Objective: Reductions of gray matter volume and cortical thickness in anorexia nervosa (AN) are well documented. However, findings regarding the integrity of white matter (WM) as studied via diffusion weighted imaging (DWI) are remarkably heterogeneous, and WM connectivity has been examined only in small samples using a limited number of regions of interest. The present study investigated whole-brain WM connectivity for the first time in a large sample of acutely underweight patients with AN. Method: DWI data from predominantly adolescent patients with acute AN (n ¼ 96, mean age ¼ 16.3 years) and age-matched healthy control participants (n ¼ 96, mean age ¼ 17.2 years) were analyzed. WM connectivity networks were generated from fiber-tractography-derived streamlines connecting 233 cortical/subcortical regions. To identify group differences, network-based statistic was used while taking head motion, WM, and ventricular volume into account. Results: Patients with AN were characterized by 6 WM subnetworks with abnormal architecture, as indicated by increased fractional anisotropy located primarily in parietal-occipital regions and accompanied by reduced radial diffusivity. Group differences based on number of streamlines reached only nominal significance. Conclusion: Our study reveals pronounced alterations in the WM connectome in young patients with AN. In contrast to known reductions in gray matter in the acutely underweight state of AN, this pattern does not necessarily indicate a deterioration of the WM network. Future studies using advanced MRI sequences will have to clarify interrelations with axonal packing or

La rigidité artérielle fait référence à la perte d'élasticité principalement dans les grandes artères telles que l'aorte et les carotides. On sait que la rigidité artérielle chroniquement élevée contribue à des modifications vasculaires cérébrales telles que des lésions parenchymateuses de la substance blanche cérébrale via une modification du flux sanguin cérébral. En particulier, parmi les structures perfusées par les artérioles fournies par les artères cérébrales antérieure et moyenne, le corps calleux, la capsule interne, la corona radiata et le faisceau longitudinal supérieur sont les plus vulnérables à l’hypoperfusion. Des études antérieures ont montré que l'augmentation de la rigidité artérielle évaluée par la vitesse de l'onde de pouls carotide-fémorale (cfPWV) est associée à une diminution de l'anisotropie fractionnelle (FA) et à une augmentation de la diffusivité radiale (RD). On a émis l'hypothèse que les altérations au niveau des régions vulnérables de la substance blanche (par exemple, le corps calleux, la capsule interne) seraient probablement liées à la démyélinisation axonale. Cependant, bien que la RD a auparavant été corrélée avec la démyélinisation axonale, l'imagerie de diffusion est principalement aveugle à la myéline. En revanche, l'imagerie par transfert de magnétisation (MT) est une métrique adaptée pour estimer la fraction volumique de myéline. De plus, malgré leur sensibilité à l'organisation des fibres axonales, les métriques de tenseur de diffusion (DTI) telles que les FA et RD manquent de spécificité pour la microstructure tissulaire individuelle. Des modèles microstructuraux plus avancés tels que l’imagerie dispersion et de l'orientation des neurites (NODDI) fournissent des outils pour disséquer les changements microstructuraux derrière les mesures DTI. Dans l'article 1, nous avons utilisé les métriques de DTI et basé sur le MT pour examiner de plus près l'interaction entre la rigidité artérielle et la microstructure de la substance blanche chez les personnes âgées de plus de 65 ans. Nous avons constaté que la mesure de référence absolue de la rigidité artérielle, la mesure de la vitesse de l'onde de pouls entre l’artère fémorale et carotidienne (cfPWV) était associée à l'organisation axonale des fibres telle que reflétée par FA et RD plutôt qu'à la démyélinisation dans les régions de la substance blanche qui ont été précédemment désignées comme vulnérables à rigidité artérielle. Dans notre deuxième article, nous avons utilisé le modèle NODDI pour approfondir la relation entre le cfPWV et l'organisation axonale. Nos résultats ont montré que la cfPWV est positivement associée à la diffusion extracellulaire de l'eau (ISOVF), ce qui signifie que la rigidité artérielle peut entraîner une dispersion axonale, diminuant la contrainte de directionnalité de l'eau le long des axones. En outre, nous avons constaté que la rigidité artérielle est associée à une augmentation de la densité des fibres dans le corps calleux tel que mesuré par l’ICVF, ce qui pourrait suggérer que les personnes à risque plus élevé de déclin cognitif présentent des mécanismes compensatoires précoces avant l'apparition de signes cliniques de déclin cognitif. Compte tenu de la forte interaction entre la rigidité artérielle et le déclin à la fois de la structure du cerveau et des fonctions cérébrales, on peut envisager un avenir meilleur où la rigidité artérielle sera mesurée