La structure et l'organisation de la substance blanche du cerveau humain ne sont pas encore complètement connues. L'Imagerie par Résonance Magnétique de diffusion (IRMd) offre une approche unique pour étudier in vivo la structure des tissus cérébraux, permettant la reconstruction non invasive des trajectoires des faisceaux de fibres du cerveau en utilisant la tractographie. Aujourd'hui, les techniques récentes d'IRMd avec haute résolution angulaire (HARDI) ont largement amélioré la qualité de la tractographie par rapport à l'imagerie du tenseur de diffusion standard (DTI). Toutefois, les jeux de données de tractographie résultant sont très complexes et comprennent des millions de fibres, ce qui nécessite une nouvelle génération de méthodes d'analyse. Au-delà de la cartographie des principales voies de la substance blanche, cette nouvelle technologie ouvre la voie à l'étude des faisceaux d'association courts, qui ont rarement été étudiés avant et qui sont au centre de cette thèse. L'objectif est d'inférer un atlas des faisceaux de fibres du cerveau humain et une méthode qui permet le mappage de cet atlas à tout nouveau cerveau.Afin de surmonter la limitation induite par la taille et la complexité des jeux de données de tractographie, nous proposons une stratégie à deux niveaux, qui enchaîne des regroupements de fibres intra- et inter-sujet. Le premier niveau, un regroupement intra-sujet, est composé par plusieurs étapes qui effectuent un regroupement hiérarchique et robuste des fibres issues de la tractographie, pouvant traiter des jeux de données contenant des millions de fibres. Le résultat final est un ensemble de quelques milliers de faisceaux de fibres homogènes représentant la structure du jeu de données de tractographie dans sa totalité. Cette représentation simplifiée de la substance blanche peut être utilisée par plusieurs études sur la structure des faisceaux individuels ou des analyses de groupe. La robustesse et le coût de l'extensibilité de la méthode sont vérifiés à l'aide de jeux de fibres simulés. Le deuxième niveau, un regroupement inter-sujet, rassemble les faisceaux obtenus dans le premier niveau pour une population de sujets et effectue un regroupement après normalisation spatiale. Il produit en sortie un modèle composé d'une liste de faisceaux de fibres génériques qui peuvent être détectés dans la plupart de la population. Une validation avec des jeux de données simulées est appliqué afin d'étudier le comportement du regroupement inter-sujet sur une population de sujets alignés avec une transformation affine. La méthode a été appliquée aux jeux de fibres calculés à partir des données HARDI de douze cerveaux adultes. Un nouveau atlas des faisceaux HARDI multi-sujet, qui représente la variabilité de la forme et la position des faisceaux à travers les sujets, a été ainsi inféré. L'atlas comprend 36 faisceaux de la substance blanche profonde, dont certains représentent quelques subdivisions des faisceaux connus, et 94 faisceaux d'association courts de la substance blanche superficielle. Enfin, nous proposons une méthode de segmentation automatique de mappage de cet atlas à tout nouveau sujet. / Human brain white matter (WM) structure and organisation are not yet completely known. Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging (dMRI) offers a unique approach to study in vivo the structure of brain tissues, allowing the non invasive reconstruction of brain fiber bundle trajectories using tractography. Nowadays, the recent dMRI techniques with high angular resolution (HARDI) have largely improve the quality of tractography relative to standard diffusion tensor imaging. However, the resulting tractography datasets are highly complex and include millions of fibers which requires a new generation of analysis methods. Beyond the mapping of the main white matter pathways, this new technology opens the road to the study of short association bundles, which have been rarely studied before and is in the focus of this thesis. The goal is to infer an atlas of the fiber bundles of the human brain and a method mapping this atlas to any new brain.In order to overcome the limitation induced by the size and complexity of the tractography datasets, we propose a two-level strategy, chaining intra- and inter-subject fiber clustering. The first level, an intra-subject clustering, is composed by several steps performing a robust hierarchical clustering of a fiber tractography dataset that can deal with millions of diffusion-based tracts. The end result is a set of a few thousand homogeneous bundles representing the whole structure of the tractography dataset. This simplified representation of white matter can be used further for several studies of individual bundle structure or group analyses. The robustness and the cost of the scalability of the method are checked using simulated tract datasets. The second level, an inter-subject clustering, gathers the bundles obtained in the first level for a population of subjects and performs a clustering after spatial normalization. It produces as output a model composed by a list of generic fiber bundles that can be detected in most of the population. A validation with simulated datasets is applied in order to study the behavior of the inter-subject clustering over a population of subjects aligned with affine registration. The whole method was applied to the tracts computed from HARDI data obtained for twelve adult brains. A novel HARDI multi-subject bundle atlas, representing the variability of the bundle shape and position across subjects was thus inferred. The atlas includes 36 deep WM bundles, some of these representing a few subdivisions of known WM tracts, and 94 short association bundles of superficial WM. Finally, we propose an automatic segmentation method mapping this atlas to any new subject.

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.

