No description available.

L’état de stress post-traumatique (PTSD) est un trouble anxieux, lié au stress, souvent observé chez les soldats revenant de conflits armés, les victimes de guerre ou de catastrophes naturelles, mais qui peut également survenir après exposition à des situations plus « communes » dans les pays occidentaux en temps de paix, tels les accidents de la route ou les agressions sexuelles. Le PTSD est caractérisé par des troubles des fonctions exécutives (attention, mémoire de travail), associés à des anomalies cérébrales morphologiques et fonctionnelles. Cette thèse de doctorat a permis de caractériser les effets morphologiques et fonctionnels des différents traitements actuellement reconnus de première ligne pour les troubles anxieux et le trouble dépressif majeur, indiquant un effet « top-down » de normalisation des aires frontales par les traitements psychothérapiques, alors que les traitements pharmacologiques semblent avoir un effet « bottom-up » de normalisation des aires limbiques. De plus, dans une seconde étude, nous avons montré l’importance de l’étude de réseaux cérébraux impliqués dans la performance de tâches cognitives telles des tâches de mémoire. Ces réseaux se trouvent dérégulés dans la pathologie post-traumatique, conduisant à leur inefficacité, et provoquant une impossibilité pour les patients de pouvoir répondre correctement à la tâche proposée. Finalement, nous avons pu mettre en place un protocole de recherche clinique ambitieux de part son design longitudinal (visite à 1 mois, puis suivi à 6 mois) permettant de comprendre les étapes précoces du développement du PTSD chez des victimes d’agressions sexuelles. Cette étude allie mesures neuropsychologiques des fonctions exécutives, mesures biologiques de l’axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien (cortisol salivaire) et des mesures de neuroimagerie structurale (IRM, DTI), fonctionnelle (IRMf, ASL), incluant des mesures de connectivité cérébrale (structurale, fonctionnelle). / Posttraumatic stress disorder (PTSD) is an anxiety, stress-related disorder, often seen in soldiers returning from armed conflict, victims of war or natural disasters, but can also occur after exposure to more « common » situations in Western countries, such as motor vehicle accidents or sexual assault. PTSD is characterized by executive functioning impairments (attention, working memory) associated with morphological and functional brain abnormalities. This thesis aimed to characterize the morphological and functional effects of different treatments currently recognized as first line for anxiety disorders and major depressive disorder, indicating a « top-down » effect of normalization of frontal areas for psychotherapeutic treatments, while pharmacological treatments seem to lead to a « bottom-up » normalization effect in limbic areas. In addition, in a second study, we demonstrated the importance of the study of brain networks involved in the performance of cognitive tasks such as memory tasks. These networks are deregulated in PTSD, leading to their inefficiency, and therefore to PTSD patient’s inability to perform the required task correctly. Finally, we have set up an ambitious longitudinal (1 month and 6 months) clinical research protocol, investigating early stages of PTSD development in victims of sexual assault. This study combines neuropsychological measures of executive functions, biological measures of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis (salivary cortisol) and measures of structural (MRI, DTI) and functional imaging (fMRI, ASL), including measures of brain connectivity (structural, functional).

No description available.

No description available.