dans la pratique clinique de routine afin d'identifier les personnes à risque plus élevé d’altérations de la substance blanche et de déclin cognitif. Ces personnes pourraient bénéficier de programmes multi-interventionnels visant à préserver la structure et la fonction cérébrale. Un seuil de rigidité artérielle est donc nécessaire pour identifier ces individus. L'article 3 présente la première estimation d'une valeur seuil de cfPWV à laquelle la rigidité artérielle affecte la microstructure de la substance blanche chez les personnes âgées. Nos résultats suggèrent que le seuil actuel de 10 m / s de cfPWV adopté par la Société européenne d'hypertension n'est peut-être pas le seuil optimal pour diviser les individus en groupes à risque neurovasculaire élevé et faible. Au lieu de cela, nos résultats suggèrent que le seuil de cfPWV est plus susceptible d’être autour de 8,5 m / s. Bien que le cfPWV offre une excellente valeur pronostique chez les adultes, il reste malheureusement principalement utilisé dans la recherche en raison du besoin d'experts formés pour cette mesure. À l'inverse, la mesure de l'indice de rigidité artérielle (ASI) à l'aide de la pléthysmographie suscite un intérêt croissant ces dernières années en raison de son approche simple à utiliser. Dans l'article 4, nous avons étudié la relation entre l'ASI et la pression pulsée (PP) qui est une mesure indirecte de la rigidité artérielle, avec la FA et les lésions de la substance blanche chez les participants du UK Biobank. Nous avons constaté que la PP prédit mieux l'intégrité de la substance blanche que l'ASI chez les participants de moins de 75 ans. Cette constatation implique que l'ASI de la pléthysmographie ne semble pas être une mesure fiable de la rigidité artérielle chez les personnes âgées. Des études futures sont évidemment nécessaires pour valider nos résultats, en particulier notre seuil de cfPWV. Une fois ce seuil validé, nous envisageons un avenir radieux où la mesure du cfPWV sera non seulement utilisée pour aider à sélectionner les personnes qui bénéficieraient le plus d'un programme multi-interventionnel visant à préserver l'intégrité cérébrale, mais pourrait également être utilisée pour surveiller l’effet d’une telle intervention. / Arterial stiffness refers to the loss of elasticity mainly in large arteries such as the aorta and carotids. Chronically elevated arterial stiffness contributes to cerebrovascular changes such as cerebral white matter parenchymal damage via an alteration of cerebral blood flow. In particular, among the areas perfused by arterioles supplied by the anterior and middle cerebral arteries, the corpus callosum, the internal capsule, the corona radiata, and the superior longitudinal fasciculus are more vulnerable to cerebral hypoperfusion. Previous studies have shown that increased arterial stiffness as assessed by carotid-femoral pulse wave velocity (cfPWV) is associated with a decrease in fractional anisotropy (FA) and increase in radial diffusivity (RD). It was hypothesized that alterations in vulnerable white matter tracts (e.g. corpus callosum, internal capsule) are likely to be related to axonal demyelination. However, while RD was previously correlated with axonal demyelination, diffusion imaging is mostly blind to myelin. In contrast magnetization transfer (MT) imaging is a tailored metric to estimate myelin volume fraction. Moreover, despite their sensitivity to axon fiber organization, diffusion tensor metrics (DTI) such as FA and RD lack specificity for individual tissue microstructure. More advanced microstructural model such as neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI) give tools to disecate the microstructural changes behind DTI metrics. In Article 1 we used DTI and MT based metric to look more closely at the interplay between arterial stiffness and white matter microstructure in older adults > 65 years old. We found that the gold standard measure of arterial stiffness, the measure of carotid femoral pulse wave velocity (cfPWV) was associated with axonal fiber organization as reflected by FA and RD rather than demyelination in the white matter regions that have been previously denoted as vulnerable to arterial stiffness. In our second Article, we used the NODDI model to take a further look at the relationship between cfPWV and axonal organization. Our results showed that cfPWV is positively associated with the extracellular water diffusion (ISOVF) which means that arterial stiffness may result in axonal dispersion, lessening the constraint of water directionality along axons. In addition, we found that arterial stiffness is associated with increased fibers density in the corpus callosum as measured by ICVF which could suggest that individuals at higher risk for cognitive decline demonstrate early compensatory mechanisms before the appearance of clinical signs of cognitive decline. Considering the strong interplay between arterial stiffness and decline both in brain structure and function, one can envision a bright future where arterial stiffness