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

La prévalence de changements cérébraux pathologiques dans la population âgée est très élevée, même chez des individus en bonne santé et pleinement autonomes. L’accumulation anormale de la protéine bêta-amyloïde (A), un biomarqueur-clé de la maladie d’Alzheimer (MA), et les hypersignaux de la substance blanche (HSB), qui sont des lésions des petits vaisseaux cérébraux de la substance blanche, sont parmi les pathologies cérébrales liées à l’âge les plus répandues. Un ensemble de preuves scientifiques s’appuyant sur des données neuropathologiques, neuropsychologiques et d’imagerie cérébrale suggère que les personnes âgées cognitivement normales ayant une charge lésionnelle cérébrale importante présentent un déclin cognitif accentué. Ainsi, les changements neuropathologiques chez les aînés en bonne santé sont particulièrement intéressants, car ils constituent des cibles thérapeutiques prometteuses et pourraient contribuer au dépistage précoce de la MA. Cette thèse avait pour but d’examiner les associations entre la charge A, les HSB et l’épaisseur corticale à travers différents domaines de la cognition dans une cohorte de 104 personnes âgées cognitivement normales, en tenant compte de l’âge, du sexe et du niveau d’éducation. Tous les participants ont été soumis à une évaluation neuropsychologique détaillée, ainsi qu’à des examens en résonance magnétique (IRM) structurelle et en tomographie par émission de positons (TEP) avec le Pittsburgh Compound B (PIB). La sévérité des HSB a été quantifiée avec l’échelle Age-Related White Matter Changes (ARWMC). Mis ensemble, les résultats des deux articles empiriques composant cette thèse font ressortir des effets indépendants et additifs de la charge A et du volume de l’hippocampe droit sur la mémoire épisodique, de sorte qu’une pathologie A élevée et un volume plus faible prédisaient des performances moindres. La charge A et les HSB contribuaient de façon additive à une mémoire de travail diminuée et exerçaient des effets délétères synergiques sur la flexibilité mentale et l’attention. Les HSB étaient négativement associés au langage, dont ils étaient le plus important prédicteur. À l’inverse, ni les dépôts A ni les HSB n’étaient corrélés à la mémoire sémantique, la vitesse de traitement de l’information et les fonctions visuospatiales. Dans l’article 1, nous avons démontré que le déclin lié à l’âge au niveau de la mémoire épisodique, la mémoire de travail, la flexibilité mentale et le langage était entièrement médié par le degré de pathologie cérébrale. Dans l’article 2, nous avons démontré qu’il n’y avait pas d’association positive entre les cartes d’épaisseur corticale et les fonctions cognitives, à l’exception de la mémoire sémantique. En outre, la charge A, les HSB et les mesures d’IRM structurelle étaient indépendants les uns des autres, appuyant plutôt la notion de trajectoires physiopathologiques distinctes. Un résultat important de l’article 2 était la relation positive entre la mémoire sémantique et l’épaisseur corticale dans le lobe temporal antérieur (LTA), une région connue pour son rôle unique dans l’intégration des connaissances sémantiques à un niveau transmodal. Les résultats de cette thèse mettent en lumière le rôle médiateur de pathologies cérébrales prévalentes, soit la charge A et les HSB, dans le vieillissement cognitif, et suggèrent que celles-ci induisent des changements cognitifs par le biais de mécanismes physiopathologiques autres que l’atrophie cérébrale. Sur le plan clinique, nos travaux soulignent la pertinence de diversifier les outils d’évaluation utilisés pour le dépistage des troubles cognitifs chez la personne âgée, avec un accent particulier sur la mémoire sémantique. / Compelling evidence shows that pathological changes are highly prevalent in the aging brain, even in otherwise healthy individuals who remain fully functional. Among the most common age-related brain lesions are the abnormal deposition of beta-amyloid (A) peptide, a well-known hallmark of Alzheimer’s disease (AD), and white matter hyperintensities (WMH), which are regarded as a radiological marker of cerebral small vessel disease. Converging evidence from neuropathological, neuropsychological and neuroimaging data suggests that normal older adults harboring high levels of brain pathology exhibit exacerbated cognitive decline. Thus, neuropathological changes in healthy elderly people deserve particular attention as they are potential targets for early intervention and might contribute to the early identification of AD. This thesis sought to examine the associations between Aβ burden, WMH, cortical thickness and cognitive performances across multiple domains in a cohort of 104 cognitively normal older adults, while accounting for age, sex and years of formal education. All participants underwent an extensive neuropsychological assessment along with structural magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET) with Pittsburgh Compound B (PIB). WMH severity was assessed using the age-related white matter changes (ARWMC) scale. Combined findings from the two empirical articles making up this thesis demonstrate independent, additive effects of A burden and right hippocampal volume on episodic memory whereby increased A deposition and reduced volume predict decreased performance. A burden and WMH contributed additively to poorer working memory and exerted deleterious synergistic effects on mental flexibility and attention. WMH was the most important predictor of linguistic abilities with higher lesion severity being associated with worse performances on language tasks. Conversely, neither A deposition nor WMH were correlated with semantic memory, processing speed and visuospatial abilities. In article 1, we demonstrated that age-dependent decline in episodic memory, working memory, mental flexibility and language was fully mediated by the extent of brain pathology. In article 2, cognition was not found to be positively associated with cortical thickness in the vertex-wise analyses, except for the domain of semantic memory. Furthermore, A burden, WMH and structural MRI measures were independent of one another, supporting the notion of distinct pathophysiological pathways. A notable finding of article 2 was that thinner cortical thickness in the left anterior temporal lobe (ATL) predicted poorer semantic memory, which is coherent with the role of the ATL in heteromodal semantic processing. The results presented in this thesis shed light on the role of prevalent brain pathologies, namely A burden and WMH, in driving age-related cognitive changes, and suggest that these changes can occur through pathways that are distinct from brain atrophy. Clinically speaking, this work lends support for the inclusion of a wider array of measures to routine screening for cognitive impairment in older adults, with an emphasis on semantic memory.

