Place de l'anatomie dans la cartographie fonctionnelle du cerveau

Place de l'anatomie dans la cartographie fonctionnelle du cerveau

Jean-Fran(;ois Mangin ~, Jean Regis 2, Jean-Baptiste Poline ~, Denis Rivi~re ~, Cyril Poupon ~,6, Fabrice Poupon ~, Dimitri Papadopoulos ~, Fabien D elaye 1,3, Olivier Pizzato 1,~, Olivier Coulo n~,~, Sophie Crozier ~:~, Pascal Belin ~, Philippe Remy ~, Monica Zilbovicius ', Chris Clark ~, Denis Lebihan ', Dominique Hasboun ~, Stdphane Lehericy ~, Didier Dormont °, Olivier de Dreuill@, Hervd Foehrenbach ~, Jean-Frangois Galliard ~, Isabelle Bloch ~, Yves Samson ~,4, Vincent Frouin ~

L'essor des techniques d'imagerie fonctionnelle depuis une quinzaine d'ann4es a profond6ment modifi4 la mani6re d'aborder la cartographie fonctionnelle du cerveau humain. Il a conduit l'6mergence de vastes projets confront4s ~ la manipulation d'6normes quantit4s de donn4es anatomo-fonctionnelles. Ces projets impliquent la possibilit4 de comparer des individus et de th6sauriser les r4sultats obtenus en mati6re de localisation anatomique par rapport/! un r4f4rentiel.

1Service hospitalier Frederic-Joliot, Departement de recherche n~dicale, DSV, CEA, 4, place du GI-Leclerc, 91406 Orsay, France. E-mail: [email protected], http ://www-dsv.cea.fr ; 2Service de neurochirurgie fonctiennelle et stereotaxique, La Timone, Marseille ; 3Service de medecine nucteaire, Vabde-Gr~.ce, Paris; 4Service des urgences vasculaires, La Pitie-Salpetriere, Paris ; 5Service de neuroradiologie, La Piti~-Satpetriere, Paris; 6Departement signal et image, I~cole nationale superieure des telecommunications, Paris.

L 'anatomie du cerveau a souvent jou6 un r61e ambigu dans les innombrables travaux vi-

sant a d6voiler le fonctionnement de l'esprit humain. Uambition de rapporter chaque facult6 a l'activit6 d 'une structure particuli6re du cerveau a d 'abord donn6 lieu, au cours de l'histoire, fi de nombreuses hy- poth6ses fantaisistes qui ont culmi- n6 au d4but du XIX e si6cle avec la phr6nologie de Gall [8, 28, 64]. Cette d6marche ~ localisationiste ~, s'opposait alors a une th6se ~ glo- baliste ,, qui pr6nait une localisation diffuse des fonctions mentales. La th6se d6fendue par Gall, d 'un d6terminisme biologique concer- nant les capacit6s mentales ainsi que le caract6re arbitraire de sa cartographie, explique l'existence depuis cette 6poque d 'une r6pu- gnance, encore vivace aujourd'hui,

6tablir des corr61ations entre anatomie morphologique corticale et fonction. N6anmoins, l 'observation de malades atteints de 16sions c6- r6brales focales (Broca [5]) et des stimulations 61ectriques du cortex chez l'animal (Ferrier [18]), puis chez l 'homme pendant certaines op6ra- tions neurochirurgicales (Penfield [53]), permirent d'6tablir les pre- mi6res cartes fonctionnelles. Les vi- sions localisationistes et globalistes se sont alors peu a peu unifi6es pour aboutir ~ une vision ~ connec- tiviste ,, du fonctionnement c6r6- bral qui associe chaque processus cognitif/~ l'activit6 globale d 'un r6- seau de modules localis6s [77, 87]. L'essor des techniques d'imagerie fonctionnelle auquel nous assistons depuis une quinzaine d'ann6es a

profond6ment modifi6 la mani6re d 'aborder la cartographie fonctionnelle du cerveau humain. En effet, la neuropsychologie classique s'est longtemps heurt6e a la difficult6 d'inf6rer des informations pr6cises sur le fonctionnement du cerveau sain en 6tudiant les cons6quences comportementales de 16sions relativement mal d6finies. I1 s'agissait pourtant autrefois d 'une des rares mani6res d '6tudier les fonctions propres a l 'homme, avec la mesure des temps de r6action et les premiers 61ectroenc6phalogrammes. En effet, les techniques d'observation invasives utilis6es chez l'animal ne sont transposables l 'homme que dans des contextes neurochirurgicaux exceptionnels. Aujourd'hui, la possibilit6 de r6ali- ser des exp6riences cognitives chez le sujet sain en s 'appuyant sur le couplage entre activit6 neuronale et r6ponse h6modynamique (TEP, IRMf, imagerie optique) ou sur l'en- registrement direct de l'activit6 61ectrophysiologique (EEG, MEG), ouvre des horizons inesp6r6s. Dans cet article, nous allons chercher ~ faire le point sur le r61e jou6 par l 'anatomie du cerveau humain dans les vastes projets de cartographie fonctionnelle qui ont vu l e jour ces derni6res ann6es. Nous montrerons dans un premier temps le d6- calage actuel entre les informations architecturales sur lesquelles s'ap- puient usuellement les neurosciences, et les informations anatomiques macroscopiques actuellement accessibles in vivo par les techniques d'imagerie. Nous donnerons ensuite un aper~u des outils infor-

ANNALES DE L'INSTITUT PASTEUR / actualit4s (1998) 9, 3, 243-258 © Elsevier, Paris 243

matiques permettant aujourd'hui de manipuler cette anatomie macroscopique pour la corr61er avec les donn6es fonctionnelles. Nous 6voquerons les difficult6s engen- dr6es par la variabilit6 interindividuelle des formes du cortex lorsqu'on souhaite les utiliser comme une ,, carte routi6re - permettant de localiser les modules fonctionnels. Nous d6crirons alors les solutions raises en place par le pass6 pour pallier ces difficult6s ainsi que leur avenir probable. Nous montrerons que les 6volu- tions m6thodologiques pressenties, tant en ce qui concerne l'analyse des donn6es que les techniques d'imagerie, pourraient permettre de se rapprocher du point de vue usuel des neurosciences. Nous insisterons enfin sur les progr~s ~ r6aliser en ce qui concerne la compr6hension de la variabilit6 des plissements du cortex pour en 6tudier leur signification potentielle en terme de cartographie fonctionnelle.

1. Les structures du cerveau

Les neurosciences actuelles disposent de nombreuses techniques d'observation visant a d6voiler le fonctionnement du cerveau. Elles sont confront6es ~ une grande com- plexit6, ce qui implique un consid6- table effort d'analyse visant a exhi- ber des processus plus 616mentaires et leurs diverses interactions. C'est pourquoi de nombreux travaux cherchent a mettre en 6vidence des structures, sur le plan architectural et sur le plan cognitif. Ces efforts, qui se rejoignent peu ~ peu, impliquent souvent des simplifications importantes, mais cette d6marche r6ductrice semble imp6rative pour nourrir la r6flexion.

• 1.1. Un point de vue architectural

Un point de vue relativement con- sensuel, sous-jacent aux neurosciences, accorde une importance considOrable ~ la topologie du gi- gantesque r6seau form6 par les divers types de neurones dont le cerveau est constitu6 [8]. I1 semble

compl6tement illusoire d'imaginer acc6der un jour ~ la totalit6 de cette topologie si ce n'est pour les esp6ces les plus simples. Ce serait d'ailleurs sans doute d'un int6rSt limit6 du fait de sa consid6rable variabilit6 entre les individus. En revanche, il semble fondamental de chercher mettre en 6vidence ses grands prin- cipes architecturaux. D'innombrables travaux anatomiques ont 6t6 r6alis6s dans ce but. La plupart de ces 6tudes, qui reposent sur une vaste panoplie de colorants et de marqueurs radioactifs, sont effec- tu6es in vitro. La majeure partie des informations architecturales ne sont donc pas accessibles chez les sujets 6tudi6s par imagerie fonctionnelle pour lesquels on doit se contenter de l'anatomie macroscopique r6v616e par I'IRM. I1 semble n6anmoins primordial de faire le point sur la mani6re dont sont actuellement prises en compte les connaissances architecturales dans les 6tudes par imagerie et de chercher a d6velopper des moyens d'ac- c6der ~ ce type d'informations in vivo. Donner une description exhaustive de l'ensemble des connaissances actuelles sur l'architecture du cerveau d6passe largement le cadre de cet article. Nous nous contenterons d'en 6voquer quelques-unes parmi les plus importantes, en nous foca- lisant sur le cortex. Macroscopique- ment, le cerveau se d6compose de mani6re hi6rarchique en d'innom-

brables sous-ensembles de neurones. On peut 6voquer par exemple les nombreux noyaux enfouis dans ses profondeurs (striata, thalami...) et le cortex qui en constitue la couche externe. La plupart de ces structures sont visualisables en imagerie par r6sonance magn6tique lorsque la r6solution le permet. En revanche, certaines de leurs subdivisions ne le sont pas (noyaux du thalamus, par exemple). La surface du cortex pr6sente chez l 'homme de nombreux plis appel6s sillons qui d6fi- nissent des circonvolutions ou gyri. La complexit6 et la variabilit6 interindividuelle de la topographie sulcogyrale du cortex en rend la lecture particuli6rement difficile. Jusqu'~ pr6sent, peu d'efforts ont 6t6 consa- cr6s a l'6tude de cette variabilit6 dans la mesure o6 on ne prate pas r6ellement de valeur architecturale

ces circonvolutions. Les plissements du cortex sont g6n&alement consid6rds comme la r6ponse/~ un probl6me de packaging engendr6 par une pression 6volutive conduisant~ une extension de la surface corticale. Traditionnellement, le neocortex est consid6r6 comme une structure ~ six couches incluant parfois des subdivisions. U6tude de la r6partition des diff6rents types de neurones dans ces six couches (pyramidaux, granulai- res...) permet d'acc6der a des informations cytoarchitectoniques qui s'av6rent particuli6rement h6t6ro- gbnes. Elles ont permis ~ divers au-

