Nous avons cherché à fournir une estimation précise de la conductivité électrique des tissus cérébraux humains en clinique, en utilisant une stimulation pulsée locale de faible intensité. Méthodes : À l'aide de l'approximation quasi-statique des équations de Maxwell, nous avons établi un modèle analytique du champ électrique généré par les électrodes intracérébrales stéréotaxiques-EEG (SEEG). Nous avons couplé ce modèle de champ électrique avec un modèle de l'interface électrode-électrolyte pour fournir une expression analytique explicite de la conductivité du tissu cérébral basée sur la réponse enregistrée du tissu cérébral à la stimulation. Résultats: Nous avons validé notre modèle biophysique en utilisant i) des solutions salines calibrées en conductivité électrique,ii) des tissus cérébraux de rat, et iii) des données électrophysiologiques enregistrées en clinique chez sept patients épileptiques au cours de la SEEG. Nous avons trouvé une possible corrélation entre la conductivité et le caractère épileptique du tissu. Conclusion: Cette nouvelle méthode basée sur un modèle offre une estimation rapide et fiable de la conductivité électrique des tissus cérébraux en tenant compte des contributions de l'interface électrode-électrolyte. Signification: Cette méthode surpasse les mesures standard de bioimpédance. L'application pour le diagnostic est envisagée puisque les valeurs de conductivité diffèrent fortement lorsqu'elles sont estimées dans le tissu cérébral sain versus hyperexcitable. / We aimed at providing an accurate estimation of human brain tissue electrical conductivity in clinico, using local, low-intensity pulsed stimulation. Methods: Using the quasi-static approximation of Maxwell equations, we derived an analytical model of the electric field generated by intracerebral stereotactic-EEG (SEEG) electrodes. We coupled this electric field model with a model of the electrode-electrolyte interface to provide an explicit, analytical expression of brain tissue conductivity based on the recorded brain tissue response to pulse stimulation. Results: We validated our biophysical model using: i) saline solutions calibrated in electrical conductivity, ii) rat brain tissue, and iii) electrophysiological data recorded in clinico from two epileptic patients during SEEG. Conclusion: This new model-based method offers a fast and reliable estimation of brain tissue electrical conductivity by accounting for contributions from the electrode-electrolyte interface. Significance: This method outperforms standard bioimpedance measurements since it provides absolute (as opposed to relative) changes in brain tissue conductivity. Application for diagnosis is envisioned since conductivity values strongly differ when estimated in the healthy vs. hyperexcitable brain tissue.

Le diagnostic, le traitement chirurgical et le suivi des anévrismes intracrâniens opérés reposaient classiquement sur l'artériographie cérébrale conventionnelle. Récemment, des améliorations de la technique d'angiographie elle-même (angiographie cérébrale tridimensionnelle) ou de nouvelles méthodes d'imagerie (IRM et angioscanner cérébral) se sont développées et sont devenues assez performantes pour compléter ou parfois supplanter la technique de référence. L'objectif de ce travail a donc été d'évaluer l'apport de ces nouvelles techniques d'imagerie aux différentes étapes de la prise en charge chirurgicale des anévrismes intracrâniens.<br />Les progrès apportés aux appareils d'angioscanner cérébral (scanners multi-détecteurs) ont ouvert la voie du bilan initial des anévrismes rompus à un examen plus accessible, plus confortable, plus rapide et non invasif. Au cours de ce travail, nous avons étudié cette technique à la phase diagnostique et montré la possibilité grâce à celle-ci de diriger les patients de façon fiable vers le traitement chirurgical ou endovasculaire. Certains anévrismes, comme les anévrismes paraclinoïdiens, sont de part leurs rapports anatomiques plus difficiles à traiter chirurgicalement. Sélectionner dans ce groupe d'anévrismes ceux qui nécessitent potentiellement d'être exclus (anévrismes intraduraux) est donc primordial. Dans un premier temps, nous avons développé, à l'aide d'un modèle radio-anatomique dédié, un protocole d'IRM (1.5 Tesla) permettant cette analyse, puis nous avons évalué et montré l'intérêt de celui-ci dans la prise en charge d'une population de patients porteurs d'anévrismes paraclinoïdiens, et, enfin nous avons optimisé le protocole lui-même à l'aide d'une machine d'IRM utilisant un aimant plus puissant (3.0 Tesla) et offrant une résolution spatiale supérieure.<br />Avec les progrès du traitement endovasculaire, les anévrismes orientés vers le traitement chirurgical sont plus fréquemment complexes. Les outils permettant d'optimiser le planning pré-opératoire, la décision peropératoire ou le geste chirurgical lui-même vont permettre d'améliorer les résultats de la chirurgie. Nos travaux ont permis de potentialiser l'aide apportée dans ces domaines par l'angiographie rotationnelle tridimensionnelle. Nous avons, d'une part, mis en oeuvre un protocole permettant d'obtenir de façon semi-automatisée la vue 3D de l'arbre vasculaire porteur de l'anévrisme orientée selon la disposition opératoire. D'autre part, nous avons montré l'intérêt de la réalisation d'une angiographie rotationnelle biplan peropératoire comme aide directe au geste chirurgical (contrôle proximal de l'anévrisme avec occlusion carotidienne par ballonnet ou recherche immédiate d'un reliquat).