Etude Méthodologique et Structurale du Développement Cérébral en IRM : Application aux Aires du Langage

Dans les images IRM, nous avons tracé manuellement les sillons corticaux dans les régions du langage. Au cours de cette thèse, nous avons étudié l'anatomie des aires du langage pour mieux comprendre l'émergence du langage tôt dans la vie.

Formation du cortex

Formation des colonnes corticales
Différenciation cellulaire et laminaire
Initiation des réseaux de neurones
Apoptose neuronale (mort cellulaire programmée)

Un premier type de réseau neuronal s'établirait dans la sous-plaque corticale depuis la fin de la période fœtale jusqu'à la naissance (voir [Kanold, 2010] pour une revue). L'activité résiduelle de la sous-plaque se poursuivrait après la naissance dans les régions d'union [Kostovic, 2010].

Figure 1. Formation des colonnes corticales. Les cellules neuronales excitatrices provenant de la même fibre gliale ont une forte préférence pour former de synapses entre elles [Yu, 2009]

Expansion et gyration du cortex

Gyration

Après la naissance, chez le babouin, les plis se développent en profondeur plutôt qu'en surface [Kochunov, 2010]. Chez l’humain, le degré de gyrification du lobe frontal va rattraper puis dépasser celui des régions les plus postérieures.

Origine des plissements

La diversité et le nombre croissants de ces fibres exercent des contraintes hétérogènes sur le cortex [Van Essen, 1997]. Les contraintes longitudinales dans le cortex jouent un rôle plus important que les contraintes radiales dans la formation des plis [Xu, 2010]. Les mécanismes et le poids relatif de chacun de ces phénomènes sont encore mal compris et débattus.

Asymétries anatomiques

Rôle de la région sous-ventriculaire externe (OSVZ) dans la formation du gyrus splénial (SG) chez le furet [Reillo, 2010]. L'asymétrie du cortex observée dans la région centrale [Cykowski, 2008] apparaîtrait plus tard et apparaîtrait dans l'enfance avec le développement de la préférence manuelle [Kloppel, 2010].

Figure 5. Illustration de l’apparition des sillons sur l’interface gris-blanc de cerveaux de nouveau-nés prématurés d’âge gestationnel et de niveau de sulcation différents [Dubois, 2008b]

Maturation du cortex

Synaptogénèse
Myélinisation
Trajectoires de développement
Acquisition du langage

Marquage de la myéline dans le cerveau d'un nouveau-né né à terme (A) et de deux nourrissons âgés de 7 semaines (B) et de quatre mois et demi (C) [Flechsig, 1920]. À droite se trouvent les taux de croissance volumique de la matière grise dans les régions corticales occipitale (en rouge), pariétale (en bleu), frontale (en vert) et préfrontale (en noir).

Figure 8. Densité synaptique moyenne en synapses/100μm3 dans le cortex auditif (disques pleins), la scissure calcarine (cercles, aire B17) et le cortex préfrontal (croix) à des âges différents [Huttenlocher, 1997]

Mesure des composantes du cortex

Segmentation du cortex
Morphométrie des plissements
Epaisseur corticale
Maturation du tissu cortical

Modifications de l'épaisseur corticale avec l'âge dans les régions corticales visuelles (B17, B18, B19), la région motrice (B4) et les régions occipito-temporales moyennes et inférieures (B20, B21 et B37), en utilisant une mesure histologique [Landing , 2002]. Les variations de l'intensité du cortex au cours des premiers mois de la vie sont présentées au chapitre 3.

Figure 13. Qualité du contraste dans trois images IRM (cadres jaune, bleu et blanc) du cerveau d’un nourrisson

Présentation de la thèse

Motivations

Plan de la thèse

Segmentation du cortex

Introduction

Acquisitions multiples
Séparation du cerveau des autres tissus
Modélisation d’informations a priori
Cartes d’appartenances aux tissus
Reconstruction de la surface du cortex par déformation

Velocity of the inner surface as a function of the number of neighbors (regularization) and the function value (f). We measured asymmetric distances between landmarks in the posterior regions of the sylvian fissure in infants (Figure 3 and Table 1). Even in adults, 15% of the hemispheres in Foundas et al. 2002) lack of a clear demarcation point.

Variability in the anatomy of the planum temporale and posterior ascending ramus: do right and left-handers differ? Metabolism needs are not evenly distributed until after the end of the first year (Chugani et al., 1987). 3D meshes of the left planum temporale and Heschl's gyrus in the 14 infants, arranged by age.

Figure 18. A gauche (A), caractéristiques des intensités des tissus dans les modalités T1 et T2 chez un nouveau-né [Prastawa, 2005]

Article 1: Atlas-Free Surface Reconstruction of the Cortical Interface in Infants

Perspectives

Acquisition multiple d’images pondérées en T1 et en T2
Vers de nouveaux a priori
Approche interactive
Optimisations de la méthode

Segmenter manuellement une image d'un cerveau âgé de quatre à six mois est long et fastidieux, mais reste possible avec un peu d'entraînement (figure 4 de l'article présenté dans la section suivante). Dans un grand nombre de situations, la segmentation visuelle d'une scène en objets est instantanée. Il est très probable que notre perception implique de multiples processus innés qui contribuent à la segmentation d'une scène visuelle (les principes de perception dans la théorie de la Gestalt).

