NOVEL PHANTOMS AND POST-PROCESSING FOR DIFFUSION SPECTRUM IMAGING

High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI) techniques, including Diffusion Spectrum Imaging (DSI), have been proposed to resolve crossing and other complex fiber architecture in the human brain white matter. In these methods, directional information of diffusion is inferred from the peaks in the orientation distribution function (ODF). Extensive studies using histology on macaque brain, cat cerebellum, rat hippocampus and optic tracts, and bovine tongue are qualitatively in agreement with the DSI-derived ODFs and tractography. However, there are only two studies in the literature which validated the DSI results using physical phantoms and both these studies were not performed on a clinical MRI scanner. Also, the limited studies which optimized DSI in a clinical setting, did not involve a comparison against physical phantoms. Finally, there is lack of consensus on the necessary pre- and post-processing steps in DSI; and ground truth diffusion fiber phantoms are not yet standardized. Therefore, the aims of this dissertation were to design and construct novel diffusion phantoms, employ post-processing techniques in order to systematically validate and optimize (DSI)-derived fiber ODFs in the crossing regions on a clinical 3T MR scanner, and develop user-friendly software for DSI data reconstruction and analysis. Phantoms with a fixed crossing fiber configuration of two crossing fibers at 90° and 45° respectively along with a phantom with three crossing fibers at 60°, using novel hollow plastic capillaries and novel placeholders, were constructed. T2-weighted MRI results on these phantoms demonstrated high SNR, homogeneous signal, and absence of air bubbles. Also, a technique to deconvolve the response function of an individual peak from the overall ODF was implemented, in addition to other DSI post-processing steps. This technique greatly improved the angular resolution of the otherwise unresolvable peaks in a crossing fiber ODF. The effects of DSI acquisition parameters and SNR on the resultant angular accuracy of DSI on the clinical scanner were studied and quantified using the developed phantoms. With a high angular direction sampling and reasonable levels of SNR, quantification of a crossing region in the 90°, 45° and 60° phantoms resulted in a successful detection of angular information with mean ± SD of 86.93°±2.65°, 44.61°±1.6° and 60.03°±2.21° respectively, while simultaneously enhancing the ODFs in regions containing single fibers. For the applicability of these validated methodologies in DSI, improvement in ODFs and fiber tracking from known crossing fiber regions in normal human subjects were demonstrated; and an in-house software package in MATLAB which streamlines the data reconstruction and post-processing for DSI, with easy to use graphical user interface was developed. In conclusion, the phantoms developed in this dissertation offer a means of providing ground truth for validation of reconstruction and tractography algorithms of various diffusion models (including DSI). Also, the deconvolution methodology (when applied as an additional DSI post-processing step) significantly improved the angular accuracy of the ODFs obtained from DSI, and should be applicable to ODFs obtained from the other high angular resolution diffusion imaging techniques.

The default mode network is functionally and structurally disrupted in amnestic mild cognitive impairment — a bimodal MEG–DTI study

Over the past years, several studies on Mild Cognitive Impairment (MCI) and Alzheimer's disease (AD) have reported Default Mode Network (DMN) deficits. This network is attracting increasing interest in the AD community, as it seems to play an important role in cognitive functioning and in beta amyloid deposition. Attention has been particularly drawn to how different DMN regions are connected using functional or structural connectivity. To this end, most studies have used functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI), Positron Emission Tomography (PET) or Diffusion Tensor Imaging (DTI). In this study we evaluated (1) functional connectivity from resting state magnetoencephalography (MEG) and (2) structural connectivity from DTI in 26 MCI patients and 31 age-matched controls. Compared to controls, the DMN in the MCI group was functionally disrupted in the alpha band, while no differences were found for delta, theta, beta and gamma frequency bands. In addition, structural disconnection could be assessed through a decreased fractional anisotropy along tracts connecting different DMN regions. This suggests that the DMN functional and anatomical disconnection could represent a core feature of MCI.