<br />Le contrôle post-opératoire de la qualité du traitement chirurgical est devenu également une priorité. Si l'ARM s'est progressivement imposée dans de nombreux centres comme l'examen privilégié du contrôle des anévrismes embolisés, l'angiographie conventionnelle, examen invasif, restait encore la référence pour les anévrismes traités chirurgicalement. Nos travaux ont permis d'évaluer l'intérêt et les limites de l'angioscanner cérébral 64-détecteurs pour le contrôle post-opératoire immédiat des anévrismes traités par technique de clippage standard, et pour la mise en évidence de la perméabilité d'un pontage extracrânien-intracrânien associé au traitement d'un anévrisme intracrânien.<br />En conclusion, les nouvelles techniques d'imagerie vasculaire cérébrale étudiées dans notre travail permettent d'optimiser à tous les stades la prise en charge chirurgicale des anévrismes intracrâniens. Le développement de nouveaux logiciels de post-traitement d'image (Amira®) pourrait permettre dans un avenir proche et à partir de l'angioscanner de simuler la taille et l'orientation à la pose du ou des clips au niveau du collet anévrismal.

Le cerveau présente des fluctuations de son activité qui reflètent différents niveaux d’engagement avec le monde extérieur. Le traitement des stimuli externes n’est pas seulement associé avec une augmentation du métabolisme cérébrale, mais également avec une désactivation importante dans un ensemble des structures spécifiques connus sous le nom de ‘Default-Mode Network’ (DMN, réseau par défaut). Le rôle du DMN reste énigmatique en partie parce que ses corrélats électrophysiologiques et sa dynamique temporelle sont encore mal compris. En utilisant des enregistrements éléctrophysiologiques intracrânien chez le patient épileptique, nous démontrons que la population neuronale de ce réseau montre des suppressions de l’activité gamma (60-140 Hz). Plus important, nous montrons de quelle manière le profil temporale (en millisecondes) et l’amplitude de cette désactivation sont étroitement corrélés avec la difficulté de la tâche et la performance individuelle. Les résultats mettent également en évidence que pendant une tâche attentionnelle, une activation soutenue dans le temps de la bande gamma est présente dans un large réseau, alors que des activations transitoires sont spécifiques aux régions temporale et occipitale. Nos résultats révèlent ainsi un rôle essentiel des mécanismes d’activation et de désactivation des oscillations large bande gamma dans l’exécution d’un comportement orienté vers un but. / The brain displays moment-to-moment activity fluctuations that reflect various levels of engagement with the outside world. Processing external stimuli is not only associated with increased brain metabolism but also with prominent deactivation in specific structures, collectively known as the default-mode network (DMN). The role of the DMN remains enigmatic partly because its electrophysiological correlates and temporal dynamics are still poorly understood. Using unprecedented wide-spread depth recordings in epileptic patients, undergoing intracranial EEG during pre-surgical evaluation, we reveal that DMN neural populations display task-related suppressions of gamma (60-140 Hz) power and, critically, we show how millisecond temporal profile and amplitude of gamma deactivation tightly correlate with task demands and subject performance. The results show also that during an attentional task, sustained activations in the gamma band power are presented across large cortical networks, while transient activations are mostly specific to occipital and temporal regions. Our findings reveal a pivotal role for broadband gamma modulations in the interplay between activation and deactivation networks mediating efficient goal-directed behavior

Est-ce que les animaux pensent? Quelle est la nature des mécanismes qui dirigent leurs comportements? Peut-on comparer ces mécanismes au fonctionnement de l'esprit humain? Ces questions animent les débats scientifiques, philosophiques et théologiques depuis des millénaires. L'idée d'une discontinuité fondamentale entre l'esprit humain et les rouages de l'animal-machine, prônée par Descartes, s'oppose à l'hypothèse de continuité de Darwin selon laquelle la différence entre les capacités mentales de l'homme et de l'animal serait de degré et non de nature. Dans cette thèse, fort des récentes avancées méthodo-logiques et théoriques dans l'étude du comportement animal et des neurosciences, nous partons à la recherche de la pierre de Rosette pouvant éclairer ce débat: l'homologie neuro-cognitive fonctionnelle. Existe-t-il un fonctionnement nerveux commun à plusieurs espèces (et notamment à l'homme), supportant un même fonctionnement cognitif? Nous focalisons notre recherche sur l'une des fonctions clefs de l'esprit humain, qui semble aussi très répandue dans le monde animal : la catégorisation. Former des concepts - regrouper mentalement les objets