Machine learning for geospatial data : algorithms, software tools and case studies

Résumé Cette thèse est consacrée à l'analyse, la modélisation et la visualisation de données environnementales à référence spatiale à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique (Machine Learning). L'apprentissage automatique peut être considéré au sens large comme une sous-catégorie de l'intelligence artificielle qui concerne particulièrement le développement de techniques et d'algorithmes permettant à une machine d'apprendre à partir de données. Dans cette thèse, les algorithmes d'apprentissage automatique sont adaptés pour être appliqués à des données environnementales et à la prédiction spatiale. Pourquoi l'apprentissage automatique ? Parce que la majorité des algorithmes d'apprentissage automatiques sont universels, adaptatifs, non-linéaires, robustes et efficaces pour la modélisation. Ils peuvent résoudre des problèmes de classification, de régression et de modélisation de densité de probabilités dans des espaces à haute dimension, composés de variables informatives spatialisées (« géo-features ») en plus des coordonnées géographiques. De plus, ils sont idéaux pour être implémentés en tant qu'outils d'aide à la décision pour des questions environnementales allant de la reconnaissance de pattern à la modélisation et la prédiction en passant par la cartographie automatique. Leur efficacité est comparable au modèles géostatistiques dans l'espace des coordonnées géographiques, mais ils sont indispensables pour des données à hautes dimensions incluant des géo-features. Les algorithmes d'apprentissage automatique les plus importants et les plus populaires sont présentés théoriquement et implémentés sous forme de logiciels pour les sciences environnementales. Les principaux algorithmes décrits sont le Perceptron multicouches (MultiLayer Perceptron, MLP) - l'algorithme le plus connu dans l'intelligence artificielle, le réseau de neurones de régression généralisée (General Regression Neural Networks, GRNN), le réseau de neurones probabiliste (Probabilistic Neural Networks, PNN), les cartes auto-organisées (SelfOrganized Maps, SOM), les modèles à mixture Gaussiennes (Gaussian Mixture Models, GMM), les réseaux à fonctions de base radiales (Radial Basis Functions Networks, RBF) et les réseaux à mixture de densité (Mixture Density Networks, MDN). Cette gamme d'algorithmes permet de couvrir des tâches variées telle que la classification, la régression ou l'estimation de densité de probabilité. L'analyse exploratoire des données (Exploratory Data Analysis, EDA) est le premier pas de toute analyse de données. Dans cette thèse les concepts d'analyse exploratoire de données spatiales (Exploratory Spatial Data Analysis, ESDA) sont traités selon l'approche traditionnelle de la géostatistique avec la variographie expérimentale et selon les principes de l'apprentissage automatique. La variographie expérimentale, qui étudie les relations entre pairs de points, est un outil de base pour l'analyse géostatistique de corrélations spatiales anisotropiques qui permet de détecter la présence de patterns spatiaux descriptible par une statistique. L'approche de l'apprentissage automatique pour l'ESDA est présentée à travers l'application de la méthode des k plus proches voisins qui est très simple et possède d'excellentes qualités d'interprétation et de visualisation. Une part importante de la thèse traite de sujets d'actualité comme la cartographie automatique de données spatiales. Le réseau de neurones de régression généralisée est proposé pour résoudre cette tâche efficacement. Les performances du GRNN sont démontrées par des données de Comparaison d'Interpolation Spatiale (SIC) de 2004 pour lesquelles le GRNN bat significativement toutes les autres méthodes, particulièrement lors de situations d'urgence. La thèse est composée de quatre chapitres : théorie, applications, outils logiciels et des exemples guidés. Une partie importante du travail consiste en une collection de logiciels : Machine Learning Office. Cette collection de logiciels a été développée durant les 15 dernières années et a été utilisée pour l'enseignement de nombreux cours, dont des workshops internationaux en Chine, France, Italie, Irlande et Suisse ainsi que dans des projets de recherche fondamentaux et appliqués. Les cas d'études considérés couvrent un vaste spectre de problèmes géoenvironnementaux réels à basse et haute dimensionnalité, tels que la pollution de l'air, du sol et de l'eau par des produits radioactifs et des métaux lourds, la classification de types de sols et d'unités hydrogéologiques, la cartographie des incertitudes pour l'aide à la décision et l'estimation de risques naturels (glissements de terrain, avalanches). Des outils complémentaires pour l'analyse exploratoire des données et la visualisation ont également été développés en prenant soin de créer une interface conviviale et facile à l'utilisation. Machine Learning for geospatial data: algorithms, software tools and case studies Abstract The thesis is devoted to the analysis, modeling and visualisation of spatial environmental data using machine learning algorithms. In a broad sense machine learning can be considered as a subfield of artificial intelligence. It mainly concerns with the development of techniques and algorithms that allow computers to learn from data. In this thesis machine learning algorithms are adapted to learn from spatial environmental data and to make spatial predictions. Why machine learning? In few words most of machine learning algorithms are universal, adaptive, nonlinear, robust and efficient modeling tools. They can find solutions for the classification, regression, and probability density modeling problems in high-dimensional geo-feature spaces, composed of geographical space and additional relevant spatially referenced features. They are well-suited to be implemented as predictive engines in decision support systems, for the purposes of environmental data mining including pattern recognition, modeling and predictions as well as automatic data mapping. They have competitive efficiency to the geostatistical models in low dimensional geographical spaces but are indispensable in high-dimensional geo-feature spaces. The most important and popular machine learning algorithms and models interesting for geo- and environmental sciences are presented in details: from theoretical description of the concepts to the software implementation. The main algorithms and models considered are the following: multi-layer perceptron (a workhorse of machine learning), general regression neural networks, probabilistic neural networks, self-organising (Kohonen) maps, Gaussian mixture models, radial basis functions networks, mixture density networks. This set of models covers machine learning tasks such as classification, regression, and density estimation. Exploratory data analysis (EDA) is initial and very important part of data analysis. In this thesis the concepts of exploratory spatial data analysis (ESDA) is considered using both traditional geostatistical approach such as_experimental variography and machine learning. Experimental variography is a basic tool for geostatistical analysis of anisotropic spatial correlations which helps to understand the presence of spatial patterns, at least described by two-point statistics. A machine learning approach for ESDA is presented by applying the k-nearest neighbors (k-NN) method which is simple and has very good interpretation and visualization properties. Important part of the thesis deals with a hot topic of nowadays, namely, an automatic mapping of geospatial data. General regression neural networks (GRNN) is proposed as efficient model to solve this task. Performance of the GRNN model is demonstrated on Spatial Interpolation Comparison (SIC) 2004 data where GRNN model significantly outperformed all other approaches, especially in case of emergency conditions. The thesis consists of four chapters and has the following structure: theory, applications, software tools, and how-to-do-it examples. An important part of the work is a collection of software tools - Machine Learning Office. Machine Learning Office tools were developed during last 15 years and was used both for many teaching courses, including international workshops in China, France, Italy, Ireland, Switzerland and for realizing fundamental and applied research projects. Case studies considered cover wide spectrum of the real-life low and high-dimensional geo- and environmental problems, such as air, soil and water pollution by radionuclides and heavy metals, soil types and hydro-geological units classification, decision-oriented mapping with uncertainties, natural hazards (landslides, avalanches) assessments and susceptibility mapping. Complementary tools useful for the exploratory data analysis and visualisation were developed as well. The software is user friendly and easy to use.