Le vieillissement normal est caractérisé par un déclin cognitif subtil. Ce vieillissement cognitif est hétérogène : il existe des différences inter- et intra-individuelles dans la nature et l’étendue du déclin cognitif. L’hétérogénéité inter-individuelle se manifesterait par la présence de plusieurs profils cognitifs distincts parmi les personnes âgées normales (PAN). L’hétérogénéité cognitive peut également s’observer de manière intra-individuelle par une plus grande variabilité, soit une plus forte dispersion, dans les performances cognitives lors d’un contexte d’évaluation neuropsychologique chez un individu. Chez les PAN, certains profils cognitifs et mesures de dispersion ont été associés à un risque de développer une démence. Par ailleurs, la présence de biomarqueurs de la maladie d’Alzheimer (MA) est retrouvée chez une proportion significative de PAN et ces biomarqueurs auraient un impact délétère sur le fonctionnement cognitif dans le vieillissement normal. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de mieux comprendre l’impact de différents biomarqueurs de la MA sur le fonctionnement cognitif des PAN, plus spécifiquement sur l’hétérogénéité cognitive que l’on retrouve au sein du vieillissement normal. Dans le cadre de cette thèse, composée de deux articles, 104 PAN ont réalisé une évaluation neuropsychologique approfondie, un examen de tomographie par émission de positons (PIB-TEP) permettant de quantifier la présence cérébrale du peptide bêta-amyloïde (βA), ainsi qu’un examen d’imagerie par résonance magnétique (IRM) permettant de mesurer les hyperintensités de la substance blanche (HSB) ainsi que l’épaisseur corticale. Le premier article de cette thèse porte sur l’hétérogénéité cognitive inter-individuelle. Les objectifs étaient : (1) de caractériser les différents profils cognitifs présents au sein du groupe PAN et (2) d’évaluer s’il existait des liens entre ces profils et les biomarqueurs de la MA. Trois profils cognitifs ont été identifiés : un profil où les performances cognitives sont globalement supérieures à la moyenne de l’échantillon, un profil où les performances sont généralement dans la moyenne et un dernier profil, minoritaire, où la majorité des performances se situent sous la moyenne. Uniquement ce dernier profil était associé à une charge amyloïde accrue et la présence plus importante d’HSB. Ces résultats suggèrent qu’au sein du vieillissement normal, un sous-groupe de participants présente un fonctionnement cognitif sous-optimal qui est en lien avec la présence de biomarqueurs de la MA. Le deuxième article porte sur l’hétérogénéité intra-individuelle et avait pour objectif de déterminer si la dispersion cognitive était associée à la présence des biomarqueurs de la MA. Les résultats montrent que, globalement, la dispersion n’est pas significativement associée à la présence de biomarqueurs de la MA. Seuls les scores de dispersion pour les domaines de la mémoire épisodique et en fonctionnement exécutif étaient associés aux HSB. Ces résultats suggèrent que la dispersion dans le vieillissement cognitif normal n’est pas directement associée à la pathologie Alzheimer. Cependant, certains éléments de cette dispersion pourraient être en lien avec une santé cérébrovasculaire sous-optimale. En conclusion, les résultats de cette thèse sont discutés à la lumière des connaissances actuelles. Les implications théoriques et cliniques de ces résultats sont abordées et différentes pistes de recherches futures sont évoquées. / Normal aging is characterized by subtle cognitive decline. This cognitive decline is heterogeneous: there are interindividual and intraindividual differences in the nature and extent of cognitive decline. Interindividual heterogeneity is thought to be manifested by the presence of several distinct cognitive profiles among normal older adults. Cognitive heterogeneity can also be observed in an intraindividual fashion through greater variability, or greater dispersion, in cognitive performance, in the context of an individual's neuropsychological assessment. In normal aging, certain cognitive profiles and measures of dispersion have been associated with a risk of developing dementia. Additionally, the presence of Alzheimer's disease (AD) biomarkers is found in a significant proportion of normal older adults and these biomarkers have a deleterious impact on cognitive functioning in normal aging. Thus, the objective of this thesis is to better understand the impact of different AD biomarkers on the cognitive functioning of normal older adults, more specifically, on the cognitive heterogeneity that is found in normal aging. As part of this thesis, composed of two articles, 104 normal older adults carried out an in-depth neuropsychological evaluation and cerebral imaging scan, a positron emission tomography (PIB-PET) examination and a magnetic resonance imaging (MRI) exam, to measure cerebral beta-amyloid peptides, white matter hyperintensities (WMH) and cortical thinning. The first article of this thesis deals with interindividual cognitive heterogeneity. The objectives were: (1) to characterize the different cognitive profiles present within the normal older adult group and (2) to assess whether there are links between these profiles and AD biomarkers. Three cognitive profiles have been identified: a profile where cognitive performance is overall higher than the sample average, a profile where performance is generally average and a final profile, where the majority of performance is below the average. This last profile was the only one associated with a greater amyloid load and an increased presence of WMH. These results suggest that within normal aging, a subgroup of participants exhibits suboptimal cognitive functioning and that this cognitive functioning is related to a greater AD biomarkers presence. The second article examines intraindividual heterogeneity and aimed to determine whether or not cognitive dispersion is associated with the presence of AD biomarkers. The results show that overall, dispersion is not significantly associated with the presence of AD biomarkers. Only dispersion scores for the domains of episodic memory and executive functioning were associated with WMH. These results suggest that dispersion in normal cognitive aging is not directly associated with AD biomarkers. However, some elements of cognitive dispersion could be linked to suboptimal cerebrovascular health. In conclusion, the results of this thesis are discussed in light of current knowledge. The theoretical and clinical implications of these results are explored and various avenues for future research are proposed.