Les modifications de la morphologie du cortex cérébral induites par la maladie d'Alzheimer à ses stades précoces contribuent à l'intérêt croissant à l'égard des biomarqueurs de la morphologie corticale. Ceux-ci permettraient notamment une meilleure compréhension de l'impact de cette pathologie sur l'anatomie cérébrale et une détection plus précoce de la maladie. L'originalité de notre travail par rapport au reste de la littérature est de s'intéresser à la morphologie des surfaces interne (interface substance blanche / substance grise) et externe (interface substance grise / liquide cérébro-spinal) du cortex cérébral. Dans cette perspective, nous avons développé des méthodes d'estimation de la courbure et de la dimension fractale des surfaces corticales. A partir de ces biomarqueurs morphologiques et de l'épaisseur corticale dont la méthode d'estimation a été précédemment développée dans le laboratoire, nous avons exploré l'impact de la maladie d'Alzheimer sur la morphologie du manteau cortical et nous avons évalué leur apport individuel et celui de leur association au diagnostic précoce de la maladie. Nos résultats montrent une influence significative de la pathologie sur la morphologie des sillons et sur celle des circonvolutions des surfaces corticales interne et externe. En termes d'application diagnostique, nous montrons que prises isolément, l'épaisseur corticale présente une meilleure capacité prédictive que la courbure corticale, nous ne constatons en revanche aucune capacité prédictive de la dimension fractale. Par contre, nous montrons que l'utilisation conjointe de l'épaisseur corticale et de la courbure permet une amélioration significative du diagnostic précoce. / Morphological alterations of the cortical mantle in early stage of Alzheimer's disease have led to an increasing interest towards morphological biomarkers of the cerebral cortex. By providing a quantitative measure of the cortical shape, morphological biomarkers could provide better understanding of the impact of the disease on the cortical anatomy and play a role in early diagnosis. Therefore, as a primary goal in this study, we developed cortical surface curvature and fractal dimension estimation methods. We then applied those methods, together with the estimation of cortical thickness, to investigate the impact of Alzheimer's disease on the cortical shape as well as the contribution of cortical thickness and cortical curvature to the early diagnosis of Alzheimer's disease. The originality of this work lies in the estimation of sulcal and gyral curvature of the internal (gray matter/white matter boundary) and external (gray matter/cerebrospinal fluid boundary) cortical surfaces in addition to the fractal dimensions of these boundaries. Our results showed significant impact of Alzheimer's disease on sulcal and gyral shapes of the internal and external cortical surfaces. In addition, cortical thickness was found to have better ability than cortical curvature for the early diagnosis of Alzheimer's disease; no significant ability for the early diagnosis was found using fractal dimension. However, we found significant improvement in early diagnosis by combining cortical thickness and cortical curvature.

L'électroencéphalographie (EEG) est une technique d'imagerie cérébrale non invasive importante, capable d'enregistrer l'activité neuronale avec une grande résolution temporelle (ms), mais avec une résolution spatiale faible. Le problème inverse en EEG est un problème difficile, fortement sous-déterminé : des contraintes ou des a priori sont nécessaires pour aboutir à une solution unique. Récemment, l'intégration de signaux EEG et d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (fMRI) a été largement considérée. Les données EEG et fMRI relatives à une tâche donnée, reflètent les activités neuronales des mêmes régions. Nous pouvons donc supposer qu'il existe des cartes spatiales communes entre données EEG et fMRI. En conséquence, résoudre le problème inverse en EEG afin de trouver les cartes spatiales des sources EEG congruentes avec celles obtenues par l'analyse de signaux fMRI semble être une démarche réaliste. Le grand défi reste la relation entre l'activité neuronale électrique (EEG) et l'activité hémodynamique (fMRI), qui n'est pas parfaitement connue à ce jour. La plupart des études actuelles reposent sur un modèle neurovasculaire simpliste par rapport à la réalité. Dans ce travail, nous utilisons des a priori et des faits simples et généraux, qui ne dépendent pas des données ou de l'expérience et sont toujours valides, comme contraintes pour résoudre le problème inverse en EEG. Ainsi, nous résolvons le problème inverse en EEG en estimant les sources spatiales parcimonieuses, qui présentent la plus forte corrélation avec les cartes spatiales obtenues par fMRI sur la même tâche. Pour trouver la représentation parcimonieuse du signal EEG, relative à une tâche donnée, on utilise une méthode (semi-aveugle) de séparation de sources avec référence (RSS), qui extrait les sources dont la puissance est la plus corrélée à la tâche. Cette méthode a été validée sur des simulations réalistes et sur des données réelles d'EEG intracrânienne (iEEG) de patients épileptiques. Cette représentation du signal EEG dans l'espace des sources liées à la tâche est parcimonieuse. En recherchant les fonctions d'activation de fMRI similaires à ces sources, on déduit les cartes spatiales de fMRI très précises de la tâche. Ces cartes fournissent une matrice de poids, qui impose que les voxels activés en fMRI doivent être plus importants que les autres voxels dans la résolution du problème inverse en EEG. Nous avons d'abord validé cette méthode sur des données simulées, puis sur des données réelles relatives à une expérience de reconnaissance de visages. Les résultats montrent en particulier que cette méthode est très robuste par rapport au bruit et à la variabilité inter-sujets. / Electroencephalography (EEG) is an important non-invasive imaging technique as it records the neural activity with high temporal resolution (ms), but it lacks high spatial resolution. The inverse problem of EEG is underdetermined and a constraint or prior information is needed to find a unique solution. Recently, EEG-fMRI integration is widely considered. These methods can be categoraized in three groups. First group uses the EEG temporal sources as the regressors in the generalized linear method (GLM) which is used to analyze the fMRI data. The second group analyzes EEG and fMRI simultaneously which is known as fusion technique. The last one, which we are interested in, uses the fMRI results as prior information in the EEG inverse problem. The EEG and fMRI data of a specific task, eventually reflect the neurological events of the same activation regions. Therefore, we expect that there exist common spatial patterns in the EEG and the fMRI data. Therefore, solving the EEG inverse problem to find the spatial pattern of the EEG sources which is congruent with the fMRI result seems to be close to the reality. The great challenge is the relationship between neural activity (EEG) and hemodynamic changes (fMRI), which is not discovered by now. Most of the previous studies have used simple neurovascular model because using the realistic model is very complicated. Here, we use general and simple facts as constraints to solve the EEG inverse problem which do not rely on the experiment or data and are true for all cases. Therefore, we solve the EEG inverse problem to estimate sparse connected spatial sources with the highest correlation with the fMRI spatial map of the same task. For this purpose, we have used sparse decomposition method. For finding sparse representation of the EEG signal, we have projected the data on the uncorrelated temporal sources of the activity. We have proposed a semi-blind source separation method which is called reference-based source separation (R-SS) and extracts discriminative sources between the activity and the background. R-SS method has been verified on a realistic simulation data and the intracranial EEG (iEEG) signal of five epileptic patients. We show that the representation of EEG signal in its task related source space is sparse and then a weighted sparse decomposition method is proposed and used to find the spatial map of the activity. In the weighted sparse decomposition method we put fMRI spatial map in the weighting matrix, such that the activated voxels in fMRI are considered more important than the other voxels in the EEG inverse problem. We validated the proposed method on the simulation data and also we applied the method on the real data of the face perception experiment. The results show that the proposed method is stable against the noise and subject variability.

