Using diffusion MR information to reconstruct networks of brain activations from MEG and EEG measurements

Comprendre comment différentes régions du cerveau interagissent afin d’exécuter une tâche, est un défi très complexe. La magnéto- et l’électroencéphalographie (MEEG) sont deux techniques non-invasive d’imagerie fonctionnelle utilisées pour mesurer avec une bonne résolution temporelle l’activité cérébrale. Estimer cette activité à partir des mesures MEEG est un problème mal posé. Il est donc crucial de le régulariser pour obtenir une solution unique. Il a été montré que l’homogénéité structurelle des régions corticales reflète leur homogénéité fonctionnelle. Un des buts principaux de ce travail est d’utiliser cette information structurelle pour définir des a priori permettant de contraindre de manière plus anatomique ce problème inverse de reconstruction de sources. L’imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd) est, à ce jour, la seule technique non-invasive qui fournisse des informations sur l’organisation structurelle de la matière blanche. Cela justifie son utilisation pour contraindre notre problème inverse. Nous utilisons l’information fournie par l’IRMd de deux manière différentes pour reconstruire les activations du cerveau : (1) via une méthode spatiale qui utilise une parcellisation du cerveau pour contraindre l’activité des sources. Ces parcelles sont obtenues par un algorithme qui permet d’obtenir un ensemble optimal de régions structurellement homogènes pour une mesure de similarité donnée sur tout le cerveau. (2) dans une approche spatio-temporelle qui utilise les connexions anatomiques, calculées à partir des données d’IRMd, pour contraindre la dynamique des sources. Ces méthodes sont appliquée à des données synthétiques et réelles.Understanding how brain regions interact to perform a given task is a very challenging task. Electroencephalography (EEG) and Magnetoencephalography (MEG) are two non-invasive functional imaging modalities used to record brain activity with high temporal resolution. As estimating brain activity from these measurements is an ill-posed problem. We thus must set a prior on the sources to obtain a unique solution. It has been shown in previous studies that structural homogeneity of brain regions reflect their functional homogeneity. One of the main goals of this work is to use this structural information to define priors to constrain more anatomically the MEG/EEG source reconstruction problem. This structural information is obtained using diffusion magnetic resonance imaging (dMRI), which is, as of today, the unique non-invasive structural imaging modality that provides an insight on the structural organization of white matter. This makes its use to constrain the EEG/MEG inverse problem justified. In our work, dMRI information is used to reconstruct brain activation in two ways: (1) In a spatial method which uses brain parcels to constrain the sources activity. These parcels are obtained by our whole brain parcellation algorithm which computes cortical regions with the most structural homogeneity with respect to a similarity measure. (2) In a spatio-temporal method that makes use of the anatomical connections computed from dMRI to constrain the sources’ dynamics. These different methods are validated using synthetic and real data