would be measured in routine clinical practice in order to identify individuals at higher risk for white matter changes and cognitive decline. Such individuals could benefit from multi-interventions programs aiming to preserve brain structure and function. A cut-off arterial stiffness is thus needed to identify these individuals. Article 3 presents the first estimation of an cfPWV cut-off value at which arterial stiffness impacts the white matter microstructure in older adults. Our results suggested that the current 10 m/s cfPWV cut-off adopted by the European Society of Hypertension may not be the optimal threshold to split individuals into high and low neurovascular risk groups. Instead, our findings suggest that the cfPWV cut-off is more likely to fall around 8.5 m/s. While cfPWV provides excellent prognostic value in adults, it remains unfortunately mainly used in research due to the need of trained experts. Conversely, measure of arterial stiffness index (ASI) using plethysmography is getting increased interest in the last few years due to its simple-to-use approach. In article 4, we investigated the relationship between ASI and pulse pressure (PP), an indirect measure of arterial stiffness, with FA and white matter lesions in participants of the UK Biobank. We found that PP better predicts white matter integrity compared to ASI in participants younger than 75 years old. This finding implies that ASI from plethysmography may not be a reliable measure of arterial stiffness in older adults. Future studies are obviously needed to validate our results, in particular our cfPWV cut-off. Once such cut-off will be validated, the present author envision a bright future where measure of cfPWV will not only be used to help selecting individuals that would most benefit from a multi intervention program aiming to preserve brain integrity, but could also be used to monitor the effect of such intervention.

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Recently there has been considerable attention directed towards the increased risk for head injuries that athletes face while participating in high impact sports. Furthermore, there is also heightened interest in the asymptomatic sport related sub-concussive blows, commonly experienced during play, that possibly lead to long term neurological deficits. Purpose: The goal of this study was to investigate retired professional athletes of the Canadian Football League with a history of sport-related concussions, using several advanced MRI methods. The ultimate goal being the identification of any potential synergistic effects between a history of sport-related concussions, and exacerbated cognitive decline later on in life. Materials and Methods: Twenty former professional athletes of the Canadian Football League were scanned using a GE Discovery MR750 3T MRI with a 32-channel RF-coil. Axial FSPGR-3D images were used to define rs-BOLD and DTI scans. Seed based network analysis of the DMN was performed on rs-BOLD data. Voxel-wise tensor fitting of DTI data provided the means for estimating several tensor metrics. Results were normalized through comparison with a database of healthy controls. Potential associations between functional connectivity, white matter integrity, and cortical thickness measures were correlated with retired athlete position and years of professional play. Results: We found widespread cortical thinning in retired CFL subjects, alongside significant increases in axial and mean diffusivity in the corona radiata and splenium and genu of the corpus callosum compared to controls. Seed based correlation analysis of the DMN network revealed interrupted connectivity in retired athletes. Athlete age, po- sition, and number of years played appear to be factors in overall core white matter microstructural integrity. Conclusions: When compared to an age and sex matched control population, differences were observed both in functional and structural con- nectivity, suggesting that even years after retiring the brains of these former athletes still exhibit signs of damage. / Thesis / Master of Applied Science (MASc) / Sport-related concussions affect millions of athletes on a yearly basis in the United States alone. Concussions are often accompanied by short-lived neurological impairments, such as confusion, headaches, dizziness, nausea and memory loss. In addition, there is the potential for development of long term mental health and cognitive impairment. The goal of this work was to identify any neurological changes present in retired athletes of the Canadian Football League, through the use of advanced magnetic resonance imaging techniques evaluating thickness of brain structures, changes in brain activity, and alterations in core microstructure of the brain. Analyzing the results of these techniques revealed changes in a number of brain regions within the retired professional athlete population. These results suggest that a career of high impact sports may lead to short term, in addition to long-term neurological consequences.

