Différences entre les réseaux morphologiques du cortex cérébral dans les gyrus et les sillons

Introduction

Le cerveau humain, en tant que réseau complexe interconnecté, peut être cartographié grâce à des images virtuelles obtenues par imagerie par résonance magnétique (IRM) multimodale. En analysant ce réseau à l’aide de la théorie des graphes, de nombreuses études ont découvert certaines propriétés topologiques non triviales du réseau cérébral, telles que l’organisation en petit monde, la structure modulaire et les hubs hautement connectés. Ces découvertes ont fourni des informations importantes sur les principes d’organisation des connexions cérébrales. Cependant, ces propriétés topologiques ne sont pas uniformément réparties sur le cortex cérébral. Par exemple, il existe des différences significatives dans l’organisation en petit monde entre les hémisphères cérébraux gauche et droit. De plus, un facteur plus important, à savoir le modèle de pliage cortical hautement plissé, s’est également avéré avoir un impact sur la topologie du réseau cérébral.

Le modèle de pliage cortical, composé de gyrus en saillie et de sillons en creux, est l’une des caractéristiques les plus marquantes de la structure du cerveau humain. Des preuves issues d’études d’IRM structurelle et fonctionnelle suggèrent que les réseaux cérébraux formés par les gyrus présentent une connectivité plus forte et une efficacité de réseau plus élevée par rapport aux réseaux cérébraux formés par les sillons. Malgré ces progrès, les études sur l’influence des gyrus et des sillons sur les réseaux cérébraux structurels dérivés des données d’IRM structurelle restent limitées.

Dans cette étude, nous visons à analyser de manière complète l’impact des gyrus et des sillons sur les réseaux cérébraux morphologiques individuels. En particulier, nous avons adopté une méthode précédemment développée pour construire quatre types de réseaux cérébraux morphologiques individuels, et avons utilisé plusieurs ensembles de données indépendants pour analyser les différences entre les réseaux cérébraux morphologiques des gyrus et des sillons sous de multiples aspects, notamment la similarité morphologique interrégionale, l’organisation en petit monde, la fiabilité test-retest, la capacité d’explication des comportements et de la cognition, ainsi que la sensibilité à la dépression majeure (MDD).

Source de l’étude

Cette étude a été réalisée par Qingchun Lin, Suhui Jin, Guole Yin, Junle Li et d’autres collaborateurs de l’Institut de recherche sur le cerveau et de réadaptation de l’Université normale de Chine du Sud, ainsi que d’autres universités et instituts de recherche. L’article a été publié dans le journal “Neuroscience Bulletin” et accepté le 28 mars 2024.

Méthodologie

Participants et collecte de données

L’étude comprenait quatre ensembles de données indépendants :

1. Ensemble de données du Human Connectome Project (HCP) : 1113 participants ont subi une IRM structurelle pondérée en T1. 444 participants ont été inclus, avec un âge moyen entre 22 et 35 ans.
2. Ensemble de données TRT de l’Université normale de Pékin (BNU) : 57 participants en bonne santé ont subi deux examens IRM, avec un intervalle moyen de 40,94 jours.
3. Ensemble de données TRT de l’Université du Sud-Ouest (SWU) : 121 participants en bonne santé ont effectué trois examens IRM, avec des intervalles allant de 120 à 653 jours.
4. Ensemble de données MDD : 100 patients atteints de dépression majeure lors de leur premier épisode et non traités par médicaments, ainsi que 99 sujets témoins en bonne santé.

Prétraitement des images

La boîte à outils CAT12 a été utilisée pour effectuer une analyse basée sur la surface des vertex des images structurelles individuelles, à partir desquelles quatre caractéristiques morphologiques ont été extraites : épaisseur corticale (CT), dimension fractale (FD), indice de gyrification (GI) et profondeur des sillons (SD). Conformément au manuel de la boîte à outils, les images CT bidimensionnelles ont été lissées, tandis que les autres images ont été lissées avec un noyau gaussien en fonction de leur nature.

