Ce rapport d’habilitation à diriger les recherches présente une expérience et des travaux de recherche dans le domaine de l’imagerie médicale in vivo par tomographie par émission de positons (TEP) et par imagerie par résonance magnétique (IRM). En particulier, des avancées en terme de reconstruction, quantification et modélisation en TEP sont décrites. La validation de méthodes de traitement et d’analyse est soutenue par la création de données par simulation du processus de formation de l’image TEP. L'apparition récente de caméras cliniques combinées IRM-TEP, permettant l'acquisition simultanée de l'information moléculaire/métabolique TEP et de l'information fonctionnelle/structurelle de l'IRM ouvre la porte à des innovations méthodologiques uniques exploitant l'alignement spatial et temporel du signal TEP et IRM. Elle mènera à une augmentation de la précision et de la sensibilité dans les mesures des phénomènes biologiques. Dans ce contexte, les projets développés abordent des nouvelles questions méthodologiques liées à la quantification, aux apports respectifs des informations IRM ou TEP pour l’amélioration réciproque des signaux des deux modalités. Ils ouvrent des perspectives d’analyse combinée des deux imageries permettant une exploitation optimale de l'information pour l’imagerie cérébrale. Ces concepts novateurs ainsi que des méthodes de correction et d'analyse des données, seront facilement traduits dans d'autres domaines d'investigation utilisant la IRM-TEP combinée.