ou événements auxquelles nous sommes confrontés en catégories - permet de simplifier, de donner un sens et de réagir de manière appropriée aux flux perceptuels incessants issus de nos sens. En testant des sujets humains et macaques dans un protocole rigoureusement identique de catégorisation visuelle rapide, en particulier en contrôlant l'influence de l'information contextuelle de la scène visuelle sur les performances de catégorisation de l'objet, nous montrons ici que les deux espèces de primates semblent bien avoir recours à des représentations ou concepts visuels similaires pour résoudre cette tâche. Mieux, le développement de nouvelles méthodes d'analyses multivariées des potentiels de champs corticaux nous permet de lire, essai par essai, l'émergence de représentations neuronales associées à cette tâche de catégorisation. En appliquant ces méthodes chez le singe, en EEG de surface chez l'homme et chez des patients épileptiques implantés pour raison médicale, on met en évidence le rôle analogue, chez ces deux espèces de primates, de la voie visuelle ventrale dans la formation ultra-rapide de ces représentations catégorielles. Pour résumer, la capacité de catégorisation visuelle rapide semble être un trait neurocognitif partagé par l'homme et le macaque, probablement héritée d'un ancêtre commun. L'existence d'une telle homologie est un argument pour l'hypothèse de continuité et permet donc d'envisager une évolution de la cognition. Enfin, si l'on considère la catégorisation comme un élément clef de la pensée humaine, alors ces résultats suggèrent l'existence d'une pensée chez le macaque, dont au moins une partie fonctionne comme la nôtre.

Introduction. Les animaux et les humains sont capables de moduler leur propre activité cérébrale, pourvu que leur soit donné un retour sensoriel en temps-réel de celle-ci. La gamme des activités contrôlables s’étend des rythmes oscillatoires, à la réponse hémodynamique , au taux de décharge des neurones ou même au signal calcique associé aux potentiels d’action. Le contrôle volontaire des activités neuronales, facilité par le plan expérimental d’un paradigme en boucle fermée, est au cœur de l’interaction corps-esprit et peut être utilisé pour adresser des questions philosophiques. Mais comme de nombreuses études l’ont démontré, les interfaces homme-machine sont aussi un outil puissant dans la réhabilitation motrice, la gestion de la douleur, la régulation des émotions, ou encore l’amélioration de la mémoire. Étant donné que la plupart des études a été conduite sur les sujets humains avec des techniques non-invasives, les mécanismes neurophysiologiques de l’autorégulation neuronale sont restés mal connus. L’objectif principal de ce travail était donc d’élaborer une description des principes physiologiques sous-tendant cette technique.Objectifs. D’après la théorie des oscillations neuronales à des multiples niveaux, la présente enquête était principalement définie par les questions suivantes : 1) Quels sont les marqueurs physiologiques du contrôle volontaire des activités neuronales? 2) Existe t-il des échelles spatiotemporelle plus facilement modulables que d’autres? 3) Les effets de l’entrainement sont –ils spécifiques ou généralisables en espace et fréquence ? et 4) Quelles sont les stratégies cognitives efficace pour contrôler les activités oscillatoires parmi plusieurs sujets ? Pour adresser ces questions, dans mon travail j’ai utilisé les enregistrements intracérébraux avec des macro- et micro-électrodes chez les patients épileptiques dans le cadre d’un bilan pré-chirurgical. / Introduction. Animals and humans are capable to modulate their own brain activity if they are provided with real-time sensory feedback thereof. The range of controllable neural activities reaches from oscillatory brain rhythms, over hemodynamic response function to the firing of single neurons or even action-potential associated calcium signals. The voluntary control of neural activity facilitated by this ‘closed-loop’ experimental paradigm is at the very heart of the mind-body interaction and can be used to address philosophical questions. But as numerous successful applications of neurofeedback and brain-computer interfaces have demonstrated, it is also a powerful tool in motor rehabilitation, pain management, emotion regulation or memory improvement. Because most previous studies were conducted on humans using non-invasive recordings techniques, the neurophysiological mechanisms of neural self-regulation remained obscure. The main objective of the present work was thus to provide a better understanding of its underlying principles. Objectives. Following a multiscale theoretical framework of neural oscillations, the present investigation was largely guided by the following questions: 1) What are the physiological markers of successful control? 2) Are some regions or spatiotemporal scales more easily controllable than others? 3) Are training effects specific or generalized? and 4) What are subject-invariant successful cognitive strategies of neural self-control? To address these questions, we took advantage of intracerebral macro- and micro-electrode recordings in epileptic patients undergoing long-term monitoring in the presurgical context.