State-dependent microstructural white matter changes in bipolar I depression

Abnormalities in fronto-limbic-striatal white matter (WM) have been reported in bipolar disorder (BD), but results have been inconsistent across studies. Furthermore, there have been no detailed investigations as to whether acute mood states contribute to microstructural changes in WM tracts. In order to compare fiber density and structural integrity within WM tracts between BD depression and remission, whole-brain fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD) were assessed in 37 bipolar I disorder (BD-I) patients (16 depressed and 21 remitted), and 26 healthy individuals with diffusion tensor imaging. Significantly decreased FA and increased MD in bilateral prefronto-limbic-striatal white matter and right inferior fronto-occipital, superior and inferior longitudinal fasciculi were shown in all BD-I patients versus controls, as well as in depressed BD-I patients compared to both controls and remitted BD-I patients. Depressed BD-I patients also exhibited increased FA in the ventromedial prefrontal cortex. Remitted BD-I patients did not differ from controls in FA or MD. These findings suggest that BD-I depression may be associated with acute microstructural WM changes.

Modifications neurométaboliques et microstructurales à la suite d'une commotion cérébrale chez les athlètes féminines.

L’utilisation de méthodes d’investigation cérébrale avancées a permis de mettre en évidence la présence d’altérations à court et à long terme à la suite d’une commotion cérébrale. Plus spécifiquement, des altérations affectant l’intégrité de la matière blanche et le métabolisme cellulaire ont récemment été révélées par l’utilisation de l’imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), respectivement. Ces atteintes cérébrales ont été observées chez des athlètes masculins quelques jours après la blessure à la tête et demeuraient détectables lorsque les athlètes étaient à nouveau évalués six mois post-commotion. En revanche, aucune étude n’a évalué les effets neurométaboliques et microstructuraux dans la phase aigüe et chronique d’une commotion cérébrale chez les athlètes féminines, malgré le fait qu’elles présentent une susceptibilité accrue de subir ce type de blessure, ainsi qu’un nombre plus élevé de symptômes post-commotionnels et un temps de réhabilitation plus long. Ainsi, les études composant le présent ouvrage visent globalement à établir le profil d’atteintes microstructurales et neurométaboliques chez des athlètes féminines par l’utilisation du DTI et de la SRM. La première étude visait à évaluer les changements neurométaboliques au sein du corps calleux chez des joueurs et joueuses de hockey au cours d’une saison universitaire. Les athlètes ayant subi une commotion cérébrale pendant la saison ont été évalués 72 heures, 2 semaines et 2 mois après la blessure à la tête en plus des évaluations pré et post-saison. Les résultats démontrent une absence de différences entre les athlètes ayant subi une commotion cérébrale et les athlètes qui n’en ont pas subie. De plus, aucune différence entre les données pré et post-saison a été observée chez les athlètes masculins alors qu’une diminution du taux de N-acetyl aspartate (NAA) n’a été mise en évidence chez les athlètes féminines, suggérant ainsi un impact des coups d’intensité sous-clinique à la tête. La deuxième étude, qui utilisait le DTI et la SRM, a révélé des atteintes chez des athlètes féminines commotionnées asymptomatiques en moyenne 18 mois post-commotion. Plus spécifiquement, la SRM a révélé une diminution du taux de myo-inositol (mI) au sein de l’hippocampe et du cortex moteur primaire (M1) alors que le DTI a mis en évidence une augmentation de la diffusivité moyenne (DM) dans plusieurs faisceaux de matière blanche. De iii plus, une approche par région d’intérêt a mis en évidence une diminution de la fraction d’anisotropie (FA) dans la partie du corps calleux projetant vers l’aire motrice primaire. Le troisième article évaluait des athlètes ayant subi une commotion cérébrale dans les jours suivant la blessure à la tête (7-10 jours) ainsi que six mois post-commotion avec la SRM. Dans la phase aigüe, des altérations neuropsychologiques combinées à un nombre significativement plus élevé de symptômes post-commotionnels et dépressifs ont été trouvés chez les athlètes féminines commotionnées, qui se résorbaient en phase chronique. En revanche, aucune différence sur le plan neurométabolique n’a été mise en évidence entre les deux groupes dans la phase aigüe. Dans la phase chronique, les athlètes commotionnées démontraient des altérations neurométaboliques au sein du cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) et M1, marquées par une augmentation du taux de glutamate/glutamine (Glx). De plus, une diminution du taux de NAA entre les deux temps de mesure était présente chez les athlètes contrôles. Finalement, le quatrième article documentait les atteintes microstructurales au sein de la voie corticospinale et du corps calleux six mois suivant une commotion cérébrale. Les analyses n’ont démontré aucune différence au sein de la voie corticospinale alors que des différences ont été relevées par segmentation du corps calleux selon les projections des fibres calleuses. En effet, les athlètes commotionnées présentaient une diminution de la DM et de la diffusivité radiale (DR) au sein de la région projetant vers le cortex préfrontal, un volume moindre des fibres de matière blanche dans la région projetant vers l’aire prémotrice et l’aire motrice supplémentaire, ainsi qu’une diminution de la diffusivité axiale (DA) dans la région projetant vers l’aire pariétale et temporale. En somme, les études incluses dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets métaboliques et microstructuraux des commotions cérébrales et démontrent des effets délétères persistants chez des athlètes féminines. Ces données vont de pair avec la littérature scientifique qui suggère que les commotions cérébrales n’entraînent pas seulement des symptômes temporaires.

