans récidive à 5 ans : les patients dont le volume tumoral diminuait d'au moins 70% au cours du traitement néoadjuvant avaient une survie à 5 ans sans récidive et un grade de régression histologique significativement plus élevée que chez les patients dont le volume diminuait de moins de 70%. En utilisant la même technique de volumétrie tumorale tridimensionnelle au cours d'un essai thérapeutique, nous avons également montré pour la première fois que la variation précoce de volume tumoral du rectum au cours du traitement néoadjuvant par chimiothérapie seule pouvait prédire le succès du traitement ultérieur par radio-chimiothérapie puis chirurgie. L'étude de la variation précoce de volume tumoral est actuellement utilisée dans un essai randomisé prospectif multicentrique dans lequel la variation de volume tumoral du rectum après radio-chimiothérapie néoadjuvante chez des patients avec tumeur avancée (T3c, T4) est le déterminant de la poursuite d'un traitement radio-chimiothérapique néoadjuvant ou le traitement chirurgical radical (essai GRECCAR4, ClinicalTrials.gov NCT01333709). Nous nous sommes ensuite intéressés à l’imagerie de diffusion et en particulier l’IVIM marqueur prédictif de réponse thérapeutique. Dans cette étude, la diffusion pure permettait d’obtenir des résultats prometteurs pour l’évaluation de la réponse au traitement néoadjuvant. Finalement, nous présenterons les perspectives de recherche concernant un type particulier de réponse, les réponses colloïdes. / Colo-Rectal Cancer is the third most commonly diagnosed cancer in males and the second in females. Around 30% of all colorectal cancers are diagnosed in the rectum. Despite the major improvements that have been made management of rectal cancer still remains a challenge. Chemoradiotherapy (CRT) followed by surgery has been widely adopted for the management of locally advanced rectal cancers because this approach increases the probability of anal sphincter preservation, decreases the local recurrence rate and decreased the risk of colostomy. As we enter the era of personalized medicine with therapies stratified according to the risk of local or distant recurrence, imaging has become an essential tool in the preoperative decision making, to avoid both under- and overtreatment. Magnetic Resonance (MR) imaging is now an essential tool to enable the oncology team to make appropriate treatment decisions. First, we demonstrated that tumor shrinkage after preoperative chemotherapy–radiation therapy was associated with good response. Second, we demonstrated that early tumor volume decrease after induction chemotherapy before chemoradiotherapy was as well associated with good patient prognosis. Third, we demonstrated the added value of DW MR imaging for predicting tumor response using IVIM, a more sophisticated diffusion analytic approaches, which allows quantitative parameters that reflect tissue microcapillary perfusion and tissue diffusivity to be derived. In this study we demonstrated that true diffusion was associated with regression grade on pathology. Finally, we will present our perspectives especially in tumor response evaluation in patient with colloidal response.

Le concept de réseaux - l'idée que deux ou plusieurs nœuds distribués peuvent interagir pour produire un phénomène - a longtemps été utilisé dans la recherche et le traitement de l'épilepsie. En effet, même dans les épilepsies considérées comme «focales», les perspectives cliniques et théoriques soulignent l'importance des questions suivantes, à savoir : 1) comment pouvons-nous localiser, partitionner et caractériser les réseaux impliqués dans l'épilepsie et 2) dans quelle mesure ces réseaux interagissent avec le réseau cérébral à grande échelle? Récemment, la notion de réseaux pathologiques dans l'épilepsie a été renforcée par l’apport de la neuroimagerie, avec en particulier le paradigme 'd'état de repos' qui reconnaît l'information inhérente à l'activité spontanée du cerveau, en plus de celle liée aux événements transitoires exogènes et paroxystiques endogènes.En tirant partie de ces techniques, ce travail fournit de nouveaux concepts sur 1) les relations multimodales et le couplage entre l’hémodynamique et la connectivité fonctionnelle électro physiologique aussi bien dans les cortex épileptiques que non affectés, 2) les processus pathologiques affectant l’homéostasie ionique et les dysfonctionnements neuronaux dans les réseaux épileptiques, 3) les interactions au niveau de groupe entre les réseaux épileptiques et les propriétés topologiques du cerveau, et 4) comment les interactions entre la pathologie épileptique et des propriétés uniques du réseau cérébral peuvent contribuer à produire des effets cliniques au niveau du réseau. / The concept of networks – the idea that two or more distributed nodes may interact to produce a phenomenon – has long been of utility in research into and the treatment of epilepsy. Indeed, even in epilepsies deemed ‘focal’, clinical and theoretical insights underline the importance of the questions 1) how can we localize, partition and characterize networks involved in epilepsy, and 2) to what extent do such networks interact with the brain network at large? Recently, the notion of pathological network effects in epilepsy has been reinvigorated with input from neuroimaging, especially a ‘resting-state’ paradigm that recognizes the systemic information inherent in the ongoing activity of the brain in addition to that provided when it is disturbed by transient exogenous events and endogenous paroxysms. By leveraging these techniques, this work provides novel insights into 1) the multimodal relationships and coupling between haemodynamic- and electrophysiologically-defined functional connectivity, both in epileptic and unaffected cortices 2) pathological processes affecting ionic homeostasis and neural dysfunction in epileptic networks 3) group-level interactions between epileptic networks and brain network topological properties and 4) how interactions between epileptic pathology and unique brain network properties may contribute to produce to clinical effects at the network level. This work opens up new perspectives on the understanding of network effects in epilepsy, sources of variance in their analysis, the biological processes occurring in parallel and contributing to them and their role in an individualized understanding of pathology.

