These 2013 4

Titre :

Les réseaux de repos sont-ils réellement activés ? Relation connectivité - activité (rCBF) des réseaux de repos au travers des âges : une étude en IRM fonctionnelle chez l'homme

Directeur(s) de Thèse :

Jack FOUCHER MCU-PH

Contact :

Jack FOUCHER
Mail : jack.foucher@laposte.net

Unité(s) d’Accueil(s) :

ICube : Laboratoire des sciences de l’Ingénieur, de l’Informatique et de l’Imagerie, UMR 7357 Université de Strasbourg / CNRS
Equipe IMIS, Imagerie Multimodale Intégrative en Santé
Ecole doctoral Vie et Santé d Strasbourg

Sujet :

Depuis la première description des réseaux de repos en 2004, la recherche les concernant n'a fait que croitre jusqu'à générer des réunions scientifiques qui leur sont entièrement dédiées. Il faut dire qu'il y a un peu de magie dans ces réseaux : il suffit de laisser un individu éveillé penser à ce qu'il veut pendant qu'on réalise une IRMf et par une analyse multivariée appelée ICA (analyse par composante indépendante), on retrouve les différents réseaux dont la co-activité ou la connectivité a spontanément variée durant l'acquisition. Certains de ces réseaux sont extrêmement reproductibles comme le réseau dit "par défaut". Aujourd'hui on tend à considérer qu'un réseau connecté est un réseau activé, et donc la marque d'une activité cognitive. Ainsi, si on ne sait pas à quoi le sujet à pensée, on imagine que l'on sait comment le sujet a pensé. Par exemple, ce réseau par défaut sous-tendrait une cognition centrée sur soi, en particulier la mémoire autobiographique... Mais est-ce toujours vrai ?

Notre équipe a mis au point une séquence IRM originale permettant de mesurer en même temps le signal BOLD sur lequel se fondent les mesures de connectivité, et le signal ASL (arterial spin labeling), qui donne une mesure quantitative du débit sanguin cérébral (rCBF). Ainsi, on peut suivre en même temps la connectivité et le niveau d'activité des réseaux... Les observations préliminaires donnent des résultats surprenants : pour certains réseaux de repos, dont le réseau par défaut, être connecté ne semble pas signifier être plus actifs... Ces premières observations sont à valider chez le sujet sain, et à travers les âges (7 à 77 ans). Car au cas où elles s'avèreraient exactes, l'idée qu'un réseaux puisse être connecté sans augmentation significative de son activité modifiera l'interprétation que nous avons de ce phénomène. Soit ces réseaux n'ont pas de finalité cognitive, soit on peut avoir une activité cognitive SANS augmentation d'activité cérébrale, ce qui remet en cause le principe même des études d'activation...
Or le sens que l'on donne à ce phénomène aura des conséquences pratiques. En effet, les réseaux de repos ont été étudiés dans un grand nombre de pathologies. Ainsi le réseau par défaut colle tellement bien avec celui affecté en premier par la maladie d'Alzheimer qu'il est l'objet d'études toute particulière dans cette affection et qu'on tend à vouloir en faire un biomarqueur. Mais vaut-il mieux utiliser sa connectivité ou son niveau d'activité ?
En pratique, le doctorant apprendra les bases physiques (IRM) et physiologiques des différents signaux BOLD et ASL. Il participera aux acquisitions et apprendra à analyser ces signaux sous Matlab. Dans un premier temps le doctorant devra analyser un pool de 12 sujets sains sur quelques réseaux de repos. Puis il étendra son analyse au travers de population normale de différent âges (enfant dès 6 ans au sujet âgé de 75 ans). Enfin il se tournera vers les populations pathologiques dont les sujets déments et dépressifs ainsi que vers les effets des médicaments sur ces réseaux.
Le doctorant travaillera sur un sujet transversal de l'équipe IMIS (Imagerie Multimodale et Intégrative pour la Santé). Il sera entouré par une équipe multidisciplinaire mêlant expertise en neurosciences, en imagerie et en traitement du signal.

Title

Are resting state networks really on? Relationship between connectivity and activity (rCBF) of resting networks through the ages: a functional MRI study in humans

Subject

Since their first description in 2004, resting state networks have became a hot topic in the literature that has grown up to generate scientific meetings fully dedicated to them. Indeed, there is a little magic in these networks: Simply leave a person awake thinking about what he wants while you take images of his brain with fMRI. Then you analyze the data using ICA (independent component analysis) and you will observe various networks which co-activity or connectivity spontaneously varied during the acquisition. Some of these networks are highly reproducible such as the so called "default mode network". Today we tend to consider a connected network to be an activated network, so the mark of a cognitive activity. If we don't know what the person think about, resting networks are seen as a window on how the subject think. For example, the default network is considered to be a marker of self-centered cognition, especially autobiographical memory ... But is this really true?
Our team has developed an original MRI sequence which measures simultaneously the BOLD signal on which connectivity measures are based, and ASL signal (arterial spin labeling), which gives a quantitative measurement of cerebral blood flow (rCBF), a marker of brain activity. Thus, it gives a unique opportunity to measure connectivity and activity together... Preliminary observations provide surprising results: some resting networks, e.g. the default mode network, while being connected do not seem to be more active... These initial observations remains to be validated in healthy subjects, and through different ages (7-77 years). If correct, the idea that networks can be connected without significantly increasing their activity will change the interpretation we have of this phenomenon. Either these networks have no cognitive purpose and are just sorts of idling activity, or cognitive activity can arise WITHOUT increases of brain activity, which calls into question the very principle of activation studies...
Moreover the meaning we give to this phenomenon has practical outcomes. Indeed, resting state networks have been studied in many pathologies. E.g. the default network fits so well with the regions first affected in the Alzheimer's disease that we tend to propose it as a biomarker of this disease. But should we use connectivity or activity to look for a malfunction of this network?
In practice, the student will learn the physics and the physiological basis of the different BOLD and ASL contrast. He will take part to acquisitions and learn how to analyze these signals using the programming language Matlab. At first the student will analyze a pool of 12 healthy subjects on a few resting state networks. Then extend the analysis through a normal population of different ages (children from 7 years old to about 77 years). Finally he will turn to the pathology with patients with dementia and depression as well as to the effects of drugs on these networks.
The student will work on a cross-cutting issue of IMIS team (Integrative Multimodal Imaging dedicated to Health). He will be assisted by this multidisciplinary team gathering experts in neuroscience, brain imaging and data analysis.