Aires de Brodmann

, - • i t

Aires de Flechsig

Figure 1. A gauche : carte cytoarchitectonique resumant I'heterogeneite de la repartition des differents types de neurones a travers la surface corticale. A droite : carte myeloarchi- tectonique resumant une het&ogeneite de la myelinisation du cortex; les regions grisees correspondent aux aires myelinisees a la naissance.

244 ANNALES DE L'INSTITUT PASTEUR / actualit6s (1998) 9, 3

teurs de proposer des parcellisations de la surface corticale en une centaine d'aires [4, 6, 69, 79]. Celle de B r o d m a n n est d e v e n u e un s tandard international qui permet de r6f4rencer de nombreuses 6tudes (figure 1). U6tude de la my61inisa- tion des fibres de la neuropile corticale ou des faisceaux aff6rents ou eff6rents fait apparai tre un autre type d'h6t6rog~n6it6 conduisant d 'autres cartes. Par exemple Flech- sig a mis en 6vidence un certain nombre d'aires en utilisant la chronologie de leur my61inisation au cours de la croissance du cerveau [19] (figure I). I1 faut noter d 'embl6e le manque de connaissances sur la variabilit6 interindividuelle de ces diverses cartographies architectoniques et sur leurs liens avec les plis corticaux [61, 69]. I1 faut 6galement admettre le caract6re relativement arbitraire des cartes propos6es qui varient d 'un auteur a l 'autre. Cette difficult6 r6sulte de la fr6quente absence de transition abrupte entre les aires. Des techniques histologiques plus modernes permet tent d 'acc6der d 'autres subdivisions du cortex. Par exemple des marqueurs du m6tabo- l isme met tent en 6vidence des ~ blobs ~ au sein de l'aire 17 de Brodmann (B17, aim visuelle primaire V1) [87] ; des techniques d 'autoradiographie, qui permettent de visualiser la densit6 de divers neuror6cepteurs , ont r6v616 une nouvelle subdivision de l'aire B4 (aire motrice prirnaire M1) [26]. De nombreux traceurs r6trogrades ou ant6rogrades permettent d'acc6- der a la connectivit6 du cerveau l'6chelle macroscopique [85]. Ces techniques ont mis en 6vidence des sp6cificit6s propres a chacune des couches corticales : les neurones de la couche 6 se projettent sur le thalamus et le claustrum, ceux de la couche 5 sur les autres structures sous-corticales ; la couche 4 revolt les aff6rences tha lamiques et les couches 2 et 3 sont les principales sources de projection vers d 'autres aires corticales [50]. Elles ont 6gale- ment permis d'6tablir chez certaines espbces des graphes de connec- tivit6 re la t ivement sophistiqu6s

Figure 2. Le recalage entre des images du m~me sujet issues de modalit~s anatomiques (IRM) et fonctionnelles (TEP, SPECT, IRMf, etc.) permet deffectuer des corr61ations anatomo-fonctionnelles precises. Ce type d'approche est particulierement utilis~ pour les applications cliniques. (a) Une image SPEC T de thallium met en 6vidence une tumeur, une image SPECT d'ECD d~crit ses consequences au niveau de la perfusion du cerveau. La corr61ation avec l'anatomie permet un planning pr~cis de la biopsie qui d~cidera de la nature exacte de cette tumeur (Val-de-Gr~ce/SHFJ). (b) Des images TEP de fluorodopa permettent d'estimer la densit~ des r~epteurs dopaminergiques clans les striata. Ce type d'information permet par exemple d'evaluer le succes de greffes neuronales dens le traitement de la maladie de Parkinson (CHU Henri-Mondor/SHFJ) [66]. (c) Localisation de I'aire somesth~sique primaire de la main par rapport au sillon central dent le fond est un ben rep~re de la transition entre I'homonculus moteur et I'homonculus somesth6sique [53]. La Iocalisation des aires sensorimotrices est importante pour certains actes chirurgicaux qui cherchent ~ les preserver.

comme c'est le cas pour les aires visuelles du macaque [77]. En revanche, les donn6es sur la connecti- vit6 du cerveau humain sont encore re la t ivement clairsem6es et rarement reli6es aux cartographies fonctionnelles ou architectoniques [15, 48].

l'6chelle microscopique, le cortex se pr6sente comme un ensemble de

mini-colonnes de quelques centai- nes de neurones qui s 'av6rent parti- culi6rement similaires entre les es- p6ces [47]. Ces mini-colonnes, qui cor respondent ~ des groupes de neurones 6troi tement connect6s, ont une organisation verticale or- thogonale a l 'organisat ion larni- naire du cortex. Elles constituent le module 616mentaire de son archi-

ANNALES DE L'INSTITUT PASTEUR / actualit6s (1998) 9, 3 245

tecture. La nature des connexions entre ces modules met en 6vidence des entit6s de plus haut niveau, des

macro.-colonnes de 300 a 600 }am de diam6tre regroupant g6n6ralement une centaine de mini-colonnes. Les grands faisceaux thalamo-corticaux et cortico-corticaux sont 6galement dot6s d 'une organisation en colonne. En effet, leurs projections sur le cortex pr6sentent des pics dot6s d'une forte densit6 axonale s6par6s par des zones beaucoup plus clair- sem6es. Un outil id6al pour les 6tudes de neurosciences devrait fournir pour chaque sujet une parcellisation du cortex en aires architectoniques, une p'arcellisation des structures profondes comme le thalamus en noyaux 616mentaires ainsi que la connectivit6 anatomique entre ces diff6rentes subdivisions. Cet outil proposerait donc une vision architecturale simplifi6e du cerveau se pr6sentant sous la forme d'un graphe dont les no~ds repr6senteraient des ensembles de neurones et les relations des connexions synapti- ques entre ces ensembles. Ce graphe pourrait d'ailleurs s'enrichir d'une dimension hi6rarchique dans les r6gions qui rec61ent plusieurs ni- veaux d'organisation (bandes de do- minance oculaire et << blobs ,> de V1, regroupement de mini-colonnes corticales, noyaux du thalamus, etc.). La possibilit6 de g6n6rer une telle description structur6e pour chaque individu est 6videmment encore largement utopique. Elle implique par exemple la compr6hension de sa potentielle variabilit6 entre les individus. N6anmoins, dans l'hy- poth6se d'une relative stabilit6 de cette description, elle serait un outil de choix pour r6f6rencer les travaux de cartographie fonctionnetle du cerveau humain mais 6galement pour r6aliser des comparaisons in- teresp6ces [54]. De telles comparaisons semblent primordiales pour rapprocher les r6sultats obtenus par imagerie fonctionnelle des innorn- brables connaissances accumul6es pour les autres primates. Malheu- reusement, seules les informations anatomiques macroscopiques sont

aujourd'hui accessibles in vivo chez l'homme.

• 1.2. Un point de vue cognitif

Une mani6re usuelle de repr6senter un mod61e cognitif consiste d'une part a d6finir un certain nombre de modules, chacun respectivement responsable d'une partie particu- li6re du processus cognitif global, d'autre part a relier ces modules par des voies de communication unila- t6rales ou bilat6rales [13]. On voit donc de nouveau 6merger des graphes dont les nc~ds sont mainte- nant d6finis ~ partir d 'un point de vue purement fonctionnel. C'est l'hypoth6se d'une localisation par- ticuli6re dans le cerveau du r6seau de neurones associ6 a un de ces modules qui permet d'esp6rer sa mise en 6vidence en imagerie fonctionnelle ou dans une 6tude de neuropsychologie classique. Le raisonne- ment qui fonde alors la conception d'une exp6rience et l'analyse de ses r6sultats est souvent structurel par essence. Cet aspect est particuli6re- ment frappant dans l'6tude des con- s6quences d'une 16sion focale sur le comportement. On parle ainsi de dissociation lorsqu'un patient c6r6- brol6s6 a perdu les capacit6s suppu- t6es d'un des modules du mod61e cognitif mais conserve celles des autres modules [13]. Un exemple c616- bre qui a valid6 l'existence de V5 chez l 'homme correspond a une pa- tiente ayant perdu la facult6 de voir les objets en mouvement sans at- teinte du reste de sa vision [87, 88]. I1 faut noter que cette d6marche peut se heurter a des probl6mes de r6solution car deux modules puta- tifs peuvent 6tre tr6s proches dans le cerveau, voire indissociables. Sur le plan de la connectivit6, l'6tude des split-brain ayant subi une sec- tion des commissures entre les deux h6misph6res c6r6braux permet de valider d'autres aspects des mod6- les cognitifs [25].