Local re-inversion coronary MR angiography: arterial spin-labeling without the need for subtraction.

PURPOSE: To implement a double-inversion bright-blood coronary MR angiography sequence using a cylindrical re-inversion prepulse for selective visualization of the coronary arteries. MATERIALS AND METHODS: Local re-inversion bright-blood magnetization preparation was implemented using a nonselective inversion followed by a cylindrical aortic re-inversion prepulse. After an inversion delay that allows for in-flow of the labeled blood-pool into the coronary arteries, three-dimensional radial steady-state free-precession (SSFP) imaging (repetition/echo time, 7.2/3.6 ms; flip angle, 120 degrees, 16 profiles per RR interval; field of view, 360 mm; matrix, 512, twelve 3-mm slices) is performed. Coronary MR angiography was performed in three healthy volunteers and in one patient on a commercial 1.5 Tesla whole-body MR System. RESULTS: In all subjects, coronary arteries were selectively visualized with positive contrast. In addition, a middle-grade stenosis of the proximal right coronary artery was seen in one patient. CONCLUSION: A novel T1 contrast-enhancement strategy is presented for selective visualization of the coronary arteries without extrinsic contrast medium application. In comparison to former arterial spin-labeling schemes, the proposed magnetization preparation obviates the need for a second data set and subtraction.

Comment parler du divin ? langage mythique et conception des dieux chez Dion de Pruse

Le sophiste Dion de Pruse s'est interrogé sur l'expression du divin dans quatre discours datés entre la seconde moitié du Ier et le début du IIe siècle après J.-C. (Or. XI, XII, XXX et XXXVI). Sa réflexion fait d'abord apparaître un problème de langage : il s'agit de recourir aux symboles qui conviennent le mieux au divin et qui offrent le meilleur medium de communication. Dion cherche, d'une part, à renouveler le langage mythique issu des poèmes d'Homère et d'Hésiode, car celui-ci répand des représentations immorales qui ne correspondent plus à la sensibilité religieuse du Haut Empire et qui sont incompatibles avec l'ordre civique et avec l'image du pouvoir. Il ne souhaite pas, d'autre part, rompre avec les cadres de la piété traditionnelle, et en cela il se présente bien comme un représentant de la Seconde Sophistique impliqué dans le culte traditionnel des dieux et cherchant à diffuser une religion philosophique

Inhibition of Notch Pathway Enhances Photoreceptor Commitment From Cultured Retinal Stem Cells

Purpose: Consequently to the principle that photoreceptors have to be at a very precise development stage to be successfully transplanted (MacLaren 2006), we are trying to mimic this development stage in vitro using retinal stem cells. The latter one isolated from the newborn mouse retina, derived from the radial glia population, which were previously isolated and characterized in our laboratory. We developed a protocol to commit these cells to the photoreceptor fate, but even if the percentage of cells expressing photoreceptor markers is high (30%), the differentiation process is incomplete so far (Merhi-Soussi 2006). Methods: In order to ameliorate photoreceptor differentiation, we hypothesized that the Notch pathway may interfere with this process by either promoting glia commitment, or maintaining an undifferentiated state. We are thus using a gamma-secretase inhibitor (DAPT), which inhibits Notch receptor cleavage and thus Notch activation. DAPT was used either during the whole differentiation stimulation, or only during a restricted period in two various retinal stem cell lines (RSC AA and RSC MP1). Results: RT-PCR performed during cell proliferation, showed the same positive expression in both cell lines for the following genes: Math3, Six3, Hes1, NeuroD, Pax6 and Notch1. Additionally, Mash1, Hes5, Prox1, Crx and Otx2 were detected in both cell lines but with a stronger expression in RSC MP1. Opposite results were obtained for Chx10. Nrl, Peripherin/RDS, GFAP and Math5 were detected neither in RSC AA, nor in RSC MP1. The constant presence of DAPT i) leads to a 233% (RSC AA) or 900% (RSC MP1) increase in peripherin/RDS-positive (photoreceptor marker) cells, compared to controls (no DAPT, n=3, P<0.02) along with a 68% (RSC AA) or 80% (RSC MP1) decrease in GFAP- positive cells (n=3, P<0.04), ii) modifies the ratio between uni-/bi- (23%) and multi- (77%) polar peripherin/RDS-positive cells to 45% and 55%, respectively, for both cell lines and iii) reduces by 50% the total cell number during the whole differentiation process for both cell lines. Conclusions: We are now exploring whether this reduction in total cell number is due to inhibition of cell proliferation or to cell death and whether photoreceptor differentiation is promoted instead of glial induction. We also want to confirm the results obtained with DAPT with RSCs isolated from Notch1-loxP mice. Such protocol may help to better mimic photoreceptor development, but this needs to be confirmed by genomic and proteomic profile analyses.

Feasibility of direct mapping of cerebral fluorodeoxy-D-glucose metabolism in situ at subcellular resolution using soft X-ray fluorescence.

Glucose metabolism is difficult to image with cellular resolution in mammalian brain tissue, particularly with (18) fluorodeoxy-D-glucose (FDG) positron emission tomography (PET). To this end, we explored the potential of synchrotron-based low-energy X-ray fluorescence (LEXRF) to image the stable isotope of fluorine (F) in phosphorylated FDG (DG-6P) at 1 μm(2) spatial resolution in 3-μm-thick brain slices. The excitation-dependent fluorescence F signal at 676 eV varied linearly with FDG concentration between 0.5 and 10 mM, whereas the endogenous background F signal was undetectable in brain. To validate LEXRF mapping of fluorine, FDG was administered in vitro and in vivo, and the fluorine LEXRF signal from intracellular trapped FDG-6P over selected brain areas rich in radial glia was spectrally quantitated at 1 μm(2) resolution. The subsequent generation of spatial LEXRF maps of F reproduced the expected localization and gradients of glucose metabolism in retinal Müller glia. In addition, FDG uptake was localized to periventricular hypothalamic tanycytes, whose morphological features were imaged simultaneously by X-ray absorption. We conclude that the high specificity of photon emission from F and its spatial mapping at ≤1 μm resolution demonstrates the ability to identify glucose uptake at subcellular resolution and holds remarkable potential for imaging glucose metabolism in biological tissue. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Small but thick enough-the Arabidopsis hypocotyl as a model to study secondary growth.

