L’étude des réseaux cérébraux en IRM fonctionnelle au repos est de plus en plus utilisée chez les patients victimes d’accidents vasculaires cérébraux. La majorité des études se sont focalisés sur les déficits moteurs, attentionnels ou phasiques. Dans ce travail, nous avons étudié l’impact du handicap global sur la connectivité fonctionnelle de grands réseaux corticaux à la phase subaiguë d’infarctus cérébraux. Ce travail a porté sur 50 patients ayant subi un premier infarctus sus-tentoriel (29 hommes, 22 AIC gauche, 57 ± 14 ans, délai médian après l’AIC = 4.5 semaines) et 75 témoins (27 hommes, 55 ± 15 ans). Sept réseaux de repos ont été étudiés à partir d’une analyse en graine et nous avons distingué pour chacun les connectivités fonctionnelles interhémisphérique, ipsi et contralésionnelle. Les 22 patients sans handicap (mRS = 0/1) avaient une connectivité normale alors qu’une diminution diffuse et bilatérale était observée chez les 28 patients avec handicap, expliquant 22% de la variance. Les analyses post-hoc ont montré que ces différences s’observaient essentiellement entre les patients sans handicap et ceux avec handicap léger et portaient surtout sur le mode par défaut et un réseau exécutif. Nous avons calculé pour chacun un score d’intégrité de la connectivité fonctionnelle permettant de résumer l’ensemble de ces altérations. Cet outil simple permettait de prédire le handicap résiduel avec une spécificité de 91% et une sensibilité de 86%. Nous avons donc observé une diminution diffuse de la connectivité fonctionnelle des réseaux de repos chez les patients ayant un handicap résiduel, alors qu’une connectivité normale marquait un excellent pronostic fonctionnel. / Resting-state functional MRI is increasingly used to investigate brain networks in stroke patients. Most studies focused specifically on motor, attentional and language deficits. Here we have investigated the relationships between global post-stroke disability and functional connectivity of seven major cortical networks in subacute ischemic stroke patients. We have studied 50 patients with first-ever unilateral hemispheric stroke (29 men, 22 left strokes, 57 ± 14 years) with a median post-stroke delay of 4.5 weeks and 75 healthy volunteers (27 men, 55 ± 15 years). Seven cortical networks were characterized with a seed-based approach and for each network we distinguished inter-hemispheric, ipsi- and contra-lesional functional connectivity. The 22 patients without disability (modified Rankin’s scale 0-1) had normal functional connectivity in all networks whereas the 28 disabled patients had widespread and bilateral decreases in functional connectivity explaining 22 % of the variance. Secondary analyses showed that abnormalities mainly differentiate no disability from mild disability and may predominate in default-mode and top-down control networks. We have computed for each subject a functional connectivity index that summarizes all these abnormalities. This simple tool was strongly predictive of residual disability with a specificity of 91% and a sensitivity of 86%. In conclusion, widespread and bilateral alterations in cortical connectivity occur in disabled subacute stroke patients, whereas normal indicate excellent global outcome.

Abstract: The default mode network of the brain is a set of functionally connected regions associated with introspection and daydreaming. Recent fMRI studies have discovered that the default mode network is often perturbed in the diseased brain. For example, the default mode network is known to be modulated in dementia, ADHD, depression, and schizophrenia, among others. This has led many into believing that this network could have a role in the physiopathology of nervous system disease, or could be a useful marker of brain function. However, very few studies have yet been done which investigate how surgical lesions such as brain tumours affect the default mode network. Consequently, the goal of this project was to characterise the effect of brain tumours on the default mode network based on their location, histological type, and other parameters. / Le mode de fonctionement par défaut du cerveau est un réseau cérébral associé à la rêverie et à l’introspection. Des études récentes sur ce réseau ont découvert qu’il est perturbé dans plusieurs pathologies cérébrales. Par example, le mode de fonctionnement par défaut est modulé en démence, TDAH, dépression, schizophrénie et plusieurs autres maladies liés au cerveau. Ceci a mené à l’hypothèse que le mode de fonctionnement par défaut pourrait avoir un rôle dans la physiopathologie des maladies du système nerveux, ou pourrait être un marqueur utile du fonctionnement cérébral. Par contre, très peu d’études ont investigué l’effet de lésions chirurgicaux comme les tumeurs cérébrales sur le mode de fonctionnement par défaut. Par conséquent, le but de ce projet était de caractériser l’importance de l’histologie, de la localisation et de plusieurs autres paramètres de l’effet d’une tumeur cérébrale sur le mode de fonctionnement par défaut.

