Anatomo-functional magnetic resonance imaging of the spinal cord and its application to the characterization of spinal lesions in cats

Les lésions de la moelle épinière ont un impact significatif sur la qualité de la vie car elles peuvent induire des déficits moteurs (paralysie) et sensoriels. Ces déficits évoluent dans le temps à mesure que le système nerveux central se réorganise, en impliquant des mécanismes physiologiques et neurochimiques encore mal connus. L'ampleur de ces déficits ainsi que le processus de réhabilitation dépendent fortement des voies anatomiques qui ont été altérées dans la moelle épinière. Il est donc crucial de pouvoir attester l'intégrité de la matière blanche après une lésion spinale et évaluer quantitativement l'état fonctionnel des neurones spinaux. Un grand intérêt de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est qu'elle permet d'imager de façon non invasive les propriétés fonctionnelles et anatomiques du système nerveux central. Le premier objectif de ce projet de thèse a été de développer l'IRM de diffusion afin d'évaluer l'intégrité des axones de la matière blanche après une lésion médullaire. Le deuxième objectif a été d'évaluer dans quelle mesure l'IRM fonctionnelle permet de mesurer l'activité des neurones de la moelle épinière. Bien que largement appliquées au cerveau, l'IRM de diffusion et l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière sont plus problématiques. Les difficultés associées à l'IRM de la moelle épinière relèvent de sa fine géométrie (environ 1 cm de diamètre chez l'humain), de la présence de mouvements d'origine physiologique (cardiaques et respiratoires) et de la présence d'artefacts de susceptibilité magnétique induits par les inhomogénéités de champ, notamment au niveau des disques intervertébraux et des poumons. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer des méthodes permettant de contourner ces difficultés. Ce développement a notamment reposé sur l'optimisation des paramètres d'acquisition d'images anatomiques, d'images pondérées en diffusion et de données fonctionnelles chez le chat et chez l'humain sur un IRM à 3 Tesla. En outre, diverses stratégies ont été étudiées afin de corriger les distorsions d'images induites par les artefacts de susceptibilité magnétique, et une étude a été menée sur la sensibilité et la spécificité de l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière. Les résultats de ces études démontrent la faisabilité d'acquérir des images pondérées en diffusion de haute qualité, et d'évaluer l'intégrité de voies spinales spécifiques après lésion complète et partielle. De plus, l'activité des neurones spinaux a pu être détectée par IRM fonctionnelle chez des chats anesthésiés. Bien qu'encourageants, ces résultats mettent en lumière la nécessité de développer davantage ces nouvelles techniques. L'existence d'un outil de neuroimagerie fiable et robuste, capable de confirmer les paramètres cliniques, permettrait d'améliorer le diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de lésions médullaires. Un des enjeux majeurs serait de suivre et de valider l'effet de diverses stratégies thérapeutiques. De telles outils représentent un espoir immense pour nombre de personnes souffrant de traumatismes et de maladies neurodégénératives telles que les lésions de la moelle épinière, les tumeurs spinales, la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique.

Characterization of Carotid Plaques with Ultrasound Non-Invasive Vascular Elastography (NIVE) : Feasibility and Correlation with High-Resolution Magnetic Resonance Imaging