Multi-site MRI studies collect large amounts of data in a short time frame. Large sample sizes are desirable to address power and replicability issues that have been problematic for scientists in the past. Although multi-site MRI solves the sample size problem, it brings with it a new set of challenges. Scanning the same person at different sites might result in differences in MRI derived measurements. In this thesis we compared three approaches to facilitate the analysis of multi-site MRI data: quantitative R1 mapping, adding site as a covariate in a linear model, and using the ComBat method. We also investigated the relationship between two common MRI measurements: signal and volume. We collected data from 64 healthy participants across 3 GE scanners and 1 Siemens scanner at 3T. We found that signal intensity was different between vendors whereas volume was not. Our R1 method resulted in values that were different across vendor and significantly lower than those reported in the literature. B1+ maps used to calculate R1 were different across sites. Using a scale factor, we were able to compensate for mistakes in R1 mapping. We also found that adding site as a covariate corrected mean differences in signal intensity across sites, but not differences in variance. The ComBat method gave best similarity between sites. However, since different people were scanned at each site, we couldn’t evaluate the effectiveness of each method as variation in the data could have been due to site effects or heterogeneity in participants. White matter volume and signal intensity in the white matter were correlated in males but not in females. We found that this low correlation was caused by outliers in our female sample. The correlation between white matter volume and signal in males suggests that both metrics are measuring myelin and can be used as converging evidence to detect changes in brain myelination. / Thesis / Master of Science (MSc)

Einleitung Mit dem zunehmenden Anteil älterer Menschen an der Bevölkerung rücken altersassoziierte Erkrankungen wie die Demenz immer stärker in den Fokus. Die zerebrale Mikroangiopathie (cerebral small vessel disease, CSVD) aus der Gruppe der vaskulären Demenzen zählt nach der Alzheimerdemenz (AD) zu den häufigste Erkrankungen dieser Gruppe und beeinträchtigt in ihrer häufigsten Form (subkortikale arteriosklerotische Enzephalopathie, SAE; syn. M. Binswanger) insbesondere subkortikale Funktionen wie das Ausführen mehrteiliger zielgerichteter Handlungen (Exekutivfunktionen) und visuomotorische Geschwindigkeit. Zugrunde liegend sind zerebrale Durchblutungsstörungen, welche sich bilddiagnostisch (bevorzugt MRT) als sogenannte White Matter Lesions (Marklagerläsionen) zeigen. Nicht selten sind diese und liquorchemische Hinweise auf eine Alzheimerdemenz im Sinne einer Mischdemenz (MD, hier CSVD+) koexistent. Eine klinische Differentialdiagnose ist durch die große Variabilität der neuropsychologischen Defizite bei Patienten mit zerebraler Mikroangiopathie häufig erschwert. Zielsetzung / Methoden Ziel dieser Arbeit war es demzufolge, weitere Erkenntnisse über die neuropsychologischen Ausfallprofile zu gewinnen und neue differentialdiagnostische Optionen zu den genannten Demenzformen zu erproben. Zu diesem Zweck wurden 89 Patienten mit White Matter Lesions in der MRT rekrutiert und mit Hilfe des MMST (&lt;/≥ 28 Punkte) in neuropsychologisch unauffällige (Kontrollgruppe, n = 37 Patienten) und kognitive beeinträchtigte Patienten unterteilt. Letztere wurden durch