Multimodal functional exploration of the cerebellum

Exploration fonctionnelle multimodale du cervelet L'étude fonctionnelle du cervelet en neurosciences a connu un changement de paradigme ces dernières années : traditionnellement associé à la coordination motrice, le cervelet s'est avéré impliqué également dans un large éventail de processus cognitifs et émotionnels. Cependant, les mécanismes sous-jacents mériteraient d'être davantage explorés grâce à de nouvelles techniques plus flexibles et une approche expérimentale multimodale, afin de permettre des investigations dans des contextes variés. Cette thèse s'attaque à cette lacune par le développement et la validation d'un cadre expérimental multimodal pour l'acquisition de l'activité cérébelleuse, tant au niveau moteur que cognitif, dans des conditions réalistes de la vie quotidienne. Plus précisément, cette étude est la première à utiliser la spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge (fNIRS) pour mesurer l'activité cérébelleuse, en la confrontant, puis en l'associant à la technique de référence pour l'étude fonctionnelle du cervelet, à savoir l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Une série d'études préliminaires avec différents dispositifs, montages et participants a été réalisée pour identifier et relever les principaux défis de l'acquisition et de l'analyse des données fNIRS cérébelleuses. Globalement, toutes les expériences ont démontré la faisabilité de l'enregistrement de l'activité cérébelleuse par fNIRS, tout en affinant les lignes directrices générales pour le faire. Afin de répondre au scepticisme concernant la véracité de nos mesures fNIRS du cervelet, réalisées à partir du cuir chevelu, nous avons validé nos résultats grâce à un réseau d'optodes haute densité personnalisé en fonction de l'anatomie de chaque sujet. Cette configuration a permis la reconstruction d'images d'activation cérébelleuse à partir de la fNIRS cohérentes avec celles obtenues par IRMf, acquises séquentiellement au cours de même tâches motrices et auditives. Mis à part la forte variabilité inter-sujets attendue, les résultats indiquent une bonne corrélation spatiale et temporelle hémisphérique entre les données obtenues par fNIRS ou fMRI pour ces diverses tâches. Enfin, des enregistrements fNIRS-IRMf simultanés au niveau du cortex moteur et du cervelet ont été réalisés pendant une tâche motrice. Diverses chaînes de traitement conjoint des données par modèles linéaires généraux (GLM) ont été testées pour les acquisitions fNIRS-IRMf simultanées, révélant l'aspect critique de cette étape dans l'analyse des données lorsque le cervelet est région d'intérêt (ROI). Les résultats montrent alors de nouveau une forte corrélation spatiale et temporelle entre les deux modalités, en particulier avec les enregistrements simultanés. Nous avons ainsi obtenu une forte concordance entre les courbes temporelles d'hémodynamiques BOLD obtenues par IRMf et celle obtenues par fNIRS (HbO/HbR) pour tous les sujets et toutes les conditions.Dans l'ensemble, cette thèse démystifie l'idée qu'il est impossible d'obtenir des mesures de l'activité fonctionnelle cérébelleuse par dispositifs optiques non invasifs et prouve la forte concordance spatiale et temporelle entre la fNIRS et l'IRMf. Enfin, ces expériences ont révélé des différences importantes dans les réponses hémodynamiques évoquées par tâches entre le cervelet et le cortex moteur, en mettant en évidence une augmentation plus marquée du débit sanguin cérébral et des interactions dynamiques entre chromophores différentes. Cette thèse propose ainsi une approche multimodale complète pour les études fonctionnelles cérébelleuses, en couvrant la conception expérimentale, l'acquisition de données, le traitement du signal et les statistiques. Elle propose ainsi de nouveaux outils pour la détection et le suivi d'anomalies cérébelleuses pour diverses populations ciblées pour lesquelles l'IRMf est impossible.