Méthodologie et application de l'imagerie de la perfusion cérébrale et de la vasoréactivité par IRM

Le travail méthodologique mis en place durant cette thèse a consisté en l'optimisation des acquisitions et des traitements de données pour l'imagerie quantitative de la perfusion cérébrale et de la vasoréactivité en ASL. Dans un premier temps, une méthode originale pour mesurer la largeur du bolus des spins marqués appelée BoTuS (Bolus Turbo Sampling) a été mise en place et validée afin d'améliorer la quantification de la perfusion cérébrale basale en ASL. Les acquisitions en ASL pulsé ont été comparé aux mesures de perfusion en premier passage gadolinium et en premier passage de produit de contraste iodé en scanner X sur des patients atteints de tumeurs cérébrales. Dans un second temps, afin d'améliorer la qualité des cartes de vasoréactivité en ASL, des analyses des variations physiologiques des sujets ont été implémenté afin d'être utilisé comme modèle dans l'analyse statistique des données. Enfin, ces méthodes optimisées au niveau de l'acquisition et de la chaîne traitement ont été appliquées sur des populations de sujets sains et de patients afin de les valider. Les applications cliniques ont été menées sur des patients porteurs de la maladie d'Alzheimer où l'on a montré une baisse de la vasoréactivité par rapport aux témoins âgés. La perfusion cérébrale et la vasoréactivité de sujets atteints de sténoses a été étudié. Enfin, une étude avant et après acclimatation à l'altitude a montré qu'un séjour de 7 jours à 4365 m augmente le débit sanguin cérébral et diminue la vasoréactivité cérébrale.The methodological aspects implemented during this Ph.D. thesis consisted of the optimization of the acquisitions and data processing of ASL imaging for quantitative assessment of cerebral perfusion and vasoreactivity. First of all, an original technique called BoTuS (Bolus Turbo Sampling) was implemented and validated,with the aim to render the quantification of the pulsed ASL signal more robust. Cerebral blood flow measurements obtained using pulsed ASL were compared to gold standard techniques such as the first passage of gadolinium MRI and CT-scan perfusion in a population of patients with treated brain tumors. Secondly, a new processing technique was tested, taking into account the physiological state of the subject during the exam to model the ASL signal during the vasoreactivity paradigm, and thus to provide more reliable maps at the subject level. Finally, these methods were applied in various studies on healthy subjects and patients. A decrease in vasoreactivity was found in Alzheimer disease patients compared to elderly subjects. Studies on patients with severe stenosis were conducted to test our methods at the subject level. An increase in CBF and a decrease in vasoreactivity in subjects exposed to high altitude at 4365 m during 7 days was demonstrated and correlated to transcranial Doppler results.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Ultrathin, flexible and MRI-compatible microelectrode array for chronic single units recording within subcortical layers

Current techniques of neuroimaging, including electrical devices, are either of low spatiotemporal resolution or invasive, impeding multiscale monitoring of brain activity at both single cell and network levels. Overcoming this issue is of great importance to assess brain's computational ability and for neurorehabilitation projects that require real-time monitoring of neurons and concomitant networks activities. Currently, that information could be extracted from functional MRI when combined with mathematical models. Novel methods enabling quantitative and long-lasting recording at both single cell and network levels will allow to correlate the MRI data with intracortical activity at single cell level, and to refine those models. Here, we report the fabrication and validation of ultra-thin, optically transparent and flexible intracortical microelectrode arrays for combining extracellular multi-unit and fMRI recordings. The sensing devices are compatible with large-scale manufacturing, and demonstrate both fMRI transparency at 4.7 T, and high electrical performance, and thus appears as a promising candidate for simultaneous multiscale neurodynamic measurements

Optimizing signal patterns for MR vascular fingerprinting

International audienceMR vascular fingerprinting proposes to map vascular properties such as blood volume fraction, average vessel radius or blood oxygenation saturation (SO). The fingerprint pattern used in previous studies provides low sensitivity on SO. We optimised signal patterns built from pre and post USPIO acquisitions. Concatenation of different echoes associated with higher dimensional dictionaries led to better estimates in both healthy and tumoral tissues