Construction des réseaux cérébraux morphologiques individuels

L’atlas Destrieux a été utilisé pour diviser la surface corticale en 74 régions d’intérêt (ROI) par hémisphère, excluant finalement les régions ambiguës pour conserver 60 régions par hémisphère. Ensuite, en calculant la distribution des caractéristiques morphologiques de chaque ROI, la similarité morphologique interrégionale a été estimée à l’aide de la divergence de Jensen-Shannon (JSD), donnant lieu à quatre types de réseaux cérébraux morphologiques : CTN, FDN, GIN et SDN.

Analyse de réseau

Dans l’analyse de réseau, la méthode du seuil proportionnel a été utilisée pour exclure les arêtes de faible similarité dans l’ensemble de données HCP. Les paramètres de petit monde (y compris le coefficient de clustering Cp et la longueur de chemin caractéristique Lp) ont été calculés et normalisés par rapport à des réseaux aléatoires générés. De plus, le coefficient de corrélation intraclasse (ICC) a été utilisé pour évaluer la fiabilité test-retest à court et à long terme. Pour l’analyse des associations comportementales et cognitives, un modèle de composantes de variance multivariée a été utilisé pour évaluer la capacité des réseaux cérébraux morphologiques à expliquer les différences cognitives et comportementales, suivi d’une analyse de corrélation marginale.

Résultats

Différences de similarité morphologique entre les gyrus et les sillons

Les CTN et GIN ont montré une similarité morphologique significativement plus élevée dans les réseaux gyrus-gyrus par rapport aux réseaux sillon-sillon, tandis que le FDN a montré une similarité plus élevée dans les réseaux sillon-sillon. Des différences significatives de similarité morphologique entre les gyrus et les sillons ont été observées dans diverses régions, en particulier pour les CTN et GIN, avec une similarité morphologique plus élevée entre les gyrus.

Différences dans les paramètres de petit monde

Les réseaux des gyrus et des sillons ont tous deux montré une organisation en petit monde, mais les réseaux des gyrus ont montré des coefficients de clustering significativement plus faibles et des longueurs de chemin caractéristiques plus élevées par rapport aux réseaux des sillons dans les CTN et GIN. Ces résultats suggèrent que les réseaux des gyrus sont plus importants pour l’intégration fonctionnelle.

Différences de fiabilité test-retest

Les réseaux des gyrus et des sillons ont montré une fiabilité test-retest élevée, indépendamment de l’intervalle de temps. Cependant, sur de longs intervalles, les réseaux des sillons ont montré une fiabilité significativement plus élevée dans les CTN, GIN et SDN, tandis que le contraire a été observé dans le FDN.

Capacité à expliquer les différences comportementales et cognitives

Les réseaux cérébraux morphologiques ont significativement expliqué les différences individuelles dans les domaines cognitif et moteur. En particulier, les réseaux et les connexions des gyrus et des sillons ont apporté des contributions importantes à ces associations, soulignant l’importance des régions des gyrus dans le soutien des fonctions cognitives et motrices.

Sensibilité à la dépression majeure (MDD)

Seuls les réseaux sillon-sillon ont montré une diminution significative de la similarité morphologique chez les patients MDD dans les CTN, FDN et GIN, indiquant que les réseaux des sillons sont plus susceptibles d’être affectés par la MDD.

Conclusion

Cette étude a systématiquement exploré l’influence des gyrus et des sillons sur les réseaux cérébraux morphologiques individuels. Les résultats montrent des différences significatives entre les réseaux des gyrus et des sillons dans plusieurs aspects tels que la similarité morphologique, l’organisation en petit monde, la fiabilité test-retest, les associations comportementales et cognitives, et la sensibilité à la MDD. Ces découvertes approfondissent notre compréhension de l’impact des modèles de pliage cortical sur l’organisation des réseaux cérébraux.