Les progrès dans le domaine de la neuroimagerie cérébrale ont permis une certaine compréhension des maladies mentales comme la schizophrénie. Cependant, peu de résultats sont cohérents et ils sont souvent contradictoires, ce qui rend difficile de tirer des conclusions concrètes par rapport à la maladie. Plusieurs facteurs jouent un rôle dans les résultats divergents et convergents : Les différentes techniques d'imagerie et les analyses, le nombre de patients inclus dans les études, l'âge des patients, l'âge de l’'apparition de la maladie, les critères de diagnostic, les effets du traitement antipsychotique, le statut social, ainsi que les comorbidités, font partie de ces facteurs. Bien que les différences cérébrales entre femmes et hommes « normaux » sont bien établies, ce n’est que ces dernières années que des études en neuroimagerie de la schizophrénie ont abordé les différences homme-femme comme une explication potentielle des résultats discordants de l’imagerie cérébrale. L'objectif de cette thèse est de comprendre le rôle du sexe (genre féminin et masculin) dans les anomalies anatomiques observées dans la schizophrénie; ceci, en réalisant des études qui contrôlent, autant que possible, l'effet de différentes variables confondantes et en utilisant des analyses d’IRM automatisées chez des patients et des sujets sains de même âge et du même sexe. Une brève revue globale des résultats actuels dans le domaine de la schizophrénie ainsi que des résultats liés aux différences entre les sexes dans la schizophrénie vont être présentés. La première étude visait à étudier l'influence des différences de sexe sur des mesures de la gyrification corticale de la schizophrénie. Étant donné que la schizophrénie est une maladie dont les «symptômes cliniques » ont un impact négatif sur la qualité de vie des patients qui en souffrent, nous avons exploré la relation entre la gyrification corticale et les différents symptômes de la schizophrénie chez les hommes et les femmes atteints de ce trouble psychiatrique. Le rôle du sexe sur la gyrification corticale et son association aux symptômes a été à peine étudié chez les patients atteints de schizophrénie ; c’est pour cette raison que, nous croyons que cette étude est d’une importante valeur. Dans cette première étude, des images 3T T1 ont été acquises auprès de 48 patients atteints de schizophrénie (24 hommes [SZ-M] et 24 femmes [SZ-F]) et 48 volontaires sains (24 hommes [NC-M] et 24 femmes [NC-F]), appariés en fonction de l'âge et du sexe. Des mesures d’indice de gyrification (IG) pour chaque hémisphère et les quatre lobes cérébraux (frontaux, temporal, pariétal, et occipital) ont été effectuées en utilisant le pipeline de CIVET, lequel est entièrement automatisé. Plusieurs résultats intéressants ont émergé: les patients avaient des valeurs inférieures importantes de l’IG global par rapport aux témoins; SZ-M avaient des valeurs d'IG hémisphériques significativement inférieurs par rapport à NC-M, cela n'a pas été observé dans les groupes de femmes. Aucune différence entre les sexes dans les valeurs de diminution de l’IG avec l'âge n’a été observés chez les témoins sains par contre, une diminution de la valeur de l’IG avec l’âge chez les patients était plus importante chez les patients homme que les patients femmes. Une détérioration plus progressive dans l'hémisphère droit dans les deux groupes de patients a été observée, tout comme des réductions significatives des valeurs d’IG en relation avec la durée de la maladie chez SZ-M, mais pas chez SZ-F. Dans les groupes de patients, on observe des diminutions des valeurs d’IG dans les lobes frontaux bilatéraux et, le lobe occipital droit; le groupe SZ-M a montré une valeur d’IG significativement plus élevée par rapport à NC-M dans le lobe temporal droit; SZ-F a montré des valeurs d’IG significativement plus faibles dans les lobes bilatéraux frontaux, temporaux, pariétaux et le lobe occipital droit, par rapport à NC-F. Aucune corrélation significative n'a été trouvée entre les valeurs de l'IG et le profil de la symptomatologique dans les deux groupes de patients. Etant donné que l’IG reflète, en partie, des altérations dans le développement et la connectivité cérébrale, la diminution de l’IG observée chez les patients est en accord avec le modèle de développement neurobiologique de disconnectivité dans la schizophrénie. De plus, nous soulignons l'importance de l'âge ainsi que la durée de la maladie lorsque nous comparons les hommes et les femmes atteints de schizophrénie. Cependant, nous n'avons pas observé de corrélation significative n'a été trouvée entre les valeurs de l'IG et les symptômes, ce qui est d'un intérêt particulier et inattendu compte tenu des résultats de la neuroimagerie montrant par exemple certaines corrélations entre les symptômes positifs et certaines anomalies du lobe temporal dans la schizophrénie. Considérant ces résultats, nous avons décidé d'investiguer, dans notre deuxième étude, l'association entre les symptômes et les densités de matière grise (DMG) et de matière blanche (DMB) à la place des mesures de gyrification corticale. Nous avons utilisé la morphométrie basée sur le voxel "Voxel Based Morphometry (VBM8.0 with Diffeomorphic Anatomical Registration (Through Exponentiated Lie Algebra [DARTEL])" et la modélisation linéaire automatique (SPSS21.0 ALM) sur les images 3T T1 MPRAGE acquises auprès de 40 patients atteints de schizophrénie (SZ) et 41 témoins sains (NC). Nous avons trouvé que les patients atteints de