Délinéation des aires visuelles rétinotopiques chez l'homme par IRM fonctionnelle

Research on human vision greatly benefits from the possibility fMRI offers to delineate functional visual areas. This delineation is based on fMRI retinotopic mapping, a method that constitutes in itself a powerful tool for investigations on the healthy and pathologic visual system. In the work presented, delineation of visual areas provided the framework for the implementation and development of a variety of methods, for the visual stimulation, data acquisition and processing of structural and functional data. This document contains eight chapters. The three initial chapters contain basic notions of the neurology of vision, a presentation of MRI and fMRI acquisition procedures, as well as a formal analysis of the problem of delineation of visual areas using fMRI and a description of the state of the art. The fourth chapter presents the experimental protocols, in particular a discussion of the stimulus parameters, an optimization of the protocol for the acquisition of structural data, and a comparison of the EPI and 3D PRESTO sequences for functional data acquisition. The fifth chapter details the processing of structural data, including segmentation, construction of a model of the cortical surface, and flattening of the model. The sixth and last methodological chapter describes the processing of functional data. It contains a detailed description and discussion of the 3D processing of the data, of the assignment of data to the cortical surface model, and of the delineation of visual areas. The seventh chapter presents a reproducibility study of the methods used and describes their application to the localization of the cortical regions that respond preferentially to colored stimuli. The last chapter contains a general discussion of the methods and a presentation of possible ways to further improve them.Pour l'étude de la vision chez l'homme, une carte maîtresse de l'IRMf réside dans la possibilité qu'elle offre de délinéer les aires fonctionnelles visuelles chez l'homme. Cette délinéation est réalisée à l'aide d'une cartographie rétinotopique qui constitue en soi une méthode formidable pour l'étude du système visuel sain et pathologique. Le travail présentée ici porte sur la mise en place de l'ensemble des méthodes permettant une délinéation des aires visuelles par cartographie rétinotopique ainsi que sur l'optimisation de certaines d'entre elles. Ce document est organisé en huit chapitres. Les trois premiers regroupent les bases neurologiques de la vision, les bases de l'IRM fonctionnelle, et une analyse formelle du problème de la délinéation des aires visuelles par IRMf ainsi qu'un état de l'art. Le quatrième chapitre présente le protocole expérimental, comportant notamment une discussion des paramètres des stimuli, une étude portant sur l'optimisation du protocole d'acquisition de données anatomiques, et une comparaison entre les séquences PRESTO 3D et EPI pour l'acquisition de données fonctionnelles. Le cinquième chapitre présente le traitement de données anatomiques, qui aboutit par un modèle plane du cortex cérébral. En fin, le sixième chapitre décrit la chaîne de traitement de données fonctionnelles. Il comporte une description et discussion détaillée du traitement tridimensionnel des données, de l'attribution de ces données au modèle de la surface corticale, et de la délinéation des aires visuelles. Le septième chapitre présente une étude concernant la reproductibilité de la méthode décrite et une application de celle-ci à la localisation des régions corticales sensible à la couleur. Le dernier chapitre comporte une discussion générale des méthodes décrites et une présentation des perspectives méthodologiques

Délinéation des aires visuelles rétinotopiques chez l'homme par IRM fonctionnelle

GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la vasoréacivité cérébrale

En neurosciences et en médecine, l'imagerie fonctionnelle de la perfusion cérébrale permet de caractériser les variations régionales du couplage neurovasculaire et de la vasoréactivité aux gaz circulants. Grâce à l'IRM par marquage des spins artériels (ASL), il est possible de mesurer la perfusion de façon quantitative, dynamique et reproductible sans injection de produit de contraste. Ce travail méthodologique a consisté à mettre en place et optimiser une séquence IRM de quantification de la perfusion par ASL pour étudier la vasoréactivité cérébrale. Pour disposer d'une mesure quantitative avec une sensibilité maximale, des simulations numériques et des expériences sur sujets sains ont permis d'optimiser : l'amplitude des impulsions RF, en prenant en compte l'hétérogénéité du champ B1 ; les délais des impulsions d'inversion pour supprimer le signal statique ; la position de la zone de marquage par rapport au champ de transmission du résonateur RF ; l'espacement minimal entre la zone de marquage et la région d'intérêt ; la durée de bolus et le temps d'attente avant l'acquisition. Une méthode originale de caractérisation rapide du bolus de sang marqué en début de chaque expérience a été développée pour permettre un paramétrage optimal de la séquence pour chaque sujet. Ces méthodes ont été utilisées pour caractériser les effets de l'inhalation de mélanges d'oxygène et de carbogène à teneur variable en CO2 sur la perfusion cérébrale chez des sujets sains. En parallèle, les mêmes méthodes de perfusion sont utilisées dans une étude qui vise à caractériser la vasoréactivité cérébrale dans la maladie d'Alzheimer.In neurosciences and medicine, functional imaging of brain perfusion is a mean to characterize regional variations of neuro-vascular coupling and alterations of the vasoreactivity to circulating gases in patients. Arterial Spin Labeling (ASL) is an MRI method which provides a quantitative and reproductible measure of brain perfusion and its dynamical changes, without the need for injection of contrast agents. This thesis presents the implementation of an MRI sequence for the quantification of cerebral blood flow by ASL and its optimization for the study of cerebral vasoreactivity. To obtain a quantitative measure with maximal sensitivity, numerical simulations and experiments on healthy subjects have allowed to optimize: the amplitude of RF pulses, the inversion pulse delays to suppress static signal, the limits of the position of the tagging band with respect to the RF resonator, the minimal allowable gap between tagging band and region of interest, the bolus duration and delay time before acquisition. An original method to rapidly caracterize the bolus of labeled blood in each session has been developed to provide an optimal parametrization of the sequence for each subject. These methods have been used to characterize the effects of inhalation of oxygen and carbogen mixtures with varying CO2 concentrations on perfusion in healthy subjects. In parallel, the same perfusion methods are used in a study to characterize cerebral vasoreactivity in Alzheimer's Disease patients.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

The effect of global cerebral vasodilation on focal activation hemodynamics.

International audienceIn view of the potential of global resting blood flow level to confound the interpretation of blood oxygenation level-dependent (BOLD) fMRI studies, we investigated the effect of pronounced elevation in baseline cerebral blood flow (CBF) on BOLD and CBF responses to functional activation. Twelve healthy volunteers performed bilateral finger apposition while attending to a radial yellow/blue checkerboard. Three levels of global CBF increase were achieved by inhaling 5, 7.5 or 10% CO2. CBF and BOLD signals were simultaneously quantified using interleaved multi-slice pulsed arterial spin labeling (PASL) and T2*-weighted gradient echo sequences. Increasing basal CBF produced a significant decrease in the activation-induced BOLD response, with the slope of the optimal linear fit of activation versus basal BOLD signal changes of -0.32 +/- 0.01%/% for motor and visual cortex regions of interest (ROIs). While the modulation in basal flow level also produced a statistically significant effect on the activation-induced CBF change, the degree of relative attenuation of the flow response was slight, with a slope of -0.18 +/- 0.02%/% in the motor and -0.13 +/- 0.01%/% in the visual cortex ROI. The current findings describe a strong attenuation of the BOLD response at significantly elevated basal flow levels and call for independent quantification of resting CBF in BOLD fMRI studies that involve subjects and/or conditions with markedly elevated global perfusion

Preclinical Spinal Cord Perfusion Imaging with Pseudo-Continuous Arterial Spin Labeling

International audiencePseudo-continuous arterial spin labeling (pCASL) to monitor spinal cord perfusion and hemodynamics has the potential to inform the clinical care of spinal cord injury and other disorders. This work demonstrates successful implementation and application of pCASL of the rodent cervical spinal cord at high field