• 1.3. Vers la convergence de ces deux points de vue

I1 semble s'6tre 6tabli un consensus sur l'existence de liens 6troits entre les parcellisations architecturales

6voqu6es plus haut et les modules des graphes cognitifs mod61es pour ce qui concerne les aires primaires [77, 87]. Par exemple, l'aire visuelle primaire correspond/~ l'aire cytoarchitectonique B17. De nombreuses exp6riences ont 6galement montr6 l'importance fonctionnelle de la notion de colonne corticale. Ces 6tu- des ont montr6 que dans les aires dont on pouvait mettre en 6vidence l'organisation interne (r6tinotopie, somatotopie...), les neurones d'une m6me colonne corticale r6pon- daient tous ~ la m6me valeur des param6tres sous-jacents ~ cette organisation (point du champ visuel, partie du corps). En revanche, il est encore difficile de tirer des conclu- sions pour les aires de plus haut niveau et plus particuli6rement pour celles qui sont propres l'homme. En effet, les parcellisations architecturales des r6gions potentiellement impliqu6es sont encore relativement frustres et les modules cognitifs sous-jacents pourraient correspondre ~ des r6seaux de neurones plus distribu6s ou plus imbriqu6s que dans les r6gions primaires.

2. La situation actuelle en imagerie fonctionnelle

Alors que le monde des neurosciences aurait 6t6 naturellement enclin aborder le probl6me de la cartographie fonctionnelle du cerveau avec un point de vue structurel, que ce soit/~ cause de la nature du substrat anatomique ou de celle des mod61es cognitifs propos6s, le monde de l'imagerie fonctionnelle n'a pas encore 6t6 r6ellement en mesure d'inclure ce type de pr6occupations dans les m6thodologies qu'il met en o~vre. Cela s'explique d'une part historiquement par la qualit6 relative des premi6res images fonctionnelles (faible r6solution spatiale, mauvais rapport signal sur bruit), d 'autre part par l'impossibilit6 d'acc6der in vivo aux informations anatomiques de type architectural (cyto et my~loarchitectonies, con- nectivit6) et par le peu de connaissances disponibles sur les liens potentiels entre ces informations et l'anatomie sulcogyrale.


• 2 .1 . C o r r 6 1 a t i o n a n a t o m o - f o n c t i o n n e l l e i n d i v i d u e l l e

Depuis quelques ann6es, des techniques de recalage automatique permettent d'apparier point ~ point une image fonctionnelle avec une image anatomique du m6me sujet acquise par IRM [38] (figure 2). I1 est alors possible de localiser les informations fonctionnelles par rapport

l'anatomie macroscopique individuelle de ce sujet. Cette potentialit6 est particuli6rement utilis6e pour les applications cliniques : localisation des r6gions corticales motrices ou li4es au langage ~ pr6server au cours d 'un acte chirurgical [34, 65], suivi de l'6volution de la densit6 de r6cepteurs dopaminergiques dans les striata a la suite de greffes neuronales chez des malades parkinso- niens [66], 6tude du m6tabolisme de l 'hippocampe dans les 6pilepsies temporo-m6siales [70]. De nombreux outils d'analyse d'images ont 6t6 d6velopp6s ces derni6res ann6es pour faciliter de telles corr61ations anatomo-fonctionnelles. I1 s'agit d'outils de segmentation proposant par exemple une d61imitation automatique de certaines structures profondes [59] ou du cerveau et de ses h6misph6res [41, 43]. Ces segmen- tations permettent entre autres d'acc6der h des visualisations tridimensionnelles qui facilitent par exemple le planning chirurgical (figure 2).

• 2.2. L e s b e s o i n s d e la c a r t o g r a p h i e

Les exp6riences r6alis6es a des fins de cartographie requi6rent en outre la possibilit6 de comparer des individus et de th6sauriser les r6sultats obtenus en mati6re de localisation anatomique par rapport h u n r6f6- rentiel. Le premier problbme auquel elles se heurtent r6side dans la va- riabilit6 interindividuelle des formes du cerveau. En effet, comparer les images fonctionnelles issues de plusieurs individus n6cessite un appariement pr6alable entre leurs cerveaux. De nombreuses mani6res de r6aliser un tel appariement sont actuellement 6tudi6es. La plupart

visent/~ faire disparaitre la variabi- lit6 des formes macroscopiques de mani6re/~ se ramener ~ une situation, off tousles cerveaux seraient anatomiquement point par point identiques. On parle alors de ,~ normalisation spatiale ~ [23]. On peut 6galement r6aliser des appariements sur un plan plus cognitif en comparant directement les cartes d'activations fonctionnelles individuelles. Ce dernier type d'analyse reste d'ailleurs encore souvent can- tonn6 au stade de la r6flexion. On peut n6anmoins observer l'6mer- gence de nouvelles approches algo- rithmiques visant a assister cette r6- flexion [10].

• 2 .3 . V a l e u r f o n c t i o n n e l l e d e l ' a n a t o m i e s u l c o g y r a l e

Parmi les rep6res macroscopiques susceptibles de guider la normalisation spatiale, tous ne d6tiennent pas une valeur architecturale reconnue. On peut en particulier s'interroger sur la n6cessit6 de fonder l'appariement de deux cortex sur les d6tails de l'anatomie sulcogyrale. En effet, bien que quelques grands sillons soient g6n6ralement consid6r6s comme de bons indices de la localisation de certaines transitions architectoniques ou fonctionnelles, il est rarement envisag6 que cette pro- pri6t6 soit extrapolable ~ l'ensemble des plis corticaux. II est d'ailleurs difficile de tester cette hypoth6se de mani6re syst6matique dans la mesure o6 la simple identification de certains sillons pose souvent de consid6rables difficult6s. En effet, la plupart des siltons corticaux peuvent pr6senter diverses interrup- tions conduisant a une grande va- riabilit6 des formes des circonvolutions [51] (figure 3). Bien que les difficult6s propres ~ la variabilit6 de la topographie du cortex humain aient engendr6 un relatif d6sint6r6t pour sa potentielle signification en terme d'organisation fonctionnelle, de nombreux travaux chez des esp6ces dont le cortex pr6sente un moindre degr6 de gyrification et une moindre variabilit6 topographique, conduisent ~ attribuer aux gyri corti-

caux une valeur organisationnelle similaire par exemple, ~ celle des noyaux du thalamus. Une bibliog- raphie relativement exhaustive sur le sujet a 6t6 propos6e par Welker [81]. Parmi les multiples arguments sur lesquels s'appuie cette hypo- th6se, on peut 6voquer rapidement les suivants [64] : - la variabilit6 intra-esp6ce de la topographie sulcogyrale du cortex est bien moindre que la variabilit6 in- teresp6ces, - en outre, l'importance des simili- tudes interesp6ces est inversement proportionnelle ~ la distance phylo- g6n6tique, - certaines transitions architectoniques correspondent a un pli cortical, - il existe de nombreuses diff6ren- ces architecturales entre les fonds des sillons et les sommets des gyri en ce qui concerne d'une part l'organisation en couches et en colonnes de la surface corticale, d'autre part la connectivit6, - les plis secondaires apparaissant au sein d'un gyrus d6finissent souvent des sous-gyri dot6s d'aff6ren- ces et d'eff6rences distinctes, - des 6tudes 61ectrophysiologiques r6alis6es dans les aires somesth6si- ques de nombreuses esp6ces ont montr6 que m~me lorsque la topographie des plis corticaux varie, ceux-ci d61imitent syst6matique- ment des territoires cutan6s dis- tincts, par exemple deux doigts de la patte, - les aires primaires sont g6n6rale- ment enfouies dans les plus grands sillons. Chacun de ces arguments pris ind6- pendamment peut facilement se voir opposer un contre-exemple visant prouver que les plissements du cortex ne r6sultent que de contraintes purement m6caniques. C'est leur convergence qui conduit /t penser que parmi la multitude des processus de croissance ~ l'c~vre durant l'onto- gen6se et l'6pigen6se, certains m6ca- nismes contribuent a faire de la topographie sulcogyrale un reflet de For- ganisation fonctionnelle du cortex. On peut d'ailleurs noter que des contraintes m6caniques li6es aux ten- sions induites par la mise en place de

ANNALE5 DE L'INSTITUT PASTEUR / actualit6s (1998) 9, 3 247

Figure 3. La variabilit~ interindividuelle des plissements du cortex est considerable. Actuellement, I'origine de cette variabitite est loin d'etre claire ce qui pose d'importants problemes pour la cartographie fonctionnelle du cortex. It est par exemple particulierement difficile de trouver dans le cerveau de droite un analogue au grand sillon surlign~ de blanc dans le cerveau de gauche [17].