Le cerveau humain et les nombreuses fonctions qu'il sous-tend sont le fruit de multiples héritages évolutifs. Parmi ceux-ci, les mécanismes émotionnels qui nous permettent d'identifier les événements néfastes ou bénéfiques de notre environnement et d'y réagir, semblent primordiaux pour notre survie. Pour cela, ces mécanismes sont en étroite interaction avec toutes les modalités sensorielles ainsi qu'avec le système moteur. L'objectif de ce travail de thèse a été de mieux comprendre (1) les interactions qui peuvent exister entre un des systèmes perceptifs le plus sollicité chez l'humain : la vision, et le traitement émotionnel, et (2) le lien entre la dimension émotionnelle et motrice associée aux stimuli visuels. Par ailleurs, de nombreuses études sur le système visuel humain précisent que l'information en fréquences spatiales est cruciale dans la perception visuelle. Par conséquent, dans un premier objectif de recherche, nous avons cherché à comprendre dans quelle mesure les propriétés fréquentielles de l'information visuelle peuvent être utiles à la perception des stimuli émotionnels. Dans la littérature, cette problématique a été principalement étudiée pour la perception de visages expressifs. Dans cette thèse, nous avons travaillé avec des scènes émotionnelles complexes afin d'estimer dans quelle mesure les précédentes conclusions peuvent être généralisées à tous les stimuli émotionnels. Notre première étude en imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) a montré que, comme pour les visages expressifs, l'information grossière en basses fréquences spatiales est cruciale lors de la perception de scènes émotionnelles. Toutefois, la perception n'est qu'une étape dans le traitement de l'information ; nous sommes, en effet, habituellement amenés à évaluer les situations de notre environnement et à y réagir. C'est pourquoi, dans un second objectif de recherche, nous avons cherché à comprendre les interactions qui peuvent également exister entre les propriétés fréquentielles du système visuel et deux grandes évaluations affectives explicites : l'évaluation du ressenti émotionnel et celle de la tendance à agir. Deux nouvelles études, l'une comportementale, l'autre en IRMf, nous ont permis de montrer que l'ensemble de l'information en fréquences spatiales semble utile pour l'évaluation du ressenti émotionnel alors que l'information en hautes fréquences spatiales semble cruciale pour l'évaluation de la tendance à l'action. L'ensemble de ces travaux suggère l'existence d'une flexibilité dans l'utilisation de l'information en fréquences spatiales qui serait dépendante du type de traitement réalisé sur l'information émotionnelle. / The human brain and the numerous cognitive functions associated to it are the product of several evolutionary heritages. Among these, the emotional mechanisms, which enable us to identify and react to harmful or beneficial events, seem to be essential to survive. In order to do so, these mechanisms closely interact with all sensory modalities, as well as with the motor system. The aim of this work was to better understand (1) the interactions between one of most important sensory systems for human beings –eyesight- and the emotional processing, as well as (2) the link between the emotional and the motor charactersitics associated with the emotional stimuli. Moreover, numerous studies on the human visual system specify that the spatial frequency information is crucial to visual perception. Therefore, as the primary objective of this research, we sought to assess to what extent the frequency properties of visual information may be useful to the perception of emotional stimuli. In the scientific literature, this issue has mainly been studied through the perception of emotional faces. For this thesis, we have worked with complex emotional scenes so as to check to what extent previous conclusions concerning emotional faces can be extended to all emotional stimuli. Our first study in functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) showed that, as for emotional faces, coarse information in low spatial frequencies is essential for the perception of emotional scenes. However, perception is only one step in the processing of information. Indeed, we are usually made to assess events taking place in our environment and to react to them. That is why, as the second objective of this research, we sought to understand the interactions between the frequency properties of the visual system and two major explicit affective assessments – emotional and motivational appraisal. Two new studies - one in behavioral studies and the other one in fMRI - made it possible for us to show that the full range of spatial frequency information seems useful to assess emotional appraisal, whereas high spatial frequencies information seems crucial for motivational appraisal. This work suggests the existence of a flexible use of spatial frequency information depending on the emotional processing involved.