L’accident vasculaire cérébral (AVC) est une cause principale de décès et de morbidité dans le monde; une bonne partie des AVC est causée par la plaque d’athérosclérose carotidienne. La prévention de l’AVC chez les patients ayant une plaque carotidienne demeure controversée, vu les risques et bénéfices ambigus associés au traitement chirurgical ou médical. Plusieurs méthodes d’imagerie ont été développées afin d’étudier la plaque vulnérable (dont le risque est élevé), mais aucune n’est suffisamment validée ou accessible pour permettre une utilisation comme outil de dépistage. L’élastographie non-invasive vasculaire (NIVE) est une technique nouvelle qui cartographie les déformations (élasticité) de la plaque afin de détecter les plaque vulnérables; cette technique n’est pas encore validée cliniquement. Le but de ce projet est d’évaluer la capacité de NIVE de caractériser la composition de la plaque et sa vulnérabilité in vivo chez des patients ayant des plaques sévères carotidiennes, en utilisant comme étalon de référence, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) à haute-résolution. Afin de poursuivre cette étude, une connaissance accrue de l’AVC, l’athérosclérose, la plaque vulnérable, ainsi que des techniques actuelles d’imagerie de la plaque carotidienne, est requise. Trente-et-un sujets ont été examinés par NIVE par ultrasonographie et IRM à haute-résolution. Sur 31 plaques, 9 étaient symptomatiques, 17 contenaient des lipides, et 7 étaient vulnérables selon l’IRM. Les déformations étaient significativement plus petites chez les plaques contenant des lipides, avec une sensibilité élevée et une spécificité modérée. Une association quadratique entre la déformation et la quantité de lipide a été trouvée. Les déformations ne pouvaient pas distinguer les plaques vulnérables ou symptomatiques. En conclusion, NIVE par ultrasonographie est faisable chez des patients ayant des sténoses carotidiennes significatives et peut détecter la présence d’un coeur lipidique. Des études supplémentaires de progression de la plaque avec NIVE sont requises afin d’identifier les plaques vulnérables.

Oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance imaging (OS-CMR) : potential confounding factors in use of OS-CMR

La résonance magnétique cardiovasculaire sensible à l'oxygénation (OS-CMR) est devenue une modalité d'imagerie diagnostique pour la surveillance de changements dans l'oxygénation du myocarde. Cette technique offre un grand potentiel en tant qu'outil diagnostic primaire pour les maladies cardiovasculaires, en particulier la détection non-invasive d'ischémie. Par contre, il existe plusieurs facteurs potentiellement confondants de cette technique, quelques-uns d'ordre méthodologique comme les paramètres de séquençage et d'autres de nature physiologiques qui sont peut compris. En raison des effets causés par le contenu tissulaire d'eau, l'état d'hydratation peut avoir un impact sur l'intensité du signal. Ceci est un des aspects physiologiques en particulier dont nous voulions quantifier l'effet confondant par la manipulation de l'état d'hydratation chez des humains et l'observation des changements de l'intensité du signal dans des images OS-CMR. Méthodes: In vitro: Du sang artériel et veineux de huit porcs a été utilisé pour évaluer la dilution en série du sang et son effet correspondant sur l'intensité du signal de la séquence OS. In vivo: Vingt-deux volontaires en santé ont subi OS-CMR. Les concentrations d'hémoglobine (Hb) ont été mesurées au niveau de base et immédiatement après une l'infusion cristalloïde rapide de 1000 mL de solution Lactate Ringer's (LRS). Les images OS-CMR ont été prises dans une vue mid-ventriculaire court axe. L'intensité du signal myocardique a été mesurée durant une rétention respiratoire volontaire maximale, suite à une période d'hyperventilation de 60 secondes. Les changements dans l'intensité du signal entre le début et la fin de la rétention de la respiration ont été exprimés relativement au niveau de base (% de changement). Résultats: L'infusion a résulté en une diminution significative de l'Hb mesurée (142.5±3.3 vs. 128.8±3.3 g/L; p<0.001), alors que l'IS a augmenté de 3.2±1.2% entre les images du niveau de base en normo- et hypervolémie (p<0.05). L'IS d'hyperventilation ainsi que les changements d'IS induits par l'apnée ont été attenués après hémodilution (p<0.05). L'évaluation quantitative T2* a démontré une corrélation négative entre le temps de T2* et la concentration d'hémoglobine (r=-0.46, p<0.005). Conclusions: Il existe plusieurs éléments confondants de la technique OS-CMR qui requièrent de l'attention et de l'optimisation pour une future implémentation clinique à grande échelle. Le statut d'hydratation en particulier pourrait être un élément confondant dans l'imagerie OS-CMR. L'hypervolémie mène à une augmentation en IS au niveau de base et atténue la réponse IS durant des manoeuvres de respiration vasoactives. Cette atténuation de l'intensité du signal devrait être tenue en compte et corrigée dans l'évaluation clinique d'images OS-CMR.

