Comparaison de l`anatomie et de la fonction du cerveau de l`Homme

Comparaison de l’anatomie et de la fonction du cerveau de l’Homme avec d’autres espèces de primates Institut du Cerveau et de la Moelle épinière (ICM) Hôpital de la Pitié-­Salpêtrière mots-­clés : anatomie computationnelle, atlas, invariants anatomiques et fonctionnels L’organisation anatomique et fonctionnelle du cerveau humain est non seulement extraordinairement complexe, mais aussi très variable entre les individus. Pour trouver les grands principes qui gouvernent cette organisation, une idée est de « moyenner » les individus entre eux pour faire ressortir les caractéristiques les plus reproductibles. Une autre idée est de comparer l’espèce humaine aux espèces qui sont issues des lignées phylogénétiques les plus proches d’elle : les primates. L’utilisation de l’imagerie par résonnance magnétique (IRM) permet la construction de représentations numériques de l’anatomie et des cartes d’activation fonctionnelle du cerveau. La comparaison entre les représentations de deux individus (de la même espèce ou non) se fait en général par la mise en correspondance de ces représentations dans un espace « normalisé » qui permet de munir chaque représentation d’un même système de coordonnées spatiales. Les points aux mêmes coordonnées sont supposés correspondre à des positions homologues entre les individus. La mise en correspondance entre les individus et l’espace « normalisé » se fait par l’alignement des niveaux de gris des images IRM, l’hypothèse sous-­‐jacente étant que des régions homologues (pour l’anatomie) ou analogues (pour la fonction) ont des profils d’intensité similaires. Cette hypothèse ne permet pas en général un alignement satisfaisant, notamment dans les régions corticales qui présentent la plus grande variabilité. L’idée de ce projet est de contraindre l’alignement à superposer un certain nombre d’invariants que l’on aura préalablement définis. Les invariants peuvent être de nature anatomique : sillons corticaux parmi les plus stables chez les primates (scissure inter-­‐hémisphérique, sillon central, scissure de Sylvius, etc..), faisceaux de fibre de la matière blanche comme certains faisceaux associatifs, ou de nature fonctionnelle comme les aires d’activation associées à des tâches sensori-­‐motrices de bas niveau. Une fois l’alignement obtenu, les deux individus ont un système de coordonnées en commun, qui, par construction, associe les mêmes coordonnées aux régions invariantes. Un système d’interpolation permet de généraliser ce système de coordonnées à tout l’espace. L’alignement des régions autres que celles sélectionnées au départ nous renseignera sur la variabilité entre les individus : les régions anatomiques ou fonctionnelles qui se superposeront indiqueront vraisemblablement d’autres invariants qui n’avaient pas été répertoriés a priori, le non-­‐alignement de régions mettra en évidence des caractéristiques spécifiques à un individu ou à une espèce donné. Pour mener à bien ce projet, nous disposons d’une collection de cerveau post-­‐
mortem de 6 espèces de primates pour lesquels une acquisition IRM anatomique standard a été effectuée. Des expériences comportementales ont été menées sur des individus vivants des mêmes espèces. Des acquisitions d’images IRM de diffusion des specimens post-­‐mortem sont à l’étude. Nous disposons aussi d'une base de données d'IRM anatomiques de sujets humains et d'une espèce de primates (macaques). Dans le cadre du stage, nous étudierons la possibilité d’aligner les surfaces corticales des spécimens en contraignant le recalage à aligner un ensemble de sillons corticaux parmi ceux reportés comme étant les plus stables dans la littérature d’anatomie comparée. Nous comparerons alors l’alignement obtenu dans les régions corticales non sélectionnées. En fonction de l’avancement du travail, nous pourrons développer des méthodes pour trouver de manière automatique le plus grand ensemble de sillons qui sont homologues chez deux individus donnés. Nous nous appuyerons le logiciel BrainVISA (www.brainvisa.info) pour la segmentation de la surface corticale et des sillons, et le logiciel Deformetrica (www.deformetrica.org) pour les techniques de recalage. Le stage se déroulera à l’Institut du Cerveau et de la Moelle (ICM) sur le site de l’hôpital de la Pitié Salpêtrière à Paris. Il sera co-­‐encadré par Stanley Durrleman ([email protected]) et Jean Daunizeau ([email protected]) Figure 1 Exemple de segmentation et de labelisation automatique des sillons corticaux effectuées par le logiciel BrainVISA Figure 2 Comparaison du faisceau cingulaire chez le singe et l'homme (Thiébaut de Schotten et al. Cortex 2012)