The Myelin-Weighted Connectome: A Multiplex Approach to Characterize Brain Function and Structure

L'intégrité de la myéline joue un rôle important dans la fiabilité de la transmission du signal le long des axones d'un neurone à l'autre. Il existe de nombreuses maladies neurologiques qui a˙ectent la myéline et perturbent la transmission normale du signal, provoquant une grande variété de symptômes di˙érents. Un moyen eÿcace de modéliser et de mieux comprendre non seulement la pathologie, mais aussi le bon fonctionnement du cerveau, consiste à utiliser la l'étude des connectomes soit la connectomique. La connectomique o˙re un moyen unique de modéliser le cerveau comme un réseau de régions interconnectées. Il est très courant d'attribuer des pondérations aux connexions qui pourraient représenter une propriété mi-crostructurale sous-jacente. Cependant, les métriques bien établies qui sont utilisées pour pondérer le connectome (comme par exemple les mesures dérivées de la di˙usion, l'anisotropie fractionnaire (FA) et le nombre de streamlines) manquent de spécificité. Par conséquent, les connectomes pondérés avec les métriques standard dérivées de la di˙usion peuvent ne pas être en mesure de capturer pleinement les changements sous-jacents causés par une pathologie spécifique. L'objectif principal de cette thèse était de faire progresser le modèle de connectivité cérébrale avec des informations sur la myéline. Pour ce faire, le connectome structurel a été complété par une mesure IRM quantitative sensible à la myéline. Le connectome a été construit à partir du tractogramme reconstruit à partir de données IRM de di˙usion multi-shell. Ensuite, en utilisant les informations sur la myéline extraites du taux de relaxation longitudinale (R1), un poids a été attribué à chaque connexion dans le connectome. Afin d'évaluer la valeur ajoutée du connectome pondéré en myéline, il a été comparé à l'un des connectomes standard pondéré avec un certain nombre de streamlines. Il a été observé que le connectome pondéré par la myéline di˙ère des connectomes standard. Les résultats de la comparaison ont montré que le connectome pondéré par la myéline ne suivait pas la même distribution de degré de nœud (node degree) et présentait une structure modulaire di˙érente. En utilisant une analyse basée sur les rangs, il a été montré que le R1 pouvait mieux séparer les régions responsables des fonctions d'ordre supérieur des régions responsables des fonctions d'ordre inférieur. Cette étude a été publiée dans le journal Network Neuroscience. Après avoir établi le connectome pondéré en myéline sur des individus sains, il a été utilisé pour étudier les altérations de la teneur en myéline chez les personnes atteintes de la maladie de Parkinson. Afin d'identifier une modification de la teneur en myéline, les connectomes pondérés en myéline des individus atteints de la maladie de Parkinson ont été comparés aux connectomes pondérés en myéline d'individus sains de même âge. Le résultat de l'analyse a montré que la plupart des connexions identifiées avec l'altération de la teneur en myéline provenaient des noyaux gris centraux, en particulier des noyaux de la Substance noire, con-sidérée comme une région épicentrale de la maladie de Parkinson. De plus, afin d'évaluer la progression de la maladie et identifier d'autres épicentres potentiels de la maladie, nous avons e˙ectué une analyse en anneau (ring analysis) des régions sous-corticales et du tronc cérébral. Cette analyse a montré que la Substance noire, l'Amygdale, l'Hippocampe, le Noyau basal de Meynert et le Mésencéphale étaient des régions qui présentaient une diminution significative de la teneur en myéline le long des connexions qui en émergeaient. Enfin, nous avons identi-fié un modèle de connectivité multivariée de connexions qui coïncident au maximum avec le score clinique évaluant la motricité. Ce travail a été soumis au journal Movement Disorders. Enfin, en utilisant le connectome pondéré en myéline, nous avons étudié les altérations de myélinisation de la substance blanche qui est d'apparence normale chez les patients atteints de sclérose en plaques (MS). Pour cela, toutes les connexions qui traversaient ou se terminaient par une lésion ont été écartées de l'analyse. Dans cette étude, le connectome a été pondéré avec la FA comme mesure standard dérivée de la di˙usion, et pondéré par le rapport de transfert de magnétisation (MTR) comme mesure sensible à la myéline. En utilisant une analyse statistique multivariée, nous avons pu identifier plus de connexions qui ont montré une diminution de la myéline dans le groupe MS par rapport aux connexions identifiées avec le connectome pondéré en FA. La plupart des connexions a˙ectées identifiées étaient communes pour les deux connectomes, mais environ 1/5 de ces connexions étaient uniques pour le connectome pondéré par la myéline. Ces travaux ont été présentés lors de la 27e réunion annuelle de la Société internationale de résonance magnétique en médecine (ISMRM). L'impact de ce projet est de renforcer l'importance de l'utilisation du connectome pondéré en myéline pour évaluer di˙érentes maladies neurodégénératives. Le connectome pondéré par la myéline a la capacité d'o˙rir une information plus complète de la microstructure cérébrale et de sa relation avec la fonction cérébrale. De plus, cela pourrait également conduire au développement de nouveaux biomarqueurs capables de capturer les changements microstruc-turaux précoces causés par des pathologies qui a˙ectent la teneur en myéline.