La mémoire de reconnaissance nous permet à la fois de détecter rapidement un stimulus précédemment perçu (familiarité), et de récupérer des informations relatives au contexte de notre rencontre avec ce stimulus (recollection). Les modèles neuro-anatomiques d'Aggleton et Brown (1999) puis d'Aggleton et al. (2011) postulent que le noyau antérieur (NA) du thalamus et le tractus mamillo-thalamique (TMT) du fait de leurs connexions avec l'hippocampe font partie du circuit de la recollection tandis que le noyau dorso-médian (DM) participerait à la familiarité en raison de ses connexions avec le cortex périrhinal. Dans cette thèse nous avons testé cette hypothèse d'indépendance. 12 patients avec un infarctus thalamique gauche ont été recrutés ainsi qu'un groupe de sujets contrôles appariés. Tous les participants ont été soumis à un bilan neuropsychologique, à trois tâches expérimentales de mémoire de reconnaissance et à un examen d'IRM morphologique et d'IRM fonctionnelle de repos. Selon les tâches nous avons estimé la contribution de la recollection et de la familiarité à la réponse sur la base de la verbalisation de la source, du degré de confiance dans la réponse ou de la catégorisation des réponses. Les lésions thalamiques ont été quantifiées et localisées automatiquement grâce à une nouvelle approche méthodologique que nous avons développée. Le profil neuropsychologique des patients a mis en évidence une amnésie antérograde verbale et un trouble exécutif modéré (Etude 1). Les lésions atteignaient principalement le DM alors que le NA était intact chez tous. Le TMT était lésé chez les 7 patients les plus amnésiques (Etudes 1 et 2). La recollection était altérée chez les patients quelle que soit la tâche alors que la familiarité était préservée. De plus l'indice de recollection corrélait avec la lésion du DM (Etude 2). Enfin, des corrélations ont été trouvées dans l'étude en connectivité fonctionnelle entre la disconnexion thalamo-frontale et la recollection (Etude 3). En somme, ces résultats signifient i\ qu'une lésion du NA n'est pas nécessaire pour causer une amnésie ii\ qu'une lésion du DM est suffisante pour causer un défaut de recollection mais pas nécessaire pour atteindre la familiarité iii\ qu'une lésion du TMT prédit une amnésie sévère, enfin iv\ que le réseau reliant fonctionnellement le DM au cortex préfrontal semble être impliqué dans l'expérience subjective de la mémoire de reconnaissance plutôt que dans ses contenus. Ils suggèrent de plus que le modèle d'Aggleton et al (2011) devrait être révisé en ce qui concerne la relation familiarité / DM. / Recognition memory allows determining whether a stimulus has been previously encountered based on either a rapid detection process (familiarity) or a longer retrieval of the context associated with the stimulus (recollection). Aggleton and Brown's model (1999) and Aggleton and colleagues (2011) postulated that recollection and familiarity are anatomically and functionally independent. They hypothesized that the anterior nucleus (AN) / mamillothalamic tract (MTT) complex of the thalamus would be critical for recollection due to its connections with the hippocampus. The Mediodorsal (MD) nucleus would support familiarity owing to its links with the perirhinal cortex. In this thesis we tested this independence hypothesis. The 12 subjects with a pure left thalamic infarction were included along with a healthy matched control group. Every subject underwent a neuropsychological assessment, three experimental verbal recognition memory tasks, a high-resolution structural volumetric MRI scan and resting state functional imaging. Recollection and familiarity estimations were derived from subjective reports or responses categorization. We specifically developed the methods used to automatically analyse the volume and localization of the lesions. Patients performed worse than controls on verbal memory and to a lesser extent on executive tasks (Study 1). Most of the lesions were located in the MD while no lesion of the AN was found. The seven patients exhibiting MTT damage had the lowest memory performance (Studies 1 and 2). Recollection was lower in patients than in controls in all the three tasks whereas familiarity was systematically normal. In addition we found a significant correlation between the recollection index and the DM damage, suggesting that DM is directly involved in recollection (Article 2). Finally the functional connectivity results showed a correlation between recollection and a pattern of thalamofrontal disconnection in the patients, helping to understand the DM-recollection relationship. Overall, the findings of the different studies mean that i\ AN damage is rare and is not necessary to cause an amnesia, ii\ MD damage is sufficient to cause a recollection impairment but not necessary to impair familiarity, iii\ MTT damage predicts the severity of the amnesia, iv\ the network linking functionally the MD with the prefrontal cortex seems to be involved in the subjective experience associated with recognition memory.