Semiautomated 3D liver segmentation using computed tomography and magnetic resonance imaging

Le foie est un organe vital ayant une capacité de régénération exceptionnelle et un rôle crucial dans le fonctionnement de l’organisme. L’évaluation du volume du foie est un outil important pouvant être utilisé comme marqueur biologique de sévérité de maladies hépatiques. La volumétrie du foie est indiquée avant les hépatectomies majeures, l’embolisation de la veine porte et la transplantation. La méthode la plus répandue sur la base d'examens de tomodensitométrie (TDM) et d'imagerie par résonance magnétique (IRM) consiste à délimiter le contour du foie sur plusieurs coupes consécutives, un processus appelé la «segmentation». Nous présentons la conception et la stratégie de validation pour une méthode de segmentation semi-automatisée développée à notre institution. Notre méthode représente une approche basée sur un modèle utilisant l’interpolation variationnelle de forme ainsi que l’optimisation de maillages de Laplace. La méthode a été conçue afin d’être compatible avec la TDM ainsi que l' IRM. Nous avons évalué la répétabilité, la fiabilité ainsi que l’efficacité de notre méthode semi-automatisée de segmentation avec deux études transversales conçues rétrospectivement. Les résultats de nos études de validation suggèrent que la méthode de segmentation confère une fiabilité et répétabilité comparables à la segmentation manuelle. De plus, cette méthode diminue de façon significative le temps d’interaction, la rendant ainsi adaptée à la pratique clinique courante. D’autres études pourraient incorporer la volumétrie afin de déterminer des marqueurs biologiques de maladie hépatique basés sur le volume tels que la présence de stéatose, de fer, ou encore la mesure de fibrose par unité de volume.

A simple linear magnetic field sweep generator for magnetic resonance experiments

A simple and inexpensive linear magnetic field sweep generating system suitable for magnetic resonance experiments is described. The circuit, utilising a modified IC bootstrap configuration, generates field sweep over a wide range of sweep durations with excellent sweep linearity.

“Improved Feature Extraction and Classification Techniques for Multispectral Brain Magnetic Resonance Images”

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a multi sequence medical imaging technique in which stacks of images are acquired with different tissue contrasts. Simultaneous observation and quantitative analysis of normal brain tissues and small abnormalities from these large numbers of different sequences is a great challenge in clinical applications. Multispectral MRI analysis can simplify the job considerably by combining unlimited number of available co-registered sequences in a single suite. However, poor performance of the multispectral system with conventional image classification and segmentation methods makes it inappropriate for clinical analysis. Recent works in multispectral brain MRI analysis attempted to resolve this issue by improved feature extraction approaches, such as transform based methods, fuzzy approaches, algebraic techniques and so forth. Transform based feature extraction methods like Independent Component Analysis (ICA) and its extensions have been effectively used in recent studies to improve the performance of multispectral brain MRI analysis. However, these global transforms were found to be inefficient and inconsistent in identifying less frequently occurred features like small lesions, from large amount of MR data. The present thesis focuses on the improvement in ICA based feature extraction techniques to enhance the performance of multispectral brain MRI analysis. Methods using spectral clustering and wavelet transforms are proposed to resolve the inefficiency of ICA in identifying small abnormalities, and problems due to ICA over-completeness. Effectiveness of the new methods in brain tissue classification and segmentation is confirmed by a detailed quantitative and qualitative analysis with synthetic and clinical, normal and abnormal, data. In comparison to conventional classification techniques, proposed algorithms provide better performance in classification of normal brain tissues and significant small abnormalities.