L’imagerie par résonance magnétique est une technique non invasive et non ionisante permettant de caractériser la structure anatomique des tissus biologiques mous via la localisation des signaux de résonance magnétique nucléaire (RMN) des molécules mobiles. Cependant, l’application de l’IRM pour l’étude des matériaux rigides reste difficile dû aux forts élargissements des raies de résonances inhérents aux matériaux solides qui diminuent la résolution et le rapport signal sur bruit des images obtenues par encodage fréquentiel.La rotation à l’angle magique (MAS) permet de moyenner efficacement les interactions anisotropes de l’état solide par une rotation de l’échantillon, réduisant ainsi la largeur des raies de résonance. Dans ce manuscrit la possibilité de combiner la rotation à l’angle magique et l’IRM pour effectuer de la micro-imagerie multidimensionnelle et multi-nucléaire (¹H, ³¹P, ²⁷Al et ⁵¹V) à très haut champ magnétique (17,6 T) de matériaux solides avec une résolution et un rapport signal sur bruit largement supérieur à ceux obtenus en condition statique est démontrée. Une large gamme de matériaux (polymères, céramiques et tissus calcifiés biologiques) a été étudiée. Des images avec une résolution comprise entre 30 et 300 μm ont pu être obtenues pour des fréquences de rotation MAS allant jusqu’à 20 kHz, en utilisant des séquences IRM d’écho ou à temps d’écho nul. La possibilité d’utiliser un schéma de sous-échantillonnage associé à des algorithmes de reconstruction est aussi abordée.L’utilisation de séquences de RMN solide tels que la polarisation croisée pour augmenter le contraste et ainsi mettre en évidence des variations physico-chimiques localisées dans des tissus calcifiés biologiques est aussi démontrée. L’utilisation de gradients de champ magnétique pulsés combinés à la rotation à l’angle magique rend aussi possible la spectroscopie RMN de haute résolution localisée spatialement. Cette méthode a été utilisée pour étudier in vivo et dans chacun des segments du corps le métabolome de drosophiles modèles de pathologies neurodégénératives. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a non-invasive and non-ionizing powerful tool widely used to characterize the structure and function of biological soft tissues through the localization of the NMR signal of mobile species. In contrast, the application of MRI in rigid solids remains challenging as they usually exhibit strong line broadening which decreases both the sensitivity and the resolution obtained with frequency encoding and short transverse relaxation time prohibiting the use of echo MRI sequences.Magic Angle Spinning (MAS) provides an efficient averaging of the an isotropic interactions in the solid statethrough a macroscopic rotation of the sample and allows obtaining narrow resonances. In this manuscript,we show the potentialities of combining MAS and MRI to carry out multi-nuclei (¹H, ³¹P, ²⁷Al or ⁵¹V) multidimensional micro-imaging in rigid solids, at very high magnetic field (17.6 T), with greatly improved SNR and spatial resolution when compared to static conditions. This is exemplified on a wide range of materials(polymers, oxide ceramics, biomaterials and hard tissues) for which the use of MAS at frequencies up to 20 kHz with spin-echo or Zero Echo Time (ZTE) MRI sequences allow obtaining images with spatialre solutions ranging from 30 to 300 μm. It is also demonstrated that solid state NMR sequences such as Cross-Polarization (CP) can be employed to enhance contrast and to further depict spatially localized chemical variations in bones and related materials. The possibility of using under sampled acquisition scheme with reconstruction algorithms is also addressed.The combination between pulsed field gradients and MAS also offers the possibility to perform high resolution localized spectroscopy. This methodology is used to study, in vivo and at the organ level, the metabolism of neuro degenerative pathologies drosophila models.

