Étude des modifications de connectivité cérébrale structurelle dans l'épilepsie

par Pierre Besson

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Louise Tyvaert et de Renaud Lopes.

Soutenue le 28-11-2014

à Lille 2 , dans le cadre de École doctorale Biologie-Santé (Lille) .

Le jury était composé de Louise Tyvaert, Renaud Lopes.


  • Résumé

    L'épilepsie est une maladie fréquente affectant 0,5 à 1% de la population générale. Elle est caractérisée par des crises récurrentes responsables d'un sévère handicap médical et psychosocial. Les causes de l'épilepsie sont multiples et peuvent être liées notamment à des lésions cérébrales anténatales ou acquises, des causes génétiques ou métaboliques. L'épilepsie du lobe temporal (ELT) est la forme la plus répandue chez l’adulte, le plus souvent associée à une sclérose de l'hippocampe et réfractaire aux traitements antiépileptiques. Si pendant longtemps l'ELT a été perçue comme une pathologie focale centrée sur l'hippocampe sclérosé, de nombreux travaux montrent que les atteintes associées à l'ELT s'étendent bien au-delà de l'hippocampe et du lobe temporal, suggérant une altération plus globale du réseau cérébral structurel impactant le fonctionnement du cerveau. Toutefois, ces atteintes sont encore mal connues. Le développement récent des séquences et du traitement de l’imagerie de diffusion permettent l’acquisition d’images anatomiques du cerveau et la modélisation des fibres de substance blanche. L’architecture du réseau cérébral peut alors être représentée mathématiquement par un graphe, appelé « connectome » structurel, définissant la force des liens structurels (fibres de substance blanche) entre différentes régions du cerveau.L’objectif principal de la thèse est d’identifier les altérations du réseau structurel liées à l’épilepsie, avec un intérêt particulier à l’ELT. L’objectif secondaire est de développer de nouvelles méthodes d’extraction du connectome structurel pour en améliorer la précision anatomique et mieux identifier et localiser les altérations du réseau structurel.Ainsi, dans un premier temps, nous établissons l’état de l’art des méthodes d’extraction et d’analyse du connectome structurel et discutons leurs limites. Nous présentons alors une nouvelle méthode d’extraction du connectome structurel haute-résolution couvrant l’ensemble du cortex et incluant certaines régions sous-corticales, baptisée « high-resolution structural connectome ». L’objectif est de définir un cadre d’analyse du connectome structurel avec une très bonne précision anatomique et de fournir les outils nécessaires pour des études individuelles ou de groupe en tenant compte des contraintes de temps de calcul et d’utilisation de la mémoire et du disque.Dans un deuxième temps, nous analysons le connectome structurel de patients ELT avec sclérose hippocampique latéralisée dans le but de mettre en évidence le réseau structurel pathologique et d’en distinguer les caractéristiques en fonction de la latéralité de la lésion. Nous validons la stabilité et la reproductibilité du connectome structurel haute-résolution sur des sujets sains. La démonstration de son intérêt clinique potentiel est apportée en observant des différences structurelles subtiles entre deux groupes de sujets sains et en identifiant les sous-structures du striatum. Enfin, notre méthode est appliquée dans un contexte clinique pour identifier les altérations de connectivité structurelle du complexe hippocampo-amygdalien, impliqué dans l’ELT, en lien avec la pathologie. Nos travaux ont ainsi permis d’identifier les altérations globales et diffuses du réseau structurel liées à l’ELT, et plus particulièrement ont mis en évidence des disparités importantes selon la latéralité de la pathologie. Nous avons également présenté une nouvelle méthode d’extraction du connectome structurel augmentant considérablement sa précision anatomique et défini les outils nécessaires à l’analyse haute-résolution du connectome structurel. L’intérêt de cette méthode a été démontré par le gain de précision anatomique obtenu pour l’étude de l’architecture cérébrale du sujet sain ou pour une meilleure identification de réseaux pathologiques, ouvrant ainsi de nombreuses perspectives sur la caractérisation de l’architecture cérébrale et son lien sur le fonctionnement du cerveau.

  • Titre traduit

    Structural connectivity changes in epilepsy


  • Résumé

    Epilepsy is a frequent disease affecting 0.5 to 1% of the general population, characterized by recurrent seizures responsible for severe medical and psychosocial handicaps. The causes of epilepsy may be antenatal or acquired brain lesions, genetic history or metabolic disorders. Temporal lobe epilepsy (TLE) is the most common medically intractable epilepsy in adults, often associated with hippocampal sclerosis. Although TLE has been perceived for a long time as a hippocampal disorder, many studies show that the disease actually affects brain regions beyond the hippocampus and temporal lobe suggesting diffuse alteration of the brain structural network. However, these alterations are still unknown. Recent advances in diffusion weighted imaging and processing allow for the acquisition of brain anatomical images and the modeling of white matter fibers. Brain network architecture can then be represented mathematically by means of a graph, called “structural connectome”, defining the strength of the structural links (white matter fibers) across brain regions.The purpose of this thesis is to identify structural network alterations associated with epilepsy, in particular TLE. The secondary objective is to develop new methods for extracting the structural connectome in order to increase the anatomical accuracy and better localize network alterations.Therefore, we first review the state of the art of the methods used for extracting and analyzing the structural connectome and establish their limitations. We then introduce a new method to extract the structural connectome with increased anatomical accuracy, which we called “high-resolution structural connectome”. The purpose is to provide a framework to analyze brain connectivity at high-resolution and to define the necessary tools for individual and group analysis, keeping in mind processing time and memory and disk usages.Then, we analyze the structural connectome of TLE patients with hippocampal sclerosis to reveal underlying pathological network, we also highlight pathological network discrepancies between left and right sided lesions. Inter- and intra-subject stability and repeatability of the high-resolution structural connectome are assessed with a cohort of healthy subjects. We demonstrate potential clinical interest by observing subtle structural differences between two groups of healthy subjects and by delineating the sub-fields of the striatum. Finally, our method is applied to the pathological case of TLE and aims at uncover structural connectivity alterations of the hippocampo-amygdalian complex, known to be involved in TLE.In conclusion, we extend our current knowledge on TLE by showing that this is a network disease involving widespread brain regions, whose pattern largely depends on lesion laterality. We also introduce a new method for extracting the structural connectome at high-resolution, considerably increasing the anatomical accuracy. The interest of this method is demonstrated on healthy subjects to better characterize the healthy brain and on the diseased brain to localize more precisely the brain regions associated with the pathology.

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  • Détails : 1 vol. (187 f.)
  • Annexes : Bibliogr. f. 162-187

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 50.379-2014-51
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