Introduction à la morphométrie cérébrale Olivier Colliot Centre de Recherche de l’Institut du Cerveau et de la Moelle épinière CNRS UMR 7225 Inserm UMRS 975 Université Paris 6 – Pierre et Marie Curie Hôpital de la Salpêtrière - Neuroimaging of Epilepsy Laboratory - Travaux de postdoc mais aussi brievement d’autres travaux du groupe

La morphométrie Morphométrie = étude quantitative des formes Images : J.-F. Mangin, Neurospin, CEA

La morphométrie Morphométrie = étude quantitative des formes Images : J.-F. Mangin, Neurospin, CEA

La morphométrie : pourquoi ? Différences entre deux populations Patients Alzheimer Sujets sains … … Sujet 1 Sujet 2 … Sujet m Sujet 1 Sujet 2 … Sujet n

La morphométrie : pourquoi ? Corrélations anatomo-fonctionnelles Navigation-related structural change in the hippocampi of taxi drivers Maguire et al., Proc Nat Acad Sci USA, 2000

La morphométrie : comment ? Segmentation IRM anatomique T1 Calcul de caractéristiques : - volume - épaisseur, - concentration, - forme … Analyse statistique Tissus Structures ...

La morphométrie : comment ? Deux grandes familles de méthodes Approche structurelle Segmentation de structures Mesure de leurs caractéristiques géométriques Approche iconique Mise en correspondance des cerveaux  recalage Système de coordonnées commun Ex: VBM (voxel-based morphometry)

Plan du cours Les approches structurelles Les approches iconiques La volumétrie manuelle ou automatique L’analyse de forme Les sillons corticaux Les approches iconiques La VBM  Voir cours Eric Bardinet et Christine Delmaire L’épaisseur corticale

Plan du cours Les approches structurelles Les approches iconiques La volumétrie manuelle ou automatique Par delà la volumétrie : la morphométrie Les sillons corticaux Les approches iconiques La VBM  Voir cours Eric Bardinet et Christine Delmaire L’épaisseur corticale

Analsyses statistiques (ex. ANOVA, corrélations…) La volumétrie Principe IRM anatomique T1 Segmentation Calcul du volume Analsyses statistiques (ex. ANOVA, corrélations…)

Volumétrie manuelle vs automatique Limites de la volumétrie manuelle Nécessite une expertise spécifique Long et fastidieux (jusqu’à une heure par structure) Variabilité intra- et inter-observateur Volumétrie automatique Permet de traiter rapidement de grands volumes de données Possibles problèmes de robustesse

Segmentation automatique de l’hippocampe Logiciel de segmentation automatique de l’hippocampe et de l’amygdale Temps de calcul : environ 10 minutes par sujet Hippocampus Amygdala Chupin et al., NeuroImage, 2007 Chupin et al., NeuroImage, 2009

Segmentation automatique de l’hippocampe Chupin et al., NeuroImage, 2007 Chupin et al., NeuroImage, 2009

Volumétrie de l’hippocampe dans la maladie d’Alzheimer Sujets IRM anatomique Séquence SPGR pondérée en T1 128 coupes axiales (taille de voxel 0.93mm x 0.93mm x 1.5mm) Age Sexe MMS MA (n=25) 73.2 ± 5.7 11 m 24.4 ± 2.7 MCI (n=24) 73.6 ± 7.7 10 m 27.2 ± 1.4 Témoins (n=25) 64.1 ± 8.0 13 m N/A Collaboration avec Cyceron – Caen (G. Chételat, B. Desgranges, F. Eustache)

Volumétrie de l’hippocampe dans la maladie d’Alzheimer MA vs témoins MCI vs témoins Volumes Réduction Significativité 1.95 cm3 vs 2.86 cm3 -32% p<0.001 2.30 cm3 vs 2.86 cm3 -19% Précision Sensibilité Specificité 87% 88% 74% 79% 69% Colliot et al, Radiology, 2008 Chupin et al, ISBI 2008

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Analyse de formes 3D Limites de la volumétrie - dans quelles parties de la structure ont lieu les changements ? - existe-t-il des changements indépendants des variations de volumes ?