Modifications neurométaboliques et microstructurales à la suite d'une commotion cérébrale chez les athlètes féminines

L’utilisation de méthodes d’investigation cérébrale avancées a permis de mettre en évidence la présence d’altérations à court et à long terme à la suite d’une commotion cérébrale. Plus spécifiquement, des altérations affectant l’intégrité de la matière blanche et le métabolisme cellulaire ont récemment été révélées par l’utilisation de l’imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), respectivement. Ces atteintes cérébrales ont été observées chez des athlètes masculins quelques jours après la blessure à la tête et demeuraient détectables lorsque les athlètes étaient à nouveau évalués six mois post-commotion. En revanche, aucune étude n’a évalué les effets neurométaboliques et microstructuraux dans la phase aigüe et chronique d’une commotion cérébrale chez les athlètes féminines, malgré le fait qu’elles présentent une susceptibilité accrue de subir ce type de blessure, ainsi qu’un nombre plus élevé de symptômes post-commotionnels et un temps de réhabilitation plus long. Ainsi, les études composant le présent ouvrage visent globalement à établir le profil d’atteintes microstructurales et neurométaboliques chez des athlètes féminines par l’utilisation du DTI et de la SRM. La première étude visait à évaluer les changements neurométaboliques au sein du corps calleux chez des joueurs et joueuses de hockey au cours d’une saison universitaire. Les athlètes ayant subi une commotion cérébrale pendant la saison ont été évalués 72 heures, 2 semaines et 2 mois après la blessure à la tête en plus des évaluations pré et post-saison. Les résultats démontrent une absence de différences entre les athlètes ayant subi une commotion cérébrale et les athlètes qui n’en ont pas subie. De plus, aucune différence entre les données pré et post-saison a été observée chez les athlètes masculins alors qu’une diminution du taux de N-acetyl aspartate (NAA) n’a été mise en évidence chez les athlètes féminines, suggérant ainsi un impact des coups d’intensité sous-clinique à la tête. La deuxième étude, qui utilisait le DTI et la SRM, a révélé des atteintes chez des athlètes féminines commotionnées asymptomatiques en moyenne 18 mois post-commotion. Plus spécifiquement, la SRM a révélé une diminution du taux de myo-inositol (mI) au sein de l’hippocampe et du cortex moteur primaire (M1) alors que le DTI a mis en évidence une augmentation de la diffusivité moyenne (DM) dans plusieurs faisceaux de matière blanche. De iii plus, une approche par région d’intérêt a mis en évidence une diminution de la fraction d’anisotropie (FA) dans la partie du corps calleux projetant vers l’aire motrice primaire. Le troisième article évaluait des athlètes ayant subi une commotion cérébrale dans les jours suivant la blessure à la tête (7-10 jours) ainsi que six mois post-commotion avec la SRM. Dans la phase aigüe, des altérations neuropsychologiques combinées à un nombre significativement plus élevé de symptômes post-commotionnels et dépressifs ont été trouvés chez les athlètes féminines commotionnées, qui se résorbaient en phase chronique. En revanche, aucune différence sur le plan neurométabolique n’a été mise en évidence entre les deux groupes dans la phase aigüe. Dans la phase chronique, les athlètes commotionnées démontraient des altérations neurométaboliques au sein du cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) et M1, marquées par une augmentation du taux de glutamate/glutamine (Glx). De plus, une diminution du taux de NAA entre les deux temps de mesure était présente chez les athlètes contrôles. Finalement, le quatrième article documentait les atteintes microstructurales au sein de la voie corticospinale et du corps calleux six mois suivant une commotion cérébrale. Les analyses n’ont démontré aucune différence au sein de la voie corticospinale alors que des différences ont été relevées par segmentation du corps calleux selon les projections des fibres calleuses. En effet, les athlètes commotionnées présentaient une diminution de la DM et de la diffusivité radiale (DR) au sein de la région projetant vers le cortex préfrontal, un volume moindre des fibres de matière blanche dans la région projetant vers l’aire prémotrice et l’aire motrice supplémentaire, ainsi qu’une diminution de la diffusivité axiale (DA) dans la région projetant vers l’aire pariétale et temporale. En somme, les études incluses dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets métaboliques et microstructuraux des commotions cérébrales et démontrent des effets délétères persistants chez des athlètes féminines. Ces données vont de pair avec la littérature scientifique qui suggère que les commotions cérébrales n’entraînent pas seulement des symptômes temporaires.

