Soutenance de thèse de TRIEBKORN Jan
Titre de thèse
assembler des jumeaux cérébraux virtuels spécifiques aux patients : de l'intégrité de la substance blanche aux dynamiques de champs neuronaux pour des perspectives cliniques
assembling patient-specific virtual brain twins : from white matter Integrity to neural field dynamics for clinical insights
Résumé de la thèse
Le concept de jumeau virtuel du cerveau envisage des modèles computationnels de
cerveaux individuels intégrant des données structurelles et fonctionnelles afin de simuler
les dynamiques en conditions saines et pathologiques. Cette thèse contribue au
développement des jumeaux virtuels du cerveau en combinant des fondements
théoriques avec des applications dans trois projets distincts. Premièrement, j'ai étudié les
modifications structurelles induites par la capsulotomie par Gamma Knife chez des
patients souffrant de troubles obsessionnels compulsifs résistants au traitement,
démontrant que les détails microstructuraux du bras antérieur de la capsule interne sont
étroitement liés à l'évolution clinique. Cela souligne la nécessité de représenter avec
précision le connectome dans les jumeaux virtuels du cerveau. Deuxièmement, je me suis
intéressé aux dynamiques fonctionnelles en équipant les connectomes de réseaux
neuronaux récurrents afin de simuler le traitement narratif. En comparant les prédictions
du modèle avec les hiérarchies temporelles empiriques observées en IRMf, j'ai montré
que les jumeaux virtuels du cerveau peuvent établir un pont entre structure et fonction
pour capturer des phénomènes cognitifs. Troisièmement, j'ai appliqué des jumeaux
virtuels du cerveau à haute résolution à l'épilepsie, en testant la réentrée comme
mécanisme de génération des crises et en évaluant différentes interventions potentielles
telles que la stimulation ou la lésion. Ensemble, ces projets démontrent comment les
jumeaux virtuels du cerveau peuvent servir de modèles mécanistes pour expliquer des
interventions cliniques, des processus cognitifs et des dynamiques pathologiques. La
thèse commence par exposer les fondements théoriques et méthodologiques de
l'extraction du connectome, la modélisation en masses et champs neuronaux, et la
simulation. Elle présente ensuite les trois projets comme études de cas dans les domaines
structurel, fonctionnel et clinique. Enfin, elle se conclut par une discussion critique des
limites, des perspectives et des implications éthiques, afin de rendre les jumeaux virtuels
du cerveau plus robustes, fidèles biologiquement et exploitables cliniquement.
Thesis resume
The concept of the virtual brain twin envisions computational models of individual
brains that integrate structural and functional data to simulate dynamics in health and
disease. This thesis advances the development of virtual brain twins by combining
theoretical foundations with applications across three distinct projects. First, I
investigated structural changes induced by Gamma Knife capsulotomy in treatmentrefractory
obsessive–compulsive disorder, demonstrating that the microstructural
details of the anterior limb of the internal capsule are closely linked to clinical outcome.
This emphasizes the necessity of accurately representing the connectome within virtual
brain twins. Second, I turned to functional dynamics, equipping connectomes with
recurrent neural network models to simulate narrative processing. By comparing model
predictions with empirical timescale hierarchies observed in fMRI, I showed that virtual
brain twins can bridge structure and function to capture cognitive phenomena. Third, I
applied high-resolution virtual brain twins to epilepsy, testing re-entry as a mechanism
for seizure generation and evaluating potential interventions such as stimulation and
lesioning. Together, these projects demonstrate how virtual brain twins can serve as
mechanistic models for explaining clinical interventions, cognitive processes, and
pathological dynamics. The thesis begins by outlining the theoretical and methodological
foundations of connectome extraction, neural mass and field modelling, and simulations.
It then presents the three projects as case studies in structural, functional, and clinical
domains. Finally, it concludes with a critical discussion of limitations, future directions
and ethical implications, to make virtual brain twins robust, biologically faithful, and
clinically actionable.