Comprendre le cerveau au repos

Comprendre le cerveau au repos Gaël Varoquaux Imagerie médicale Sciences cognitives Recherche médicale

Comprendre le cerveau au repos Gaël Varoquaux Imagerie médicale Sciences cognitives Recherche médicale Fonctionnement cerveau au repos du Handicap créé par des lésions cérébrales

G Varoquaux 2 AVC: Accident Vasculaire Cérébral Défaillance brutale d une partie du cerveau

AVC: Accident Vasculaire Cérébral G Varoquaux 2

AVC: Accident Vasculaire Cérébral Obstruction (caillot) Urgences neurovasculaires Rétablir la circulation dans les 3 heures Dr. Baronnet (Pitié-Salpêtrière) G Varoquaux 2

AVC: 145 000 par an 32 650 décés Thérapeutique Phase aigüe: sauver les tissus Sinon nécrose: dégâts permanents G Varoquaux 3

AVC: 145 000 par an 32 650 décés Thérapeutique Long terme: diminuer le handicap Rehabilitation Le cerveau est plastique Atteinte des fonctions cérébrales G Varoquaux 3

AVC: 145 000 par an 32 Améliorer 650 la réhabilitation décés Thérapeutique Mesurer les fonctions Long cérébrales terme: diminuer le handicap Comportement Imagerie Pronostic, indications thérapeutiques Atteinte des fonctions cérébrales G Varoquaux 3

1 Diagnostiquer G Varoquaux 4

1 IRM fonctionnelle G Varoquaux 5 Cartographie du système moteur: bougez le doigt du langage: dites trois noms d animaux

1 Réseaux cérébraux G Varoquaux 5 Réseau du langage Cartographie du système moteur: Sons + bougez lexique + lesyntaxe doigt du langage: dites trois noms d animaux

1 Réseaux cérébraux endommagés G Varoquaux 6 Langage Réseau du langage perturbé

1 Réseaux cérébraux endommagés G Varoquaux 6 Langage?? Réhabilitation: utiliser uniquement des régions saines

1 Réseaux cérébraux endommagés G Varoquaux 6 1. Identifier les régions saines mais déconnectées? 2. Cibler la réhabilitation? Réhabilitation: utiliser uniquement des régions saines

1 Réseaux cérébraux endommagés G Varoquaux 6 1. Identifier les régions saines mais déconnectées?? Dites trois noms d animaux Méthodologie traditionnelle de cartographie cérébrale inadaptée

1 Diagnostiquer le cerveau au repos G Varoquaux 7 Le cerveau ne s arrête jamais Le repos est une tâche adaptée aux patients diminués AVC, Coma, Alzheimer, Autisme Peut-on retrouver les réseaux fonctionnels? Peut-on mesurer les interactions cérébrales?

G Varoquaux 8 2 La structure cachée du repos Problématique de fouille de données

2 Des réseaux dans le repos G Varoquaux 9 Hypothèse: Les réseaux fonctionnels sont présents dans le repos Décours temporels Language

2 Des réseaux dans le repos G Varoquaux 9 Hypothèse: Les réseaux fonctionnels sont présents dans le repos Décours temporels Système auditif

2 Des réseaux dans le repos G Varoquaux 9 Hypothèse: Les réseaux fonctionnels sont présents dans le repos Décours temporels Système visuel

2 Des réseaux dans le repos G Varoquaux 9 Hypothèse: Les réseaux fonctionnels sont présents dans le repos Décours temporels Positionnement visuo-spatial

2 Des réseaux dans le repos G Varoquaux 9 Hypothèse: Les réseaux fonctionnels sont présents dans le repos Décours temporels Réseau moteur

2 Des réseaux dans le repos G Varoquaux 9 Hypothèse: Les réseaux fonctionnels sont présents dans le repos Décours temporels Réseau attentionel

2 Des réseaux dans le repos G Varoquaux 9 Hypothèse: Les réseaux fonctionnels sont présents dans le repos Décours temporels Analyse du mouvement

2 Des réseaux dans le repos G Varoquaux 9 Hypothèse: Les réseaux fonctionnels sont présents dans le repos Décours temporels Reconnaissance d objects