Les mutations génétiques et les conditions pathologiques affectent la connectivité functionnelle du cerveau. Nous avons combiné la mutagénèse chez la souris et l’analyse de connectivité fonctionnelle (CF) par imagerie en Resonance Magnétique Nucléaire (IRM) pour déterminer l’impact de la délétion du gène codant pour le récepteur orphelin GPR88 sur la CF du cerveau entier. En utilisant une approche non biaisée, nous avons découvert que la délétion génétique chez la souris altère fortement le Default Mode Network, une caractéristique de nombreuses maladies psychiatriques. Nous avons aussi observé des modifications importantes de la connectivité des cortex moteurs et somatosensoriels,et du striatum en accord avec le pattern d’expression du récepteur. Enfin, une analyse par régions d’intérêt montre une perturbation importante du réseau mesocorticolimbic, qui pourrait expliquer la tendance de ces animaux à consommer de fortes quantités d’alcool. La concordance entre les altérations de CF et celles du comportement des animaux GPR88 knockout positionnent ce récepteur comme une cible prometteuse pour le traitement de maladies psychiatriques. / Pathological agitations of the brain and the expression or mutation of single gene affect overall brain connectivity. Here we combined mouse mutagenesis with functional and structural MRI and explored mouse whole brain connectivity maps non-invasively in response to the inactivation of Gpr88 gene. We perceived robust modifications in the default mode network which is considered a hallmark of many psychiatric conditions, followed by sensori-motor network allied to sensorimotor gating deficiency underlying hyperactivity phenotype in Gpr88-/- mice. In addition, hippocampal and dorsal striatum functional connectivity perturbations might underlie learning deficiency and weakened amygdala connectivity with cortex and striatum might suggest triggering of risk-taking behavior previously observed in these animals. Moreover, Gpr88 deletion strongly modifies the reward network leading Gpr88-/- mice vulnerable to alcohol intake. This is the first evidence of Gpr88 involvement in reshaping the mouse brain connectome. The concordance between connectivity alterations and behavior deficits posits Gpr88 as a potential target for psychiatric disorders.

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est un outil de choix pour cartographier d’une manière non invasive l’activité du cortex, donnant ainsi un accès à l’organisation fonctionnelle cérébrale. Cette organisation des aires cérébrales en réseaux complexes reste encore un vaste sujet d’étude, autant dans le domaine de la recherche fondamentale, pour mieux comprendre le développement et le fonctionnement du cerveau, que dans le domaine clinique, à des fins diagnostiques par exemple. Les réseaux cérébraux dits de repos, chez un sujet donné, peuvent être observés lors d’études IRMf lorsqu’aucune tâche motrice ou cognitive n’est imposée au sujet imagé. La première partie de cette thèse a permis le développement d’une méthode automatique d’identification de ces réseaux. Réalisée à l’échelle du sujet, cette méthode permet de sélectionner tous les réseaux spécifiques au sujet ce qui s’avère nécessaire dans un cadre diagnostique où l’individu prime. Au delà de la détection et de l’identification de ces réseaux, l’étude de leurs modes d’interaction dans l’espace et dans le temps et plus généralement l’analyse de la dynamique de la connectivité fonctionnelle (DCF) fait l’objet d’un intérêt grandissant. Cette analyse nécessite le développement de méthodes innovantes de traitement du signal et de l’image qui, pour l’heure, sont encore de nature exploratoire. La deuxième partie de cette thèse présente donc de nouvelles approches pour caractériser la DCF en utilisant le cadre probabiliste de modèles de Markov cachés multidimensionnels. Les mécanismes conversationnels entre réseaux cérébraux peuvent ainsi être identifiés et caractérisés à l’échelle de la seconde. Deux applications, au niveau du sujet puis du groupe, ont permis de mettre en avant les modifications des propriétés dynamiques des interactions entre réseaux sous certaines conditions ou pathologies. / The functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a perfect tool for mapping in a non- invasive manner the activity of the cortex, giving access to the functional organization of the brain. This organization of brain areas into complex networks remains a large topic of study, both from a fundamental research perspective, to better understand the development and function of the brain, and from a clinical perspective, for diagnostic purposes for instance. The resting-state networks in a given subject can be observed in fMRI studies where no motor or cognitive tasks are imposed to the subject. The first part of this thesis focused on the development of an automatic identification method of these networks. Performed at the subject level, this method selects all the resting-state networks proper to the subject. Beyond the detection and identification of these networks, the study of interactions between these networks in space and time, and more generally the analysis of the dynamic functional connectivity (DFC), is the subject of growing interest. This analysis requires the development of innovative methods of signal or image processing that, for now, are still exploratory. The second part of this thesis thus presents new approaches to characterize the DFC using the probabilistic framework of multidimensional hidden Markov models. Conversational mechanisms between brain networks can be identified and characterized at the resolution of the second. Two applications, first on a single subject then on a group, helped to highlight the changes of dynamic properties of interaction between networks under certain conditions or diseases.