Segmentation of Brain Tissue from Magnetic Resonance Images

Segmentation of medical imagery is a challenging problem due to the complexity of the images, as well as to the absence of models of the anatomy that fully capture the possible deformations in each structure. Brain tissue is a particularly complex structure, and its segmentation is an important step for studies in temporal change detection of morphology, as well as for 3D visualization in surgical planning. In this paper, we present a method for segmentation of brain tissue from magnetic resonance images that is a combination of three existing techniques from the Computer Vision literature: EM segmentation, binary morphology, and active contour models. Each of these techniques has been customized for the problem of brain tissue segmentation in a way that the resultant method is more robust than its components. Finally, we present the results of a parallel implementation of this method on IBM's supercomputer Power Visualization System for a database of 20 brain scans each with 256x256x124 voxels and validate those against segmentations generated by neuroanatomy experts.

Nuclear magnetic resonance chemical shifts with the statistical average of orbital-dependent model potentials in Kohn-Sham density functional theory

The performance of the SAOP potential for the calculation of NMR chemical shifts was evaluated. SAOP results show considerable improvement with respect to previous potentials, like VWN or BP86, at least for the carbon, nitrogen, oxygen, and fluorine chemical shifts. Furthermore, a few NMR calculations carried out on third period atoms (S, P, and Cl) improved when using the SAOP potential

A Functional Magnetic Resonance Imaging Predictor of Treatment Response to Venlafaxine in Generalized Anxiety Disorder

Background: Functional magnetic resonance imaging (fMRI) holds promise as a noninvasive means of identifying neural responses that can be used to predict treatment response before beginning a drug trial. Imaging paradigms employing facial expressions as presented stimuli have been shown to activate the amygdala and anterior cingulate cortex (ACC). Here, we sought to determine whether pretreatment amygdala and rostral ACC (rACC) reactivity to facial expressions could predict treatment outcomes in patients with generalized anxiety disorder (GAD).Methods: Fifteen subjects (12 female subjects) with GAD participated in an open-label venlafaxine treatment trial. Functional magnetic resonance imaging responses to facial expressions of emotion collected before subjects began treatment were compared with changes in anxiety following 8 weeks of venlafaxine administration. In addition, the magnitude of fMRI responses of subjects with GAD were compared with that of 15 control subjects (12 female subjects) who did not have GAD and did not receive venlafaxine treatment.Results The magnitude of treatment response was predicted by greater pretreatment reactivity to fearful faces in rACC and lesser reactivity in the amygdala. These individual differences in pretreatment rACC and amygdala reactivity within the GAD group were observed despite the fact that 1) the overall magnitude of pretreatment rACC and amygdala reactivity did not differ between subjects with GAD and control subjects and 2) there was no main effect of treatment on rACC-amygdala reactivity in the GAD group.Conclusions: These findings show that this pattern of rACC-amygdala responsivity could prove useful as a predictor of venlafaxine treatment response in patients with GAD.

Nuclear magnetic resonance structure shows that the severe acute respiratory syndrome coronavirus-unique domain contains a macrodomain fold

The nuclear magnetic resonance (NMR) structure of a central segment of the previously annotated severe acute respiratory syndrome (SARS)-unique domain (SUD-M, for "middle of the SARS-unique domain") in SARS coronavirus (SARS-CoV) nonstructural protein 3 (nsp3) has been determined. SUD-M(513-651) exhibits a macrodomain fold containing the nsp3 residues 528 to 648, and there is a flexibly extended N-terminal tail with the residues 513 to 527 and a C-terminal flexible tail of residues 649 to 651. As a follow-up to this initial result, we also solved the structure of a construct representing only the globular domain of residues 527 to 651 [SUD-M(527-651)]. NMR chemical shift perturbation experiments showed that SUD-M(527-651) binds single-stranded poly(A) and identified the contact area with this RNA on the protein surface, and electrophoretic mobility shift assays then confirmed that SUD-M has higher affinity for purine bases than for pyrimidine bases. In a further search for clues to the function, we found that SUD-M(527-651) has the closest three-dimensional structure homology with another domain of nsp3, the ADP-ribose-1 ''-phosphatase nsp3b, although the two proteins share only 5% sequence identity in the homologous sequence regions. SUD-M(527-651) also shows three-dimensional structure homology with several helicases and nucleoside triphosphate-binding proteins, but it does not contain the motifs of catalytic residues found in these structural homologues. The combined results from NMR screening of potential substrates and the structure-based homology studies now form a basis for more focused investigations on the role of the SARS-unique domain in viral infection.