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immune inflammatoire du jeune adulte causant des handicaps variables et progressifs irréversibles. Cette maladie est présente de manière prépondérante dans l’hémisphère nord. Cette thèse s’attache à la caractérisation et à la modélisation de signatures IRM multimodales des lésions de sclérose en plaques. L’objectif est d’améliorer les modèles de représentation de l’image et d’adapter les méthodes d’apprentissage pour la reconnaissance visuelle, dans le cas où des informations de haut niveau telles que les lésions SEP incluses dans l’IRM sont extraites. Nous proposons dans cette thèse un nouvel algorithme de normalisation d’intensité en IRM, particulièrement centré sur la normalisation d’images longitudinales multimodales, afin de produire des détections d’évolution de lésion robustes. Cette normalisation est centrée sur la modélisation de l’histogramme de l’image par un modèle de mixture de Gaussiennes robuste à la présence de lésions. Faisant suite à cet algorithme, nous proposons également deux nouvelles méthodes de détection de lésions SEP basées sur (1) une comparaison statistique du patient vis à vis d’une population de sujets contrôle et (2) un cadre probabiliste de détection basé sur un apprentissage d’une classe (tissus sains). Nous avons évalué les algorithmes proposés sur plusieurs jeux de données multi-centriques et vérifié leur efficacité dans la détection de lésions. / Multiple Sclerosis (MS) is an acquired inflammatory disease, which causes disabilities in young adults and it is common in northern hemisphere. This PhD work focuses on characterization and modeling of multidimensional MRI signatures in MS Lesions (MSL). The objective is to improve image representation and learning for visual recognition, where high level information such as MSL contained in MRI are automatically extracted. We propose a new longitudinal intensity normalization algorithm for multichannel MRI in the presence of MS lesions, which provides consistent and reliable longitudinal detections. This is primarily based on learning the tissue intensities from multichannel MRI using robust Gaussian Mixture Modeling. Further, we proposed two MSL detection methods based on a statistical patient to population comparison framework and probabilistic one class learning. We evaluated our proposed algorithms on multi-center databases to verify its efficacy.

La zone d'enrobage des aciers des structures en béton armé est soumise au cours de la vie de l'ouvrage à l'action de divers agents agressifs (ions chlorure, dioxyde de carbone, etc.) qui sont susceptibles d'entraîner la corrosion des armatures. Dans le cadre de la maintenance de l'ouvrage, une réparation du béton dégradé est généralement imposée afin d'assurer l'intégrité et la sécurité de la structure, et d'en allonger la pérennité. Cette étude s'attache à explorer les transferts hydriques qui limitent l'efficacité de la réparation au cours de l'hydratation du mortier de réparation. L'évolution microstructural et les profils hydriques sont obtenus par des techniques non-destructives comme l'imagerie résonance magnétique (IRM) et la gamma-densimétrie (GD) depuis très jeune âge à 28 jours. La durabilité du béton réparé est concernée. L'effet du séchage est évité dans cette étude. Le mortier isolé d'une même formulation est préparé pour la comparaison du comportement d'hydratation avec le mortier de réparation. Des diverses techniques classiques aident de compléter les résultats obtenus par IRM et GD. Donc le système de réparation est désigné. Les transferts hydriques à l'interface sont visualisés pendant la réparation (0 - 28 jours), afin de permettre une exploration en profondeur sur les mécanismes des couplages physico-chimiques. La réparation plus efficace donc est déterminée par cette méthodologie, en étudiant divers matériaux de réparation, divers états de support (saturé ou séché) et divers conditions environnementaux, etc. De plus, après la réparation (1 - 2 mois), la porosité totale est mesurée par GD ou la porosimétrie par l'intrusion de mercure (PIM). La distribution poreuse est aussi examinée par PIM selon la hauteur du système de réparation. Les indicateurs de durabilité (Cl- et CO2) après la réparation (> 2 mois) présentent l'empêchement de pénétration des ions chlorures et un effet non-évident pour la pénétration du dioxyde de carbone. L'évolution est suivie au fur et à mesure pendant la pénétration, afin d'explorer l'efficacité de la réparation qui s'adresse à une vie de service prolongée. Cette méthodologie pourra être appliquée aussi sur des autres systèmes, où il existe des transferts hydriques. Par exemple, une couche de protection en Béton Fibré à Ultra-haute