Anatomical Modeling of Cerebral Microvascular Structures: Application to Identify Biomarkers of Microstrokes

Les réseaux microvasculaires corticaux sont responsables du transport de l’oxygène et des substrats énergétiques vers les neurones. Ces réseaux réagissent dynamiquement aux demandes énergétiques lors d’une activation neuronale par le biais du couplage neurovasculaire. Afin d’élucider le rôle de la composante microvasculaire dans ce processus de couplage, l’utilisation de la modélisation in-formatique pourrait se révéler un élément clé. Cependant, la manque de méthodologies de calcul appropriées et entièrement automatisées pour modéliser et caractériser les réseaux microvasculaires reste l’un des principaux obstacles. Le développement d’une solution entièrement automatisée est donc important pour des explorations plus avancées, notamment pour quantifier l’impact des mal-formations vasculaires associées à de nombreuses maladies cérébrovasculaires. Une observation courante dans l’ensemble des troubles neurovasculaires est la formation de micro-blocages vascu-laires cérébraux (mAVC) dans les artérioles pénétrantes de la surface piale. De récents travaux ont démontré l’impact de ces événements microscopiques sur la fonction cérébrale. Par conséquent, il est d’une importance vitale de développer une approche non invasive et comparative pour identifier leur présence dans un cadre clinique. Dans cette thèse,un pipeline de traitement entièrement automatisé est proposé pour aborder le prob-lème de la modélisation anatomique microvasculaire. La méthode de modélisation consiste en un réseau de neurones entièrement convolutif pour segmenter les capillaires sanguins, un générateur de modèle de surface 3D et un algorithme de contraction de la géométrie pour produire des mod-èles graphiques vasculaires ne comportant pas de connections multiples. Une amélioration de ce pipeline est développée plus tard pour alléger l’exigence de maillage lors de la phase de représen-tation graphique. Un nouveau schéma permettant de générer un modèle de graphe est développé avec des exigences d’entrée assouplies et permettant de retenir les informations sur les rayons des vaisseaux. Il est inspiré de graphes géométriques déformants construits en respectant les morpholo-gies vasculaires au lieu de maillages de surface. Un mécanisme pour supprimer la structure initiale du graphe à chaque exécution est implémenté avec un critère de convergence pour arrêter le pro-cessus. Une phase de raffinement est introduite pour obtenir des modèles vasculaires finaux. La modélisation informatique développée est ensuite appliquée pour simuler les signatures IRM po-tentielles de mAVC, combinant le marquage de spin artériel (ASL) et l’imagerie multidirectionnelle pondérée en diffusion (DWI). L’hypothèse est basée sur des observations récentes démontrant une réorientation radiale de la microvascularisation dans la périphérie du mAVC lors de la récupéra-tion chez la souris. Des lits capillaires synthétiques, orientés aléatoirement et radialement, et des angiogrammes de tomographie par cohérence optique (OCT), acquis dans le cortex de souris (n = 5) avant et après l’induction d’une photothrombose ciblée, sont analysés. Les graphes vasculaires informatiques sont exploités dans un simulateur 3D Monte-Carlo pour caractériser la réponse par résonance magnétique (MR), tout en considérant les effets des perturbations du champ magnétique causées par la désoxyhémoglobine, et l’advection et la diffusion des spins nucléaires. Le pipeline graphique proposé est validé sur des angiographies synthétiques et réelles acquises avec différentes modalités d’imagerie. Comparé à d’autres méthodes effectuées dans le milieu de la recherche, les expériences indiquent que le schéma proposé produit des taux d’erreur géométriques et topologiques amoindris sur divers angiogrammes. L’évaluation confirme également l’efficacité de la méthode proposée en fournissant des modèles représentatifs qui capturent tous les aspects anatomiques des structures vasculaires. Ensuite, afin de trouver des signatures de mAVC basées sur le signal IRM, la modélisation vasculaire proposée est exploitée pour quantifier le rapport de perte de signal intravoxel minimal lors de l’application de plusieurs directions de gradient, à des paramètres de séquence variables avec et sans ASL. Avec l’ASL, les résultats démontrent une dif-férence significative (p <0,05) entre le signal calculé avant et 3 semaines après la photothrombose. La puissance statistique a encore augmenté (p <0,005) en utilisant des angiogrammes capturés à la semaine suivante. Sans ASL, aucun changement de signal significatif n’est trouvé. Des rapports plus élevés sont obtenus à des intensités de champ magnétique plus faibles (par exemple, B0 = 3) et une lecture TE plus courte (<16 ms). Cette étude suggère que les mAVC pourraient être carac-térisés par des séquences ASL-DWI, et fournirait les informations nécessaires pour les validations expérimentales postérieures et les futurs essais comparatifs.----------ABSTRACT Cortical microvascular networks are responsible for carrying the necessary oxygen and energy substrates to our neurons. These networks react to the dynamic energy demands during neuronal activation through the process of neurovascular coupling. A key element in elucidating the role of the microvascular component in the brain is through computational modeling. However, the lack of fully-automated computational frameworks to model and characterize these microvascular net-works remains one of the main obstacles. Developing a fully-automated solution is thus substantial for further explorations, especially to quantify the impact of cerebrovascular malformations associ-ated with many cerebrovascular diseases. A common pathogenic outcome in a set of neurovascular disorders is the formation of microstrokes, i.e., micro occlusions in penetrating arterioles descend-ing from the pial surface. Recent experiments have demonstrated the impact of these microscopic events on brain function. Hence, it is of vital importance to develop a non-invasive and translatable approach to identify their presence in a clinical setting. In this thesis, a fully automatic processing pipeline to address the problem of microvascular anatom-ical modeling is proposed. The modeling scheme consists of a fully-convolutional neural network to segment microvessels, a 3D surface model generator and a geometry contraction algorithm to produce vascular graphical models with a single connected component. An improvement on this pipeline is developed later to alleviate the requirement of water-tight surface meshes as inputs to the graphing phase. The novel graphing scheme works with relaxed input requirements and intrin-sically captures vessel radii information, based on deforming geometric graphs constructed within vascular boundaries instead of surface meshes. A mechanism to decimate the initial graph struc-ture at each run is formulated with a convergence criterion to stop the process. A refinement phase is introduced to obtain final vascular models. The developed computational modeling is then ap-plied to simulate potential MRI signatures of microstrokes, combining arterial spin labeling (ASL) and multi-directional diffusion-weighted imaging (DWI). The hypothesis is driven based on recent observations demonstrating a radial reorientation of microvasculature around the micro-infarction locus during recovery in mice. Synthetic capillary beds, randomly- and radially oriented, and op-tical coherence tomography (OCT) angiograms, acquired in the barrel cortex of mice (n=5) before and after inducing targeted photothrombosis, are analyzed. The computational vascular graphs are exploited within a 3D Monte-Carlo simulator to characterize the magnetic resonance (MR) re-sponse, encompassing the effects of magnetic field perturbations caused by deoxyhemoglobin, and the advection and diffusion of the nuclear spins. The proposed graphing pipeline is validated on both synthetic and real angiograms acquired with different imaging modalities. Compared to other efficient and state-of-the-art graphing schemes, the experiments indicate that the proposed scheme produces the lowest geometric and topological error rates on various angiograms. The evaluation also confirms the efficiency of the proposed scheme in providing representative models that capture all anatomical aspects of vascular struc-tures. Next, searching for MRI-based signatures of microstokes, the proposed vascular modeling is exploited to quantify the minimal intravoxel signal loss ratio when applying multiple gradient di-rections, at varying sequence parameters with and without ASL. With ASL, the results demonstrate a significant difference (p<0.05) between the signal-ratios computed at baseline and 3 weeks after photothrombosis. The statistical power further increased (p<0.005) using angiograms captured at week 4. Without ASL, no reliable signal change is found. Higher ratios with improved significance are achieved at low magnetic field strengths (e.g., at 3 Tesla) and shorter readout TE (<16 ms). This study suggests that microstrokes might be characterized through ASL-DWI sequences, and provides necessary insights for posterior experimental validations, and ultimately, future transla-tional trials