Untersuchung auf alzheimertypische Liquorparameter (Aβ-Quotient (Aβ1-40/Aβ1-42) und/oder Aβ1-42) nochmals in die beiden Untersuchungsgruppen Gruppe 1 CSVD (n = 22 Patienten) und Gruppe 2 CSVD+ (n = 29 Patienten) unterteilt. Alle Patienten wurden einer ausführlichen neuropsychologischen Evaluation (CAMCOG, Clox-Test, Trailmaking-Test, Boston Naming Test) unterzogen und die MRT-Bilder wurden mit Hilfe der Scale for Age-Related White Matter Lesions (ARWMC) ausgewertet. Als mögliches neues differentialdiagnostisches Hilfsmittel wurde der CAMCOG-Quotient (Gedächtnis/Exekutivfunktionen) auf seine Aussagekraft untersucht. Um mögliche Einflussfaktoren auf die kognitive Leistungsfähigkeit zu identifizieren, wurden Alter, Ausbildungszeit, Ausmaß der White Matter Lesiosns (ARWMC) und Geschlecht diesbezüglich untersucht. Ergebnisse Die Untersuchungsgruppen (CSVD, CSVD+) und die Kontrollgruppe unterschieden sich signifikant im Bereich des Alters und der Ausbildungszeit. Die Gruppen CSVD und CSVD+ ließen sich lediglich im Mini-Mental-Status-Test (p = 0,044) von einander unterscheiden. In Bezug auf die Belastung mit White Matter Lesions (ARWMC) bestanden zwischen allen drei Gruppen keine signifikanten Unterschiede. Beide Untersuchungsgruppen zeigten deutliche kognitive Einschränkungen und ließen sich in jedem der durchgeführten neuropsychologischen Tests von der Kontrollgruppe unterscheiden. Jedoch zeigten sich vereinzelt auch in der Kontrollgruppe eindeutig pathologische Ergebnisse, die im MMST nicht erfasst worden waren. Zwischen den beiden Untersuchungsgruppen waren lediglich in Clox1 (p = 0,033) und dem neu entwickelten CAMCOG-Quotient (p < 0,01) Unterschiede feststellbar. Letzterer erzielte für die Detektion einer möglichen zusätzlichen Alzheimerdemenz bei einem Cutoff <1,18 eine Sensitivität von 61% und einer Spezifität von 81%. Bei der Untersuchung möglicher Einflussfaktoren auf die kognitive Leistungsfähigkeit konnte für ein höheres Alter ein negativer Effekt nachgewiesen werden. Bei ausreichender Stichprobengröße war eine längere Ausbildungszeit mit besseren Ergebnissen korrelierbar. Dahingegen waren für das Geschlecht und auch das Ausmaß der White Matter Lesions keine eindeutigen Korrelationen mit niedrigeren Testergebnissen festzustellen. Für den CAMCOG-Quotienten konnten für die Anwendung bei kognitiv eingeschränkten Patienten keine Einflussfaktoren identifiziert werden. Zusammenfassung Erwartungsgemäß waren in den beiden Untersuchungsgruppen deutliche kognitive Defizite feststellbar, wobei in fast allen durchgeführten Tests die Gruppe CSVD+ die schlechteren Ergebnisse erzielte. Statistische Signifikanz erreichte dies jedoch lediglich in einem durchgeführten Standardtest, was zeigt, dass Patienten mit reiner zerebraler Mikroangiopathie und einer Mischform bei gleichzeitiger Alzheimerdemenz anhand einer neuropsychologischen Untersuchung nur schwer von einander unterscheidbar sind. In dieser schwierigen differentialdiagnostischen Frage bietet der neu entwickelte CAMCOG-Quotient ein gutes Hilfsmittel. Von den hier untersuchten Einflussfaktoren auf die kognitiven Fähigkeiten der Patienten hatte lediglich das Alter einen eindeutig negativen Einfluss. Dieser war für den CAMCOG-Quotient nicht nachweisbar, womit dieser altersunabhängig eingesetzt werden kann. Als interessanten und klinisch relevanten Nebenaspekt zeigte sich bei dieser Arbeit, dass der MMST als Screeningtest bei Patienten mit White Matter Lesions kein ausreichendes Diagnostikum zum Ausschluss kognitiver Defizite darstellt.