Performance (BFUHP) sur le béton ordinaire. En conclusion, cette méthodologie en combinant des techniques non-destructifs et destructifs, est un outil d'étudier le système de réparation par un moyen systématique et quantitatif. C'est intéressant de comparer des divers cas. L'efficacité de réparation est étudiée afin d'assurer une durabilité à long terme / The coating area of steel reinforced concrete structures is subjected during service life time to various aggressive agents (carbon dioxide, chloride ions, etc.), which causes corrosion of steel rebars. Concerning the maintenance, repair works of degraded concrete cover are generally imposed to ensure its integrity and structural safety, and to extend long-term durability. This research aims in exploring moisture transfers which limit the efficiency of repair work during mortar hydration. Microstructure evolution and water profiles are obtained by non-destructive techniques such as Magnetic Resonance Imaging (MRI) and Gamma-Ray Attenuation (GRA) since casting until 28 days. The durability of repaired concrete is involved after the repair procedure. The effect of drying is avoided in this research. Sealed mortar of the same formula is prepared to compare its hydration performance with the repair mortar. Various conventional techniques help to supplement the results obtained by MRI and GRA. The configuration of designed repair systems is shown. Moisture transfers at the interface between the repair mortar and the old concrete are investigated during the repair procedure (0 - 28 days), which allows exploring the mechanisms of physico-chemical couplings. Efficient repair work can be determined for various repair materials, various substrates (initially-saturated or initially-dried), various environmental conditions, etc. Furthermore, total porosity is measured by GRA or by Mercury Intrusion Porosimetry (MIP) after the repair procedure (1 - 2 months). Pore size distribution (PSD) is also investigated by MIP at different positions within the repair systems. Durability indicators (Cl- and CO2) after the repair procedure (> 2 months) present a prevention of chloride penetration and a non-evident influence on carbonation. Evolution is followed during penetration, in order to explore repair efficiency during prolonged service life time. This methodology could also be applied on various systems where exist moisture transfers. For example, a protective layer of Ultra High Performance Fiber-Reinforced Concrete (UHPFRC) on conventional concrete. In conclusion, this methodology is a tool to investigate the repair systems in a systematic and quantitative way, by combining non-destructive and destructive techniques. It is interesting to compare aforementioned systems. Repair efficiency is investigated in order to ensure a long-term durability

La sclérose en plaques (SEP) a longtemps été considérée comme une affection inflammatoire démyélinisante de la substance blanche. (SB) Hors, de nombreuses études ont démontré l’implication extensive de la substance grise (SG). La souffrance neuronale joue un rôle majeur dans la détérioration physique et cognitive des patients atteints de SEP. Le développement de nouvelles techniques d’imagerie capables de quantifier cette atteinte neuronale est devenu crucial. Grace à la tomographie par émission de positons (TEP) et au radiotraceur [11C]flumazenil ([11C]FMZ), antagoniste du récepteur central aux benzodiazépines, nous avons quantifié de façon non-invasive la souffrance neuronale de la SG chez des patients atteints de SEP à différents stades de la maladie. Une cohorte de 18 patients atteints de SEP a été comparée à 8 sujets sains. Les participants ont bénéficié d’une évaluation clinique, cognitive, et radiologique par TEP au [11C]FMZ et IRM. Les données TEP ont été évaluées par région d’intérêt et vertex-à- vertex. Des réductions significatives de l’activité TEP au [11C]FMZ ont été mises en évidence au sein de la SG corticale et sous-corticale des patients comparés aux contrôles. Ces changements étaient présents dès le stade rémittent de la maladie et corrélaient modérément avec la charge lésionnelle de la SB. L’activité TEP corticale était aussi associée à la performance cognitive des patients. Cette étude pilote est la première à quantifier in vivo la souffrance neuronale chez des patients atteints de SEP. Nos résultats permettent de proposer la TEP au [11C]FMZ comme marqueur spécifique et discriminant de l’atteinte neuronale de la SG dans la SEP. / Multiple sclerosis (MS) has long been regarded as an inflammatory demyelinating disorder of the white matter. But post-mortem studies have recently shed light on the extensive involvement of the grey matter (GM). Neuronal damage, characterized