Phase Aberration Correction for in vivo Ultrasound Localization Microscopy Using a Spatiotemporal Complex-Valued Neural Network

Ultrasound Localization Microscopy (ULM) can map microvessels at a resolution of a few micrometers ({\mu}m). Transcranial ULM remains challenging in presence of aberrations caused by the skull, which lead to localization errors. Herein, we propose a deep learning approach based on recently introduced complex-valued convolutional neural networks (CV-CNNs) to retrieve the aberration function, which can then be used to form enhanced images using standard delay-and-sum beamforming. Complex-valued convolutional networks were selected as they can apply time delays through multiplication with in-phase quadrature input data. Predicting the aberration function rather than corrected images also confers enhanced explainability to the network. In addition, 3D spatiotemporal convolutions were used for the network to leverage entire microbubble tracks. For training and validation, we used an anatomically and hemodynamically realistic mouse brain microvascular network model to simulate the flow of microbubbles in presence of aberration. We then confirmed the capability of our network to generalize to transcranial in vivo data in the mouse brain (n=2). Qualitatively, vascular reconstructions using a pixel-wise predicted aberration function included additional and sharper vessels. The spatial resolution was evaluated by using the Fourier ring correlation (FRC). After correction, we measured a resolution of 16.7 {\mu}m in vivo, representing an improvement of up to 27.5 %. This work leads to different applications for complex-valued convolutions in biomedical imaging and strategies to perform transcranial ULM

