Folding Dynamics in the Very Preterm Brain : Longitudinal Characterization of Sulcal Shape with Developmental and Functional Implications - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Folding Dynamics in the Very Preterm Brain : Longitudinal Characterization of Sulcal Shape with Developmental and Functional Implications

Les dynamiques de plissement dans le cerveau très prématuré : Caractérisation longitudinale de la forme des sillons avec implications développementales et fonctionnelles

Résumé

In the human, the folding of the brain takes place mostly in utero, during the last trimester of pregnancy, resulting in a convoluted cortical surface at term, displaying furrows (sulci) and crests (gyri), whose patterns remain relatively stable throughout life. The same global folding organization is found between individuals, allowing to identify and compare matching sulci, while the more refined individual folding pattern is unique. The variability of sulcal folding pattern and its relations to functional specialization (both in health and pathology) are increasingly investigated in the mature brain, while studies in the developing brain are still scarce because of the many challenges of early-life neuroimaging. During my PhD, I have investigated the dynamics of folding pattern based on longitudinally acquired magnetic resonance imaging (MRI) images from a cohort of extremely preterm infants, imaged once around the equivalent of 7 months of pregnancy, and once at term-equivalent age (TEA). I have adapted a pipeline established for adult sulcal shape characterization to the context of developing folds and applied it to four sulcal objects: the central sulcus, the sylvian fissure, and the perisylvian region and the inferior frontal region (these last two were only investigated at TEA because of their late appearance in the brain).Throughout my works, I have described the shape variability observed in the central sulcus and the sylvian fissure at both ages. This led me to observe a consistent encoding of pattern between both ages, suggesting an early expression of sulcal shape features. I have incidentally tested if the central sulcus’s shape was able to predict later motor outcome: even though it did not achieve significant results, it still seemed to suggest some functional relevance in sulcal signatures. My observations on the central sulcus and sylvian fissure were concordant with the state of the art and detailed additional pattern specificities and the chronology of shape encoding. My focus in and around the sylvian fissure additionally led me to hypothesize a different dynamic in opercularization (the process leading to the burial of the insular cortex under the frontal, parietal and temporal lobes) from that in sulcation (the process leading to the formation of sulci): opercularization seemed to show an advance in the left hemisphere while sulcation has previously been reported to show an advance in the right hemisphere. Moreover, I have captured hemispheric asymmetries and detailed their shape characteristics in each fold-related object or region considered. These studies have therefore contributed to shedding more light on early-life asymmetries., which could be linked to the functional lateralization of the brain regarding handedness or language perception.In order to complement my contributions, additional investigations should be led in different directions, including the description of pattern variability and its links with brain function in later developmental stages in the child and the adult, the quantification of prematurity-induced sulcal alterations, and the further investigation of the relation between opercularization and sulcation processes, which might interact together during development.
Chez l’homme, le cerveau se plisse principalement in utero, pendant le troisième trimestre de grossesse : la surface du cortex au moment de la naissance à terme présente alors des creux (sillons) et des bosses (gyri) dont la forme reste relativement stable au cours de la vie. Les motifs de plissement du cerveau, bien qu'uniques à chaque individu, présentent une organisation globalement cohérente au sein de l'espèce, permettant d'identifier et de comparer les sillons entre individus. La variabilité en forme des sillons et ses relations avec la spécialisation fonctionnelle (que le contexte soit pathologique ou non) sont de plus en plus étudiées dans le cerveau mature, mais les études dans le cerveau en développement restent rares à cause de nombreuses difficultés soulevées par la neuro-imagerie du tout-petit.Pendant mon doctorat, j’ai étudié les dynamiques de forme du plissement cortical sur la base de données d’imagerie par résonance magnétique (IRM) acquises longitudinalement dans une cohorte de nouveau-nés extrêmement prématurés, imagés vers l’âge équivalent à 7 mois de grossesse et à l’âge équivalent de la naissance à terme. J’ai adapté une méthode établie pour le cerveau adulte de caractérisation de la forme des sillons au contexte complexe du développement, et je l’ai appliquée à quatre régions corticales distinctes : le sillon central, la scissure sylvienne, et les régions périsylvienne et frontale inférieure, ces deux dernières n’ayant été explorées qu’à l’âge équivalent du terme du fait de leur apparition tardive dans le cerveau.À travers mes travaux, j’ai tout d’abord décrit la variabilité en forme du sillon central et de la scissure sylvienne. Ceci m’a amenée à découvrir que la forme de ces plis est cohérente entre les deux âges, ce qui suggère un encodage précoce. J’ai par ailleurs évalué si la forme du sillon central permettait de prédire le devenir moteur des sujets : faute d’être significative,elle a néanmoins suggéré la pertinence fonctionnelle de certaines signatures sulcales.Tout en étant concordantes avec l’état de l’art, mes observations sur le sillon central et la scissure sylvienne ont permis de détailler les motifs spécifiques et la chronologie d’encodage de leur forme précoce. En ciblant la scissure sylvienne et ses régions environnantes, j’ai émis l’hypothèse de dynamiques différentes entre l’opercularisation (processus menant au recouvrement du lobe insulaire par les lobes frontaux, pariétaux et temporaux) et la sulcation (processus menant à la formation des sillons) : mes observations ont alors suggéré une avance de l’hémisphère gauche dans le cadre de l’opercularisation, contre une avance de l’hémisphère droit pour la sulcation.Par ailleurs, j’ai capturé des asymétries conséquentes entre hémisphères cérébraux, en détaillant les caractéristiques de formes dans chacun des objets sulcaux considérés : ces travaux ont ainsi contribué à une meilleure compréhension des asymétries précoces qui pourraient être liées au développement de la latéralisation fonctionnelle du cerveau en liens avec la latéralité manuelle ou la perception du langage.De manière à compléter mes contributions, différentes directions devraient être explorées, dont la description de la variabilité des motifs des sillons et leurs relations avec le fonctionnement cérébral à des stades plus tardifs de développement de l’enfant et dans le cerveau de l’adulte, la quantification des altérations de plissement liées à la prématurité, et l’investigation plus approfondie des rapports entre opercularisation et sulcation, qui pourraient interagir ensemble au cours du développement.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03709084 , version 1 (29-06-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03709084 , version 1

Citer

Héloïse De Vareilles. Folding Dynamics in the Very Preterm Brain : Longitudinal Characterization of Sulcal Shape with Developmental and Functional Implications. Medical Imaging. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPAST065⟩. ⟨tel-03709084⟩
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