The continuous production of vascular tissues through secondary growth results in radial thickening of plant organs and is pivotal for various aspects of plant growth and physiology, such as water transport capacity or resistance to mechanical stress. It is driven by the vascular cambium, which produces inward secondary xylem and outward secondary phloem. In the herbaceous plant Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), secondary growth occurs in stems, in roots and in the hypocotyl. In the latter, radial growth is most prominent and not obscured by parallel ongoing elongation growth. Moreover, its progression is reminiscent of the secondary growth mode of tree trunks. Thus, the Arabidopsis hypocotyl is a very good model to study basic molecular mechanisms of secondary growth. Genetic approaches have succeeded in the identification of various factors, including peptides, receptors, transcription factors and hormones, which appear to participate in a complex network that controls radial growth. Many of these players are conserved between herbaceous and woody plants. In this review, we will focus on what is known about molecular mechanisms and regulators of vascular secondary growth in the Arabidopsis hypocotyl.

3D culture of postnatal retinal stem cells using self assembling polymers

PURPOSE We have previously shown that retinal stem cells (RSCs) can be isolated from the radial glia population of the newborn mouse retina (Angénieux et al., 2006). These RSCs have a great capacity to renew and to generate a large number of neurons including cells differentiated towards the photoreceptor lineage (Mehri-Soussi et al., 2006). However, recent published results from our lab revealed that such cells have a poor integration and survival rate after grafting. The uncontrolled environment of a retina seems to prevent good integration and survival after grafting in vivo. To bypass this problem, we are evaluating the possibility of generating in vitro a hemi-retinal tissue before transplantation. METHODS RSC were expanded and cells passaged <10 were seeded in a solution containing poly-ethylene-glycol (PEG) polymer based hydrogels crosslinked with peptides that are chosen to be substrates for matrix metalloproteinases. Various doses of cross linkers peptides allowing connections between PEG polymers were tested. Different growth factors were studied to stimulate cell proliferation and differentiation. RESULTS Cells survived only in the presence of EGF and FGF-2 and generated colonies with a sphere shape. No cells migrated within the gel. To improve the migration and the repartition of the cells in the gels, the integrin ligand RGDSP was added into the gel. In the presence of FGF-2 and EGF, newly formed cell clusters appeared by cell proliferation within several days, but again no outspreading of cells was observed. No difference was even seen when the stiffness of the hydrogels or the concentration of the integrin ligand RGDSP were changed. However, our preliminary results show that RSCs still form spheres when laminin is entrapped in the gel, but they started to spread out having a neuronal morphology after around 2 weeks. The neuronal population was assessed by the presence of the neuronal marker b-tubulin-III. This differentiation was achieved after successive steps of stimulations including FGF-2 and EGF, and then only FGF-2. Glial cells were also present. Further characterizations are under process. CONCLUSIONS RSC can be grown in 3D. Preliminary results show that neuronal cell phenotype acquisition can be instructed by exogenous stimulations and factors linked to the gel. Further developments are necessary to form a homogenous tissue containing retinal cells.

Metabolic activation pattern of distinct hippocampal subregions during spatial learning and memory retrieval.

Activation dynamics of hippocampal subregions during spatial learning and their interplay with neocortical regions is an important dimension in the understanding of hippocampal function. Using the (14C)-2-deoxyglucose autoradiographic method, we have characterized the metabolic changes occurring in hippocampal subregions in mice while learning an eight-arm radial maze task. Autoradiogram densitometry revealed a heterogeneous and evolving pattern of enhanced metabolic activity throughout the hippocampus during the training period and on recall. In the early stages of training, activity was enhanced in the CA1 area from the intermediate portion to the posterior end as well as in the CA3 area within the intermediate portion of the hippocampus. At later stages, CA1 and CA3 activations spread over the entire longitudinal axis, while dentate gyrus (DG) activation occurred from the anterior to the intermediate zone. Activation of the retrosplenial cortex but not the amygdala was also observed during the learning process. On recall, only DG activation was observed in the same anterior part of the hippocampus. These results suggest the existence of a functional segmentation of the hippocampus, each subregion being dynamically but also differentially recruited along the acquisition, consolidation, and retrieval process in parallel with some neocortical sites.

Multi-scale systems analysis of plant development : beyond cellular signaling and tissue morphodynamics