Nous proposons de construire cette carte basée sur une érosion et une dilatation morphologique de l'interface segmentée de quelques millimètres.

Figure 20. Mesure de contraste local entre le cortex, la substance blanche et le LCR

Asymétries des plissements du cortex

Pétalias et asymétries dans les régions périsylviennes

Asymétries cérébrales
Gyrus de Heschl
Planum temporale
Scissure de Sylvius
Aire de Broca
Gyrus supra-marginal (GSM)
Sillon central
Insula

This rotation is combined with an elevation and shortening of the right Sylvian fissure relative to the left (LeMay, 1984), creating a striking shape difference between the left and right posterior temporal areas (Toga and Thompson, 2003; Van Essen, 2005) and a larger left planum temporale (Geschwind and Levitsky, 1968). Again, there was no correlation between the two left asymmetries of the planum and Heschl's gyrus. They observed two gray matter clusters in the depth of the STS that are larger on the right side, one approximately at the base of Heschl's gyrus and the other below the planum temporale (x=40, y=-29, z=- 3 in Talairach coordinates).

In addition to the STS asymmetry, we characterized the known asymmetry of the posterior temporal region. We defined the planum temporale as extending from the posterior base of Heschl's gyrus back to the posterior end of the Sylvian fissure. Each feature was measured in native space and then normalized to the surface of the ipsilateral hemispheric envelope.

Figure 21. Régions périsylviennes asymétriques introduites dans ce chapitre.

Article 2 : A robust cerebral asymmetry in the infant brain: the rightward superior

Observation complémentaire : un cortex de Heschl élargi à gauche

Lorsque l'on observe le gyrus de Heschl depuis l'extérieur de la fissure sylvienne, il ressemble à un gant posé sur la surface supérieure du lobe temporal, considérablement plus long que large. Ce résultat inattendu pourrait provenir de la forme générale du gyrus dans notre population, plutôt que de ses formes complexes bifides ou doubles (voir figure 1 en annexe de l'article). En effet, alors que le gyrus s'estompe en s'évasant dans sa partie latérale antérieure, ses parois médiales sont généralement plus étroites et plus profondes (Figure 24A).

Le cortex élargi du gyrus de Heschl à gauche est en moyenne aussi large que long.

Développement des asymétries : cas du STS et du sillon central

Variations des asymétries du STS et du sillon central au cours du développement humain et dans une population de chimpanzés (« chimpanzé ») ; Mesures de superficie, de longueur et de profondeur maximale. Ce rattrapage de la surface gauche du STS suggère une augmentation plus forte de la zone gauche du cortex entre l'enfance et l'âge adulte. 2003] ont noté que la région STS connaît une augmentation prolongée jusqu'à la fin de l'adolescence, atteignant un pic plus net du côté gauche.

Notons cependant une tendance vers une asymétrie droite de la profondeur du sillon central (IA=+2%, p=0,15).

Figure 25. Variations des asymétries du STS et du sillon central au cours du développement humain et dans une population de chimpanzés (« chimp ») ; Mesures de surface, de longeur et de profondeur maximale

Héritabilité dans les régions périsylviennes : cas du STS

1997], suggérant que les asymétries morphologiques sont plus reproductibles chez les vrais jumeaux que chez les faux jumeaux et que les asymétries dans les régions périsylviennes sont donc héréditaires. Ils ont observé que plus les lignes étaient profondes, plus elles étaient similaires chez des sujets non apparentés et, de manière plus significative, chez de vrais jumeaux. Dans la région du STS située sous le planum, les lignes sulcales profondes étaient plus similaires chez les vrais jumeaux que chez les sujets non appariés (Figure 27).

Chez le nourrisson, l'asymétrie de profondeur s'étend de la base du gyrus de Heschl jusqu'à la base de l'extrémité postérieure du planum temporale (article n°2).

Figure 26. Interface utilisateur du quiz sur les jumeaux [Leroy, 2006]. Chaque observateur devait choisir les deux vues les plus ressemblantes dans chacune des 17 planches présentées (11 paires de vrais jumeaux et 6 paires de faux jumeaux)

Origines des asymétries précoces des régions temporales postérieures

Modélisations de la formation des plissements
Application aux régions temporales postérieures

En revanche, les variations de l'asymétrie du planum et du gyrus temporal supérieur seront sensibles aux variations de la composante volumique du couple [Barrick, 2005 ; Chance, 2005]. Cette morphologie indique un rôle prédominant de la tension exercée par les fibres en forme de U dans ce gyrus [Van Essen, 1997]. Près du gyrus de Heschl (Figure 30), il est situé dans ou à proximité de la région asymétrique chez les nourrissons.

En revanche, l'extension de la corne temporale du ventricule influencerait l'orientation des plis selon le modèle de Striegel et al.

Figure 28. Modèles de la formation des plissements.

