Modèles statistiques morphométriques et structurels du cortex pour l'étude du développement cérébral

La recherche des variations anatomiques du cortex, complementaire des investigations fonctionnelles, a ete fortement stimulee ces dernieres annees par le developpement des methodes d'analyse des images cerebrales. Ces nouvelles possibilites ont conduit a la creation de vastes projets de cartographie anatomo-fonctionnelle du cerveau humain, comparables par l'ampleur qu'ils pourraient prendre aux projets de cartographie du genome. Durant les annees 90, la communaute de la neuroimagerie a choisi d'apprehender ce probleme en developpant une technique appelee la normalisation spatiale. Il s'agit de doter chaque cerveau d'un systeme de coordonnees (surfaciques ou volumiques) qui indiquent une localisation dans un cerveau de reference. Ce systeme s'obtient en deformant chaque nouveau cerveau de maniere a l'ajuster autant que possible au cerveau de reference. Cependant, cette morphometrie fond ee sur la technique de normalisation spatiale a des limites. En effet, il est largement admis qu'elle ne permet pas de gerer precisement la tres grande variabilite des plissements corticaux et ne donne acces qu'aux differences anatomiques les plus marquees. Ces considerations ont motive le developpement de nouveaux outils de morphometrie, permettant l'analyse ne des structures corticales. Jusqu'a ces dernieres annees, une telle morphometrie structurelle, prenant en compte les particularites anatomiques individuelles de chaque cortex, etait limitee par la difculte et la lourdeur du travail «manuel» a realiser. Le developpement recent de nouveaux outils d'analyse d'images, permettant d'extraire et de reconnaitre automatiquement les sillons corticaux des images IRM anatomiques, a modie cet etat de fait et a ouvert la voie aux etudes a grandes echelles de morphometrie structurelle. Cependant, d'un point de vue anatomo-fonctionnel, la structure de base du cortex est le gyrus et non pas le sillon. Or, si la litterature propose maintenant de nombreuses methodes dediees aux sillons corticaux, il n'en existe aucune specifique aux gyri, essentiellement a cause de leur tres grande variabilite morphologique. Le premier axe de travail de cette these est le developpement d'une methode entierement automatique pour les segmenter, prenant en compte leur anatomie individuelle. Cette methode propose un formalisme generique pour definir chaque gyrus a partir d'un ensemble de sillons-frontieres le delimitant; un critere de distance, sous-jacent au diagramme de Voronoi utilise pour parcelliser la surface corticale, permet d'extrapoler cette definition dans les zones ou les sillons sont interrompus. L'etude des mecanismes mis en jeu lors du plissement du cortex durant son developpement, ante- et post-natal, est un point cle pour analyser et comprendre les variations de l'anatomie corticale, normale ou non, et caracteriser ses liens avec le fonctionnement du cerveau. Des travaux recents suggerent qu'il existerait une proto-organisation sulcale stable, visible sur le cerveau du foeœtus, et qui laisserait une empreinte dans le relief cortical adulte. Pour le deuxieme axe de travail de cette these, nous avons essaye de recouvrer les traces de ces structures enfouies, les racines sulcales, inscrites dans les plissements corticaux. Nous avons pour cela developpe un modele original du cortex, le primal sketch des courbures, permettant une description multi-echelles et structurelle de la courbure corticale. Cette description est issue d'un lissage surfacique de la carte (2D) de la courbure, obtenu par l'implantation de l'equation de la chaleur, calculee geodesiquement au maillage de la surface corticale. Cette description nous a permis de recouvrer les deux racines sulcales putatives enfouies dans le sillon central, et les quatre racines du sillon temporal superieur. En parallele, nous avons initie une etude directe des premiers plis sulcaux a travers la reconstruction tridimensionnel du cerveau foeœtal in utero.