Les plantes sont essentielles pour les sociétés humaines. Notre alimentation quotidienne, les matériaux de constructions et les sources énergétiques dérivent de la biomasse végétale. En revanche, la compréhension des multiples aspects développementaux des plantes est encore peu exploitée et représente un sujet de recherche majeur pour la science. L'émergence des technologies à haut débit pour le séquençage de génome à grande échelle ou l'imagerie de haute résolution permet à présent de produire des quantités énormes d'information. L'analyse informatique est une façon d'intégrer ces données et de réduire la complexité apparente vers une échelle d'abstraction appropriée, dont la finalité est de fournir des perspectives de recherches ciblées. Ceci représente la raison première de cette thèse. En d'autres termes, nous appliquons des méthodes descriptives et prédictives combinées à des simulations numériques afin d'apporter des solutions originales à des problèmes relatifs à la morphogénèse à l'échelle de la cellule et de l'organe. Nous nous sommes fixés parmi les objectifs principaux de cette thèse d'élucider de quelle manière l'interaction croisée des phytohormones auxine et brassinosteroïdes (BRs) détermine la croissance de la cellule dans la racine du méristème apical d'Arabidopsis thaliana, l'organisme modèle de référence pour les études moléculaires en plantes. Pour reconstruire le réseau de signalement cellulaire, nous avons extrait de la littérature les informations pertinentes concernant les relations entre les protéines impliquées dans la transduction des signaux hormonaux. Le réseau a ensuite été modélisé en utilisant un formalisme logique et qualitatif pour pallier l'absence de données quantitatives. Tout d'abord, Les résultats ont permis de confirmer que l'auxine et les BRs agissent en synergie pour contrôler la croissance de la cellule, puis, d'expliquer des observations phénotypiques paradoxales et au final, de mettre à jour une interaction clef entre deux protéines dans la maintenance du méristème de la racine. Une étude ultérieure chez la plante modèle Brachypodium dystachion (Brachypo- dium) a révélé l'ajustement du réseau d'interaction croisée entre auxine et éthylène par rapport à Arabidopsis. Chez ce dernier, interférer avec la biosynthèse de l'auxine mène à la formation d'une racine courte. Néanmoins, nous avons isolé chez Brachypodium un mutant hypomorphique dans la biosynthèse de l'auxine qui affiche une racine plus longue. Nous avons alors conduit une analyse morphométrique qui a confirmé que des cellules plus anisotropique (plus fines et longues) sont à l'origine de ce phénotype racinaire. Des analyses plus approfondies ont démontré que la différence phénotypique entre Brachypodium et Arabidopsis s'explique par une inversion de la fonction régulatrice dans la relation entre le réseau de signalisation par l'éthylène et la biosynthèse de l'auxine. L'analyse morphométrique utilisée dans l'étude précédente exploite le pipeline de traitement d'image de notre méthode d'histologie quantitative. Pendant la croissance secondaire, la symétrie bilatérale de l'hypocotyle est remplacée par une symétrie radiale et une organisation concentrique des tissus constitutifs. Ces tissus sont initialement composés d'une douzaine de cellules mais peuvent aisément atteindre des dizaines de milliers dans les derniers stades du développement. Cette échelle dépasse largement le seuil d'investigation par les moyens dits 'traditionnels' comme l'imagerie directe de tissus en profondeur. L'étude de ce système pendant cette phase de développement ne peut se faire qu'en réalisant des coupes fines de l'organe, ce qui empêche une compréhension des phénomènes cellulaires dynamiques sous-jacents. Nous y avons remédié en proposant une stratégie originale nommée, histologie quantitative. De fait, nous avons extrait l'information contenue dans des images de très haute résolution de sections transverses d'hypocotyles en utilisant un pipeline d'analyse et de segmentation d'image à grande échelle. Nous l'avons ensuite combiné avec un algorithme de reconnaissance automatique des cellules. Cet outil nous a permis de réaliser une description quantitative de la progression de la croissance secondaire révélant des schémas développementales non-apparents avec une inspection visuelle classique. La formation de pôle de phloèmes en structure répétée et espacée entre eux d'une longueur constante illustre les bénéfices de notre approche. Par ailleurs, l'exploitation approfondie de ces résultats a montré un changement de croissance anisotropique des cellules du cambium et du phloème qui semble en phase avec l'expansion du xylème. Combinant des outils génétiques et de la modélisation biomécanique, nous avons démontré que seule la croissance plus rapide des tissus internes peut produire une réorientation de l'axe de croissance anisotropique des tissus périphériques. Cette prédiction a été confirmée par le calcul du ratio des taux de croissance du xylème et du phloème au cours de développement secondaire ; des ratios élevés sont effectivement observés et concomitant à l'établissement progressif et tangentiel du cambium. Ces résultats suggèrent un mécanisme d'auto-organisation établi par un gradient de division méristématique qui génèrent une distribution de contraintes mécaniques. Ceci réoriente la croissance anisotropique des tissus périphériques pour supporter la croissance secondaire. - Plants are essential for human society, because our daily food, construction materials and sustainable energy are derived from plant biomass. Yet, despite this importance, the multiple developmental aspects of plants are still poorly understood and represent a major challenge for science. With the emergence of high throughput devices for genome sequencing and high-resolution imaging, data has never been so easy to collect, generating huge amounts of information. Computational analysis is one way to integrate those data and to decrease the apparent complexity towards an appropriate scale of abstraction with the aim to eventually provide new answers and direct further research perspectives. This is the motivation behind this thesis work, i.e. the application of descriptive and predictive analytics combined with computational modeling to answer problems that revolve around morphogenesis at the subcellular and organ scale. One of the goals of this thesis is to elucidate how the auxin-brassinosteroid phytohormone interaction determines the cell growth in the root apical meristem of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), the plant model of reference for molecular studies. The pertinent information about signaling protein relationships was obtained through the literature to reconstruct the entire hormonal crosstalk. Due to a lack of quantitative information, we employed a qualitative modeling formalism. This work permitted to confirm the synergistic effect of the hormonal crosstalk on cell elongation, to explain some of our paradoxical mutant phenotypes and to predict a novel interaction between the BREVIS RADIX (BRX) protein and the transcription factor MONOPTEROS (MP),which turned out to be critical for the maintenance of the root meristem. On the same subcellular scale, another study in the monocot model Brachypodium dystachion (Brachypodium) revealed an alternative wiring of auxin-ethylene crosstalk as compared to Arabidopsis. In the latter, increasing interference with auxin biosynthesis results in progressively shorter roots. By contrast, a hypomorphic Brachypodium mutant isolated in this study in an enzyme of the auxin biosynthesis pathway displayed a dramatically longer seminal root. Our morphometric analysis confirmed that more anisotropic cells (thinner and longer) are principally responsible for the mutant root phenotype. Further characterization pointed towards an inverted regulatory logic in the relation between ethylene signaling and auxin biosynthesis in Brachypodium as compared to Arabidopsis, which explains the phenotypic discrepancy. Finally, the morphometric analysis of hypocotyl secondary growth that we applied in this study was performed with the image-processing pipeline of our quantitative histology method. During its secondary growth, the hypocotyl reorganizes its primary bilateral symmetry to a radial symmetry of highly specialized tissues comprising several thousand cells, starting with a few dozens. However, such a scale only permits observations in thin cross-sections, severely hampering a comprehensive analysis of the morphodynamics involved. Our quantitative histology strategy overcomes this limitation. We acquired hypocotyl cross-sections from tiled high-resolution images and extracted their information content using custom high-throughput image processing and segmentation. Coupled with an automated cell type recognition algorithm, it allows precise quantitative characterization of vascular development and reveals developmental patterns that were not evident from visual inspection, for example the steady interspace distance of the phloem poles. Further analyses indicated a change in growth anisotropy of cambial and phloem cells, which appeared in phase with the expansion of xylem. Combining genetic tools and computational modeling, we showed that the reorientation of growth anisotropy axis of peripheral tissue layers only occurs when the growth rate of central tissue is higher than the peripheral one. This was confirmed by the calculation of the ratio of the growth rate xylem to phloem throughout secondary growth. High ratios are indeed observed and concomitant with the homogenization of cambium anisotropy. These results suggest a self-organization mechanism, promoted by a gradient of division in the cambium that generates a pattern of mechanical constraints. This, in turn, reorients the growth anisotropy of peripheral tissues to sustain the secondary growth.