schizophrénie avaient une DMG réduite dans le cortex cingulaire antérieur, le cortex temporal médian gauche et une DMG plus élevée dans le cortex cingulaire postérieur gauche par rapport aux sujets sains. Une diminution significative de DMB dans la région fronto-rectal inférieure gauche et la région pariétale postérieure gauche a été observée chez les patients comparés aux sujets sains. Nous avons trouvé des corrélations positives entre les symptômes positifs et la DMG dans l'insula gauche et le noyau caudé droit; et entre les symptômes négatifs et la DMG dans le cortex frontal médian droite et le lobe postérieur de cervelet droit. Nous avons aussi trouvé des corrélations négatives de DMG dans la région pariétale droite (précuneus), le lobe postérieur du cervelet gauche et les symptômes positifs; ainsi qu'entre la DMG du lobe antérieur du cervelet gauche et les symptômes négatifs. En outre, des corrélations positives ont été trouvées entre la DMB dans le cortex frontal médian droit et les symptômes positifs et entre le DMB dans la région frontale supérieure droite et les symptômes négatifs. Des corrélations négatives ont été trouvées entre les symptômes positifs et la DMB dans la région occipitale inférieure droite et le cunéus occipital droit, tandis que des corrélations négatives ont été trouvées entre la DMB et la région frontale supérieure gauche. Il est intéressant de noter que lorsque les symptômes ont été analysés par regroupement, nous avons trouvé que le symptôme de la désorganisation conceptuelle corrélait positivement avec la DMG totale et la DMB totale. L’augmentation de DMG a été associée à une diminution de la gravité des hallucinations et du manque de spontanéité; tandis que l'augmentation de DMB totale a été associée à la diminution de la sévérité de l'hostilité et des idées de grandeur. Une comparaison entre les groupes d'hommes a montré une diminution de la DMG chez les patients schizophrènes, tandis qu’aucune différences n’a été observée dans les groupes de femmes. Nous n’avons trouvé aucune corrélation entre la DMG, la DMB, le liquide cérébro-spinal, le volume total du cerveau, les symptômes individuels et la schizophrénie chez les sujets féminins. Chez les hommes atteints de schizophrénie, on observe des corrélations négatives importantes entre les idées de grandeur et la DMB; des corrélations positives entre la désorientation et la DMB. De plus on observe des corrélations entre et les déficits d'attention et de DMG et DMB. Nos résultats montrent que ces associations sont différentes chez les hommes et les femmes atteints de la schizophrénie. La symptomatologie de schizophrénie est un mélange de déficits cognitifs et socio-affectifs. Dans ce contexte, le but de notre troisième étude est d'étudier chez les patients atteints de la schizophrénie des DMG et DMB et leur relation avec l’acuité mnésique avec des contenus émotionnelles (négatives, positives et neutres) ainsi que étudier l'effet des différences de sexe sur nos résultats. Quarante et un patients droitiers, traités par antipsychotique, souffrant de schizophrénie (SZ) et 40 témoins sains (NC), tous droitiers, ont participé à l’étude. Nous avons utilisé des images de l'International Affective Picture System (IAPS), une banque d'images émotionnelles, et de l’IRM. On observe chez les témoins sains des corrélations entre les valeurs élevées de DMG du cortex pariétal postérieur, du lentiform, du putamen, noyau caudé, le cortex orbitofrontal inférieur gauche et la reconnaissance des images négatives. On observe des corrélations entre la DMG dans la région temporale gauche, fusiforme et la reconnaissance des images positives ; et également dans le cervelet antérieur gauche et l’acuité des images neutres. Chez les patients on observe des valeurs élevées des DMG dans le cortex occipital inférieur gauche et la reconnaissance des images négatives, mais aucune corrélation entre la capacité de reconnaissance des images positives ou neutres. Nous avons observé chez les témoins sains: des relations significatives entre la DMB dans le cortex pariétal postcentral gauche et la capacité de reconnaître des images négatives; dans le cortex temporal inferieur gauche, le cortex pariétal gauche (précuneus), le cortex frontal gauche et la capacité de reconnaissance des images positives; des valeurs de DMB du cortex temporel médian et l’acuité des images neutres. Les patients atteints de schizophrénie ont montré des relations significatives entre de DMB dans le cortex occipito-lingual gauche et la reconnaissance des images négatives ; dans le cortex pariétal angulaire gauche et la reconnaissance des images positives ; et dans le cortex temporal supérieur droit et les images neutres. Les différences de sexe dans la schizophrénie ont été observées : chez les patients de sexe masculin, des corrélations négatives ont été trouvées entre les DMB et la capacité de reconnaître des images négatives et positives. Chez les hommes sains, nous avons trouvé des corrélations positives entre des valeurs totales de DMG et la capacité de reconnaître des images négatives. Nous n’avons pas observé de corrélations dans les groupes de femmes. Ces résultats soutiennent l'hypothèse de l'atrophie fronto-temporale régionale chez les patients schizophrènes. Toutefois, nous notons qu’ils ont des augmentations relatives des valeurs de DMB dans le cortex occipito-pariétal. Nous avançons l'hypothèse que les déficits mnésiques chez les patients sont liés à des perturbations dans la coordination des