la connectivit6 du cortex pourraient elles-m~mes en pattie induire une telle corr61ation [78]. Chez l'homme, le processus de gyrification est consid6rablement am- plifi6 par rapport aux esp6ces clas-

siquement 6tudi6es. Des h6t6rog6- n6it6s importantes de la vitesse d'expansion du cortex en provo- quent l'enfouissement de portions enti6res dans de grandes fissures. En outre, les plissements secondai-

Figure 4. Des techniques d'analyse d'images principalement issues du domaine de la morphologie mathematique permettent d'extraire automatiquement des images brutes les diff~rents plis du cortex. L'idee sous-jacente consiste ~ construire dans un premier temps un moule en n~gatif du cortex, puis a decouper ce moule de maniere a pouvoir visualiser individuellement chacun des plis. Ces ptis sont assembles dans une structure synth~tique qui resume la topographie du cortex. Des methodes de reconnaissances des formes permettent alors d'identifier automatiquement les principaux sillons.

res apparaissant durant les derniers stades de la croissance s'av6rent ex- tr6mement variables d'un individu

l'autre. Ce dernier ph6nom6ne ne va d'ailleurs pas a l'encontre de l'hypoth6se du paragraphe pr6c6- dent puisqu'il pourrait simplement r6v61er une certaine variabilit6 interindividuelle de la cartographie fonctionnelle sous-jacente. Actuel- lement, tr6s peu d'6tudes par imagerie fonctionnelle ont cherch6 6tudier la corr61ation entre les cartes d'activations et les topographies sulcogyrales individuelles. Celles qui abordent r6ellement le sujet ont pourtant mis en 6vidence des loca- lisations anatomiques tr6s pr6cises (V5 [80], aire motrice primaire de la main [3, 65, 86], FEF [35]). Les difficult6s engendr6es par la va- riabilit6 de l'anatomie sulcogyrale lorsqu'on cherche a la d6chiffrer travers des coupes IRM expliquent en grande pattie la raret6 de ce type d'6tudes. Une nouvelle g6n6ration d'outils de segmentation visant faciliter la manipulation et l'identification des plis corticaux a 6t6 d6- velopp6e ces derni6res ann6es en France [32, 39, 68]. Ces outils donnent acc6s a de nouveaux moyens de visualisation d6di6s a des corr6- lations anatomo-fonctionnelles pr6- cises (f(~ures 2, 4 et 5). Certains permettent d6j/i une identification automatique des plus grands sillons [33, 40]. Malheureusement, l'objectif d 'une reconnaissance automatique de l'ensemble des structures sulcogyrales butte actuellement sur les limites des descriptions anatomiques usuelles qui ne proposent pas d'interpr6tation la consid6rable variabilit6 des plissements corticaux [51]. Ces difficul- t6s nous ont conduit a d6velopper un programme de recherche a long terme qui vise ~ faire 6merger un mod61e g6n6rique de l'anatomie sulcogyrale qui permette r6elle- ment d'6tudier ses liens potentiels avec les cartographies architectoniques et fonctionnelles [37, 42, 64, 65]. Avant d'6voquer l'6tat d'avan- cement de ce travail, nous allons d'abord chercher a faire le point sur les diverses alternatives qui se d6- veloppent actuellement dans le


monde de l'imagerie fonctionnelle pour proc6der a l'appariement de plusieurs cerveaux et d6finir des syst~mes de r6f6rence. I1 sera parti- culi6rement int6ressant de consta- ter la position relativement ambi- gu6 de la plupart des m4thodes pro- pos6es, vis-a-vis des nombreuses difficult~s li6es a la prise en compte de l'anatomie sulcogyrale (figure 5).

rablement lorsqu'il s'agit de localiser les structures corticales, mais l'utilisation conjointe d'art6riogra-

phies st6r6otaxiques mettant en 6vi- dence les boucles intrasulcales des art6res permettait d'identifier les

3. La normalisation spatiale

• 3.1. L 'approche proport ionneUe

Avant l'av6nement de techniques d'imagerie anatomique comme le scanner X et surtout I'IRM, seuls les neurochirurgiens 6taient susceptibles d'acc6der aux formes com- plexes du cortex in vivo. N6an- moins, du fait des connaissances alors relativement rudimentaires sur son organisation fonctionnelle, ils ne manifestaient qu'un faible in- t6r6t pour une analyse fine de l'anatomie sulcogyrale. Quelques grands rep6res suffisaient en effet pour localiser grossi6rement les aires sensorimotrices prirnaires et les r6gions p6risylviennes associ6es au langage. Pourtant, certaines 6coles de st6r6otaxie ressentirent le besoin d'une anatomie beaucoup plug pr6- cise du cortex, notamment dans le domaine tr6s sp6cialis6 de la chirur- gie de l'6pilepsie. Ainsi, les travaux remarquables de l'6cole de Sainte- Anne montr6rent l'int6r~t de la ven- triculographie pour d6tecter deux points de rep6re profonds permettant d'orienter un cerveau quelcon- que de mani6re relativement stable [72]. Associ6e a quelques facteurs de proportionnalisation destin6s a s'affranchir de la variabilit6 des di- mensions globales du cerveau, cette orientation standard permettait de d6finir un r6f6rentiel commun a tous les individus dot6 d 'un sys- t6me de coordonn6es tridimension- nel (figure 6). Le r6f6rentiel de Talairach s'av6re particuli6rement efficace lorsqu'il s'agit de pr6dire la localisation des structures profondes du cerveau (noyaux du thalamus...). En revanche, sa pr6cision se r6duit consid6-

Figure 5. Des outils de navigation sophistiqu#s permettent de conetituer des sc~nes 3D combinant des informations sulcogyrales et des informations fonctionnelles. IIs permettent diverses utilisations. (a) Localisation precise d'activations fonctionnelles parfois enfouies dans les profondeurs des plissements corticaux. ~) Localisation sulcogyrale de I'etendue des lesions vasculaires ; darts cet exemple, une excroissance de la Idsion 2 dens le genou du gyrus prdcentral supposd correspondre ~ I'aire motrice primaire de la main [86] s'accompagnait effectivement d'un deficit moteur de la main droite [11] (La Salpe- triere/SHFJ). (¢) La prise en charge neurochirurgicale des epilepsies pharmaco-r6sistantes peut impliquer un processus complexe. Dans un premier temps, I'dtude de la s~miologie des crises, des enregistrements EEG, video, et ~ventuellement des images du metabolisme permettent d'effectuer un certain nombre d'hypotheses sur les rdgions potentiellement impliqu6es dans le reseau dpileptogene. On procede ensuite a I'implantation d'~lectrodes profondes (SEEG) qui vent permettre de sdlectionner la bonne hypothese qui conduira ~ventuellement dans un second temps a une cortectomie. Une phase de planning associant des informations sulcogyrales et le systeme de Talairach permet d'optimiser la trajectoire des dlectrodes en fonction de connaissances a priori sur les corr61ations anatomo-fonctionnelles [64] (La Timone/SHFJ).


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Figure 6. La methode proportionnelle propos#e par Tatairach dans les annees soixante permet d'utiliser un syst#me de coordonnees tridimensionnelles.

principaux sillons [71]. Cette approche originale n'a pourtant connu qu'une diffusion limit6e du fait de son caract6re invasif et des difficul- t6s pratiques li6es a sa mise en c~- vre. L'apparition des techniques de tomographie anatomiques et fonctionnelles et les besoins engendr6s par les projets de cartographie fonctionnelle ont remis au go~t du jour l'id6e de r6f6rencer une position dans le cerveau a l'aide d'un systbme proportionnel [73]. L'essor de l'imagerie fonctionnelle d'activation dans les ann6es 80 et au d6but des ann6es 90 reposait essen- tiellement sur des 6tudes en eau marqu6e par TEP. Uimpossibilit6 de multiplier les acquisitions chez un m6me sujet du fait de la dose inject6e, ainsi que la nature du ph6- nom6ne physique utilis6 pour r6ali- ser les images conduisaient h des donn6es trop bruit6es pour esp6rer en inf6rer une information individuelle fiable. Cette situation a conduit Fox a proposer l'id6e de normaliser spatialement les images issues de plusieurs individus de mani6re h supprimer autant que possible la variabilit6 des formes anatomiques [20]. I1 s'agit en fait de d6former chaque image individuelle de mani6re a la faire entrer dans un r6f6rentiel standard, du style de celui de Talairach. La d6- marche la plus usit6e consiste h d6- terminer une d6formation globale

de l'image individuelle qui mini- raise une distance avec une image mod61e (template) [23]. Celle-ci est pr6calcul6e en moyennant un ensemble d'images individuelles pr6alablement plac6es dans le m~me r6f6rentiel ~ l'aide d'une m6- thode ad hoc 6ventuellement inter- active. Apr6s cette normalisation spatiale, on peut comparer point par point les images fonctionnelles issues de plusieurs individus. Cette approche a permis d'appuyer les 6tudes d'activation interindividuel- les sur une batterie d'outils statistiques robustes qui associent aux r6- sultats obtenus une valeur de con- fiance. La tr6s large diffusion du logiciel proposant ces outils (SPM) et sa souplesse d'utilisation ont amen6 cette d6marche ~ un niveau de maturit6 qui en font un standard du monde du brain mapping [22].

