Imagerie des couches corticales par résonance

Université Paris XI – Paris-Sud
École doctorale  : Sciences et Technologies de l’Information,
des Télécommunications et des Systèmes
Laboratoire de neuro-imagerie assistée par ordinateur,
NeuroSpin, CEA Saclay
Discipline : Imagerie et physique médicales
THÈSE DE DOCTORAT
soutenue le  février  par
Yann Leprince
Imagerie des couches corticales
par résonance magnétique à 7 teslas
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Composition du jury :
Encadrant Denis Rivière Chercheur à NeuroSpin, CEA Saclay
Directeur de thèse Cyril Poupon Chercheur à NeuroSpin, CEA Saclay
Président du jury Christophe Destrieux Professeur à l’Université de Tours
Rapporteurs Isabelle Bloch Professeur à Télécom ParisTech
Olivier Coulon Directeur de recherche au CNRS, Marseille
Examinateurs Pierre-Louis Bazin Chercheur au Max-Planck Institut, Leipzig
Denis Ducreux Professeur à l’Université Paris-Sud

Imagerie des couches corticales
par résonance magnétique à 7 teslas
Résumé
Cette thèse présente le développement d’une méthodologie qui
permet d’analyser la structure en couches du cortex cérébral, en uti-
lisant l’imagerie par résonance magnétique en champ intense ( IRM
à 7 teslas). Alors que l’architecture corticale est traditionnellement
étudiée par imagerie microscopique de coupes de tissu post-mortem,
l’utilisation d’une technique non invasive telle que l’ IRM permet d’en-
visager d’étudier la lamination corticale in vivo, et ainsi de dépasser
les atlas architecturaux classiques comme celui de Brodmann.
Deux approches ont été utilisées pour l’acquisition d’images à
haute résolution. La première, développée pour l’imagerie in vivo,
utilise une reconstruction super-résolue à partir de coupes épaisses
acquises dans différentes géométries. La seconde, basée sur une sé-
quence tridimensionnelle optimisée pour l’imagerie post-mortem, a
permis l’acquisition d’images de pièces anatomiques.
La contribution principale de cette thèse réside dans le déve-
loppement d’un couple de méthodes permettant d’extraire automa-
tiquement, en chaque point du cortex, un profil caractérisant son
architecture en couches. Pour permettre l’extraction robuste de ces
profils, un modèle original de l’influence de la courbure corticale a
été développé et implémenté.
Ces méthodes ont été testées et validées sur plusieurs pièces ana-
tomiques. Ce travail permet d’envisager la caractérisation de l’archi-
tecture des aires corticales, voire leur délimitation automatique, en
utilisant l’IRM en champ intense.
Mots-clés : imagerie, résonance magnétique, IRM , 7 teslas, 7 T , champ
intense, haut champ, traitement d’image, cerveau, cortex, couches corticales,
lamination, colonnes corticales, architecture corticale, architectonie
Laboratoire de préparation de la thèse :
Unati / LNAO
Bâtiment  NeuroSpin
 Gif-sur-Yvette CEDEX
France

Imaging cortical layers
with magnetic resonance at 7teslas
Abstract
This thesis presents the development of a methodology for the analysis
of the layered structure of the cerebral cortex, using high-field magnetic
resonance imaging ( 7 -tesla MRI ). While cortical layers are traditionally
studied using microscopic imaging of post-mortem tissue slices, the use
a non-invasive technique such as MRI will enable in vivo studies, and
thus allow new approaches beyond the use of classical architectural atlases
such as Brodmann’s.
Two imaging methodologies have been used to acquire high-resolution
images. First, a method based on super-resolution reconstruction from
thick slices acquired in different geometries was developed for in vivo
imaging. Second, a three-dimensional imaging sequence optimized for
post-mortem tissue allowed imaging excised brain specimen.
The main contribution of this thesis consists of a pair of methods that
perform an automatic extraction of cortical profiles, which characterize
the laminar architecture at any cortical location. In order to allow robust
extraction of these profiles, an original model of the influence of cortical
curvature was developed and implemented.
These methods were tested and validated on multiple brain specimen.
This work allows envisaging an automatic microarchitectural charac-
terization of cortical areas, and even architectural parcellation, using
high-field MRI.
Keywords : imaging, magnetic resonance, MRI , 7 tesla, 7 T , high field, image
processing, brain, cortex, cortical layer, lamination, cortical column, cortical
architecture, architectonics

Remerciements
Cela va sans dire, ce n’est que grâce à celles et ceux qui m’ont
encadré, aidé, entouré, et supporté pendant ces trois années, que j’ai
pu mener à bien ce travail.
Je tiens à remercier avant tout mon encadrant Denis Rivière. Par
sa disponibilité constante, par son expérience et la pertinence de
ses conseils, il a largement contribué à structurer mon travail et m’a
tiré de bien des impasses. Je remercie également mon directeur de
thèse Cyril Poupon, qui a permis à ce projet de voir le jour, et qui a
accompagné mon travail sur l’acquisition des images.
Je remercie également ceux et celles qui, au travers de collabora-
tions ou de simples discussions, ont contribué à la richesse scienti-
fique de mon environnement de travail ; ainsi que tous mes collègues
pour les agréables moments partagés.
Enfin, je ne remercierai jamais assez mes proches, car c’est dans
leurs encouragements et dans leur soutien constant que j’ai puisé
l’énergie nécessaire pour aller jusqu’au bout.