L’épilepsie est une pathologie neurologique caractérisée par une activité neuronale excessive et hypersynchrone soit localisée soit diffuse. L’activité neuronale est principalement évaluée par la mesure de l’activité électrique neuronale en électroencéphalographie (EEG). L’EEG dispose d’une excellente résolution temporelle, mais d’une résolution spatiale médiocre. L’enjeu actuel est de développer une technique non-invasive capable d’explorer et de localiser l’activité neuronale avec une bonne résolution temporo-spatiale afin d’améliorer la prise en charge de l’épilepsie. L’activité neuronale peut également être définie par des modifications hémodynamiques et métaboliques (couplage neurovasculaire). L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) mesure ces dernières au travers de l’étude du signal BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) et permet l’exploration de l’activité neuronale avec une bonne résolution spatiale. L’EEG-IRMf permet l’étude du signal BOLD spécifiquement lors des événements EEG. Si cette technique a démontré un certain intérêt dans la localisation des générateurs des anomalies épileptiformes intercritiques, il n’est pas rare d’observer des discordances entre les réponses observées et le foyer épileptique supposé. En effet, les résultats représentent l’activité globale cérébrale au cours de l’anomalie EEG. Dans une première partie, nous avons cherché à améliorer la spécificité des réponses BOLD observées lors des anomalies intercritiques. Pour cela nous avons exploré l’effet des fluctuations de l’état de vigilance au cours de l’enregistrement EEG-IRMf. Les variations des rythmes EEG physiologiques, reflets de la vigilance, sont responsables de fluctuations du signal BOLD significatives. L’intégration de ces données dans le modèle linéaire général diminue la variance du signal BOLD de la période contrôle. Ainsi, les réponses BOLD obtenues pour les anomalies épileptiformes devraient être améliorées et moins discordantes avec la localisation du foyer supposé. Dans une deuxième partie, nous avons souhaité étudier les crises épileptiques. L’application de la technique d’EEG-IRMf dans les crises permettrait d’obtenir des informations spatiales plus fiables que les anomalies intercritiques (meilleur rapport signal sur bruit) et cruciales dans la définition de la zone épileptogène. Sur une série de 8 patients atteints de malformation de développement cortical, nous avons démontré la faisabilité de l’enregistrement des crises épileptiques en EEG-IRMf mais également l’intérêt des informations obtenues sur les structures impliquées lors de la décharge critique. Cependant, l’analyse actuelle modélise la crise comme un événement stationnaire dans le temps et dans l’espace. Et de façon plus nette que lors de l’étude des anomalies intercritiques, les réponses BOLD obtenues pour les crises sont diffuses et reflètent l’activité globale cérébrale sans distinction claire entre la zone génératrice et la zone de propagation. Au cours d’un deuxième travail, nous avons intégré dans l’analyse statistique les informations temporelles fournies par la mesure du signal BOLD. La résolution temporelle de l’IRMf apporte un bon échantillonnage de la réponse hémodynamique et permet une analyse fiable des variations temporelles du signal BOLD. Nous avons analysé les réponses BOLD des crises de 10 patients avec leur décours temporel. Les zones impliquées dans le départ des crises ont pu être discriminées de celles impliquées secondairement dans la propagation. Dans une troisième partie, nous avons utilisé les données BOLD non plus dans un but localisateur de l’activité neuronale mais afin de définir le rôle des structures impliquées dans l’activité épileptique. / "Epilepsy is a neurological disorder defined by an excessive and hypersynchronous neuronal activity. This abnormal cerebral activity can be focal or diffuse. The neuronal activity is commonly determined by the neuronal electric activity explored in electroencephalography (EEG). The EEG is characterized by a high temporal resolution and a low spatial resolution. The development of a new technique that can explore and localize the neuronal activity with a good temporal and spatial resolution is real challenge in the epilepsy field. The neuronal activity may also be defined by hemodynamic and metabolic changes (neurovascular coupling). These changes can be explored by the functional magnetic resonance imaging (fMRI).The fMRI records the BOLD signal (Blood Oxygenation Level Dependent) changes and allows the study of neuronal activity with an excellent spatial resolution. The simultaneous EEG-fMRI recording provides information about BOLD changes specifically correlated in time with EEG events. It has been demonstrated that this technique could provide valuable results on the generators of epileptiform interictal events. However, EEG-fMRI studies showed also some discrepancies between the location of BOLD responses and the suspected epileptic focus. Indeed, BOLD responses reflect not only the generator’s