La sélection de variables est une tâche primordiale en fouille de données et apprentissage automatique. Il s’agit d’une problématique très bien connue par les deux communautés dans les contextes, supervisé et non-supervisé. Le contexte semi-supervisé est relativement récent et les travaux sont embryonnaires. Récemment, l’apprentissage automatique a bien été développé à partir des données partiellement labélisées. La sélection de variables est donc devenue plus importante dans le contexte semi-supervisé et plus adaptée aux applications réelles, où l’étiquetage des données est devenu plus couteux et difficile à obtenir. Dans cette thèse, nous présentons une étude centrée sur l’état de l’art du domaine de la sélection de variable en s’appuyant sur les méthodes qui opèrent en mode semi-supervisé par rapport à celles des deux contextes, supervisé et non-supervisé. Il s’agit de montrer le bon compromis entre la structure géométrique de la partie non labélisée des données et l’information supervisée de leur partie labélisée. Nous nous sommes particulièrement intéressés au «small labeled-sample problem» où l’écart est très important entre les deux parties qui constituent les données. / Feature selection is an important task in data mining and machine learning processes. This task is well known in both supervised and unsupervised contexts. The semi-supervised feature selection is still under development and far from being mature. In general, machine learning has been well developed in order to deal with partially-labeled data. Thus, feature selection has obtained special importance in the semi-supervised context. It became more adapted with the real world applications where labeling process is costly to obtain. In this thesis, we present a literature review on semi-supervised feature selection, with regard to supervised and unsupervised contexts. The goal is to show the importance of compromising between the structure from unlabeled part of data, and the background information from their labeled part. In particular, we are interested in the so-called «small labeled-sample problem» where the difference between both data parts is very important.

L'anévrisme intracrânien est la prédisposition mortelle la plus fréquente chez le sujet jeune. Sa compréhension demeure limitée alors que nous assistons au développement de nouveaux traitements endovasculaires permettant le traitement d'anévrismes de plus en plus complexes. L'essentiel des études sur le sujet repose sur des séries cliniques peu informatives, l'utilisation de méthodes de simulation numérique limitées et cible presque exclusivement les phénomènes mécaniques intrasacculaires sans tenir compte des conséquences de l'anévrisme sur l'artère porteuse. In vitro, l'utilisation d'anévrismes en silicone au sein d'un simulateur cardiovasculaire a permis d'objectiver un impact de l'anévrisme sur l'écoulement au sein du vaisseau porteur caractérisé par une diminution de sa résistance. In vivo, cet effet a été objectivé et mesuré en IRM de flux par l'analyse des courbes de débit volumétrique. Le flux sanguin en aval des anévrismes était caractérisé par une démodulation systolo-diastolique avec diminution des index de résistance et de pulsatilité. Cet effet était fortement corrélé au volume de l'anévrisme. Les stents flow diverters permettaient une « reconstruction hémodynamique » mesurable du vaisseau porteur en restaurant un flux normo-modulé et des index de pulsatilité et de résistance dans les limites de la normale. Une méthode originale pour la segmentation de l'artère carotide interne en IRM en contraste de phase 2D a été proposée. Elle se base sur l'application de la Transformée de Fourier sur les images de phase et la prise en compte de la cohérence temporelle des vitesses au sein du voxel. La méthode a été caractérisée et comparée à deux méthodes de référence / Intracranial aneurysms are the most common lethal predisposition amongst young adults. Its understanding remains limited to date while the development of new innovative endovascular treatments are increasingly available and allow for the treatment of more and more complex aneurysms with a non negligeable rate of complications. Most of the previous studies on intracranial aneurysms are based on low informative clinical series and the use of limited numerical simulation methods. They almost exclusively target the intrasaccular mechanical phenomena irrespective of the changes in the parent vessel induced by the aneurysm. In vitro, the use of silicone aneurysms embedded in a cardiovascular simulator showed an impact of the aneurysm on the the parent vessel flow conditions characterized by a decrease of its resistance. In vivo, flow MRI allowed to quantify this effect by analyzing the volumetric flow rate curves. Downstream to the aneurysm, the blood flow was dampened and presents a systolic diastolic demodulation with a collapse of resistive and pulsatility indexes. This effect was strongly correlated to the aneurysm volume. The flow diverter stents allowed for a measurable « hemodynamic reconstruction » of the parent vessel by restoring a normo modulated flow, and normal resistive and pulsatility indexes. An original method for the segmentation of internal carotid artery in 2D phase contrast MRI was proposed. It is based on the application of the Fourier Transform on the phase images and by taking into account the temporal coherence of velocities within the voxel. The method was characterized and compared to two reference methods