Free-breathing T2 mapping at 3T for the monitoring of cardiac allograft rejection: initial results

rejection can lead to loss of function. Histological reading of endomyocardial biopsy remains the "gold standard" for guiding immunosuppression, despite its methodological limitations (sampling error and interobserver variability). The measurement of the T2 relaxation time has been suggested for detection of allograft rejection, on the pathophysiological basis that the T2 relaxation time prolongs with local edema resulting from acute allograft rejection. Using breath-held cardiac magnetic resonance T2 mapping at 1.5 T, Usman et al. (CircCardiovascImaging2012) detected moderate allograft rejection (grade 2R, ISHLT 2004). With modern immunosuppression grade 2R rejection has become a rare event, but the need remains for a technique that permits the discrimination of absent (grade 0R) and mild rejection (grade 1R). We therefore investigated whether an increase of magnetic field strength to 3T and the use of real-time navigator-gated respiration compensation allow for an increase in the sensitivity of T2 relaxation time detection that is necessary to achieve this discrimination. Methods: Eighteen patients received EMB (Tan et al., ArchPatholLabMed2007) and cardiac T2 mapping on the same day. Reading of T2 maps was blinded to the histological results. For final analysis, 3 cases with known 2R rejection at the time of T2 mapping were added, yielding 21 T2 mapping sessions. A respiration-navigator-gated radial gradient-recalled-echo pulse sequence (resolution 1.17 mm2, matrix 2562, trigger time 3 heartbeats, T2 preparation duration TET2 Prep = 60/30/0 ms) was applied to obtain 3 short-axis T2 maps (van Heeswijk et al., JACCCardiovascImaging2012), which were segmented according to AHA guidelines (Cerqueira et al, Circulation2001). The highest segmental T2 values were grouped according to histological rejection grade and differences were analyzed by Student's t-test, except for the non-blinded cases with 2R rejection. The degree of discrimination was determined using the Spearman's ranked correlation test. Results: The high-quality T2 maps allowed for visual differentiation of the rejection degrees (Figure 1), and the correlation of T2 mapping with the histological grade of acute cellular rejection was significant (Spearman's r = 0.56, p = 0.007). The 0R (n = 15) and 1R (n = 3) degrees demonstrated significantly different T2 values (46.9 ± 5.0 and 54.3 ± 3.0 ms, p = 0.02, Figure 2). Cases with 2R rejection showed clear T2 elevation (T2 = 60.3 ± 16.2 ms). Conclusions: This pilot study demonstrates that non-invasive free-breathing cardiac T2 mapping at 3T discriminates between no and mild cardiac allograft rejection. Confirmation of these encouraging results in a larger cohort should consider a study able to show equivalency or superiority of T2 mapping.

Les trajectoires migratoires: entre flux, filières et mythes : le cas des italiens du canton de Vaud