Maturation du cortex

Phénomènes maturationnels à l’origine de la baisse de la constante T2 du cortex

Il a été suggéré que la myélinisation serait en partie responsable de la diminution de l'intensité du signal cortical au cours des premiers mois de la vie. Au cours des six premiers mois, la myélinisation (de la substance blanche) est mesurée de préférence à T1 en neuroradiologie pédiatrique [Baratti, 1999]. De nouvelles études semblent donc nécessaires pour trancher sur l’effet possible du fer sur l’intensité du signal sur les images pondérées T2, notamment dans les premiers mois de vie.

Enfin, dans les premiers mois de vie, la dispersion des membranes, associée à une baisse de la teneur en eau, aura un effet majeur sur les variations de l'intensité du cortex en imagerie pondérée T2.

Définition d’un indice de maturation en imagerie pondérée en T2

Normalisation du signal du cortex
Correction des inhomogénéités ou « biais » dans l’image
Calcul de l’indice de maturation à partir d’une mesure locale du signal du LCR

Speech processing in adults relies on distributed networks of the left hemisphere frontal and temporal lobes. Scatter diagram of the maturation index (MI) by age for each maturation group. Maturation asymmetries in the temporal areas.A, Two-dimensional projection onto a regular grid of the mean value of the maturation index (MI) across infants in Heschl's gyrus and planum temporale.

Our index can thus be used to assess the relative maturity of different perisylvian areas. A comparative MR imaging study of brain maturation in pups with T1, T2 and diffusion tensor trace. Automated analysis of cerebral asymmetry: an exploratory study of the relationship between cerebral torque and planum temporal asymmetry.

Figure 31. Normalisation du signal du cortex par le signal du corps vitreux des yeux [McArdle, 1987]

Article 3 : Early Maturation of the Linguistic Dorsal Pathway in Human Infants

Evaluation de l’indice de maturation

Influence de l’épaisseur corticale
Effet de l’écoulement du LCR
Effet de volume du LCR
Présence d’un biais résiduel
Que faire en l’absence de LCR ?

Cette observation suggère que les variations d'épaisseur corticale sont en partie responsables des différences d'indice de maturation. Ces résultats suggèrent que les modifications du flux de LCR ont un effet limité sur l'indice de maturation. Evolution homogène de l'indice de maturation à travers les différentes régions corticales pour ces deux sujets (par rapport à la moyenne).

Le calcul de l'indice de maturation dépend fortement de la présence de LCR à proximité de la zone d'intérêt.

Figure 37. Influence de l’épaisseur corticale sur l’indice de maturation. A. La demi-largeur du sillon inclut l’épaisseur corticale dans notre calcul

Interactions entre maturation du cortex et myélinisation de la substance blanche

Cette corrélation suggère, dans l'hémisphère gauche, qu'une avancée développementale du fascicule arqué serait associée à un retard de maturation dans cette région du STS. De plus, il a été suggéré qu’une plus grande activité dans la voie dorsale du langage serait associée à une diminution de l’activité dans les connexions interhémisphériques. Nous proposons donc l'hypothèse selon laquelle, dans l'hémisphère gauche, la progression du développement du fascicule arqué s'accompagnera, dans la région STS observée, d'une plus grande élimination des neurones dont les principales branches axonales traversent le corps calleux.

Une myélinisation moins prononcée est présente autour de la fissure de Silvius, jusqu'au gyrus frontal inférieur (Fig. 1 et Fig. 4).

Figure 41. Marquage histochimique de la myéline chez un nourrisson de 9 semaines [Flechsig, 1920]

Organisation des régions temporales supérieures

L'asymétrie du planum, associée à l'asymétrie de son organisation microscopique, favoriserait ainsi une plus grande connectivité avec les zones de l'hémisphère gauche. Concernant l’asymétrie du STS, sa plus grande profondeur dans l’hémisphère droit semble favoriser une fonction cognitive autre que le langage. Nous suggérons que l'asymétrie STS joue un rôle dans l'émergence précoce de ces formes de communication non verbale.

Enfin, les asymétries observées dans les régions temporales postérieures gauche favoriseraient le traitement des stimuli auditifs, notamment la parole, tandis que du côté droit l'asymétrie du STS contribuerait plutôt à l'organisation des processus de communication non verbaux.

Figure 42. Rôle suggéré des plis de passage dans l’organisation fonctionnelle du langage

Développement précoce de la voie dorsale du langage : une spécificité humaine ?

Ces résultats suggèrent le développement de la boucle phonologique dans les premiers mois de la vie, soutenu par la voie dorsale du langage. Lors de l'émergence du langage chez l'humain, un recyclage des circuits neuronaux des régions frontales inférieures a été proposé, accompagné du développement de la voie dorsale vers les régions temporopariétales [Aboitiz, 2010]. De nombreuses recherches restent à faire pour comprendre l’émergence du langage tôt dans la vie.

Ainsi, ces résultats suggèrent qu'un trouble du développement apparaît précocement dans les régions temporales supérieures, peut-être lors de la formation de la région STS située sous le planum temporale.