Compromised microvascular oxygen delivery increases brain tissue vulnerability with age

Despite the possible role of impaired cerebral tissue oxygenation in age-related cognition decline, much is still unknown about the changes in brain tissue pO2 with age. Using a detailed investigation of the age-related changes in cerebral tissue oxygenation in the barrel cortex of healthy, awake aged mice, we demonstrate decreased arteriolar and tissue pO2 with age. These changes are exacerbated after middle-age. We further uncovered evidence of the presence of hypoxic micro-pockets in the cortex of awake old mice. Our data suggests that from young to middle-age, a well-regulated capillary oxygen supply maintains the oxygen availability in cerebral tissue, despite decreased tissue pO2 next to arterioles. After middle-age, due to decreased hematocrit, reduced capillary density and higher capillary transit time heterogeneity, the capillary network fails to compensate for larger decreases in arterial pO2. The substantial decrease in brain tissue pO2, and the presence of hypoxic micro-pockets after middle-age are of significant importance, as these factors may be related to cognitive decline in elderly people

Imaging Cerebral Oxygenation Alterations in an Alzheimer Mouse Model

Cette thèse a pour objectif d'explorer l'oxygénation cérébrale en exploitant un système de microscopie à deux photons combiné à un colorant phosphorescent sensible à la pression d’oxygène, le PO2. La combinaison du colorant phosphorescent au système à deux photons permet une mesure de l’oxygène avec une excellente résolution spatiale et temporelle, facilitant la recherche de sur l’oxygénation des tissus, en particulier dans les situations pathologiques. À cette fin, la microscopie laser à deux photons a d'abord été associée au colorant phosphorescent, tandis que d'autres techniques d'imagerie, y compris l'imagerie optique de signaux intrinsèques (ISOI), l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie par cohérence optique ont pu fournir des informations complémentaires dans les études qui ont été faites. Nos travaux ont visé l’étude de modèles murins de la maladie d’Azheimer (AD) pour explorer les altérations de l’oxygénation cérébrale dans ces modèles. Les résultats accumulés ont fait l’objet de publications qui ont été soumises à trois revues avec comité de lecture. Dans le premier travail, nous avons cherché à examiner 1) si l'oxygénation du cerveau est compromise par l'apparition de la maladie d'Alzheimer et 2) comment l'exercice physique volontaire module l'influence de la maladie d'Alzheimer sur l'oxygénation du cerveau. Bien que les contributions vasculaires à la démence et à la maladie d’Alzheimer soient de plus en plus reconnues, la perturbation potentielle de l'oxygénation du cerveau associée à la maladie et le fait que les stratégies de prévention visant à maintenir l'oxygénation des tissus soient bénéfiques ont des causes qui restent largement inconnues. Nos résultats montrent que la pression partielle d’oxygène du tissu cérébral (PO2) a diminué avec l'apparition de la maladie d'Alzheimer. Cette réduction de la PO2 était associée à la présence de petites zones spatiales presque hypoxiques, à une fraction accrue d'extraction d'oxygène et à une réduction du débit sanguin, observations qui ont toutes été annulées par l'exercice. L'Alzheimer et l'âge ont également accru l'hétérogénéité spatiale de l'oxygénation du tissu cérébral, qui fut par ailleurs normalisée par l'exercice. Une coloration ex vivo du tissu cérébral a également montré moins de dépôts d'amyloïde-β (Aβ) dans le groupe d'exercice. Enfin, nous avons observé des corrélations entre la distance de course volontaire et l'oxygénation des tissus cérébraux / le flux sanguin, suggérant une relation dose-réponse de l'exercice sur le cerveau. Le deuxième article avait pour objectif de caractériser, dans une seconde cohorte de souris, les modifications de l'hémodynamique capillaire avec l’Alzheimer et le rôle modulateur de l’exercice, étant donné le rôle fondamental des capillaires dans le transport de l'oxygène vers les tissus et les bénéfices proposés de l’exercices pour la maladie d’Alzheimer. Nous avons constaté des altérations hémodynamiques et une densité vasculaire plus faible chez la souris Alzheimer, inversées par l'exercice. Nous avons en outre observé que les propriétés des capillaires étaient dépendantes de l'ordre des branches et que la stimulation évoquait des changements atténués par l’Alzheimer mais augmentés par l'exercice. Notre étude fournit de nouvelles informations sur les perturbations de la microcirculation cérébrale avec la maladie et sur le rôle modulateur de l'exercice volontaire sur ces altérations. Le dernier article avait pour objectif d’explorer les modifications de l’oxygénation des tissus évoquées par un stimulus dans le même modèle animal, et d’explorer plus avant les facteurs modulateurs, notamment l’exercice et l’hypertension, responsables de ces