• 3.2. L ' a l t e r n a t i v e d e s r 4 g i o n s d ' in t6r~t

Le concept de normalisation spatiale a n6anmoins soulev6 dbs le d6- part un certain nombre de ques- tions justifiant des d6marches diff6- rentes, par exemple des analyses par r6gions d'int6r~t [76]. En effet, on pouvait s'interroger sur le bien- fond6 d'une comparaison interindividuelle point h point, apr6s une normalisation qui n'am~ne pas n6- cessairement en correspondance des aires 6quivalentes. I1 faut

d'ailleurs noter que la normalisation spatiale est syst6matiquement associ6e ~un lissage important des donn6es fonctionnelles de mani6re

r6duire les cons6quences de ses insuffisances. Ualternative des r6- gions d'int6r6t vise en fait~ fonder la normalisation non pas sur un r6- f6rentiel de type Talairach mais sur une parcellisation anatomique du type de celle 6voqu6e dans le premier chapitre de cet article. Malheu- reusement, la parcellisation utilis6e ne s'appuie pas sur une cartographie architectonique mais sur des structures sulcogyrales dont la signification en terme d'organisation fonctionnelle est loin d'6tre univer- sellement admise. En outre, la com- plexit6 et la variabilit6 de l'anatomie sulcogyrale ne permettent actuellement qu'une parcellisation grossi6re, chaque parcelle pouvant potentiellement inclure de nombreuses aires fonctionnelles d'ofi une importante perte de sensibilit6 dans les analyses statistiques.

• 3.3. Les n o u v e l l e s p o t e n t i a l i t 6 s i s s u e s d e I ' I R M f o n c t i o n n e l l e

Uav6nement de I'IRM fonctionnelle a consid6rablement relanc6 le d6bat sur la normalisation spatiale. En effet, cette modalit6 permet de multiplier les images chez un m6me sujet et ainsi de disposer de suffisamment de puissance statistique pour r6aliser une d6tection individuelle des activations. D6s lors, la normalisation n'est plus n6cessaire lorsqu'on s'int6resse uniquement a l'aspect d6- tection. En revanche, la normatisa- tion est toujours amplement prati- qu6e lorsqu'on souhaite effectuer une analyse interindividuelle, celle-ci s'av6rant souvent cruciale, au moins dans un premier temps, pour obtenir une vision synth6tique du r6sultat d'un protocole. La normalisation est 6galement 6norm6ment utilis6e pour r6aliser des m6ta-analyses sur un ensemble de protocoles pouvant inclure des donn6es de la litt6rature. Dans un second temps, on cherche souvent ~ revenir aux activations individuelles de mani6re h 6tudier leur localisation anatomique, ~ comparer


les r6sultats de diff6rentes 6tudes chez le m6me sujet ou a appr6hen- der la variabilit6 interindividuelle.

• 3.4. Apports et limites de la normalisation classique

La notion de normalisation spatiale a eu un impact consid6rable sur la mani6re d'aborder les 6tudes par imagerie fonctionnelle. En effet, si historiquement la normalisation a 6t6 introduite avant tout pour des raisons statistiques, elle a acquis aujourd'hui un statut d'outil standard de confrontation avec la litt6rature. Elle permet d'utiliser la grille proportionnelle de Talairach comme syst6me de coordonn6es standard pour localiser les activations. Elle a ainsi fourni ~ la communaut6 des neurosciences un outil de communication sans pr6c6dent qui n'est pas 6tranger a l'essor actuel [21]. Elle est venue pallier les difficult6s induites par la complexit6 et la va- riabilit6 de l 'anatomie sulcogyrale lorsqu'il s'agit de localiser pr6cis6- ment une activation. Elle a 6t6 d'ailleurs d 'autant plus facilement accept6e qu'en l'absence d'informations architectoniques, les informations sulcogyrales sont loin d'6tre uniform6ment admises comme 6tant une alternative fournissant des repbres stables par rapport a la cartographie fonctionnelle. La normalisation spatiale actuelle induit n6anmoins un biais certain dans la manibre de percevoir les donn6es fonctionnelles. Ii faut noter que malgr6 son succbs, de nombreux utilisateurs r6f6rencent 6galement leurs activations ~ l 'aide de la nomenclature de la cartographie architectonique de Brodmann. Mal- gr6 le c6t6 relativement arbitraire du proc6d6 de conversion utilis6 pour passer des coordonn6es pro- portionnelles au systbme de Brodmann, cette op6ration semble n6cessaire pour se ramener a des bases connues des neurosciences, par exemple aux r6sultats obtenus chez le singe en enregistrant directement l'activit6 neuronale.

4. L'avenir de la normalisation spatiale conventionnelle

• 4.1. Peut-on parfaire la normalisation spatiale actuelle ?

De nombreuses 6quipes cherchent am61iorer la mani6re classique de normaliser les images spatialement. I1 est difficile de faire une synthbse de toutes les voies explor6es mais on peut n6anmoins lister les principales. La plus r6pandue consiste complexifier la d6formation des images de mani6re a obtenir une mise en correspondance parfaite de toutes les structures c6r6brales avec le mod61e [1, 4611. Cette d6marche atteint en fait rapidement ses limites du fait de l ' incompr6hension actuelle de la variabilit6 de l 'anatomie corticale humaine. En effet, dans certaines r6gions, on ne sait pas r6ellement comment devrait 6tre r6alis6e la raise en correspondance et les travaux m6thodologiques d6- rivent souvent vers une approche de type morphing sans r6elle justifi- cation anatomique. En outre, il est peu probable que chercher ~ trou- vet une correspondance point point entre deux cerveaux ait un sens du point de vue architectural ou cognitif, du fait de la variabilit6 interindividuelle. Du point de vue des neurosciences, le probl6me de la normalisation spatiale ne devrait pas 6tre d6fini par rapport a l 'anatomie sulcogyrale mais comme une mise en correspondance des aires corticales. Toute la difficult6 r6side dans le flou artistique qui se cache derribre les termes ~ aire corticale ,,. Fait-on r6- f6rence ~ une notion anatomique de type cyto-architectonique ou ~ une notion plus cognitive ? En outre, rien ne prouve que l 'organisation cyto-architectonique ou cognitive du cerveau soit stable d 'un individu a l'autre. I1 faut en effet prendre con- science que des cartographies comme celle de Brodmann n 'ont 6t6 r6alis6es que sur quelques cerveaux. I1 est donc actuellement im- possible d 'en 6valuer la variabilit6 ou les liens avec l 'anatomie sulcogyrale. Par exemple, la topologie des aires (leurs adjacences respecti-

ves) pourrait varier dans certaines r6gions ce qui rendrait caduque l'id6e de gommer cette variabilit6 l 'aide d 'une d6formation continue.

• 4.2. Un atlas probabiliste des aires cyto-architectoniques

Consciente des limites d 'une normalisat ion spatiale uniquement fond6e sur les formes macroscopiques du cerveau, la communaut6 du brain mapping a initi6 depuis quelques ann6es des travaux visant

constituer des atlas probabilistes susceptibles de repr6senter la varia- bilit6 r6siduelle apr6s normalisation. On assiste a deux d6marches en partie concurrentes. Celle d 'un groupe d'6quipes europ6ennes vise

constituer un atlas de la vaTiabilit6 des aires architectoniques apr6s normalisat ion [67]. Ce projet est particuli6rement lourd dans la mesure oh il implique un traitement in vitro des cerveaux. Outre l 'atlas proprement dit, il pourrait 6gale- ment d6boucher sur une 6tude sys- t6matique des corr61ations entre anatomie sulcogyrale et parcellisation architectonique qui influerait consid6rablement sur la mani6re d 'aborder le probl6me de la normalisation. I1 faut insister sur l 'importance de cette question pour l'avenir m6thodologique du brain mapping et sur l'int6r6t de tenter de r6v61er des informations architectoniques par imagerie. I1 n'est d 'ail leurs pas invraisemblable d ' imaginer que certaines informations architecturales puissent pro- venir un jour de l 'imagerie des den- sit6s de neuror6cepteurs corticaux par TEP a partir d 'une d6marche analogue ~ celle aujourd'hui utili- she en autoradiographie [26].

• 4.3. Un atlas probabiliste des structures corticales

Le continent nord am6ricain et plus particuli6rement le MNI du McGill (Montr6al) d6veloppe des approches s'int6ressant a l 'anatomie macroscopique [45]. Ainsi, des atlas probabilistes de la localisation de certains sillons, d 'une parcellisation anatomique en volume d'int6r6ts et de l'6paisseur du cortex ont 6t6 r6-


cemment constitu6s [60]. Le MNI 6tant a l'origine des principaux ~ templates anatomiques ~ de SPM, ces atlas probabilistes devraient rapidement 6tre diffus6s dans la com- munaut6 du brain mapping. Leur utilisation pour l'analyse des don- n6es fonctionnelles n'est pas encore tr6s claire. En revanche, ils devraient apporter une aide consid6- rable pour l'analyse des anatomies individuelles. Une autre utilisation potentielle des atlas probabilistes r6side dans la comparaison de deux populations (sujet sains / patholo- gie, homme / femme...).