L’Imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil fondamental pour l’exploration in vivo du développement du cerveau chez le fœtus, le bébé et l’enfant. Elle fournit plusieurs paramètres quantitatifs qui reflètent les changements des propriétés tissulaires au cours du développement en fonction de différents processus de maturation. Cependant, l’évaluation fiable de la maturation de la substance blanche est encore une question ouverte: d'une part, aucun de ces paramètres ne peut décrire toute la complexité des changements sous-jacents; d'autre part, aucun d'eux n’est spécifique d’un processus de développement ou d’une propriété tissulaire particulière. L’implémentation d’approches multiparamétriques combinant les informations complémentaires issues des différents paramètres IRM devrait permettre d’améliorer notre compréhension du développement du cerveau. Dans ce travail de thèse, je présente deux exemples de telles approches et montre leur pertinence pour l'étude de la maturation des faisceaux de substance blanche. La première approche fournit une mesure globale de la maturation basée sur la distance de Mahalanobis calculée à partir des différents paramètres IRM (temps de relaxation T1 et T2, diffusivités longitudinale et transverse du tenseur de diffusion DTI) chez des nourrissons (âgés de 3 à 21 semaines) et des adultes. Cette approche offre une meilleure description de l’asynchronisme de maturation à travers les différents faisceaux que les approches uniparamétriques. De plus, elle permet d'estimer les délais relatifs de maturation entre faisceaux. La seconde approche vise à quantifier la myélinisation des tissus cérébraux, en calculant la fraction de molécules d’eau liées à la myéline (MWF) en chaque voxel des images. Cette approche est basée sur un modèle tissulaire avec trois composantes ayant des caractéristiques de relaxation spécifiques, lesquelles ont été pré-calibrées sur trois jeunes adultes sains. Elle permet le calcul rapide des cartes MWF chez les nourrissons et semble bien révéler la progression de la myélinisation à l’échelle cérébrale. La robustesse de cette approche a également été étudiée en simulations. Une autre question cruciale pour l'étude du développement de la substance blanche est l'identification des faisceaux dans le cerveau des enfants. Dans ce travail de thèse, je décris également la création d'un atlas préliminaire de connectivité structurelle chez des enfants âgés de 17 à 81 mois, permettant l'extraction automatique des faisceaux à partir des données de tractographie. Cette approche a démontré sa pertinence pour l'évaluation régionale de la maturation de la substance blanche normale chez l’enfant. Pour finir, j’envisage dans la dernière partie du manuscrit les applications potentielles des différentes méthodes précédemment décrites pour l’étude fine des réseaux de substance blanche dans le cadre de deux exemples spécifiques de pathologies : les épilepsies focales et la leucodystrophie métachromatique. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a fundamental tool for in vivo investigation of brain development in newborns, infants and children. It provides several quantitative parameters that reflect changes in tissue properties during development depending on different undergoing maturational processes. However, reliable evaluation of the white matter maturation is still an open question: on one side, none of these parameters can describe the whole complexity of the undergoing changes; on the other side, neither of them is specific to any particular developmental process or tissue property. Developing multiparametric approaches combining complementary information from different MRI parameters is expected to improve our understanding of brain development. In this PhD work, I present two examples of such approaches and demonstrate their relevancy for investigation of maturation across different white matter bundles. The first approach provides a global measure of maturation based on the Mahalanobis distance calculated from different MRI parameters (relaxation times T1 and T2, longitudinal and transverse diffusivities from Diffusion Tensor Imaging, DTI) in infants (3-21 weeks) and adults. This approach provides a better description of the asynchronous maturation across the bundles than univariate approaches. Furthermore, it allows estimating the relative maturational delays between the bundles. The second approach aims at quantifying myelination of brain tissues by calculating Myelin Water Fraction (MWF) in each image voxel. This approach is based on a 3-component tissue model, with each model component having specific relaxation characteristics that were pre-calibrated in three healthy adult subjects. This approach allows fast computing of the MWF maps from infant data and could reveal progression of the brain myelination. The robustness of this approach was further investigated using computer simulations. Another important issue for studying white matter development in children is bundles identification. In the last part of this work I also describe creation of a preliminary atlas of white matter structural connectivity in children aged 17-81 months. This atlas allows automatic extraction of the bundles from tractography datasets. This approach demonstrated its relevance for evaluation of regional maturation of normal white matter in children. Finally, in the last part of the manuscript I describe potential future applications of the previously developed methods to investigation of the white matter in cases of two specific pathologies: focal epilepsy and metachromatic leukodystrophy.