La complexité des parcours migratoires italiens, malgré la vaste littérature existante, n?a été souvent étudiée en profondeur qu'au niveau de la Confédération Helvétique ou bien dans le cadre d'un thème spécifique lié, plus en général, à la présence italienne en Suisse. En ce qui concerne le canton de Vaud, il n'existe pas, à notre connaissance, une étude scientifique spécifique sur la communauté italienne du canton. Il existe, bien sûr, des études concernant des thèmes spécifiques - nous y avons d?ailleurs contribué -, mais en réalité cette communauté reste méconnue dans son ensemble. Si des études scientifiques ou de vulgarisation ont mis en valeur certaines spécificités surtout historiques de cette communauté étrangère du canton de Vaud et de Suisse Romande, la parole n?a pas souvent été offerte à ces mêmes Italiens. C?est en partie dans le dessin de leur donner la parole, pour se raconter et pour raconter leur histoire de l?immigration italienne de l?aprèsguerre dans le canton de Vaud que ce travail a été fait. Il ne s?agit pas de l?objectif originel de cette recherche, surtout centré sur l?individuation des caractéristiques géographiques de la communauté italienne du canton de Vaud et moins axé sur les pratiques et la parole des migrants en question. Ce n?est qu?au fil des rencontres, des discussions, de résultats scientifiques qui sentaient le déjà vu, que le projet de thèse initial a évolué en allant vers les migrants, parfois « au détriment de la science pure » mais toujours en cherchant à rendre à ces Italiens leur statut d?individus à part entière. Il faut dire en outre que les études scientifiques ou les articles de vulgarisation existants n?ont pas souvent pris en considération la dimension spatiale. Cela ne concerne pas que les écrits concernant les Italiens de Suisse romande ou de la Confédération helvétique mais, plus généralement, l'ensemble des pays où la présence d?une population d'origine italienne constitue une part considérable de la présence étrangère ou d'origine étrangère. Ce qui laisse des creux assez importants dans les connaissances - par les acteurs bien sûr - non seulement des parcours migratoires mais aussi dans l?analyse des diverses spatialités qui, sommées, superposées, entrecroisées, juxtaposées, constituent l?une des composantes majeures de tout mouvement migratoire. Le parcours de recherche et quelques résultats Partis de schémas et de connaissances scientifiques « certaines » sur les phénomènes migratoires, nous avons dû nous obliger à revoir nos certitudes et à nous former tout en poursuivant notre chemin de recherche. Les connaissances et les compétences acquises « en route » nous ont bien confirmé que, pour chercher à pénétrer dans l?écheveau des parcours migratoires, il nous fallait abandonner l?idée de pouvoir les mesurer. Si quelques velléités quantitatives nous animaient encore, les acteurs de terrain nous ont bien aidé à les dépasser, à ne pas nous conformer au dictat de vouloir à tout prix mesurer un phénomène aussi opaque que les trajectoires migratoires. Par les reconstructions et les constructions en acte de ces mêmes trajectoires, nos témoins nous ont non seulement informés mais aussi formés à la découverte et à la reconstruction « bribe par bribe » - selon l?expression de Xavier Piolle » (Piolle, 1990, p. 149) - ce cette matière dense que sont les parcours migratoires des Italiens du canton de Vaud et cherchant à définir une grille de lecture de cet objet d?étude opaque et sinueux. Au fur et à mesure que cette grille se construisait, il nous paraissait de plus en plus clair que les Italiens mobilisés dans la recherche étaient en train de nous informer sur l?existence d?un mode de vie centré sur plusieurs références spatiales, sociales et culturelles qui ne pouvait en aucune manière s?apparenter aux modèles de sédentarité et de mobilité « reconnus » par les académiciens et les gens communs. Ce mode de vie centré sur des ancrages, réels ou bien cristallisés dans la mémoire et régulièrement « re-vivifiés », est axé sur une mobilité et un mouvement qui prennent leur source dans des racines « ancestrales » ou actuelles. Dans ce nouveau mode de vie, que devient l?espace ? Il se fait un réseau fondé sur des références spatiales concrètes et quotidiennes et sur des références symboliques qui, malgré les obligations du quotidien et de la vie réelle, ne s?effacent jamais. L?ensemble de ces références sont constitutives de l?espace du migrant et de son mode de vie entre sédentarité et mobilité - anciennes et nouvelles -. Ce mode de vie est fait de ruptures, ces mêmes ruptures qui sont parfois incompréhensibles aux non-migrants, à tous ceux qui ne comprennent pas la « non conformation » du migrant à un modèle sédentaire. Ce modèle, apparemment révolutionnaire, n?est qu?un tout premier exemple, le plus ancien peut-être, des nouveaux modes de vie qui commencent à s?affirmer et à s?ancrer dans nos sociétés actuelles. Le migrant a été et continue d?être une sorte d? « éclaireur » pour ces mêmes sociétés qui, pourtant, n?arrêtent pas de le considérer « Autre » et « hors norme » par rapport au modèle de sédentarité « monolithique » dominant. Le migrant, l? « homme porteur d?un ailleurs » plus ou moins lointain, nous enseigne que de nos jours être pluriel risque bien d?être un atout, que la (re)construction de nos identités nous ouvre au principe de la multiplicité et de l?altérité. Il est bien évident que pour arriver à entrer dans cette matière fluide, multiple et complexe, nous avons dû abandonner les chemins scientifiques habituels et que nous avons dû nous concentrer sur l?émergence de « bribes » plus que sur les données concrètes et mesurables concernant les Italiens du canton de Vaud. D?objet principal de la recherche qu?elle était, la communauté italienne du canton de Vaud s?est transformée en « objet instrumental », c?est-àdire en outil nécessaire à l?émergence et à l?étude des trajectoires migratoires des Italiens vivant dans cette région. Ce choix fait au cours de la recherche risque de ne pas satisfaire tous ceux qui voudraient « en savoir plus » sur la communauté italienne et qui rechercheraient dans ce travail des informations « factuelles » et mesurables. Nous avons été tenté par ce type d?approche, nous avons même cherché à la mettre en pratique : les résultats peu parlants pour nos interrogations sur les trajectoires migratoires nous en ont dissuadé. Cette recherche risque par ailleurs de décevoir également tous ceux qui y rechercheraient des mesures d?application concrètes. L?objectif de la recherche n?était pourtant pas la définition de modes opérationnels pour agir dans le cadre de la communauté italienne mais plutôt la découverte, par le terrain et en partenariat avec les Italiens mobilisés par les enquêtes, des tenants et aboutissants - les plus importants du moins - des trajectoires migratoires. Nous considérons que la compréhension des mécanismes et des spécificités des parcours migratoires, y compris leurs contradictions et parfois leurs anachronismes, est centrale, préalable à toute action éventuellement normative ou correctrice. Il ne nous appartient donc pas de faire des recommandations, de suggérer des décisions : seule l?action informative nous revient et nous appartient. Tel était bien le but de cette recherche. Les nouvelles pistes de recherche Notre action informative consiste dans la diffusion des résultats obtenus ainsi que dans la mise en évidence et la suggestion de nouvelles pistes de recherche et d?enquête, soit réflexives soit applicatives. Il nous paraît évident que se passer d?une réflexion « genrée » des migrations pourrait limiter la découverte des ressources existantes chez les migrants ainsi que rendre partielle la compréhension des problèmes « migratoires » anciens et nouveaux. L?approche genrée, bien que peu pratiquée jusqu?à présent, est une ressource « ancienne » mais longtemps considérée accessoire par les chercheurs tout comme par les édiles. La compréhension des spécificités et des différences dans les besoins et les aspirations des migrants et des migrantes peut conduire à devoir repenser toute action normative et correctrice, toute décision et tout choix qui, sans la prise en compte de cette composante, seraient nécessairement « artificiels » et ne correspondraient pas à la réalité migratoire. Si au début de cette recherche le chemin « genré » nous paraissait difficile à parcourir, dans le cadre des enquêtes sur le terrain en particulier - cette difficulté nous a dissuadé d?en faire l?objet « central » de notre recherche -, aujourd?hui l?acceptation du changement du rôle de la femme migrante - ainsi que les changements de cette même femme, moins passive et bien plus à même d?exprimer ses besoins et ses envies - nous rassure sur les opportunités de recherche futures ainsi que sur la portée des décisions futures concernant les migrants. La piste des jeunes migrants nous paraît aussi centrale et fondamentale dans les réflexions et les applications futures. Les modèles, les modes et les choix d?intervention sur le terrain font encore trop souvent référence à une réalité migratoire qui n?est plus ou bien qui prend encore en considération des références qui ne « font plus sens » pour les jeunes migrants. Les approches intergénérationnelles commencent timidement à se diffuser, tout en gardant une « aura » expérimentale qui risque de retarder la diffusion de ce mode de réflexion et d?action de la part des édiles comme des chercheurs. Il serait pourtant indispensable de ne pas trop prolonger cette expérimentation car la réalité de nos sociétés nous montre bien que la valorisation de quelques-unes des composantes « migratoires » augmente les risques d?affaiblissement des réseaux sociaux existants - les réseaux migratoires dans ce cas spécifique -. La réalité de nos sociétés, et de la société vaudoise dans ce cas particulier, nous donne aussi clairement l?indication d?une nouvelle réalité migratoire dans la communauté italienne : celle des « high skilled ». Composante marginale pendant des décennies, elle a acquis au cours des années ?90 du poids et de la visibilité. Sommes-nous face à une nouvelle « vague » migratoire, italienne dans ce cas spécifique, moins « redoutable » que les précédentes car constituée d?individus à même de s?intégrer plus facilement dans la société locale ? Ou bien sommes-nous face à la « concrétisation » et visibilisation d?un nouveau mode de vie, centré sur la mobilité, sur la « transition mobilitaire » dont nous parle Rémy Knafou ? Il est évident que la matière est encore assez « brute », qu?il nous manque des références spécifiques pour mieux entrer en matière et argumenter. Certains Pays occidentaux ne sont-ils pas en train de se demander comment rechercher et recruter des professionnels « high skilled » ? Cette nouvelle vague migratoire est peut-être composée par des « éclaireurs » qui expérimentent un nouveau mode de vie et de valorisation de leurs compétences professionnelles « au-delà des frontières nationales » et qui s? « alimentent » de mobilités successives. Cet ensemble de pistes, mais il y en a d?autres que nous pourrions cerner en allant plus en profondeur au sein des plus importantes, s?est révélé à nous par la manière de conduire notre recherche. Celle-ci en effet nous a demandé bien des parcours « à rebours », bien des remises en question, bien des périodes de prise de distance en regard d?une matière d?analyse qui, au fil du temps, s?est faite plus dense et plus problématique. Il nous paraît fondamental de rappeler encore une fois que la recherche n?a abouti que grâce au travail conduit sur le terrain par le chercheur, en observateur et en enquêteur d?abord, en acteur et partenaire de terrain par la suite. Cette méthode de recherche, parfois encore plus spiraliforme que les parcours migratoires, nous a permis de nous construire un « savoir être chercheur » et, par conséquent, un « savoir faire la recherche » dans le champ migratoire que nous n?envisagions pas au début de ce travail. L?acquisition de ces savoirs et les choix méthodologiques assumés nous paraissent encore plus indispensables à la fin de cette étude. Il ne s?agit pas de choix « partisans ». Nous avons bien expérimenté et cherché à utiliser les diverses approches possibles. Il s?agit plutôt de choix devenus nécessaires afin de mener la recherche à terme. Après maintes tentatives méthodologiques, nous avons bien compris qu?il existe des objets d?étude qui nécessitent l?adaptation du chercheur à leurs spécificités. Nous sommes convaincu que, voulant dépasser la phase purement « comptable » ou exploratoire d?un objet complexe et problématique comme les trajectoires migratoires, les méthodes d?enquête sur le terrain et avec les acteurs de terrain, restent les seules qui nous aident à pénétrer dans l?objet de recherche lui-même, qui nous soutiennent dans l?exploration sur la durée, qui nous permettent, par l?échange de savoirs différents, de participer à la recherche du « dedans », qui nous incitent à la confrontation de nos savoirs « savants » avec d?autres savoirs encore plus « savants » mais qui ne sont pas au bénéfice de la même légitimité.

