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Diffuse optical tomography is a new modality of functional medical imaging. Its application to the study of brain activity is very promising. In this context, this work deals with understanding light propagation through the head thanks to simulations based on the diffusion equation which is solved by the finite element method on models obtained by the segmentation of MRI. These simulations show the weak penetration of light in the brain because of the particular optical properties of the head which implies a strong influence of superficial layer in the signal detected at the surface. We built a time-resolved photon counting system suited for clinical environment based on picosecond laser diodes at four different wavelengths. Its performances have been optimized considering the clinical environment. We obtained an apparatus with a shot noise limited signal to noise ratio and with and impulse response function around 100-300 ps at half maximum. This system allowed the detection of the variation of cerebral activity. The cerebral origin of the absorption variations detected at the head surface has been proved thanks to the comparison of experiments and simulations of brain activation. Simulations results allowed to propose original methods to spatially localize cerebral activity based on the "microscopic Beer-Lambert law" which is a function of photons time of flight. These methods allow to obtain depth-related information on the variations of oxy- and deoxy-hemoglobin concentration due to the cerebral hemodynamic response thanks to the time-resolved concentration difference maps., La tomographie optique diffuse est une nouvelle modalité d'imagerie médicale fonctionnelle. Elle présente de nombreux atouts pour le suivi de l'activité cérébrale. Dans ce contexte, ces travaux s'articulent autour de la compréhension de la propagation lumineuse au travers de la tête par l'intermédiaire de simulations fondées sur la résolution de l'équation de diffusion par la méthode des éléments finis sur des modèles anatomiques issus de la segmentation d'IRM. Nous avons mis en évidence la faible pénétration cérébrale de la lumière en raison des propriétés optiques particulières de la tête, et donc la forte influence des structures anatomiques superficielles dans le signal détecté en surface. Nous avons réalisé un système fondé sur le comptage de photons résolu en temps adapté à l'environnement clinique et qui repose sur l'utilisation de diodes laser picoseconde à quatre longueurs d'onde différentes. Les performances de l'ensemble ont été optimisées en tenant compte des nombreux impératifs cliniques ce qui a permis de réaliser et d'optimiser un appareil dont le rapport signal à bruit est uniquement limité par le bruit de photons et ayant une réponse impulsionnelle de l'ordre de 100-300 ps à mi-hauteur. Ce système a permis la détection de la variation de l'activité cérébrale. L'origine cérébrale des variations d'absorption détectées à la surface a été avérée grâce à la comparaison de l'expérience avec les simulations d'activation cérébrale. Les résultats des simulations ont permis de proposer des méthodes originales de localisation spatiale de l'activité cérébrale fondées sur la "loi de Beer-Lambert microscopique" qui est une fonction du temps de vol des photons. Elles permettent d'obtenir une information sur la profondeur des variations de concentration d'oxy-hémoglobine et de déoxy-hémoglobine, liées à la réponse hémodynamique cérébrale, grâce aux cartes de variations de concentration résolues en temps.