activity but also the global cerebral activity occurring at the time of the epileptiform event. In the first part, we tried to improve the specificity of the BOLD responses observed during interictal epileptiform abnormalities. Therefore, we explored the BOLD effect of the alertness fluctuations during prolonged EEG-fMRI recording. Physiological rhythms variations reflecting the brain state changes are responsible for noteworthy BOLD changes. Physiological EEG rhythms may be integrated to the EEG-fMRI analysis in studies with fluctuation of alertness, to eliminate possible confounding factors. The accuracy of the BOLD results obtained for interictal epileptiform events would be improved. In a second part, we proposed to use the EEG-fMRI technique to study epileptic seizures. This new application would provide information with a better spatial definition than the interictal study (better signal to noise ratio) and crucial for the definition of the epileptogenic zone in presurgical exploration. On a population of eight patients with a malformation of cortical development, we demonstrated that the EEG-fMRI recording during seizures is feasible and that the results showed original and valuable information on cerebral structures involved in the ictal discharge. However, the actual method uses a “bloc design” model and then suggests that the seizure is a stationary event in time and in space. With this method, BOLD responses obtained during ictal event are diffuse and reflect the cerebral global activity without discrimination between the seizure onset zone and the structures secondary involved in the propagation. In a second work, we proposed a new method adding in the statistical analysis the temporal information provided by the BOLD signal measurement. The temporal resolution of fMRI and the temporal sampling used in fMRI protocol are sufficient to study with a good accuracy the temporal variations of the BOLD signal. We analyzed the dynamic time course of the BOLD signal in ten patients with seizures inside the MRI.

Des métastases cérébrales vont se développer chez 10 à 30% des patients atteints de cancer. La radiothérapie fait partie des possibilités de traitement, et ceci même si les dommages induits au cerveau par des rayonnements ionisants sont potentiellement importants. Nous proposons l’utilisation de l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) sur le rat pour mieux comprendre ces effets. Ce mémoire traite de la mise en place d’un tel protocole d’IRMf. Les principaux points abordés sont la préparation de l’animal, les différentes insultes et stimulations sensorielles possibles ainsi que la méthode d’acquisition. Notre protocole d’insulte hyperoxique permet de déceler des dommages physiques d’origine vasculaire suite à une intense irradiation dans le cerveau du rat. Toutefois, la même procédure associée à une stimulation mécanique de la patte arrière de l’animal n’amène pas de changement observable à l’IRMf sur un sujet sain. Malgré tout, ce type de stimulation induit une réponse respiratoire, même sous anesthésie d’isoflurane. Une telle méthode n’est donc pas adéquate à l’étude d’animaux anesthésiés, surtout ceux dont la réponse cérébrale pourra avoir été réduite par une irradiation. Quelques améliorations et modifications du protocole seraient possiblement à même de permettre une mesure reproductible de la réponse d’IRMf à une stimulation sensorielle. Le présent mémoire décrit les tentatives de mise en place d’une stimulation sensorielle donnant lieu à une activation IRMf reproductible et localisée. De plus, un protocole de traitement d’image adapté au petit animal ainsi qu’une implémentation de la méthode keyhole ont été mis en place. L’insulte hyperoxique et ses effets sur le cerveau de rat ont été explorés plus en détail.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Résumé: L’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle est devenue un des outils principaux pour mesurer l’activité cérébrale chez l’Homme de façon non-invasive. Le type de séquence plus fréquemment utilisé à ces fins est le signal dépendant du niveau d'oxvgène sanguin (BOLD signal) car il reflète les changements hémodynamiques associés à l’activité cérébrale et offr l’avantage d'être relativement facile à mesurer. Cependant, cette mesure est dépendante du niveau de désoxyhémoglobine, présent dans les veines. L'architecture structurelle de ces dernières varie considérablement d'une région du cerveau à l'autre et cela fait en sorte qu'il est ardu de savoir si les différences inter-régionales sont dues à des différences au niveau de l’activité neuronale ou de la structure vasculaire. C'est pour répondre à cette question que nous avons observé la relation entre les variations régionales de densité vasculaire (VAD) et l’amplitude du signal BOLD au repos et en présence d'un stimulus. Nous avons implémenté une méthode de segmentation des veines pour des images en pondération de susceptibilité (SWI). Nous avons également utilisé une méthode de segmentation des tissus (Morphométrie Basée sur les Voxels (VBM )) pour séparer les tissus et calculer une mesure de densité de matière. Nous avons trouvé qu'indépendamment de la taille des voxels, les variations régionales d'amplitude du signal BOLD au repos et du signal évoqué par une tâche sont mieux corrélées avec la VAD qu'avec la densité de matière grise. En utilisant un modèle linéaire général, nous avons observé qu'une grande partie des variations régionales au repos pouvait être modélisée par la VAD. En somme, nos résultats suggèrent que le signal BOLD au repos est intimement relié à la structure vasculaire. Utiliser la densité vasculaire afin de calibrer les mesures d'amplitude du signal BOLD au repos nous permettra d'interpréter de façon plus précise et d'obtenir de meilleures informations sur les différences observées entre plusieurs groupes de sujets et de patients. // Abstract: Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) has become one of the primary tools used for non-invasively measuring brain activity in humans. For the most part, the blood oxygen level-dependent (BOLD) contrast is used, which reflects changes in heinodynamics associated with active brain tissue. The main advantage of the BOLD signal is that it is relatively easy to measure and thus is often used as a proxy for comparing brain function across population groups (i.e. control vs. patient). However, it is particularly weighted towards veins whose structural architecture is known to vary considerably across the brain. This makes it difficult to interpret whether differences in BOLD between cortical areas reflect true differences in neu-ral activity or vascular structure. We therefore investigated how regional variations of vascular density (VAD) relate to the amplitude of resting-state and task-evoked BOLD signals. To address this, we first developed an automated method for segmen-ting veins in images acquired with susceptibility weighted imaging (SWI), allowing us to visualize the venoms vascular tree across the brain. In 19 healthy subjects, we then applied Voxel-Based Morphometry (VBNI) to Ti-weighted images and compu-ted regional measures of gray matter density (GNID). We found that, independent of spatial scale. regional variations in resting-state and task-evoked fNIRI amplitude was better correlated to VAD compared to GRID. Using a general linear model (GLNI). it was observed that the bulk of regional variance in resting-state activity could be modelled by VAD. Taken together, our results suggest that resting-state BOLD signals are signifi-cantly related to the underlying structure of the brain vascular system. Calibrating resting BOLD activity by venous structure may result in a more accurate interpreta-tion of differences observed between cortical areas and/or individuals.

L’autisme est un trouble développemental se caractérisant par des altérations de la socialisation associée à un déficit de la perception des visages et des émotions. Le but de ce travail fut de caractériser chez l’adulte et l’enfant le comportement oculaire lors de la perception de visages émotionnels ou non, et d’identifier les dysfonctionnements chez les sujets avec autisme. Une étude fonctionnelle a aussi été réalisée chez l’adulte lors la perception des visages émotionnels ou non. La maturation de l’exploration visuelle chez le sujet sain a été caractérisée et semble associée à un mécanisme d’expertise. Une altération de la mise en place d’une stratégie appropriée a été observée chez les sujets avec autisme et semble liée à une non focalisation de l’attention sur les zones pertinentes. La perception des émotions n’influencerait pas l’exploration des visages mais induirait un pattern d’activation propre à chaque émotion recrutant des structures impliquées dans des mécanismes miroirs. Chez les sujets avec autisme, les aires normalement impliquées dans le traitement de ces émotions ne s’activent pas, suggérant un dysfonctionnement du système miroir. / Autism is a developmental disorder characterized by socialization troubles associated with a deficit of faces and emotional expressions perception. The aim of our work was to investigate typical development of gaze behaviour during face and emotion expression perception on a wide number of subjects, using an eye tracking system, and a fMRI to identify dysfunction in patients with autism. The work has established on healthy patients, the features of typical maturation of visual exploration during face scanning, which was due to an expertise mechanism. A deterioration of appropriate gaze exploration was observed in subjects with autism. This study revealed that the perception was not influenced by emotional expression but instead induced a pattern of activation of each emotion in healthy subjects. Indeed, a different pattern of activation was observed for each type of emotion. These observations suggest that the perception of emotion would appeal to mechanisms mirrors. In subjects with autism, most of the areas normally involved in the treatment of these emotions are not activated.