SPHARM : harmoniques sphérique Création d’un template : moyenne de tous les objets Pour chaque objet - Calcul de la distance signée entre l’objet et le template pour chaque couple de points en correspondance Orange : template Bleu : objet Distance signée

SPHARM : Analyse statistique Tests statistiques vertex-à-vertex Groupe 1 Groupe 2 Cartes de distance individuelles Test statistique (p-value)

SPHARM : Analyse statistique Comparaisons multiples Sans correction 0.001 Avec correction 0.05 Vues postérieure (G), latérale (G), postérieure (D), latérale (D). Comparaison patients schizophrènes vs témoins Hippocampes gauche (G) et droit (D) [Styner et al., Med Image Analysis, 2004]

SPHARM : Exemple Analyse de la forme de l’hippocampe dans la maladie d’Alzheimer Comparaison avec des sujets témoins Corrélation avec un test de mémoire épisodique (Grober et Buschke) [Gerardin et al, Submitted]

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BrainVISA www.brainvisa.info Activations (fMRI) Morphologie (MRI) Stéréotaxie MEG Métabolisme (PET) Connectivité (dMRI) Histologie 3D - rongeurs

Morphométrie sulcale avec BrainVISA www.brainvisa.info 1 2 3 4 Mangin et al. 1995, Rivière et al. 2000, Régis et al. 2004

Morphométrie sulcale avec BrainVISA www.brainvisa.info

L. Cohen, and S. Dehaene. Neuron, 2003 Les sillons et le développement : syndrome de Turner Central sulcus Superior temporal Intraparietal sulcus Turner syndrome Controls ** * Left Right Left Right Left Right CS IPS STS Depth Left Right Left Right Left Right CS IPS STS N. Molko, A. Cachia, D. Rivière, J.-F. Mangin, M Bruandet, D. Le Bihan, L. Cohen, and S. Dehaene. Neuron, 2003 Length

Turners versus Controls Avantages de l’analyse sulcale sur la VBM Turner syndrome Controls Turners versus Controls Une atrophie du cortex pariétal conduit à un déplacement du sillon central Asymétrie du sillon intrapariétal chez les Turners

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La VBM en une diapo… www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm Ces structures jouent un rôle important dans un certain nombre d’affections neuologiques et en particulier la maladie d’Alzheimer

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Analyser l’épaisseur corticale avec Freesurfer Avantages par rapport à la VBM Mesure directe de l’atrophie Le recalage surfacique est présumé plus précis Les aires corticales sont mieux définies Inconvénients Restreint au cortex Temps de calcul (> 24h par sujet) Ces structures jouent un rôle important dans un certain nombre d’affections neuologiques et en particulier la maladie d’Alzheimer

Analyser l’épaisseur corticale avec Freesurfer surfer.nmr.mgh.harvard.edu Extraction des interfaces SG/SB et SG/LCR Calcul de l’épaisseur entre ces deux surfaces Recalage dans un repère commun Analyses de groupes basées sur le modèle linéaire général Ces structures jouent un rôle important dans un certain nombre d’affections neuologiques et en particulier la maladie d’Alzheimer

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Exemple : patients Alzheimer vs sujets sains Superior Frontal Inferior parietal Precuneus Ces structures jouent un rôle important dans un certain nombre d’affections neuologiques et en particulier la maladie d’Alzheimer Fusiform Middle temporal Using surfacic Gaussian smoothing with FWHM=10mm

Plan du cours Les approches structurelles Les approches iconiques La volumétrie manuelle ou automatique Par delà la volumétrie : la morphométrie Les sillons corticaux Les approches iconiques La VBM  Voir cours Eric Bardinet et Christine Delmaire L’épaisseur corticale Conclusion

Approches structurelles vs iconiques Approche structurelle ++ Interprétation des résultats ++ Analyse fine et précise --- Nécessite une hypothèse --- Problème de la segmentation Approche iconique ++ Explorer tout le cerveau ++ Relativement facile à mettre en oeuvre --- Interprétation des résultats --- Problème du recalage

Contact olivier.colliot@upmc.fr