Résumé : 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 connaissances 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. / Abstract : 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 diffusion-weighted 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 means 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.

Objet de nombreuses spéculations religieuses ou philosophiques, le rêve reste encore l'une des grandes terra incognita de la cognition humaine.Une des questions récurrentes sur le rêve porte sur la grande variabilité de fréquence de rappel de rêve. En effet, alors que certaines personnes se souviennent de leurs rêves quotidiennement (« Rêveurs »), d'autres ne s'en souviennent que très rarement (« Non-rêveurs »). Le principal objectif de notre travail de thèse a été de caractériser les corrélats cérébraux et comportementaux de cette variabilité interindividuelle, en comparant entre ces deux groupes la structure du sommeil (Étude 1), mais aussi l'activité cérébrale pendant les minutes qui suivent le réveil (Étude 2). Nous avons entre autres montré que les « Rêveurs » faisaient preuve d'une plus grande connectivité fonctionnelle au sein du réseau par défaut et de régions impliquées dans des processus mnésiques dans les minutes suivant l'éveil, ce qui pourrait faciliter chez ces personnes le rappel et/ou la consolidation du rêve. Cette étude nous a également permis, grâce à l'analyse des nombreuses réponses obtenues au questionnaire de recrutement, de mesurer les habitudes de sommeil et de rêve chez un échantillon large d'étudiants de l'Université de Lyon 1 (Étude 3).Dans une quatrième étude comportementale, nous nous sommes intéressés au lien existant entre la vie éveillée et le contenu du rêve. Nos résultats ont permis de mieux caractériser les facteurs influençant la probabilité d'incorporation des évènements de la vie éveillée dans le rêve, et ont mis en évidence l'importance du rêve dans des processus de régulation émotionnelle.Finalement, en parallèle de ces travaux, nous nous sommes attachés au développement d'un logiciel gratuit de visualisation et d'analyse de tracés de polysomnographie, dont l'objectif est de fournir une interface intuitive et portable aux étudiants et chercheurs travaillant sur le sommeil / Since the dawn of time, humans have sought to understand the nature and meaning of their dreams. However, despite millennia of philosophical speculation and more than a century of scientific exploration, several questions regarding dreams remain pending.One question that constitutes the core problematic of this thesis relates to why there are such individual differences in the frequency of dream recall, or in other words, why some people remember up to several dreams per morning (High-recallers, HR) while some hardly ever recall one (Low-recallers, LR). To characterize the cerebral and behavioral correlates of this variability, we compared the sleep microstructure (Study 1), as well as the brain functional connectivity in the minutes following awakeningfrom sleep, a period marked by sleep inertia (Study 2). Among other results, we have shown that just after awakening, HR demonstrated a greater functional connectivity within regions involved in memory processes (default mode network). We proposed that this reflect a differential neurophysiological profile, which could facilitate in HRthe retrieval of dream content upon awakening. Second, the numerous answers to the recruitment questionnaire of this study allowed us to conduct an epidemiological survey to characterize the sleep and dream habits of a large sample of French college students from Lyon 1 University (Study 3). In another study, we focused on the relationships between waking-life and dream content (Study 4). Our results enhanced and refined our comprehension of the factors influencing the likelihood of incorporation of waking-life elements into dreams, and provided support for the hypothesis of an active role of dreaming in emotional regulation.Lastly, we designed a free and open-source software dedicated to the visualization and analysis of polysomnographic recordings (Study 5), which aims at providing an intuitive and portable graphical interface to students and researchers working on sleep