Cartographier la connectivité fonctionnelle du cerveau à partir des donnés d'IRMf est devenu un champ de recherche très actif. Cependant, les outils théoriques et pratiques sont limités et plusieurs tâches importantes, telles que la définition empirique de réseaux de connexion cérébrale, restent difficiles en l’absence d'un cadre pour la modélisation statistique de ces réseaux. Nous proposons de développer au niveau des populations, des modèles joints de connectivité anatomique et fonctionnelle et l'alignement inter-sujets des structures du cerveau. Grâce à une telle contribution, nous allons développer des nouvelles procédures d'inférence statistique afin de mieux comparer la connectivité fonctionnelle entre différents sujets en présence du bruit (bruit scanner, bruit physiologique, etc.). / Mapping the functions of the human brain using fMRI data has become a very active field of research. However, the available theoretical and practical tools are limited and many important tasks like the empirical definition of functional brain networks, are difficult to implement due to lack of a framework for statistical modelling of such networks. We propose to develop at the population level, models that jointly perform estimation of functional connectivity and alignment the brain data across the different individuals / subjects in the population. Building upon such a contribution, we will develop new methods for statistical inference to help compare functional connectivity across different individuals in the presence of noise (scanner noise, physiological noise, etc.).

Les patients pharmaco-résistants sont des candidats pour la chirurgie de l'épilepsie. Le but de cette chirurgie est d'enlever les zones à l'origine de la crise (SOZ) sans créer de nouveaux déficits neurologiques. Pour localiser les SOZs, une des meilleures approches consiste à analyser des électroencéphalogrammes intracérébraux (iEEG). Toutefois, l'enregistrement des crises, qui sont des événements rares et critiques, est compliqué contrairement à l'enregistrement de décharges épileptiques intercritiques (IED), qui sont généralement très fréquentes et anodines. La prévision des SOZs, par estimation des régions à l'origine des IEDs, est donc une alternative très intéressante, et la question de savoir si l'estimation des régions IED peut être utile pour prédire les SOZs, a été au coeur de plusieurs études. Malgré des résultats intéressants, la question reste ouverte, notamment en raison du manque de fiabilité des résultats fournis par ces méthodes. L'objectif de cette thèse est de proposer une méthode robuste d'estimation des régions à l'origine des IEDs (notées LIED) par analyse d'enregistrements intracérébraux iEEG. Le point essentiel de cette nouvelle méthode repose sur la détermination d'un graphe de connectivité différentiel (DCG), qui ne conserve que les noeuds (électrodes) associées aux signaux iEEG qui changent de façon significative selon la présence ou l'absence d'IEDs. En fait, on construit plusieurs DCGs, chacun étant caractéristique d'une échelle obtenue après transformée en ondelettes. La fiabilitié statistiques des DCGs est obtenue à l'aide des tests de permutation. L'étape suivante consiste à mesurer les quantités d'information émise par chaque noeud, et d'associer à chaque connexion (arête) du graphe une orientation qui indique le transfert d'information du noeud source vers le noeud cible. Pour celà, nous avons introduit une nouvelle mesure nommée Local Information (LI), que nous avons comparée à des mesures classiques de graphes, et qui permet de définir de façon robuste les noeuds sources pour les graphes de chaque échelle. Les LIEDs sont finalement estimées selon une méthode d'optimisation multi-objectifs (de type Pareto, peu utilisée dans la communauté signal-image) construite à partir des valeurs des LI des DCG dans les différentes bandes de fréquences. La méthode proposée a été validée sur cinq patients épileptiques, qui ont subi une chirurgie d'exérèse et sont déclarés guéris. L'estimation des régions LIED a été comparée avec les SOZs détectées visuellement par l'épileptologue et celles détectées automatiquement par une méthode utilisant une stimulation destinée à provoquer des crises. La comparaison révèle des résultats congruents entre les SOZs et les régions LIED estimées. Ainsi, cette approche fournit des LIED qui devraient être des indications précieuses pour l'évaluation préopératoire en chirugie de l'épilepsie.