[] 4.4. Une identification pr6alable des structures corticales

Une approche similaire est d6ve- lopp6e a UCLA avec la volont6 sous-jacente de concevoir une nouvelle m6thode de normalisation incluant la mise en correspondance de quelques grands sillons dans les contraintes impos6es aux d6forma- tions [74]. Ce second projet utilise non seulement des IRM mais aussi des donn6es de meilleure r6solu- tion issues de la cryosection. I1 il- lustre un des avenirs probables de la normalisation qui consiste a choisir parmi l'infinit6 des morphing possibles entre deux cortex une d6- formation qui apparie des rep6res analogues d6finis a partir de ]'anatomie sulcogyrale. Le d6veloppe- ment de telles m6thodes achoppe actuellement sur les difficult6s en- gendr6es par la variabilit6 interindividuelle de l'anatomie corticale. Cette situation explique les efforts entrepris depuis plusieurs ann6es au SHFJ en collaboration avec le D r. Jean R6gis de La Timone pour trouver des explications ~ cette variabi- lit6 [42, 65]. Un mod61e g6n6rique de l'anatomie corticale du type de celui que nous tentons de valider ouvrirait de nouvelles perspectives pour les m6thodes de morphing qui cherchent a s'ancrer sur une inter- pr6tation anatomique pr~alable.

• 4.5. D4plier le cortex

Un dernier type d'approche s'ins- pire des m6thodes des g6ographes.

Uid6e consiste a utiliser la topologie surfacique du cortex pour r6- duire le probl6me du r6f6rentiel d'une dimension. Le cortex est dans un premier temps gonfl6 de manibre a le d6plier, ce qui fournit un moyen d'en visualiser les profondeurs et d'appr6hender en quelques images la totalit6 d'une carte d'activation initialement volumi- que [75]. I1 est ensuite aplati apr6s avoir subi quelques d6chirures le long du fond de certains sillons de mani6re a pouvoir 6tre repr6sent6 avec le minimum de d6formations [16]. I1 est enfin d6form6 afin de mettre en correspondance certains sillons avec ceux du cortex du visible man qui a subit le m6me sort. Ce cortex de r6f6rence a 6t6 dot6 d 'un syst6me de coordonn6es 2D similaire a celui de la grille proportionnelle. Cette approche, qui fournit une alternative a la grille 3D, permet en outre des comparaisons avec des cartes similaires r6alis6es chez diverses esp6ces a partir de m6- thodes de cartographie invasives (enregistrements, cyto-architecto- hie, etc.) [31, 49]. Malheureuse- ment, cette normalisation bidi- mensionnelle souffre des m6mes d6fauts que son alter ego tridi- mensionnel : elle ne donne pas ac- c6s a des informations architecturales.

5. Une vision structurelle de la normalisation spatiale

[] 5.1. Appariement des activations individuelles

I1 faut noter que les 6quipes n'utilisant pas un outil de normalisation spatiale de type SPM pratiquent n6anmoins des 6tudes de groupes dans le sens oh elles recherchent dans l'ensemble des activations individuelles celles qui semblent re- productibles d'un individu a l'autre. Cette recherche s'effectue alors souvent de manibre empirique en utilisant grossi6rement la localisation anatomique des activations pour les apparier entre les individus. Une diff6rence fondamentale avec l'approche de SPM r6side dans la mani6re de r6aliser ces apparie-

ments. Ici, ce sont directement des groupes de points connexes qui sont mis en correspondance et non pas des pixels. Cette op6ration est justifi6e par l'hypoth~se que chaque groupe repr6sente 6ventuellement un des modules du mod61e cognitif sous-jacent ~ l'exp6rience. Cette mani6re de proc6der, qui peut s'appuyer sur les outils statistiques de SPM pour mettre en 6vidence les groupes activ6s chez chaque individu [55, 56, 57], est beaucoup plus souple a maints 6gards. C'est le chercheur lui m~me qui g6re la normalisation spatiale a travers sa propre lecture des anatomies individuelles. Ainsi, un neuro-anatomiste peut choisir a sa guise les rep6res anatomiques qu'il souhaite apparier entre les individus. Le cognitiviste peut m~me faire l'hypoth6se d'une variabilit6 non n6gligeable de la localisation anatomique de certaines aires fonctionnelles, ce qui n'est pas a exclure par exemple pour les aires associ6es a l'appren- tissage tardif d'une seconde langue [14]. I1 peut aussi tenir compte de connaissances a priori sur la cartographie fonctionnelle du cerveau issues par exemple de l'6tude des cons6quences de 16sions focales. Enfin, nous verrons plus loin que de nouveaux outils pourraient apporter des informations suppl6mentai- res pour guider les appariements travers l'6tude de la connectivit6 potentielle entre les aires activ6es.

[] 5.2. Manipulation de l'anatomie sulcogyrale

Depuis quelques ann6es, nous d6- veloppons au SHFJ des outils de manipulation structurelle de l'anatomie sulcogyrale 3D qui visent assister le cognitiviste au cours de ces op6rations d'appariements con- traints par l'anatomie [39]. Ces outils permettent de naviguer en 3D dans des graphes dont les no~ds correspondent aux plis corticaux. I1 est alors possible de constituer des sc6nes associant un certain nombre de plis ou reconstituant certains gyri et d'y ins6rer les activations issues du m6me individu de ma- ni6re a estimer pr6cis6ment leur lo-

252 ANNALES DE L'INST1TUT PASTEUR / actualit6s (1998) 9, 3

calisation sulcogyrale. Ces outils permettent 6galement de mixer simplement le r6sultat de plusieurs exp6riences r6alis6es chez le m~me sujet. A l'avenir, ces diverses op6ra- tions pourront ~tre r6alis6es simulta- n6ment sur plusieurs sujets de ma- ni6re a faciliter les appariements. Uutilisateur pourra alors sp6cifier les modb.les cognitifs reconnus ou postu- 16s, impliqu6s par son exp6rience et se servir directement des modules qu'ils d6crivent pour 6tiqueter les activations. I1 disposera donc de bases de donn6es d'activations et de structures sulcogyrales index6es par les modbles cognitifs et les mod61es anatomiques qui devraient consid6ra- blement l'assister dans sa r6flexion. Ce potentiel permettra de progresser tant sur le plan des mod61es cognitifs que sur celui des mod61es de l'anatomie corticale et de ses liens potentiels avec la cartographie fonctionnelle.

• 5.3. Automatisat ion des appariements

Par ailleurs, nous cherchons a syst6- matiser le processus d'analyse de groupe d'inspiration structurelle en d6veloppant des m6thodes qui permettent d'effectuer les appariements d'activations de mani6re automatique [9, 10]. Ces m6thodes disposent de suffisamment de souplesse pour permettre d'int6grer divers type de contraintes anatomiques : distance faible aprbs normalisation spatiale, proximit6 d'une structure anatomique, localisation dans un gyrus particulier. Elles per- mettraient 6galement d'int6grer facilement des contraintes issues du modble cognitif (connectivit6, sp6- cificit6 de la r6ponse h6modynami- que, a priori sur l'agencement topo- logique d'un groupe de modules du mod61e...). A terme, il s'agira de fournir au cognitiviste un moyen d'interroger sa base de donn6es de mani6re sophistiqu6e en choisissant lui- m6me les a priori a injecter dans les appariements (graphe cognitif mo- d61e, localisation anatomique lache pour une entit6, pr6cise pour une autre...). La syst6matisation du processus devrait permettre de fournir

l'utilisateur une mesure de con- fiance dans un appariement donn6.

• 5.4. Conclus ion sur la normalisation spatiale

Uavenir de la normalisation spatiale semble s'articuler autour de deux principales alternatives. La premi6re consiste a poursuivre dans la direction actuellement pro- pos6e par SPM en imposant ~ la normalisation l 'appariement de certains repbres anatomiques pr6- cis. De nombreuses 6quipes se sont engag6es dans cette voie. Elle implique des progr6s dans la compr6hen- sion de la variabilit6 interindividuelle de l'anatomie sulcogyrale du type de ceux qui seront 6voqu6s dans le chapitre suivant. La seconde alternative pour le futur de la normalisation s'6carte de la pr6c6dente et cherche ~ se rapprocher de la nature des raisonnements men6s par les sp6cialistes des neurosciences. Elle repose sur l'id6e de manipuler directement les activations et les structures anatomiques individuelles. En se situant au niveau de ces objets plut6t qu'au niveau des voxels, elle permettra d'injecter dans les analyses de groupes divers connaissances a priori issues des mod61es structurels anatomiques, architecturaux et cognitifs. Elle est en outre plus m6me que la pr6c6dente d'int6grer d'autres 6volutions m6thodologi- ques 6mergentes, 6voqu6es dans le dernier chapitre de cet article, qui visent d'une part a multiplier les exp6riences cognitives chez un m6me sujet, d'autre part a acc6der in vivo a des informations sur la connectivit6 anatomique.