L’Imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil fondamental pour l’exploration in vivo du développement du cerveau chez le fœtus, le bébé et l’enfant. Elle fournit plusieurs paramètres quantitatifs qui reflètent les changements des propriétés tissulaires au cours du développement en fonction de différents processus de maturation. Cependant, l’évaluation fiable de la maturation de la substance blanche est encore une question ouverte: d'une part, aucun de ces paramètres ne peut décrire toute la complexité des changements sous-jacents; d'autre part, aucun d'eux n’est spécifique d’un processus de développement ou d’une propriété tissulaire particulière. L’implémentation d’approches multiparamétriques combinant les informations complémentaires issues des différents paramètres IRM devrait permettre d’améliorer notre compréhension du développement du cerveau. Dans ce travail de thèse, je présente deux exemples de telles approches et montre leur pertinence pour l'étude de la maturation des faisceaux de substance blanche. La première approche fournit une mesure globale de la maturation basée sur la distance de Mahalanobis calculée à partir des différents paramètres IRM (temps de relaxation T1 et T2, diffusivités longitudinale et transverse du tenseur de diffusion DTI) chez des nourrissons (âgés de 3 à 21 semaines) et des adultes. Cette approche offre une meilleure description de l’asynchronisme de maturation à travers les différents faisceaux que les approches uniparamétriques. De plus, elle permet d'estimer les délais relatifs de maturation entre faisceaux. La seconde approche vise à quantifier la myélinisation des tissus cérébraux, en calculant la fraction de molécules d’eau liées à la myéline (MWF) en chaque voxel des images. Cette approche est basée sur un modèle tissulaire avec trois composantes ayant des caractéristiques de relaxation spécifiques, lesquelles ont été pré-calibrées sur trois jeunes adultes sains. Elle permet le calcul rapide des cartes MWF chez les nourrissons et semble bien révéler la progression de la myélinisation à l’échelle cérébrale. La robustesse de cette approche a également été étudiée en simulations. Une autre question cruciale pour l'étude du développement de la substance blanche est l'identification des faisceaux dans le cerveau des enfants. Dans ce travail de thèse, je décris également la création d'un atlas préliminaire de connectivité structurelle chez des enfants âgés de 17 à 81 mois, permettant l'extraction automatique des faisceaux à partir des données de tractographie. Cette approche a démontré sa pertinence pour l'évaluation régionale de la maturation de la substance blanche normale chez l’enfant. Pour finir, j’envisage dans la dernière partie du manuscrit les applications potentielles des différentes méthodes précédemment décrites pour l’étude fine des réseaux de substance blanche dans le cadre de deux exemples spécifiques de pathologies : les épilepsies focales et la leucodystrophie métachromatique. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a fundamental tool for in vivo investigation of brain development in newborns, infants and children. It provides several quantitative parameters that reflect changes in tissue properties during development depending on different undergoing maturational processes. However, reliable evaluation of the white matter maturation is still an open question: on one side, none of these parameters can describe the whole complexity of the undergoing changes; on the other side, neither of them is specific to any particular developmental process or tissue property. Developing multiparametric approaches combining complementary information from different MRI parameters is expected to improve our understanding of brain development. In this PhD work, I present two examples of such approaches and demonstrate their relevancy for investigation of maturation across different white matter bundles. The first approach provides a global measure of maturation based on the Mahalanobis distance calculated from different MRI parameters (relaxation times T1 and T2, longitudinal and transverse diffusivities from Diffusion Tensor Imaging, DTI) in infants (3-21 weeks) and adults. This approach provides a better description of the asynchronous maturation across the bundles than univariate approaches. Furthermore, it allows estimating the relative maturational delays between the bundles. The second approach aims at quantifying myelination of brain tissues by calculating Myelin Water Fraction (MWF) in each image voxel. This approach is based on a 3-component tissue model, with each model component having specific relaxation characteristics that were pre-calibrated in three healthy adult subjects. This approach allows fast computing of the MWF maps from infant data and could reveal progression of the brain myelination. The robustness of this approach was further investigated using computer simulations. Another important issue for studying white matter development in children is bundles identification. In the last part of this work I also describe creation of a preliminary atlas of white matter structural connectivity in children aged 17-81 months. This atlas allows automatic extraction of the bundles from tractography datasets. This approach demonstrated its relevance for evaluation of regional maturation of normal white matter in children. Finally, in the last part of the manuscript I describe potential future applications of the previously developed methods to investigation of the white matter in cases of two specific pathologies: focal epilepsy and metachromatic leukodystrophy.