Résumé : L’interaction entre la douleur et le système moteur est bien connue en clinique et en réadaptation. Il est sans surprise que la douleur est un phénomène considérablement invalidant, affectant la qualité de vie de ceux et celles qui en souffrent. Toutefois, les bases neurophysiologiques qui sous-tendent cette interaction demeurent, encore aujourd’hui, mal comprises. Le but de la présente étude était de mieux comprendre les mécanismes corticaux impliqués dans l’interaction entre la douleur et le système moteur. Pour ce faire, une douleur expérimentale a été induite à l’aide d’une crème à base de capsaïcine au niveau de l’avant-bras gauche des participants. L'effet de la douleur sur la force des projections corticospinales ainsi que sur l’activité cérébrale a été mesuré à l’aide de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de l’électroencéphalographie (EEG), respectivement. L’analyse des données EEG a permis de révéler qu'en présence de douleur aiguë, il y a une augmentation de l’activité cérébrale au niveau du cuneus central (fréquence têta), du cortex dorsolatéral préfrontal gauche (fréquence alpha) ainsi que du cuneus gauche et de l'insula droite (toutes deux fréquence bêta), lorsque comparée à la condition initiale (sans douleur). Également, les analyses démontrent une augmentation de l'activité du cortex moteur primaire droit en présence de douleur, mais seulement chez les participants qui présentaient simultanément une diminution de leur force de projections corticales (mesurée avec la TMS t=4,45, p<0,05). Ces participants ont également montré une plus grande connectivité entre M1 et le cuneus que les participants dont la douleur n’a pas affecté la force des projections corticospinales (t=3,58, p<0,05). Ces résultats suggèrent qu’une douleur expérimentale induit, chez certains individus, une altération au niveau des forces de projections corticomotrices. Les connexions entre M1 et le cuneus seraient possiblement impliquées dans la survenue de ces changements corticomoteurs. / Abstract : The interaction between pain and the motor system is well-known in clinic. For instance, it is well documented that pain significantly complicates the rehabilitation of the patients. The aim of the present study was to better understand the cortical mechanisms underlying the interaction between pain and the motor system. Nineteen healthy adults participated in the study. The effect of pain (induced with a capsaicin cream) on brain activity and on the corticomotor system was assessed with electroencephalography (EEG) and transcranial magnetic stimulation (TMS), respectively. For EEG, 15 non-overlapping, 2-seconds artifacts were randomly selected for each participant. Intracranial source current density and functional connectivity was determined using sLORETA software. When participants experienced experimentally-induced inflammatory pain, their resting state brain activity increased significantly in the central cuneus (theta frequency), left dorsolateral prefrontal cortex (alpha frequency), and both left cuneus and right insula (beta frequency; all ts >3.66; all ps<0.01). A pain-evoked increase in the right primary motor cortex (M1) activity was also observed (beta frequency), but only among participants who showed a simultaneous reduction in the strength of the corticospinal projections (quantified using the recruitment curves obtained with TMS; t=4.45, p<0.05). These participants further showed greater beta motor-cuneus connectivity than participants for whom pain did not affect M1 somatotopy (t=3.58, p<0.05). These results suggest that pain-evoked increases in M1 beta power are intimately tied to alterations in corticospinal system. Moreover, we provide evidence that beta motor-cuneus connectivity is related to the corticomotor alterations induced by pain.