modifications. La microscopie à deux photons in vivo a été utilisée pour étudier les modifications locales de l'oxygénation du tissu cérébral avec la maladie et sa modulation par l'exercice et l'hypertension chez la souris transgénique suivant une stimulation des moustaches. Nous avons observé une décroissance plus rapide de la PO2 tissulaire entourant les artérioles et une plus grande hétérogénéité de la PO2 dans le groupe de pathologies doubles (AD et hypertension). Nos résultats ont également montré une valeur de base inférieure de la PO2 dans le groupe AD, exacerbée par l'hypertension artérielle alors qu'elle était inversée par l’exercice. Globalement, ces études suggèrent que l’oxygénation cérébrale compromise est un indicateur de l’apparition de l’Alzheimer, avec l’apparition de mécanismes délétères potentiels associés à l’hypoxie. L'exercice volontaire a amélioré le processus d'oxygénation neurovasculaire, offrant potentiellement un moyen de retarder ces changements dans la maladie, alors que des maladies vasculaires telles que l'hypertension pourraient exacerber la perturbation de l'oxygénation. ----------ABSTRACT This thesis aims to explore the cerebral oxygenation by eploiting two photon microscopywith a phosphorescence PO2 sensitive dye. Combining the phosphorescence dye to the two-photon system enables better spatial and temporal resolution compared to other oxygen measurement methods (e.g., mass spectroscopy and polarography), facilitating the investigation of oxygenation in tissues especially in pathological situations. Toward this end, two-photon laser microscopy was combined with the phosphorescence dye first, while other imaging techniques, including intrinsic signal optical imaging (ISOI), magnetic resonance imaging (MRI), and optical coherence tomography (OCT) were also used to provide complementary information (e.g., changes of oxygenated hemoglobin, blood perfusion, and blood flow). All imaging methods were used to investigate a mouse model of Azheimer’s disease (AD) to explore the oxygenation alterations in the brain. Results from these studies have been submitted to three peer-reviewed journals. In the first endeavor, we aimed to examine 1) whether brain oxygenation is compromised by the onset of AD and 2) how voluntary exercise modulates the influence of AD on brain oxygenation. While vascular contributions to dementia and AD are increasingly recognized, the potential brain oxygenation disruption associated with AD and whether preventive strategies to maintain tissue oxygenation are beneficial remain largely unknown. Our results show that cerebral tissue oxygen partial pressure (PO2) decreased with the onset of AD. Reduced PO2 was associated with the presence of small near-hypoxic areas, an increased oxygen extraction fraction, and reduced blood flow. The observations were all reverted by exercise. AD and age also increased the spatial heterogeneity of brain tissue oxygenation, which was homogenized by exercise. Immunohistological staining also showed fewer amyloid-β (Aβ) deposits in the exercise group. Finally, we observed correlations between voluntary running distance and cerebral tissue oxygenation/blood flow, suggesting a dose-response relationship of exercise on the brain. The second article aimed to characterize the changes in capillary hemodynamics with AD and the modulating role of exercise, given the fundamental role of capillaries in the oxygen transport to tissue and the propoosed benefits of exercise to AD. We found hemodynamic alterations and lower vascular density with AD, reversed by exercise. We further observed that capillary properties were branch order dependent and that stimulation evoked changes were attenuated with AD but increased by exercise. Our study provides novel insights into cerebral microcirculatory disturbances with AD and the modulating role of voluntary exercise on these alterations. The last paper aimed to explore the stimulus-evoked tissue oxygenation changes in the model of AD and further explore modulating factors, including exercise and hypertension, for these changes. In vivo two-photon phosphorescence lifetime microscopy was used to investigate local changes of brain tissue oxygenation with AD and its modulation by exercise and hypertension in the transgenic AD mice under whisker stimulation. We observed faster decay of tissue PO2 surrounding arterioles and more PO2 heterogeneity in the group of dual pathology (both AD and hypertension). Our results also showed lower baseline tissue PO2 value in the AD group, exacerbated by hypertension but reversed by exercise. Overall, this these studies suggest that compromised brain oxygenation is an indicator of the onset of AD, with the emergence of potential deleterious mechanisms associated with hypoxia. Voluntary exercise enhanced the neurovascular oxygenation process, potentially offering a means to delay these changes in AD, whereas vascular disease such as hypertension could exacerbate the oxygenation disruption in AD