2 Des réseaux dans le repos Hypothèse: Les réseaux fonctionnels sont présents dans le repos Décours temporels Observe un mélange Comment inverser le mélange des réseaux? G Varoquaux 9

2 Retrouver les réseaux fonctionnels Un problème dit de séparation de sources Example: le problème de la soirée cocktail Analyse en composantes indépendantes G Varoquaux 10

2 Les réseaux communs à un groupe de sujets G Varoquaux 11 Données d un sujet sont limitées

2 Les réseaux communs à un groupe de sujets G Varoquaux 11 Séparation de sources + Recherche des structures reproductibles entre sujets

2 Les réseaux communs à un groupe de sujets G Varoquaux 12 Système de la parole Système auditif Langage

2 Les réseaux communs à un groupe de sujets G Varoquaux 12 Système moteur Jambes Pieds et mains Visage

2 Les réseaux communs à un groupe de sujets G Varoquaux 12 Système visuel Mouvement Couleurs et contours Formes complexes Positionnement spatial

2 Les réseaux commun à un groupe de sujets G Varoquaux 13

2 Revenir à l échelle de l individu G Varoquaux 14

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2 Revenir à l échelle de l individu G Varoquaux 14 argmin U s,v s,v sujets Y s U s V s 2 +µ V s V 2

2 Revenir à l échelle de l individu G Varoquaux 14 argmin U s,v s,v sujets Y s U s V s 2 +µ V s V 2 +λ Ω(V) Ω: Imposer de la structure spatiale

2 Revenir à l échelle de l individu G Varoquaux 15 Cartes individuelles + Atlas de référence

2 Revenir à l échelle de l individu G Varoquaux 15 Cartes individuelles + Atlas de référence Vascularisation

G Varoquaux 16 Nous savons maintenant trouver des régions fonctionnelles dans le repos??

3 Mesurer les interactions cérébrales G Varoquaux 17

3 Des observations aux interactions G Varoquaux 18 Correlation de l activité des réseaux Observations

3 Des observations aux interactions G Varoquaux 18 Si A est correlé à B et à C, alors B et C sont correlés par l intermédiaire de A. Observations

3 Des observations aux interactions G Varoquaux 18 Observations Structure d interactions

3 Des observations aux interactions G Varoquaux Plein de choix possibles. On peut faire dire ce qu on veut aux statistiques (comme en politique). 18 Difficile car peu d observations Ambiguités Observations Structure d interactions

3 Des observations aux interactions Techniques de statistiques en grande dimension + Structure d interactions identique entre sujets, mais valeurs différentes. G Varoquaux 19

3 Des observations aux interactions G Varoquaux 20 Sans statistiques en grande dimension

3 Des observations aux interactions G Varoquaux 20

3 L organisation des interactions cérébrales G Varoquaux 21 Pour les neurones comme sur facebook: Les amis de mes amis sont mes amis Détection de communautés

3 L organisation des interactions cérébrales G Varoquaux 21 Communautées neuronales = grands systèmes cognitifs

3 AVC et interactions cérébrales G Varoquaux 22 Detecter les différences avec une population saine

3 Interactions cérébrales après un AVC G Varoquaux 23

3 Interactions cérébrales après un AVC L impact d un AVC à distance de la lesion se traduit au sein des comunautées neuronales. G Varoquaux Dr. Baronnet 24

G Varoquaux 25??

G Varoquaux 25?? Deficit medié par des interactions distantes au sein des réseaux fonctionnels von Monakof, 1914

G Varoquaux 25?? Observation en imagerie, au niveau du patient unique Deficit medié par des interactions distantes au sein des réseaux fonctionnels von Monakof, 1914

Diagnostiquer le repos AVC F. Baronnet, Y. Samson, Pitié-Salpétrière Réseau impacté lié au déficit G Varoquaux 26 Maladie de Parkinson S. Palfi, Henri-Mondor Boucles du réseau moteur Coma S. Dehaene, Neurospin-Collège de France Structure globale / locale Grande variabilité inter-individuelle

Enrichir l analyse du repos G Varoquaux 27 Des grosses bases de données de références Des tâches controllées du point de vue cognitif L y=-57 x=34 R L z=52 R auditory visual calc. words motor cog. right left vertical horiz. words checkb.