Magnetic Resonance Imaging-Derived biomarkers of Isocitrate-Dehydrogenase mutation in diffuse gliomas: a conventional MR and Diffusion Weighted Imaging study.

The introduction of molecular criteria into the classification of diffuse gliomas has added interesting practical implications to glioma management. This has created a new clinical need for correlating imaging characteristics with glioma genotypes, also known as radiogenomics or imaging genomics. Whilst many studies have primarily focused on the use of advanced magnetic resonance imaging (MRI) techniques for radiogenomics purposes, conventional MRI sequences still remain the reference point in the study and characterization of brain tumours. Moreover, a different approach may rely on diffusion-weighted imaging (DWI) usage, which is considered a “conventional” sequence in line with recently published directions on glioma imaging. In a non-invasive way, it can provide direct insight into the microscopic physical properties of tissues. Considering that Isocitrate-Dehydrogenase gene mutations may reflect alterations in metabolism, cellularity, and angiogenesis, which may manifest characteristic features on an MRI, the identification of specific MRI biomarkers could be of great interest in managing patients with brain gliomas. My study aimed to evaluate the presence of specific MRI-derived biomarkers of IDH molecular status through conventional MRI and DWI sequences.

INFERENCE FOR EIGENVALUES AND EIGENVECTORS OF GAUSSIAN SYMMETRIC MATRICES

This article presents maximum likelihood estimators (MLEs) and log-likelihood ratio (LLR) tests for the eigenvalues and eigenvectors of Gaussian random symmetric matrices of arbitrary dimension, where the observations are independent repeated samples from one or two populations. These inference problems are relevant in the analysis of diffusion tensor imaging data and polarized cosmic background radiation data, where the observations are, respectively, 3 x 3 and 2 x 2 symmetric positive definite matrices. The parameter sets involved in the inference problems for eigenvalues and eigenvectors are subsets of Euclidean space that are either affine subspaces, embedded submanifolds that are invariant under orthogonal transformations or polyhedral convex cones. We show that for a class of sets that includes the ones considered in this paper, the MLEs of the mean parameter do not depend on the covariance parameters if and only if the covariance structure is orthogonally invariant. Closed-form expressions for the MLEs and the associated LLRs are derived for this covariance structure.

Lésions cérébrales du prématuré et techniques d'imagerie à visée pronostique du développement neurocognitif [Cerebral brain injury in preterm infants and the role of neuroimaging in predicting neurodevelopmental outcomes].

Due to advances in neonatal intensive care over the last decades, the pattern of brain injury seen in very preterm infants has evolved in more subtle lesions that are still essential to diagnose in regard to neurodevelopmental outcome. While cranial ultrasound is still used at the bedside, magnetic resonance imaging (MRI) is becoming increasingly used in this population for the assessment of brain maturation and white and grey matter lesions. Therefore, MRI provides a better prognostic value for the neurodevelopmental outcome of these preterms. Furthermore, the development of new MRI techniques, such as diffusion tensor imaging, resting state functional connectivity and magnetic resonance spectroscopy, may further increase the prognostic value, helping to counsel parents and allocate early intervention services.

MR connectomics: Principles and challenges.

MR connectomics is an emerging framework in neuro-science that combines diffusion MRI and whole brain tractography methodologies with the analytical tools of network science. In the present work we review the current methods enabling structural connectivity mapping with MRI and show how such data can be used to infer new information of both brain structure and function. We also list the technical challenges that should be addressed in the future to achieve high-resolution maps of structural connectivity. From the resulting tremendous amount of data that is going to be accumulated soon, we discuss what new challenges must be tackled in terms of methods for advanced network analysis and visualization, as well data organization and distribution. This new framework is well suited to investigate key questions on brain complexity and we try to foresee what fields will most benefit from these approaches.