6. Vers un modele generique de I'anatomie sulcogyrale

• 6.1. L'hypoth6tique invariance de l'organisation corticale

Dans les chapitres pr6c6dents, nous avons 6voqu6 a de nombreuses re- prises les difficult6s engendr6es par la variabilit6 interindividuelle de l'anatomie sulcogyrale. Ces difficul- t6s nous ont incit6 a d6velopper un

programme de recherche qui vise mieux comprendre cette variabilit6 de mani6re a pouvoir en maltriser les cons6quences. I1 est important de noter qu'6tudier de mani6re co- h6rente les liens potentiels entre l'anatomie sulcogyrale et les cartographies fonctionnelle ou architecturale implique de tels progrbs. Nous avons list6 plus haut un certain nombre d'observations qui nous conduisent a voir dans la topographie sulcogyrale du cortex une trace de son organisation fonctionnelle. Ce point de vue fait l'hypo- th6se que les nombreux processus qui conduisent aux plissements de la surface corticale durant l'ontoge- n6se et l'6pigen6se sont intimement li6s/t cette organisation. Une conclusion hative conduirait alors a d6- duire de la variabilit6 anatomique, illustr6e par la figure 3, l'exis-tence d'une consid6rable variabilit6 de l'organisation fonctionnelle entre les individus. Nous pensons au con- traire que les ph6nom6nes illustr6s par cette figure ne traduisent qu'une variabilit6 mineure de cette organisation li6e au d6veloppe- ment plus ou moins important de certains modules architecturaux. I1 s'agit d'une seconde hypoth6se qui int6gre celle d'une corr61ation anatomo-fonctionnelle pr6cise et y ajoute l'invariance entre les individus de l'organisation g6n6rale du cortex pour des raisons d'ordre g6- n6tique.

• 6.2. Les profondeurs du cortex

Cette seconde hypoth6se est bien 6videmment encore plus difficile valider que la premi6re. Un premier pas vers une telle validation consis- terait a montrer que la variabilit6 de la topographie sulcogyrale du cortex humain est bien moindre qu'elle n'y parait au premier abord. Nous pensons que le point de vue g6n6ra- lement adopt6 pour d6crire cette variabilit6 conduit a en exag6rer l'ampleur [51]. En effet, la description de l'aspect des sillons corticaux qui d6coule de l'observation de la surface externe du cortex n6glige d'importantes informations enfouies dans ses profondeurs [64].

ANNALES DE L'INSTITUT PASTEUR actualit6s (1998) 9, 3 253

Ainsi, nous pensons que l 'interruption d ' un sillon correspond l'6mergence ~ la surface d 'un pont de substance blanche d6nomm6 usuellement ,< pli de passage >, par les anatomistes. Ces << plis de passage ,>, qui contiennent des fibres d'association courtes intergyrales di- tes << en U >,, ne diff6rent en fait en rien des gyri g6n6ralement visibles depuis l'ext6rieur. On parle d'ailleurs parfois de - gyms annectant ,>. Acc6der aux formes tridimensionnelles des plis corticaux permet d 'observer diverses d6formations qui semblent r6v61er la pr6sence de ces plis de passage [421 (figure 7). L'utilisation des nouveaux movens de visualisation dont nous di"spo- sons, associ6e/~ une synth6se de la litt6rature sur les diff6rentes inter- ruptions des principaux sillons d6-

crites ,5 ce jour, nous ont permis de r6aliser une premi6re cartographie de ces plis de passage [64]. Les sch6- mas obtenus r6v6lent une 6ton- nante stabilit6 entre les individus qui peut 6tre interpr6t6e comme une illustration d 'une hypoth6tique invariabilit6 de la connectivit6 corticale [36, 64]. Ils nous ont conduits

proposer une description g6n6ri- que de l 'organisation gyrale du cortex dont il serait possible de retrou- ver la trace dans n ' importe quel cortex individuel.

• 6.3. Les racines sulcales

Les paragraphes pr6c6dents por- tent sur une description de l'organisation gyrale du cortex. Cette description est relativement difficile manipuler car elle ne d6finit pas

.~illon central inlcmnnpu [12]

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Figure 7. A gauche : acceder aux formes des profondeurs du cortex modifie radicalement la perception de la variabilite interindividuelle de la topographie sutcogyrale. Par exemple, I'interruption cl'un sillon peut &tre interpretee comme remergence a/a surface O'un gyrus generalement profondement enfoui nomme pli de passage. De ce point de vue, le sillon central es, t compose de deux entites qu'il est toujours possible de definir, qu'il soit interrompu ou non. A droite : les premiers plissements corticaux, nommes racines sulcales, presentent une topographie et une chronologie d'apparition particulierement similaires d'un individu rautre. Durant les stades ult~rieurs de la croissance du cerveau, le plissement du cortex s'accentue ce qui provoque diverses connexions entre les racines. La variabilite de ces connexions entre les individus peut 6tre attribute au developpement plus ou moins important des plis de passage.

clairement la notion de gyrus d 'un point de vue morphologique. I1 faut en effetnoter qu'elle met avant tout l'accent sur la connectivit6 gyrale. Un point de vue dual ax6 sur une description des plissements corticaux est souvent pr6f6rable lorsqu'on cherche a d6crire la topographie corticale. En effet, bien que les hypoth6tiques modules architecturaux du cortex correspondent aux gyri, il est beaucoup plus ais6 de d6finir les plis qui les s6parent. En outre, chercher a comprendre la mani6re dont la topographie corticale se met en place au cours de la croissance du cerveau am6ne naturellement ~ s'int6resser aux premiers plissements corticaux. Les neurones corticaux sont engen- dr6s au niveau de l'6pithdlium peri- ventriculaire depuis lequel ils migrent vers la pdriph6rie du cerveau pour former les couches corticales [29, 30, 47, 62, 63]. La mani6re dont se diff6rencient les diverses aires corticales est encore loin d'6tre claire. Deux grandes voles semblent susceptibles d 'apporter des explications. La premi6re suppose l'existence d 'une << proto-carte >, au niveau de 1'6pith61ium qui se projet- terait directement sur la surface corticale 1621. En effet 90 % des neurones migrent radialement le long de guides constitu6s par les cellules gliales. La seconde vole table sur une diff6renciation beaucoup plus tardive engendr6e par des processus de r6gulation li6s par exemple l'arriv6e des aff6rences thalamiques et corticales [511. I1 faut d'ailleurs noter que la mise en place pr6cise de la connectivit6 semble r6sulter d 'un processus de croissance axonale exub6rante, suivi d 'une s61ection par l'exp6rience [8, 27]. Apr6s la migrat ion des derniers neurones, la surface du cortex est toujours compl6tement lisse. Uh6- t6rog6n6it6 cytoarchitectonique est quasiment inexistante. C'est alors que d6bute la gyrogen6se proprement dite qui va conduire certaines r6gions du cortex ~ devenir des fonds de sillons et d 'autres des sommets de gyri [81]. Les processus l'o~vre sont multiples et leur description d6passe le cadre de cet arti-

254 ANNALES DE L'INSTITUT PASTEUR / actualitOs (1998) 9, 3

cle. Leurs relations potentielles avec la diff6rentiation des aires corticales sont actuellement inconnues. Parmi les processus impliqu6s, on peut noter par exemple une extension beaucoup plus importante du volume de la neuropile du cortex pro- gyral comparativement a celle du cortex sulcal. Ces divers processus donnent lieu aux premiers plissements corticaux. La topographie et la chronologie d'apparition des premiers plis semblent particuli6rement constantes d'un individu h l'autre [12]. Leur identification serait donc non ambi- guG a la diff6rence de celle des sillons chez l'adulte. Par la suite, nous nommerons ces premiers plis les racines sulcales. Une synth6se de la litt6rature embryologique nous a permis de proposer un premier sch6ma de l'ensemble de ces racines qui s'avbre dual de celui des plis de passage (figure 7) [64]. Les processus de croissance ult6rieurs vont noyer ce sch6ma initial pour conduire a la topographie particuli6- rement variable observ6e chez l'adulte. Cette complexit6 est donc induite avant tout par la variabilit6 des connexions superficielles surve- nant entre les racines sulcales, li6e au caract6re plus ou rnoins superficiel des plis de passage, et par l'appafi- tion tardive de plissements secondaires de moindre profondeur. Notre hypoth6se revient donc consid6rer que l'agencement topographique des diff6rentes aires corticales est stable d'un individu l'autre mais qu'en revanche, les tailles relatives de ces aires peuvent varier consid6rablement. Cette va- riabilit6 serait alors ~ l'origine de la variabilit6 observ6e au niveau du plissement cortical. En effet, c'est la croissance importante d'une r6gion corticale vers et par dessus une r6- gion voisine a croissance plus mo- deste qui est ~ l'origine du m6ca- nisme d'operculisation qui provoque l'enfouissement de cette derni6re dans les profondeurs du cortex. On peut 6galement consid6- rer que la croissance importante d'une r6gion corticale est suscepti- ble d'engendrer des plissements secondaires qui n'apparaissent pas

chez les individus pour lesquels cette expansion est plus faible.