Nach einem ausführlichem Überblick über den Kenntnisstand der Genetik und Neurowissenschaft von allgemeiner Intelligenz und einer methodischen Anmerkung zur Notwendigkeit der Berücksichtigung latenter Variablen in den kognitiven Neurowissenschaften am Beispiel einer Reanalyse publizierter Ergebnisse wir das am besten etablierte Gehirnkorrelat der Intelligenz, die Gehirngröße, aus evolutionsgenetischer Perspektive neu betrachtet. Schätzungen des Koeffizienten additiv-genetischer deuten an, dass es keine rezente direktionale Selektion auf Gehirngröße gegeben hat, was ihre Validität als Proxy für Intelligenz in evolutionären Studien in Frage stellt. Stattdessen deuten Korrelationen der Gesichtssymmetrie älterer Männer mit Intelligenz und Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit an, dass organismusweite Entwicklungsstabilität eine wichtige Grundlage von unterschieden in kognitiven Fähigkeiten sein könnte. Im zweiten Teil dieser Arbeit geht es vornehmlich um die Alterung kognitiver Fähigkeiten, beginnend mit einem allgemeinen Überblick. Daten einer Stichprobe von über 130 Individuen zeigen dann, dass die Integrität verschiedener Nervenbahnen im Gehirn hoch korreliert, was die Extraktion eines Generalfaktors der Traktintegrität erlaubt, der mit Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit korreliert. Der einzige Trakt mit schwacher Ladung auf diesem Generalfaktor ist das Splenium des Corpus Callosum, welches mit Veränderungen der Intelligenz über 6 Jahrzehnte korreliert und den Effekt des Bet2 adrenergischem Rezeptorgens (ADRB2) auf diese Veränderung mediiert, möglicherweise durch Effekte auf neuronale Komopensationsprozesse. Schließlich wird auf Basis neuer Analyseverfahren für Magnetresonanzdaten gezeigt, dass vermehrte Eiseneinlagerungen im Gehirn, vermutlich Marker für zerebrale Mikroblutungen, sowohl mit lebenslang stabilen Intelligenzunterschieden als auch mit der altersbedingten Veränderung kognitiver Fähigkeiten assoziiert sind. / After an extensive review of what is known about the genetics and neuroscience of general intelligence and a methodological note emphasising the necessity to consider latent variables in cognitive neuroscience studies, exemplified by a re-analysis of published results, the most well-established brain correlate of intelligence, brain size, is revisited from an evolutionary genetic perspective. Estimates of the coefficient of additive genetic variation in brain size suggest that there was no recent directional selection on brain size, questioning its validity as a proxy for intelligence in evolutionary analyses. Instead, correlations of facial fluctuating asymmetry with intelligence and information processing speed in old men suggest that organism-wide developmental stability might be an important cause of individual differences in cognitive ability. The second half of the thesis focuses on cognitive ageing, beginning with a general review. In a sample of over 130 subjects it has then been found that the integrity of different white matter tracts in the brain is highly correlated, allowing for the extraction of a general factor of white matter tract integrity, which is correlated with information processing speed. The only tract not loading highly on this general factor is the splenium of the corpus callosum, which is correlated with changes in intelligence over 6 decades and mediates the effect of the beta2 adrenergic receptor gene (ADRB2) on cognitive ageing, possibly due to its involvement in neuronal compensation processes. Finally, using a novel analytic method for magnetic resonance data, it is shown that more iron depositions in the brain, presumably markers of a history of cerebral microbleeds, are associated with both lifelong-stable intelligence differences and age-related decline in cognitive functioning.