Assessment of Maturational Changes in White Matter Anisotropy and Volume in Children : A DTI Study

Le cerveau du nouveau-né n’est pas une version miniature du cerveau adulte puisque la croissance et la maturation ne sont ni parfaitement homogènes ni parfaitement synchrones pour l’ensemble des régions cérébrales. En effet, certaines régions du cerveau humain comme les régions sensorielles auditives et visuelles se développent précocement et rapidement alors que d’autres régions, comme les régions associatives frontales se développent tardivement, lentement jusqu’à la fin de l’adolescence. L’étude de la maturation du cerveau humain est possible depuis l’apparition de techniques d’imageries non invasives comme l’imagerie par résonance magnétique. Ces techniques permettent de réaliser des suivis longitudinaux et d’accéder à des paramètres qualitatifs et quantitatifs pour apprécier le développement de la substance blanche (SB) et ses faisceaux. En effet, l’anisotropie est un bon marqueur de la macrostructure et de l’organisation des faisceaux de la SB mais son interprétation en fonction de l’âge demeure difficile. La corrélation, entre l’augmentation de la fraction d’anisotropie (FA) et l’augmentation en volume, des faisceaux de la SB avec le temps n’a jamais été étudiée. L’objectif principal de ce travail de thèse est l’étude de la maturation des faisceaux de la SB durant l’enfance pour une population saine. Nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique en tenseur de diffusion couplée à la tractographie chez 25 enfants sains (de la naissance à 17 ans) afin d’observer les variations du volume conjointement à celles de la FA, pour15 faisceaux associatifs de la SB. Pour les enfants âgés de plus de 8 ans, la FA des faisceaux augmentait avec l’âge (p=0,04) mais ni le volume des faisceaux ni celui du télencéphale. Les courbes d’évolution de la FA et du volume des faisceaux de la SB suggèrent que chaque faisceau suit un schéma spécifique de maturation. L’augmentation de la FA après l’âge de 8 ans n’est pas la résultante d’une augmentation du volume des faisceaux mais la conséquence d’autres processus de maturation comme la myélinisation. L’objectif secondaire de ce travail est celui de la réalisation d’une revue de la littérature internationale des études IRM sur le développement structurel de la SB depuis les périodes embryonnaire et fœtale jusqu’à la fin de l’adolescence.The newborn brain is not a miniature version of the adult brain since growth and maturation are neither perfectly homogeneous nor perfectly synchronized for all regions of the brain. Indeed, some regions of the human brain such as auditory and visual sensory regions develop early and rapidly while other regions, such as frontal associative regions develop late, slowly until late adolescence. The study of human brain maturation has been possible since the advent of non-invasive imaging techniques such as magnetic resonance imaging (MRI). Thanks to MRI, it is possible to carry out longitudinal follow-ups of qualitative and quantitative parameters in order to understand the development of white matter (WM) and its fascicles. In fact, anisotropy is a good marker of the macrostructure and organization of the WM fascicles, but its interpretation in relation to age remains difficult. The correlation between increased anisotropy fraction (AF) and increased volume of WM fascicles over time has never been studied. The main objective of this work is to study the maturation of WM fascicles during childhood in a healthy population. We used diffusion tensor imaging (DTI) coupled with tractography in 25 healthy children (aged from 0 to 17 years) in order to observe the variations in volume and in AF for 15 associative WM fascicles. For children over 8 years of age, fascicles’ AF increased with age (p = 0.04). However, this wasn’t observed for fascicle volume nor telencephalon volume. The AF and the volume curves of WM fascicles suggest that each fascicle follows a specific maturation pattern. The increase in AF after the age of 8 is not the result of an increase in the volume of the fascicle but the consequence of other maturation processes such as myelination. The secondary objective of this work is to conduct a review of the international literature of MRI studies on the structural development of WM from the embryonic and fetal period until late adolescence