by synaptic and dendritic loss as well as neuronal apoptosis, is thought to be a major substrate of physical and cognitive deterioration in MS patients. There is a crucial need for new imaging techniques able to specifically assess neuronal damage in MS. Using positron emission tomography (PET) with [11C]flumazenil ([11C]FMZ), an antagonist of the central benzodiazepine site located within the GABAA receptor, and a non-invasive quantification method, we measured and mapped neurodegenerative changes in the GM of patients with MS at distinct disease stages. A cohort of 18 MS patients was compared to 8 healthy controls and underwent neurological and cognitive evaluations, high-resolution dynamic [11C]FMZ PET imaging and brain MRI. PET data were evaluated using a region of interest and a surface-based approach. [11C]FMZ binding was significantly decreased in the cortical and subcortical GM of MS patients compared to controls. These changes were significant in both progressive and relapsing-remitting forms of the disease and correlated moderately with white matter lesion load. [11C]FMZ cortical binding was also associated with cognitive performance. This pilot study is the first to quantify in vivo the neurodegenerative changes occurring in MS. Our results show that PET with [11C]FMZ could be a promising and sensitive quantitative marker to assess and map the neuronal substrate of GM pathology in MS.

L’imagerie par résonance magnétique pondérée en diffusion est une modalité unique sensible aux mouvements microscopiques des molécules d’eau dans les tissus biologiques. Il est possible d’utiliser les caractéristiques de ce mouvement pour inférer la structure macroscopique des faisceaux de la matière blanche du cerveau. La technique, appelée tractographie, est devenue l’outil de choix pour étudier cette structure de façon non invasive. Par exemple, la tractographie est utilisée en planification neurochirurgicale et pour le suivi du développement de maladies neurodégénératives.Dans cette thèse, nous exposons certains des biais introduits lors de reconstructions par tractographie, et des méthodes sont proposées pour les réduire. D’abord, nous utilisons des connaissances anatomiques a priori pour orienter la reconstruction. Ainsi, nous montrons que l’information anatomique sur la nature des tissus permet d'estimer des faisceaux anatomiquement plausibles et de réduire les biais dans l’estimation de structures complexes de la matière blanche. Ensuite, nous utilisons des connnaissances microstructurelles a priori dans la reconstruction, afin de permettre à la tractographie de suivre le mouvement des molécules d’eau non seulement le long des faisceaux, mais aussi dans des milieux microstructurels spécifiques. La tractographie peut ainsi distinguer différents faisceaux, réduire les erreurs de reconstruction et permettre l’étude de la microstructure le long de la matière blanche. Somme toute, nous montrons que l’utilisation de connaissances anatomiques et microstructurelles a priori, en tractographie, augmente l’exactitude des reconstructions de la matière blanche du cerveau. / Diffusion-weighted magnetic resonance imaging is a unique imaging modality sensitive to the microscopic movement of water molecules in biological tissues. By characterizing the movement of water molecules, it is possible to infer the macroscopic neuronal pathways of the brain. The technique, so-called tractography, had become the tool of choice to study non-invasively the human brain's white matter in vivo. For instance, it has been used in neurosurgical intervention planning and in neurodegenerative diseases monitoring. In this thesis, we report biases from current tractography reconstruction and suggest methods to reduce them. We first use anatomical priors, derived from a high resolution T1-weighted image, to guide tractography. We show that knowledge of the nature of biological tissue helps tractography to reconstruct anatomically valid neuronal pathways, and reduces biases in the estimation of complex white matter regions. We then use microstructural priors, derived from the state-of-the-art diffusionweighted magnetic resonance imaging protocol, in the tractography reconstruction process. This allows tractography to follow the movement of water molecules not only along neuronal pathways, but also in a microstructurally specific environment. Thus, the tractography distinguishes more accurately neuronal pathways and reduces reconstruction errors. Moreover, it provides the mean to study white matter microstructure characteristics along neuronal pathways. Altogether, we show that anatomical and microstructural priors used during the tractography process improve brain’s white matter reconstruction.