Apport de l'analyse spectrale du signal BOLD à l'étude de la connectivité fonctionnelle en imagerie par résonnance magnétique

par Sidy Fall

Thèse de doctorat en Génie biomédical et médical. Imagerie

Sous la direction de Giovanni de Marco.

Soutenue en 2007

à Amiens .

mots clés

• Système nerveux central -- imagerie diagnostique
• Imagerie par résonance magnétique
• Diagnostic par imagerie
• Imagerie pour le diagnostic -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Nous décrivons dans cette thèse une méthode d’analyse spectrale bivariée de séries temporelles IRMf (Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle) que nous avons développée et qui nous permet d’explorer la connectivité fonctionnelle cérébrale. Contrairement aux méthodes temporelles classiques, l’étude des structures de covariance des signaux BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) dans le domaine fréquentiel permet de mieux s’affranchir du bruit physiologique et des variabilités intra et interindividuelle de la réponse hémodynamique. Sur la base d’une estimation non paramétrique de la fonction de densité spectrale croisée, nous avons déterminé et calculé des paramètres spectraux de phase et de cohérence entre différents signaux BOLD (régions). Des intervalles de confiance associés à ces paramètres spectraux ont été aussi calculés. L’interactivité entre deux régions cérébrales a été définie sur la base de la cohérence et d’une distance topologique assimilée à une distance fonctionnelle. La cohérence partielle a été également étudiée afin de montrer l’influence modulatrice d’une tierce région sur deux aires cérébrales fonctionnellement connectées et engagées dans la tâche sensorimotrice. Nous avons testé notre méthode d’analyse spectrale à partir d’une tâche de préparation et d’exécution motrice. Cette méthode d’analyse de la connectivité fonctionnelle a été appliquée sur des circuits spécifiques en réseau reliant trois régions du cortex moteur. Les principaux résultats obtenus ont montré une réponse BOLD en avance de phase dans l’aire motrice pré-supplémentaire (pré-AMS) par rapport à l’aire motrice supplémentaire propre (AMS-propre) et au cortex moteur primaire (M1) durant la phase de préparation du mouvement. La valeur d’interaction du couplage pré-AMS/M1 était significativement plus élevée que celle du couplage AMS-propre/M1 obtenue durant la période de préparation du mouvement. En revanche, durant la période d’exécution du mouvement, la valeur d’interaction AMS-propre/M1 était significativement supérieure à celle du couplage pré-AMS/M1. L’analyse de la cohérence partielle a révélé une influence modulatrice significative du gyrus frontal supérieur sur les aires pré-AMS et M1 pendant la période de préparation du mouvement. Nous avons montré que notre méthode d’analyse spectrale était bien adaptée à l’étude de la connectivité fonctionnelle du cerveau humain

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Résumé

Bivariate spectral analysis of fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging) time-series that we have developed and which has allowed us to investigate the brain functional connectivity. Conversely to standard temporal methods, the study of covariance structure between signals, within the frequency domain, can permit to overcome regional differences in the physiological noise, intra and inter subject variability of BOLD (Blood Oxygen Level Dependant) response. With a non parametric estimation of the cross-spectral density function, we have estimated spectral parameters of phase and coherence between BOLD signals (regions). Confidence limits associated to these parameters have also been estimated. The interactivity between two regions was accessed through coherence and a topological distance (functional distance). Partial coherence has been also investigated to study a possible effect of modulation induced by a third region over two functionally connected regions and engaged in the task. We have applied this method of functional connectivity to specific circuits of three motor regions. A preparation and execution motor task has been performed. The main results of this study showed that the BOLD signal in the pre-supplementary motor area (pre-SMA) leads both the SMA-proper and the primary motor cortex (M1) during the preparation period. During this period, the strength of interaction between the coupling pre-SMA/M1 was significantly higher than the strength of interaction between the coupling SMA-proper/M1. Inversely, during the execution period of the task, the strength of interaction between the coupling SMA-proper/M1 was significantly higher than the strength of interaction between the coupling pre-SMA/M1. The analysis of the partial coherence has showed a significant common influence of the superior frontal gyrus on the relationship between pre-SMA and M1 regions during the preparation period. Spectral analysis with fMRI data has been successfully used to investigate the functional connectivity in the human brain