réseaux cérébraux, ce qui peut être affecté par des déficits structuraux plus évidents chez les patients masculins. Par conséquent, nous préconisons que les futures études devraient utiliser le connectome ou l’approche « réseaux cérébraux » pour étudier l’impact du sexe (genre masculin-féminin) sur les déficits cognitifs et symptomatologiques dans la schizophrénie. Nos résultats globaux soulignent l'importance de la différence entre homme et femme dans la modulation de manifestations cliniques et fonctionnelles de la schizophrénie. Ainsi, nous croyons que le contrôle des covariables comme l'âge, la durée de la maladie et le statut social est insuffisant et que les études futures sur la schizophrénie devraient systématiquement séparer les hommes des femmes, afin de mieux comprendre cette maladie mentale complexe et dévastatrice. / Advances in cerebral neuroimaging techniques have helped our understanding of mental illnesses, such as schizophrenia. Few findings remain consistent and are often contradictory, making it difficult to draw informative conclusions about the disease. Several factors play a role in both diverging and converging results. Imaging technique and analyses, number of patients involved, age of patients, age at onset of the disease, diagnostic criteria, antipsychotic treatment effects, social status, comorbidities, are among some of the reasons. Despite well established cerebral sex differences in healthy population, it is only in recent years that neuroimaging studies in schizophrenia have addressed sex differences as a major possible explanation for discrepant neuroimaging finding. The aim of this thesis is to help understand the role of sex on brain structures in schizophrenia, by conducting studies that control as much as possible for other variables and by using MRI automated analyses for patients and controls matched for age and sex. This work will briefly present findings in schizophrenia in general, and then an extensive review of the literature on sex differences in schizophrenia will be presented. From it, we are able to conclude that sex differences have been reported with rare exception in almost all aspects involved in the life of patients with schizophrenia. Chapters 1. The first study investigated sex differences in cortical gyrification in schizophrenia patients (SZ). In addition, considering that schizophrenia is a disease of “clinical symptoms” that determine the quality of life of patients afflicted by it, we explored the relation between cortical gyrification and symptoms in males and females with schizophrenia. The role of sex on cortical gyrification and its association with symptoms has been scarcely investigated in patients with schizophrenia. In this study, 3T T1 images were acquired from 48 schizophrenia patients (24 males [SZ-M] and 24 females [SZ-F]) and 48 normal controls [NC] (24 males [NC-M] and 24 females [NC-F]) matched for age, sex, and handedness. Gyrification Index (GI) analyses for each hemisphere and four cerebral regions (frontal, temporal, parietal, and occipital) were performed using the fully automated CIVET pipeline. Patients had significant lower values of the overall GI relative to normal controls and SZ-M had significant lower right hemispheric GI values compared to NC-M. This was not observed in either NC-F or in SZ. No gender difference in GI values decreases with age were observed in NC. In patients, GI decreases with age were greater in SZ-M than SZ-F, with a more progressive deterioration in the right hemisphere in both patient groups. Significant GI value reductions in association with duration of illness were observed in SZ-M but not in SZ-F. Patient groups had lower GI in bilateral frontal, temporal, and parietal lobes than controls. SZ-F had significant lower GI values in left frontal, bilateral temporal and left parietal lobe compared to NC-F. No significant correlations were found between GI values and symptom scores in either group of patients. Since GI reflects, in part, alterations in cerebral development and connectivity, the decrease in GI observed in patients is in agreement with the neurodevelopmental model of disconnectivity in schizophrenia, and may explain the worse prognosis and social outcome observed in male patients. Furthermore, we emphasize the importance of age and duration of illness when comparing males and females with schizophrenia. Observed differences between male and female patients may reflect a more diffuse and generalized cortical loss in males. Female patients had cortical loss in specific regions, while preserving cortical gyrification in compensatory regions. Our latter finding -no significant correlation between GI values and symptom scores- was of particular interest and was unexpected in view of neuroimaging findings of correlations between positive symptoms and temporal lobe abnormalities. 