Bien que la plupart des personnes soient exposées à un traumatisme au cours de leur vie, toutes ne développent pas de stress-post traumatique (PTSD). La prévalence de vie du PTSD est en effet estimée à 10%. Il peut survenir à la suite d’un événement traumatique tel un accident, agression, deuil, viol ou incendie, mais aussi un désastre naturel (inondation, tremblement de terre…) ou humain (guerre, terrorisme…). En raison de l’augmentation contemporaine des sources traumatiques, les rapports récents de l'Organisation Mondiale de la Santé décrivent le PTSD comme un problème de santé mondiale croissant, en raison de sa fréquence, sévérité, comorbidité et de son coût élevé. Un corpus de recherche enquête sur divers aspects du PTSD concernés par les pensées intrusives, l'hypervigilance, les déficits émotionnels, les troubles cognitifs et les problèmes de mémoire.Comme d'autres problèmes de santé mentale, le PTSD est à ce jour assez méconnu. Comme d'autres troubles anxieux, il est surtout marqué par une peur excessive. Il n'est donc pas surprenant que l'hypothèse la plus répandue dans le PTSD soit celle d'un déficit du traitement de la peur. S’il est vrai que la conceptualisation du PTSD comme un trouble de la peur parait phénoménologiquement étroite, elle a été néanmoins pragmatique en permettant l’approfondissement de la recherche translationnelle de l'animal à l’humain, en passant par la paillasse. Les études sur le sujet ont suggéré que les déficiences centrales et périphériques du PTSD tourneraient autour d’altérations du réseau neuronal de la peur. Ceci impliquerait un dérèglement des mécanismes qui sous-tendent le conditionnement à la peur, ainsi que le traitement des émotions et de l'attention, qui sont en effet bouleversés dans le PTSD. / Although most people encounter at least one traumatic event over their lifetime, not all of them will develop post-traumatic stress disorder (PTSD). Lifetime prevalence of full-blown PTSD, known as an anxiety disorder, is in fact around 10%. In addition to accidents, aggression, grief, rape, fires, traumatic events can be caused by natural (flooding, earthquake…) or man-made stressors (war, terrorism…). With the contemporary rise in traumatic sources the World Health Organization recent reports describe PTSD as an increasing global health issue, due to its high frequency, severity, comorbidity and cost. A body of research has thus started investigating various aspects of PTSD concerned with intrusive thoughts, hypervigilance, emotional deficits, cognitive disturbances and memory issues. Similarly to other mental health problems, much remains unknown about PTSD, and similarly to other anxiety disorders it is marked by excessive fear. It comes as no surprise that the most prevalent hypothesis in PTSD is that of a fear-processing deficit. Conceptualizing PTSD as a fear disorder can be phenomenologically quite narrow. It has been nonetheless pragmatic in allowing thorough translational research from animal to bench-side and clinical studies. Most studies have suggested that central and peripheral impairments in PTSD revolve around altered neural fear processing network. These alterations involve mechanisms implicated in fear conditioning, as well as emotional and attentional processing, all of which are altered in PTSD.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La compréhension du fonctionnement cérébral est en constante évolution depuis l’essor des neurosciences.Les nouvelles modalités d’imagerie ont permis de mettre en évidence une architecture de notre cerveau en réseaux complexes. Mon travail a pour but de développer une méthode mettant en évidence les réseaux les plus représentatifs d’un groupe de sujet en IRM fonctionnelle.Dans un premier temps, j’ai développé une méthode de réduction des données basées sur le clustering.J’ai introduit une nouvelle caractérisation de l’information fonctionnelle par le profil de connectivité.Celui-ci permet de réduire le biais induit par le bruit présent au sein des données d’IRM fonctionnelle.De plus ce profil ne nécessite pas d’a priori sur les données contrairement aux méthodesi nférentielles classiques.Dans un deuxième temps, j’ai développé une méthode qui permet l’identification de réseaux communs sur un groupe de sujets tout en prenant en compte les variabilités spatiales et fonctionnelles inter-sujets. Les réseaux obtenus peuvent ensuite être caractérisés par leur distribution spatiale mais également par les liens de connectivités se manisfestant en leur sein.Cette méthode permet également la comparaison des réseaux de différents groupes de sujets et la mise en évidence de l’implication de réseaux différents en fonction de stimulations différentes ou d’un état pathologique. / The comprehension of cerebral operations is in constant evolution since the rise of the neurosciences.New methods of imagery made it possible to highlight an architecture of our brain in complex networks.The purpose of my work is to develop a method to find the most representative networks of a group of subjects in Functional MRI.In the first step, I developed a method to reduce the fMRI data size based on clustering. I introduced a new characterization of functional information by the profile of connectivity. This one makes it possible to reduce the variance induced by the noise present within the data of Functional MRI.Moreover this profile does not require a priori information on the data contrary to the traditional inferential methods.In the second step, I developed a method to identify common networks on a group of subjects while taking into account of spatial and functional inter-subjects variability. The networks obtained can then be characterized by their spatial organization but also by their inner connectivity links.This method also allows the comparison of the networks of various groups of subjects, making it possible to highlight the implications of different networks according to different stimulations or pathological states.