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

L'IRMf de repos qui repose sur l'étude des fluctuations du signal BOLD chez un sujet au repos, pourrait permettre d'explorer les mécanismes du handicap dans la Sclérose En Plaques (SEP). En utilisant l'IRMf de repos, ce travail a eu pour objectif de caractériser la réorganisation fonctionnelle des patients atteints de SEP et ses liens avec leur handicap.Nous avons d'abord réalisé une étude combinant IRMf de repos et d'activation au stade précoce de la SEP et montré l'existence d'une corrélation entre la plasticité fonctionnelle du système moteur des patients au repos et durant la tâche. Nous avons ensuite montré l'existence d'une augmentation diffuse du niveau de connectivité fonctionnelle des patients présentant une SEP débutante, corrélée à leurs performances. Dans la 3ème partie, nous avons objectivé l'existence d'un déclin dynamique de la topologie fonctionnelle corrélée à la progression du handicap grâce à une étude longitudinale utilisant la théorie des graphes. Enfin, nous avons démontré que le gain fonctionnel obtenu par la rééducation chez les patients SEP était corrélé à une augmentation de connectivité fonctionnelle du réseau cérébral par défaut et central exécutif et de densité de substance grise dans le cortex frontal.Nos travaux montrent l'existence d'une réorganisation cérébrale fonctionnelle complexe et dynamique dans la SEP qui pourrait correspondre à des phénomènes compensatoires, dont le déclin avec l'évolution de la maladie participe à la progression du handicap. Ils démontrent l'intérêt de l'IRMf de repos pour la compréhension des substrats anatomo-fonctionnels du handicap dans la SEP et comme potentiel instrument futur d'évaluation thérapeutique. / Resting-state fMRI (rs-fMRI) may provide important clue concerning disability in multiple sclerosis (MS) by exploring the spontaneous BOLD fluctuations at rest in the whole brain. The aim of this work is to depict the functional reorganization of resting-state networks in MS patients and to assess its potential relationships with disability.In the first part, we performed an fMRI protocol combining a rs-fMRI and task-associated fMRI during a motor task, in a group of early MS patients. This study evidenced a direct association between reorganization of connectivity at rest and during activation in the motor system of patients. In the second rs-fMRI study, we evidenced an increased of the global level of connectivity in most of the rs-networks, strongly associated with the level of disability of patients. In the third part, we evidenced in a 2-year longitudinal study using graph theoretical approach that MS patients exhibited a dynamical alteration of functional brain topology that significantly correlated with disability progression. In the last part, we evidenced that the transient clinical improvement following physical rehabilitation in MS patients is associated with reversible plasticity mechanisms located in the default mode network, the central executive network and in the left fronto-orbital cortex. These works evidence that MS patients exhibit a complex and dynamical functional reorganization of rs-networks, significantly associated with disability progression. This PhD thesis confirms that rs-fMRI is a relevant biomarker of pathophysiology leading to disability in MS and represents a promising tool for therapeutic assessment of MS patients in the future.

Les objectifs de cette thèse étaient de caractériser les corrélats neuronaux fonctionnels et structurels de l'abolition de la conscience observés pendant le coma et d'identifier les signatures neuronales précoces de la récupération neurologique à partir de cet état. Pour atteindre ce but, nous avons étudié des patients cérébrolésés, recrutés au stade aigu du coma, à l'aide de l'IRM fonctionnelle au repos et IRM structurale. Nos résultats indiquent une réorganisation topologique globale du cerveau des patients, reflétée par une dédifférenciation et une réduction de la résilience des réseaux fonctionnels au repos d'ordre élevé. Ces anomalies sont accompagnées d'une perte de connexions fronto-pariétales à longue distance. Au niveau régional, nous avons observé un schéma complexe de diminution et d'augmentation de la densité de connexion fonctionnelle entre le cortex postéromédial et le cortex préfrontal médial : régions précédemment décrites pour avoir un rôle critique dans la conscience. De manière intéressante, ces modifications de densité de connexion étaient significativement liées à la récupération des patients trois mois après le coma. Enfin, l'analyse multimodale a permis de démontrer une association significative entre la connectivité fonctionnelle et l'intégrité structurelle cérébrales antéro-postérieure, fournissant des informations importantes sur le lien structure/fonction au décours de ces troubles acquis de la conscience. / The aim of the present thesis was to characterize the functional and structural neural correlates of acute consciousness abolition induced by severe brain injury and identify early neural signatures of long-term neurological recovery. To do so, we studied brain-injured patients, recruited in the acute stage of coma, using resting-state functional and structural MRI. Our findings indicated a global topological brain reorganization in coma patients, reflected in dedifferentiated and less resilient high-order resting-state functional networks, paralleled with a loss of long-range fronto-parietal connections. On a regional level, we found a complex pattern of voxel-wise decrease and increase in functional connection density between the posteromedial cortex and the medial prefrontal cortex, regions previously described to have a critical role in conscious processing. These connection density patterns seemed to permit outcome prediction in patients, assessed three months post-coma. Furthermore, the multi-modal MRI analysis demonstrated a significant association between antero-posterior functional connectivity and structural integrity, providing further insights into the pathological underpinning of conscious processing.