• 6.4. Une vision g6n4rique

Le point de vue d6crit dans les chapitres pr6c6dents nous a conduits proposer une description g6n6rique de la topographie sulcogyrale, sus- ceptible d'expliquer n'importe quelle topographie individuelle. Cette description remet en question la nomenclature usuelle dans le sens off l'entit6 616mentaire dans ce mod61e n'est plus le sillon mais la racine sulcale. Les sillons usuellement d6crits correspondent alors au sch6ma de connexion superficiel entre les racines le plus fr6quent. Le mod61e propos6 est 6videmment loin d'6tre valid6, il est d'ailleurs fort probable qu'il soit consid6ra- blement remis en question dans les ann6es a venir. En revanche, l'id6e de s'int6resser a des entit6s plus 616- mentaires que celles habituellement d6crites nous semble fondamentale. Elle seule permet de s'affranchir r6ellement des difficult6s aux- quelles se trouvent actuellement confront6es les m6thodes de normalisation spatiale. En outre, cette d6marche ouvre la voie vers une indexation sulcogyrale de l'organisation fonctionnelle beaucoup plus pr6cise que celle propos6e par les descriptions usuelles.

7. De nouvelles opportunites Outre les 6volutions pressenties dans les chapitres pr6c6dents, le d6- veloppement rapide des modalit6s d'imagerie destin6es h l'6tude de l'organisation c6r6brale offre de nouvelles opportunit6s qui pourraient radicalement modifier la manibre d'aborder la cartographie.

• 7.1. Une cartographie fonctionnelle incr6mentale

Les potentialit6s de I'IRMf ont ou- vert la voie ~ une nouvelle mani6re d'aborder les probl6mes de cartographie qui n'implique plus l'utilisation d'un syst6me de coordon- n6es. Ainsi, les protocoles visuels sont aujourd'hui souvent compos6s de deux phases [75]. La premi6re

vise h mettre en 6vidence une parcellisation fonctionnelle connue des aires primaires. La seconde aborde une question nouvelle dont l'analyse int6gre la parcellisation issue de la premi6re 6tape. Cette d6mar- che constitue une 6volution m6tho- dologique importante puisqu'elle se rapproche consid6rablement du point de vue structurel usuel dans les neurosciences : une parcellisation remplace le syst6me de coor- donn6es. I1 faut noter que cette parcellisation fonctionnelle est encore tr6s partielle puisqu'elle ne recou- vre pas la totalit6 de la surface corticale h la diff6rence des parcellisations architectoniques. La mise en 6vidence rapide d'un grand nombre d'aires visuelles repose sur une propri6t6 de type qua- si architectural : la r6tinotopie ob- serv6e dans les aires les plus primaires. I1 est peu probable que des propri6t6s communes h plusieurs aires puissent ainsi permettre de parcelliser rapidement toutes les r6- gions du cortex, mais le principe d'une approche incr6mentale de la cartographie reste utilisable puisqu'on peut multiplier les acquisitions chez un m6lne sujet. Cette ma- ni6re d'aborder la cartographie est prometteuse et souhaitable, si on veut passer outre certaines des dif- ficult6s induites par les probl6mes de normalisation spatiale.

• 7.2. La connectivit4 fonctionnelle

Depuis quelques ann6es, une nouvelle probl6matique fond6e sur l'imagerie fonctionnelle d'activation se d6veloppe. I1 s'agit de chercher a inf6rer de la dynamique du signal fonctionnel des informations sur la connectivit6 du mod61e cognitif 6tudi6. Les m6thodes mises en ozlvre peuvent reposer sur des analyses multivari6es ou travailler directement dans l'espace des cor- r61ations entre pixels [24, 82, 83]. On commence 6galement a voir se d6- velopper des m6thodes d'analyse s 'appuyant directement sur des connaissances ou des hypoth6ses a priori sur la connectivit6 du mod61e cognitif [71]. On observe donc un ef-


fort considdrable pour int6grer le mod61e cognitif plus directement dans la mdthodologie mise en o~avre pour le tester par rapport aux don- n6es. On notera enfin l'apparition d'une nouvelle technique visant accdder a la connectivit6 d'une rdgion en la stimulant magndtique- ment [52]. I1 semble ainsi possible d'induire une activation dans les r6- gions connectdes ~ la rdgion stimu- Ide.

• 7.3. La connectivit4 anatomique

Simultandment ace regain d'intdr6t pour la connectivit6 est apparue l'imagerie du tenseur de diffusion [2] qui ouvre la vole vers une observation de la connectivit6 anatomique in vivo. Nous avons montr6 rd- cemment au SHFJ la possibilit6 de suivre par exemple un faisceau de fibres depuis les aires motrices primaires jusqu'au tronc cdr6bral (figure 8) [58]. Des progr6s restent

accomplir en terme de r6solution spatiale avant d'acc6der ~ la con- nectivit6 cortico-corticale, mais de tels progr6s semblent technique- ment envisageables. L'imagerie de diffusion pourrait radicalement modifier gt l 'avenir la mani6re d'aborder les 6tudes fonctionnelles puisque pour la premi6re fois, nous aurions accbs a des informations architecturales in vivo. On imagine alors ais6ment les cons6quences aussi bien au niveau de l'6tude de la connectivit6 des mod61es cognitifs, qu'a travers une d6finition anatomique de certaines aires corticale dont la connectivit6 est connue a priori. I1 faut d'ailleurs r6aliser que les connaissances actuelles sur la connectivit6 du cortex humain sont encore trbs partielles.

Conclusion Nous devrions assister dans les pro- chaines ann6es a un rapprochement entre les m6thodologies mises en

dissection

imagerie de diffusion

I putamen

,! ~ troIlc t c6r4bral

fibres pyramidales

Figure 8, A I'heure actuelle, aucune methode ne permet d'acc~der a la connectivit~ du cerveau in vivo. Le developpement recent de I'imagerie du tenseur de diffusion des molecules d'eau, qui permet d'acc6der a la direction des fibres axonales, pourrait radicalement modifier ta situation. II est pour I'instant possible de suivre la direction des fibres des plus grands faisceaux. Des progr6s previsibles en resolution pourraient permettre dans un avenir proche d'acceder ~ la connectivite cortico-corticale.

o~vre en imagerie fonctionnelle et la culture usuelle des sp6cialistes des neurosciences. Ce rapprochement passe par un changement de point de vue dans la mani6re d'aborder le traitement des don- n6es. I1 s'agit en effet d'int6grer aux traitements des informations structurelles d'origines architecturale ou cognitive. Le type de transition n6- cessaire au niveau des algorithmes est relativement classique dans le monde du traitement d'images et plus particuli6rement dans celui de la vision par ordinateur. I1 est en effet li6 a un des paradigmes de la vision qui consiste ~ passer des images brutes ~ la reconnaissance des objets par l'interm6diaire de repr6- sentations structurelles [44]. Une image brute est d'abord r&tuite a un graphe repr6sentant synth6tique- ment l'agencement de diverses informations locales extraites par des ill- tres (segments, taches, coins...). Cette repr6sentation est alors confront6e

des repr6sentations structurelles connues a priori des objets ~ identifier. Nous cherchons donc a d6velopper au SHFJ une m6thodologie de cartographie fonctionnelle, fond6e non plus sur les points des images, mais sur des objets pr6alablement ex- traits des images (subdivisions anatomiques, activations fonctionnelles)o Ces objets sont assembl6s dans des structures d6crivant leurs relations respectives. Ces structures peuvent alors 4tre confront6es aux mod6- les a priori anatomiques ou cognitifs, eux aussi repr6sent6s sous forme structurelle. Cette d6marche se veut clairement compl6mentaire de la d6- marche statistique classique puisqu'elle entend s'appuyer sur les cartes param6triques individuelles issues de SPM en ce qui concerne la d6tection des activations. I1 faut noter que le parall61e entre les algorithmes gi mettre en c~vre pour la cartographie fonctionnelle et les probl6mes de la vision artificielle n'est pas surprenant. En effet, la cartographie fonctionnelle implique d'incessantes raises en correspondance entre images et mod61es a priori structurels. Une diff6rence notoire, qui explique d'ailleurs la


difficult6 avec laquelle nous mani - p u l o n s les images fonct ionnel les , r6side dans l 'aspect v o l u m i q u e d u signal ( l ' h o m m e ne d i spose mal- h e u r e u s e m e n t pas de cap teur volu- mique). Le p rob l6me de la vis ion artificielle classique repose, lui, sur une a p p r o c h e de type st6r6ovision

part ir de deux ou trois camOras, semblable a la vis ion biologique.

Remerciements

Le travail d6crit dans cet article a b6n6fici6 du soutien du GIS sciences de la cognition, de la mission pour le dOveloppement de l ' innovat ion par- ticipative (d616gation g6nOrale pour l 'armement) et de la soci6t6 Elekta.

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Place de l'anatomie dans la cartographie fonctionnelle du cerveau

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