2. In the second study, we examined the association between symptoms and brain structure using gray (GMD) and white matter (WMD) densities. Voxel-based morphometry (VBM8.0 with Diffeomorphic Anatomical Registration Through Exponentiated Lie Algebra [DARTEL]) and Automatic Linear Modeling (SPSS21.0 ALM) were used on 3T T1 MPRAGE images acquired from 40 schizophrenia patients (SZ) and 41 normal controls (NC). We found that SZ had lower GMD in the anterior cingulate cortex and left middle temporal gyrus, and higher GMD in the left posterior cingulate in comparison to NC. SZ had significantly lower WMD in the left inferior fronto-rectal and the left posterior parietal regions in comparison to NC. Significant positive correlations were found between positive symptoms and GMD in the left insula and right caudate, and between negative symptoms and GMD in the right middle frontal and the posterior lobe of the right cerebellum (uvula). Inverse relationships between GMD in the right parietal (precuneus), the left posterior lobe of the cerebellum (uvula) and positive symptoms, and between GMD in the left anterior lobe of the cerebellum and negative symptoms were observed in SZ. In addition, positive correlations were found between WMD in the right middle frontal lobe, and between positive symptoms and WMD in the right superior frontal region with negative symptoms. Negative correlations were found between positive symptoms and WMD in the right inferior occipital and the right occipital cuneus, while negative symptoms correlated negatively with the WMD of the left superior frontal. When symptom clusters were analyzed, conceptual disorganization symptom positively correlated with both total GMD and WMD. While increases in GMD were associated with decreased severity of lack of spontaneity and hallucinations symptom, increases in total WMD were associated with decreased severity of hostility and grandiosity symptoms. Comparison between male subjects revealed decreased GMD in male schizophrenia patients, while no differences were observed between females across groups. No correlations were found in female groups between GMD, WMD, CSF, or total brain volume and individual symptoms. In males with schizophrenia, significant negative correlation between ideas of grandiosity and WMD, a positive correlation between disorientation and WMD, and attention deficits and GMD and WMD were found. The current data suggest region-specific GMD and WMD association with negative and positive symptoms. In addition, it reveals that such associations are different in male and female schizophrenia patients. 3. The third study investigated the relationships of GMD and WMD with memory accuracy for emotionally negative, positive, and neutral pictures in schizophrenia patients relative to normal controls. Schizophrenia is characterized by an amalgam of cognitivo-socio-emotional deficits. The relationship between emotion processing on cognition and neurobiological underpinnings merit more attention than it has received so far. Memory deficits are among the most common deficits in schizophrenia and have a widespread impact on cognition in general. Additionally, consistently with the major theme of the present thesis, we investigated the effect of gender on the observed effect. Forty one, right-handed medicated patients with schizophrenia (SZ) and 40 right-handed normal controls (NC) matched by age and sex were assessed for memory accuracy using negative, positive and neutral pictures taken from the International Affective Picture System (IAPS). Imaging methods and analyses were similar to our second study. Fifteen minutes after presentation of selected IAPS images (incidental encoding), subjects were asked to recognize the previously seen images among other images. We found higher GMD in NC in the right posterior parietal cortex, lentiform, putamen, and caudate, as well as the left inferior orbitofrontal cortex, in relation with the negative images accuracy. NC had higher GMD in the left temporal and fusiform regions in relation with the positive images accuracy, and higher GMD in the left anterior cerebellum in relation with neutral images. Schizophrenia subjects had higher GMD in the left inferior occipital cortex in relation with the negative images accuracy, but GMD was not correlated with positive or neutral images accuracy in this group. WMDs correlations were higher in NC in the left postcentral parietal region for negative images; in the left inferior temporal, left precuneus parietal, and left frontal regions for positive images; and in the left middle temporal region for neutral images. Schizophrenia patients had higher WMD in the left lingual occipital for negative images; in the left angular parietal for positive images; and in the right superior temporal region for neutral images. While examining the two sexes separately, we observed inverse correlations between WMD and both negative and positive pictures in male patients. In addition, only in male controls, GMD positively correlated with negative pictures and this correlation was absent in female SZ subjects and NC females. These findings support the hypothesis of fronto-temporal regional atrophy in schizophrenia. Schizophrenia patients have relatively increased occipito-parietal WMD, advancing the hypothesis that the core pathophysiological problem underlying recall memory in SZ may be related to disruptive alterations in the coordination of large-scale brain networks, and this may be affected by structural deficits that are more evident in male patients. It is recommended that future studies should use the connectomes or the brain networks approach to investigate the effect of sex on memory deficits in schizophrenia. Our overall findings point out to the importance of sex in modulating the clinical and functional manifestations of schizophrenia. We believe that controlling for covariates as age, duration of illness, social status, etc. is insufficient and that future studies in schizophrenia should systematically separate male and female findings, if we wish to understand this complex and devastating mental illness.