Self-navigated isotropic three-dimensional cardiac T2 mapping.

PURPOSE: To implement and characterize an isotropic three-dimensional cardiac T2 mapping technique. METHODS: A self-navigated three-dimensional radial segmented balanced steady-state free precession pulse sequence with an isotropic 1.7-mm spatial resolution was implemented at 3T with a variable T2 preparation module. Bloch equation and Monte Carlo simulations were performed to determine the influence of the heart rate, B1 inhomogeneity and noise on the T2 fitting accuracy. In a phantom study, the accuracy of the pulse sequence was studied through comparison with a gold-standard spin-echo T2 mapping method. The robustness and homogeneity of the technique were ascertained in a study of 10 healthy adult human volunteers, while first results obtained in patients are reported. RESULTS: The numerical simulations demonstrated that the heart rate and B1 inhomogeneity cause only minor deviations in the T2 fitting, whereas the phantom study showed good agreement of the technique with the gold standard. The volunteer study demonstrated an average myocardial T2 of 40.5 ± 3.3 ms and a <15% T2 gradient in the base-apex and anterior-inferior direction. In three patients, elevated T2 values were measured in regions with expected edema. CONCLUSION: This respiratory self-navigated isotropic three-dimensional technique allows for accurate and robust in vitro and in vivo T2 quantification. Magn Reson Med 73:1549-1554, 2015. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.

Free-running 4D whole-heart self-navigated golden angle MRI: Initial results.

PURPOSE: To test the hypothesis that both coronary anatomy and ventricular function can be assessed simultaneously using a single four-dimensional (4D) acquisition. METHODS: A free-running 4D whole-heart self-navigated acquisition incorporating a golden angle radial trajectory was implemented and tested in vivo in nine healthy adult human subjects. Coronary magnetic resonance angiography (MRA) datasets with retrospective selection of acquisition window width and position were extracted and quantitatively compared with baseline self-navigated electrocardiography (ECG) -triggered coronary MRA. From the 4D datasets, the left-ventricular end-systolic, end-diastolic volumes (ESV & EDV) and ejection fraction (EF) were computed and compared with values obtained from conventional 2D cine images. RESULTS: The 4D datasets enabled dynamic assessment of the whole heart with isotropic spatial resolution of 1.15 mm(3) . Coronary artery image quality was very similar to that of the ECG-triggered baseline scan despite some SNR penalty. A good agreement between 4D and 2D cine imaging was found for EDV, ESV, and EF. CONCLUSION: The hypothesis that both coronary anatomy and ventricular function can be assessed simultaneously in vivo has been tested positive. Retrospective and flexible acquisition window selection allows to best visualize each coronary segment at its individual time point of quiescence. Magn Reson Med, 2014. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.

En face optical coherence tomography of foveal microstructure in full-thickness macular hole: a model to study perifoveal müller cells.

PURPOSE: To characterize perifoveal intraretinal cavities observed around full-thickness macular holes (MH) using en face optical coherence tomography and to establish correlations with histology of human and primate maculae. DESIGN: Retrospective nonconsecutive observational case series. METHODS: Macular en face scans of 8 patients with MH were analyzed to quantify the areas of hyporeflective spaces, and were compared with macular flat mounts and sections from 1 normal human donor eye and 2 normal primate eyes (Macaca fascicularis). Immunohistochemistry was used to study the distribution of glutamine synthetase, expressed by Müller cells, and zonula occludens-1, a tight-junction protein. RESULTS: The mean area of hyporeflective spaces was lower in the inner nuclear layer (INL) than in the complex formed by the outer plexiform (OPL) and the Henle fiber layers (HFL): 5.0 × 10(-3) mm(2) vs 15.9 × 10(-3) mm(2), respectively (P < .0001, Kruskal-Wallis test). In the OPL and HFL, cavities were elongated with a stellate pattern, whereas in the INL they were rounded and formed vertical cylinders. Immunohistochemistry confirmed that Müller cells followed a radial distribution around the fovea in the frontal plane and a "Z-shaped" course in the axial plane, running obliquely in the OPL and HFL and vertically in the inner layers. In addition, zonula occludens-1 co-localized with Müller cells within the complex of OPL and HFL, indicating junctions in between Müller cells and cone axons. CONCLUSION: The dual profile of cavities around MHs correlates with Müller cell morphology and is consistent with the hypothesis of intra- or extracellular fluid accumulation along these cells.

Cardiovascular magnetic resonance imaging techniques for motion-suppressed multi-dimensional coronary artery imaging with high spatial and temporal resolution