Mutism and Amnesia following High-Voltage Electrical Injury: Psychogenic Symptomatology Triggered by Organic Dysfunction?

Background: Mutism and dense retrograde amnesia are found both in organic and dissociative contexts. Moreover, dissociative symptoms may be modulated by right prefrontal activity. A single case, M.R., developed left hemiparesis, mutism and retrograde amnesia after a high-voltage electric shock without evidence of lasting brain lesions. M.R. suddenly recovered from his mutism following a mild brain trauma 2 years later. Methods: M.R.'s neuropsychological pattern and anatomoclinical correlations were studied through (i) language and memory assessment to characterize his deficits, (ii) functional neuroimaging during a standard language paradigm, and (iii) assessment of frontal and left insular connectivity through diffusion tractography imaging and transcranial magnetic stimulation. A control evaluation was repeated after recovery. Findings: M.R. recovered from the left hemiparesis within 90 days of the accident, which indicated a transient right brain impairment. One year later, neurobehavioral, language and memory evaluations strongly suggested a dissociative component in the mutism and retrograde amnesia. Investigations (including MRI, fMRI, diffusion tensor imaging, EEG and r-TMS) were normal. Twenty-seven months after the electrical injury, M.R. had a very mild head injury which was followed by a rapid recovery of speech. However, the retrograde amnesia persisted. Discussion: This case indicates an interaction of both organic and dissociative mechanisms in order to explain the patient's symptoms. The study also illustrates dissociation in the time course of the two different dissociative symptoms in the same patient.

Perfusion abnormalities in hemimegalencephaly

INTRODUCTION: Cerebrovascular changes are rarely discussed in patients with hemimegalencephaly. These alterations have previously been associated with epileptical activity. CASE: We report the case of a 36-week gestation neonate presenting with total right hemimegalencephaly, as demonstrated by a magnetic resonance imaging (MRI) performed in the first days of life. Perfusion-weighted imaging displayed a clear hypervascularization of the right hemisphere. Diffusion-tensor imaging showed an arrangement of white matter fibers concentrically around the ventricle on the right hemisphere. AngioMRI showed an obvious asymmetry in the size of the middle cerebral arteries, with the right middle cerebral artery being prominent. The baby was free of clinical seizures during his first week of life. An electroencephalogram at that time displayed an asymmetric background activity, but no electrical seizures. CONCLUSION: Perfusion anomalies in hemimegalencephaly may not necessarily be related to epileptical activity, but may be related to vessel alterations.

Combined transesophageal and surface MRI provides optimal imaging in aortic atherosclerosis.

OBJECTIVE: Surface magnetic resonance imaging (MRI) for aortic plaque assessment is limited by the trade-off between penetration depth and signal-to-noise ratio (SNR). For imaging the deep seated aorta, a combined surface and transesophageal MRI (TEMRI) technique was developed 1) to determine the individual contribution of TEMRI and surface coils to the combined signal, 2) to measure the signal improvement of a combined surface and TEMRI over surface MRI, and 3) to assess for reproducibility of plaque dimension analysis. METHODS AND RESULTS: In 24 patients six black blood proton-density/T2-weighted fast-spin echo images were obtained using three surface and one TEMRI coil for SNR measurements. Reproducibility of plaque dimensions (combined surface and TEMRI) was measured in 10 patients. TEMRI contributed 68% of the signal in the aortic arch and descending aorta, whereas the overall signal gain using the combined technique was up to 225%. Plaque volume measurements had an intraclass correlation coefficient of as high as 0.97. CONCLUSION: Plaque volume measurements for the quantification of aortic plaque size are highly reproducible for combined surface and TEMRI. The TEMRI coil contributes considerably to the aortic MR signal. The combined surface and TEMRI approach improves aortic signal significantly as compared to surface coils alone. CONDENSED ABSTRACT: Conventional MRI aortic plaque visualization is limited by the penetration depth of MRI surface coils and may lead to suboptimal image quality with insufficient reproducibility. By combining a transesophageal MRI (TEMRI) with surface MRI coils we enhanced local and overall image SNR for improved image quality and reproducibility.