Élaboration d'un outil logiciel d'analyse des données de spectroscopie proche infrarouge pour l'étude du vieillissement cognitif

La communauté des chercheurs en neurosciences de la cognition et en vieillissement accueille toujours de manière enthousiaste les nouvelles modalités d'imagerie cérébrale. Auparavant, le fonctionnement du cerveau n'était étudié qu'au travers de la performance des sujets aux tâches cognitives. L'introduction des techniques d'imagerie a donc permis, au sens quasi littéral du terme, de voir l'activité dans le cortex. La forte dépendance entre le système circulatoire cérébral et le système nerveux ainsi que la capacité de la spectroscopie proche infrarouge en éclairage continu (SPIR en éclairage continu) à suivre l'évolution de la concentration en hémoglobine désoxygénée (HbR) aussi bien qu'en hémoglobine oxygénée (HbO) ont fait de cette modalité un outil d'investigation de choix. Cependant, l'étude du vieillissement cognitif suppose de pouvoir comparer l'activité cérébrale observée chez des sujets d'âges différents. Or le signal de SPIR en éclairage continu est aussi affecté par les changements qui interviennent au niveau de l'anatomie ou des propriétés des tissus vis-à-vis de la lumière. Tout changement relié à l'âge a donc un impact non nul sur les observations que nous permettent de mener la SPIR en éclairage continu. Un des éléments essentiels d'un modèle du vieillissement du cortex est le facteur de chemin optique différentiel (DPF), il permet de corriger les biais introduits par l'ensemble de ces transformations anatomiques et physiologiques. Et, alors que les études portant sur des populations très agées connaissent un intérêt croissant, ce facteur n'a été à ce jour étudié que jusqu'à l'âge de 51 ans. C'est de cette nécessité de correction du signal qu'a émergé le sujet de cette maîtrise. Son ambitieux objectif est de fournir un des premiers outils permettant de normaliser les activités détectées en SPIR en éclairage continu dans le cortex. Une chaîne d'analyse des données acquises lors d'études multimodales mettant en jeu l'imagerie à résonance magnétique (IRM) anatomique et fonctionnelle, la spectroscopie résolue en temps (TRS) et la SPIR en éclairage continu a été conçue et intégrée au logiciel d'analyse statistique Statistical Parametric Mapping (Wellcome Trust Centre for Neuroimaging, UCL) (SPM) (Wellcome Trust Centre for Neuroimaging, UCL). Elle permet de traiter de grandes quantités de données avec simplicité et fournit des cartes statistiques de l'activité cérébrale. Grâce aux nouveaux horizons qu'a ouvert cet outil, une étude poussée du DPF a pu être menée : pour la première fois, le DPF a pu être évalué jusqu'à l'âge de 72 ans. Les résultats de ce travail montrent qu'au niveau du cortex préfrontal, les simulations utilisant les images anatomiques IRM et les mesures en TRS proposent des changements similaires du DPF avec l'âge. Cependant, nos résultats sont sous-évalués de manière systématique par rapport aux valeurs couramment utilisées et publiées en 1996 par Duncan et al.. Notre conclusion est que les propriétés d'absorption a et de diffusion s trouvées dans la littérature ne correspondent pas aux véritables caractéristiques des tissus. Le DPF dépendrait beaucoup plus de a et s que de l'anatomie. Ainsi l'individualisation des propriétés d'absorption et de diffusion des tissus serait un pas décisif vers des reconstructions précises et fiables de l'activité cérébrale.

Abstract

The community of neuroscientists in cognition and aging has always enthusiastically welcome new cerebral imaging modalities. Previously, the brain had been studied only through the performance of subjects while carrying out cognitive tasks. Since then, imaging techniques have allowed to literally see the cortical activity. However, the deep rooted dependence inbetween nervous and circulatory systems makes the interpretation of imaging data difficult. The capability of continuous wave near infrared spectroscopy (continuous wave NIRS) to follow both oxyhemoglobin (HbO) and deoxyhemoglobin (HbR) concentrations has offered an essential investigation mean into the study of the brain neurophysiology. In the studies of cognitive aging we aim to compare cerebral activities amongst population of different ages. Concerning optical imaging, continuous wave NIRS signal is affected by variations in anatomy as well as optical properties of the tissues. Thus any changes related to aging have an impact on our observations through the continuous wave NIRS. One of the important factors in models describing aging is the differential path length factor (DPF). The latter corrects the bias introduced to the observations by the combination of anatomical and physiological variations with age. Whereas studies over senior population have had a growing interest, this factor has not been evaluated for individuals aged over 51. It is from the necessity of such a correction that emerged the essential objective of this project. Its ambitious aim is to provide one of the first toolboxes with the promise of giving more clarification to continuous wave NIRS signal by normalizing the detected activities in the cortex. An analysis pipeline of multimodal acquired data from magnetic resonance imaging (MRI), both anatomical and functional, time resolved spectroscopy (TRS) and continuous wave NIRS has been designed and integrated into the statistical analysis software Statistical Parametric Mapping (SPM) developed by the Wellcome Trust Centre for Neuroimaging (UCL). Its application in cerebral imaging permits the processing of large amounts of data quite easily and gives statistical map of cortical activations. Thanks to the new horizons that the integrated NIRS toolbox in SPM offers, a promising finding was achieved concerning the DPF; for the first time, it was evaluated up to the age of 72. The results of this study show that at the fontal cortex, simulations over anatomical MR images applying TRS measures don't prove any differentiation of the DPF with age. However, our results are underestimated systematically with respect to DPF values published in 1996 by Duncan et al. and vastly quoted since then. Our conclusion would be that the absorption and diffusion properties (a and s respectively) don't correspond to the intrinsic characteristics of the brain tissues. In other words, the DPF would depend on a and s more than on the anatomy of the media where the light travels. Thereby, the individualization of a and s properties would be definitely a decisive step towards reliable reconstructions of cerebral activity maps.