Les syndromes démyélinisants acquis (SDA) pédiatriques sont un groupe de maladies qui affectent la substance blanche (SB) et la substance grise (SG) du système nerveux central (SNC) chez les enfants, et qui partagent certaines caractéristiques et mécanismes pathologiques. Les SDA peuvent être monophasiques ou récurrents. Les SDA comprennent des maladies telles que l'encéphalomyélite aiguë disséminée (EMDA), les troubles du spectre de la neuromyélite optique (TS-NMO), la sclérose en plaques (SEP) et le syndrome démyélinisant récurrent avec anticorps contre la glycoprotéine oligodendrocytique de myéline (anticorps anti-MOG). Ce dernier syndrome, appelé aussi maladie MOG+, a été reconnu récemment comme une entité distincte faisant partie des maladies démyélinisantes récurrentes chez les enfants. La maladie MOG+ présente des caractéristiques semblables à celles de la SEP; en effet, certains cas ont été déjà considérés comme une forme « atypique » de SEP. La maladie MOG+ et la SEP partagent des lésions dans la SB du SNC, mais la SEP est caractérisée aussi par des lésions corticales (LCs) cérébrales, insuffisamment étudiées dans la maladie MOG+. Par conséquent, le but de cette recherche a été de comparer les caractéristiques démographiques et des lésions cérébrales visibles sur des études d’imagerie par résonance magnétique (IRM) chez les enfants atteints de SEP et ceux atteints de la maladie MOG+. Pour atteindre cet objectif, nous avons utilisé des scans IRM 3T, incluant les contrastes pondérés T1, FLAIR et des images de transfert de magnétisation (ITM) de 14 enfants atteints de SEP et 13 enfants atteints de la maladie MOG+. Nous avons mesuré le nombre des LCs, le volume des lésions dans la SB et les valeurs normalisées d’ITM dans les LCs et les lésions de la SB. Nos résultats ont montré que les enfants atteints de la maladie MOG+ étaient plus jeunes au début de la maladie et que celle-ci présentait une durée plus longue que la maladie du groupe SEP. Quant aux lésions cérébrales, les LCs étaient présentes dans la maladie MOG+, mais leur nombre était significativement plus élevé dans le groupe SEP. Cependant, les valeurs normalisées d’ITM dans ces lésions (valeurs qui sont sensibles à la quantité de myéline) n'étaient pas significativement différentes entre les deux groupes. En plus, le volume des lésions de la SB était significativement plus élevé dans le groupe SEP et les valeurs normalisées d’ITM dans ces lésions, significativement inférieures comparativement à la maladie MOG+, témoignant ainsi d’une démyélinisation plus sévère et des différences potentielles dans les mécanismes de démyélinisation. / Pediatric Acquired Demyelinating Syndromes (ADS) are a group of diseases that affect the white matter (WM) and gray matter (GM) of the central nervous system (CNS) in children and that share similar pathological characteristics and mechanisms. ADS can be monophasic or recurrent. The ADS include diseases like acute disseminated encephalomyelitis (ADEM), neuromyelitis optic spectrum disorders (NMO-SD), multiple sclerosis (MS) and Relapsing Myelin Oligodendrocyte Glycoprotein (MOG) syndrome or MOG+ disease, which has been recently recognised as a distinct pathology and is part of the relapsing ADS in children. MOG+ disease shares features with MS; indeed, some MOG+ cases have been considered as an “atypical” form of MS until recently. Both MOG+ disease and MS present lesions in the WM of the CNS. MS is also characterized by focal brain cortical lesions (CL), which have not been extensively studied in MOG+ disease yet. For this reason, the aim of this research project was to compare the demographic and brain magnetic resonance imaging (MRI) characteristics of children with MS and children with MOG+ disease. To achieve our goal, we used 3T MRI including T1-weighted, FLAIR and magnetization transfer ratio (MTR) contrasts of 14 MS participants, and 13 relapsing MOG+ participants. CL counts, WM lesion volumes, normalized MTR values in CLs, and WM lesions were compared across groups. Our results show that children with MOG+ disease were younger at disease onset and had a longer disease duration compared to the MS group. CL were present in MOG+ participants, but counts were significantly higher in the MS group. However, their normalized-MTR values, which are sensitive to myelin, were not significantly different between both groups. WM lesion volumes were significantly higher in the MS group, but their normalized MTR values were significantly lower than in MOG+ WM lesions, likely reflecting more severe demyelination and potential differences in the demyelinating mechanism.