Nuclear magnetic resonance structure of the nucleic acid-binding domain of severe acute respiratory syndrome coronavirus nonstructural protein 3

The nuclear magnetic resonance (NMR) structure of a globular domain of residues 1071 to 1178 within the previously annotated nucleic acid-binding region (NAB) of severe acute respiratory syndrome coronavirus nonstructural protein 3 (nsp3) has been determined, and N- and C-terminally adjoining polypeptide segments of 37 and 25 residues, respectively, have been shown to form flexibly extended linkers to the preceding globular domain and to the following, as yet uncharacterized domain. This extension of the structural coverage of nsp3 was obtained from NMR studies with an nsp3 construct comprising residues 1066 to 1181 [ nsp3(1066-1181)] and the constructs nsp3(1066-1203) and nsp3(1035-1181). A search of the protein structure database indicates that the globular domain of the NAB represents a new fold, with a parallel four-strand beta-sheet holding two alpha-helices of three and four turns that are oriented antiparallel to the beta-strands. Two antiparallel two-strand beta-sheets and two 3(10)-helices are anchored against the surface of this barrel-like molecular core. Chemical shift changes upon the addition of single-stranded RNAs (ssRNAs) identified a group of residues that form a positively charged patch on the protein surface as the binding site responsible for the previously reported affinity for nucleic acids. This binding site is similar to the ssRNA-binding site of the sterile alpha motif domain of the Saccharomyces cerevisiae Vts1p protein, although the two proteins do not share a common globular fold.

Nuclear magnetic resonance structure of the N-terminal domain of nonstructural protein 3 from the severe acute respiratory syndrome coronavirus

This paper describes the structure determination of nsp3a, the N-terminal domain of the severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) nonstructural protein 3. nsp3a exhibits a ubiquitin-like globular fold of residues 1 to 112 and a flexibly extended glutamic acid-rich domain of residues 113 to 183. In addition to the four beta-strands and two alpha-helices that are common to ubiquitin-like folds, the globular domain of nsp3a contains two short helices representing a feature that has not previously been observed in these proteins. Nuclear magnetic resonance chemical shift perturbations showed that these unique structural elements are involved in interactions with single-stranded RNA. Structural similarities with proteins involved in various cell-signaling pathways indicate possible roles of nsp3a in viral infection and persistence.

The neural response to emotional prosody, as revealed by functional magnetic resonance imaging

Prosody is an important feature of language, comprising intonation, loudness, and tempo. Emotional prosodic processing forms an integral part of our social interactions. The main aim of this study was to use bold contrast fMRI to clarify the normal functional neuroanatomy of emotional prosody, in passive and active contexts. Subjects performed six separate scanning studies, within which two different conditions were contrasted: (1) "pure" emotional prosody versus rest; (2) congruent emotional prosody versus 'neutral' sentences; (3) congruent emotional prosody versus rest; (4) incongruent emotional prosody versus rest; (5) congruent versus incongruent emotional prosody; and (6) an active experiment in which subjects were instructed to either attend to the emotion conveyed by semantic content or that conveyed by tone of voice. Data resulting from these contrasts were analysed using SPM99. Passive listening to emotional prosody consistently activated the lateral temporal lobe (superior and/or middle temporal gyri). This temporal lobe response was relatively right-lateralised with or without semantic information. Both the separate and direct comparisons of congruent and incongruent emotional prosody revealed that subjects used fewer brain regions to process incongruent emotional prosody than congruent. The neural response to attention to semantics, was left lateralised, and recruited an extensive network not activated by attention to emotional prosody. Attention to emotional prosody modulated the response to speech, and induced right-lateralised activity, including the middle temporal gyrus. In confirming the results of lesion and neuropsychological studies, the current study emphasises the importance of the right hemisphere in the processing of emotional prosody, specifically the lateral temporal lobes. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.