Méthodes de classification des graphes : application à l’identification des réseaux fonctionnels impliqués dans les processus de mémoire

par Ahmad Mheich

Thèse de doctorat en Traitement du signal et télécommunications

Sous la direction de Fabrice Wendling.


  • Résumé

    Le cerveau humain est un réseau «large-échelle» formé de régions corticales distribuées et fonctionnellement interconnectées. Le traitement de l'information par le cerveau est un processus dynamique mettant en jeu une réorganisation rapide des réseaux cérébraux fonctionnels, sur une échelle de temps très courte (inférieure à la seconde). Dans le champ des neurosciences cognitives, deux grandes questions restent ouvertes concernant ces réseaux. D'une part, est-il possible de suivre leur dynamique spatio-temporelle avec une résolution temporelle nettement supérieure à celle de l'IRM fonctionnelle? D'autre part, est-il possible de mettre en évidence des différences significatives dans ces réseaux lorsque le cerveau traite des stimuli (visuels, par exemple) ayant des caractéristiques différentes. Ces deux questions ont guidé les développements méthodologiques élaborés dans cette thèse. En effet, de nouvelles méthodes basées sur l'électroencéphalographie sont proposées. Ces méthodes permettent, d'une part de suivre la reconfiguration dynamique des réseaux cérébraux fonctionnels à une échelle de temps inférieure à la seconde. Elles permettent, d'autre part, de comparer deux réseaux cérébraux activés dans des conditions spécifiques. Nous proposons donc un nouvel algorithme bénéficiant de l'excellente résolution temporelle de l'EEG afin de suivre la reconfiguration rapide des réseaux fonctionnels cérébraux à l'échelle de la milliseconde. L'objectif principal de cet algorithme est de segmenter les réseaux cérébraux en un ensemble d' «états de connectivité fonctionnelle» à l'aide d'une approche de type « clustering ». L'algorithme est basé sur celui des K-means et a été appliqué sur les graphes de connectivité obtenus à partir de l'estimation des valeurs de connectivité fonctionnelle entre les régions d'intérêt considérées. La seconde question abordée dans ce travail relève de la mesure de similarité entre graphes. Ainsi, afin de comparer des réseaux de connectivité fonctionnelle, nous avons développé un algorithme (SimNet) capable de quantifier la similarité entre deux réseaux dont les nœuds sont définis spatialement. Cet algorithme met en correspondance les deux graphes en « déformant » le premier pour le rendre identique au second sur une contrainte de coût minimal associée à la déformation (insertion, suppression, substitution de nœuds et d’arêtes). Il procède selon deux étapes, la première consistant à calculer une distance sur les nœuds et la seconde une distance sur les arrêtes. Cet algorithme fournit un indice de similarité normalisé: 0 pour aucune similarité et 1 pour deux réseaux identiques. Il a été évalué sur des graphes simulés puis comparé à des algorithmes existants. Il montre de meilleures performances pour détecter la variation spatiale entre les graphes. Il a également été appliqué sur des données réelles afin de comparer différents réseaux cérébraux. Les résultats ont montré des performances élevées pour comparer deux réseaux cérébraux réels obtenus à partir l'EEG à haute résolution spatiale, au cours d'une tâche cognitive consistant à nommer des éléments de deux catégories différentes (objets vs animaux).

  • Titre traduit

    Methods for graph classification : application to the identification of neural cliques involved in memory porcesses


  • Résumé

    The human brain is a "large-scale" network consisting of distributed and functionally interconnected regions. The information processing in the brain is a dynamic process that involves a fast reorganization of functional brain networks in a very short time scale (less than one second). In the field of cognitive neuroscience, two big questions remain about these networks. Firstly, is it possible to follow the spatiotemporal dynamics of the brain networks with a temporal resolution significantly higher than the functional MRI? Secondly, is it possible to detect a significant difference between these networks when the brain processes stimuli (visual, for example) with different characteristics? These two questions are the main motivations of this thesis. Indeed, we proposed new methods based on dense electroencephalography. These methods allow: i) to follow the dynamic reconfiguration of brain functional networks at millisecond time scale and ii) to compare two activated brain networks under specific conditions. We propose a new algorithm benefiting from the excellent temporal resolution of EEG to track the fast reconfiguration of the functional brain networks at millisecond time scale. The main objective of this algorithm is to segment the brain networks into a set of "functional connectivity states" using a network-clustering approach. The algorithm is based on K-means and was applied on the connectivity graphs obtained by estimation the functional connectivity values between the considered regions of interest. The second challenge addressed in this work falls within the measure of similarity between graphs. Thus, to compare functional connectivity networks, we developed an algorithm (SimNet) that able to quantify the similarity between two networks whose node coordinates is known. This algorithm maps one graph to the other using different operations (insertion, deletion, substitution of nodes and edges). The algorithm is based on two main parts, the first one is based on calculating the nodes distance and the second one is to calculate the edges distance. This algorithm provides a normalized similarity index: 0 for no similarity and 1 for two identical networks. SimNet was evaluated with simulated graphs and was compared with previously-published graph similarity algorithms. It shows high performance to detect the similarity variation between graphs involving a shifting of the location of nodes. It was also applied on real data to compare different brain networks. Results showed high performance in the comparison of real brain networks obtained from dense EEG during a cognitive task consisting in naming items of two different categories (objects vs. animals).


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