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) peut fournir aux cardiologues des informations diagnostiques importantes sur l'état de la maladie de l'artère coronarienne dans les patients. Le défi majeur pour l'IRM cardiaque est de gérer toutes les sources de mouvement qui peuvent affecter la qualité des images en réduisant l'information diagnostique. Cette thèse a donc comme but de développer des nouvelles techniques d'acquisitions des images IRM, en changeant les techniques de compensation du mouvement, pour en augmenter l'efficacité, la flexibilité, la robustesse et pour obtenir plus d'information sur le tissu et plus d'information temporelle. Les techniques proposées favorisent donc l'avancement de l'imagerie des coronaires dans une direction plus maniable et multi-usage qui peut facilement être transférée dans l'environnement clinique. La première partie de la thèse s'est concentrée sur l'étude du mouvement des artères coronariennes sur des patients en utilisant la techniques d'imagerie standard (rayons x), pour mesurer la précision avec laquelle les artères coronariennes retournent dans la même position battement après battement (repositionnement des coronaires). Nous avons découvert qu'il y a des intervalles dans le cycle cardiaque, tôt dans la systole et à moitié de la diastole, où le repositionnement des coronaires est au minimum. En réponse nous avons développé une nouvelle séquence d'acquisition (T2-post) capable d'acquérir les données aussi tôt dans la systole. Cette séquence a été testée sur des volontaires sains et on a pu constater que la qualité de visualisation des artère coronariennes est égale à celle obtenue avec les techniques standard. De plus, le rapport signal sur bruit fourni par la séquence d'acquisition proposée est supérieur à celui obtenu avec les techniques d'imagerie standard. La deuxième partie de la thèse a exploré un paradigme d'acquisition des images cardiaques complètement nouveau pour l'imagerie du coeur entier. La technique proposée dans ce travail acquiert les données sans arrêt (free-running) au lieu d'être synchronisée avec le mouvement cardiaque. De cette façon, l'efficacité de la séquence d'acquisition est augmentée de manière significative et les images produites représentent le coeur entier dans toutes les phases cardiaques (quatre dimensions, 4D). Par ailleurs, l'auto-navigation de la respiration permet d'effectuer cette acquisition en respiration libre. Cette technologie rend possible de visualiser et évaluer l'anatomie du coeur et de ses vaisseaux ainsi que la fonction cardiaque en quatre dimensions et avec une très haute résolution spatiale et temporelle, sans la nécessité d'injecter un moyen de contraste. Le pas essentiel qui a permis le développement de cette technique est l'utilisation d'une trajectoire d'acquisition radiale 3D basée sur l'angle d'or. Avec cette trajectoire, il est possible d'acquérir continûment les données d'espace k, puis de réordonner les données et choisir les paramètres temporel des images 4D a posteriori. L'acquisition 4D a été aussi couplée avec un algorithme de reconstructions itératif (compressed sensing) qui permet d'augmenter la résolution temporelle tout en augmentant la qualité des images. Grâce aux images 4D, il est possible maintenant de visualiser les artères coronariennes entières dans chaque phase du cycle cardiaque et, avec les mêmes données, de visualiser et mesurer la fonction cardiaque. La qualité des artères coronariennes dans les images 4D est la même que dans les images obtenues avec une acquisition 3D standard, acquise en diastole Par ailleurs, les valeurs de fonction cardiaque mesurées au moyen des images 4D concorde avec les valeurs obtenues avec les images 2D standard. Finalement, dans la dernière partie de la thèse une technique d'acquisition a temps d'écho ultra-court (UTE) a été développée pour la visualisation in vivo des calcifications des artères coronariennes. Des études récentes ont démontré que les acquisitions UTE permettent de visualiser les calcifications dans des plaques athérosclérotiques ex vivo. Cepandent le mouvement du coeur a entravé jusqu'à maintenant l'utilisation des techniques UTE in vivo. Pour résoudre ce problème nous avons développé une séquence d'acquisition UTE avec trajectoire radiale 3D et l'avons testée sur des volontaires. La technique proposée utilise une auto-navigation 3D pour corriger le mouvement respiratoire et est synchronisée avec l'ECG. Trois échos sont acquis pour extraire le signal de la calcification avec des composants au T2 très court tout en permettant de séparer le signal de la graisse depuis le signal de l'eau. Les résultats sont encore préliminaires mais on peut affirmer que la technique développé peut potentiellement montrer les calcifications des artères coronariennes in vivo. En conclusion, ce travail de thèse présente trois nouvelles techniques pour l'IRM du coeur entier capables d'améliorer la visualisation et la caractérisation de la maladie athérosclérotique des coronaires. Ces techniques fournissent des informations anatomiques et fonctionnelles en quatre dimensions et des informations sur la composition du tissu auparavant indisponibles. CORONARY artery magnetic resonance imaging (MRI) has the potential to provide the cardiologist with relevant diagnostic information relative to coronary artery disease of patients. The major challenge of cardiac MRI, though, is dealing with all sources of motions that can corrupt the images affecting the diagnostic information provided. The current thesis, thus, focused on the development of new MRI techniques that change the standard approach to cardiac motion compensation in order to increase the efficiency of cardioavscular MRI, to provide more flexibility and robustness, new temporal information and new tissue information. The proposed approaches help in advancing coronary magnetic resonance angiography (MRA) in the direction of an easy-to-use and multipurpose tool that can be translated to the clinical environment. The first part of the thesis focused on the study of coronary artery motion through gold standard imaging techniques (x-ray angiography) in patients, in order to measure the precision with which the coronary arteries assume the same position beat after beat (coronary artery repositioning). We learned that intervals with minimal coronary artery repositioning occur in peak systole and in mid diastole and we responded with a new pulse sequence (T2~post) that is able to provide peak-systolic imaging. Such a sequence was tested in healthy volunteers and, from the image quality comparison, we learned that the proposed approach provides coronary artery visualization and contrast-to-noise ratio (CNR) comparable with the standard acquisition approach, but with increased signal-to-noise ratio (SNR). The second part of the thesis explored a completely new paradigm for whole- heart cardiovascular MRI. The proposed techniques acquires the data continuously (free-running), instead of being triggered, thus increasing the efficiency of the acquisition and providing four dimensional images of the whole heart, while respiratory self navigation allows for the scan to be performed in free breathing. This enabling technology allows for anatomical and functional evaluation in four dimensions, with high spatial and temporal resolution and without the need for contrast agent injection. The enabling step is the use of a golden-angle based 3D radial trajectory, which allows for a continuous sampling of the k-space and a retrospective selection of the timing parameters of the reconstructed dataset. The free-running 4D acquisition was then combined with a compressed sensing reconstruction algorithm that further increases the temporal resolution of the 4D dataset, while at the same time increasing the overall image quality by removing undersampling artifacts. The obtained 4D images provide visualization of the whole coronary artery tree in each phases of the cardiac cycle and, at the same time, allow for the assessment of the cardiac function with a single free- breathing scan. The quality of the coronary arteries provided by the frames of the free-running 4D acquisition is in line with the one obtained with the standard ECG-triggered one, and the cardiac function evaluation matched the one measured with gold-standard stack of 2D cine approaches. Finally, the last part of the thesis focused on the development of ultrashort echo time (UTE) acquisition scheme for in vivo detection of calcification in the coronary arteries. Recent studies showed that UTE imaging allows for the coronary artery plaque calcification ex vivo, since it is able to detect the short T2 components of the calcification. The heart motion, though, prevented this technique from being applied in vivo. An ECG-triggered self-navigated 3D radial triple- echo UTE acquisition has then been developed and tested in healthy volunteers. The proposed sequence combines a 3D self-navigation approach with a 3D radial UTE acquisition enabling data collection during free breathing. Three echoes are simultaneously acquired to extract the short T2 components of the calcification while a water and fat separation technique allows for proper visualization of the coronary arteries. Even though the results are still preliminary, the proposed sequence showed great potential for the in vivo visualization of coronary artery calcification. In conclusion, the thesis presents three novel MRI approaches aimed at improved characterization and assessment of atherosclerotic coronary artery disease. These approaches provide new anatomical and functional information in four dimensions, and support tissue characterization for coronary artery plaques.