De l'IRM de diffusion au connectome.

Objectifs: Comprendre les principes physique de la diffusion. Comprendre le principe de mesure de la diffusion par IRM. Ccomprendre la relation entre la diffusion de l'eau en milieu biologique et l'organisation de la matière blanche. Comprendre comment cartographier la connectivité cérébrale par irm de diffusion. Messages à retenir: Les propriétés de diffusion du tissu cérébral sont conditionnées par l'architecture axonale. La mesure de la diffusion par IRM permet de cartographier les trajectoires de fibres nerveuses et donc la connectivité cérébrale. La connectivité cérébrale peut être mesurés de manière non-invasive. Résumé: La "connectomique" est un domaine émergeant et prometteur des neurosciences qui utilise l'IRM de diffusion en combinaison avec des traitements algorithmiques avancés afin de mesurer les trajectoires de faisceaux de fibres et la connectivité cérébrale permettant d'étudier l'organisation de la structure du réseau neuronal cérébral dans son ensemble. Lors de ce cours nous reverrons les méthodes rendant cette cartographie possible et exposerons les techniques d'analyse utilisées pour obtenir de nouvelles informations sur l'architecture cérébrale. Nous reverrons également un certains nombre d'exemple d'applications où la connectomique offre une nouvelle manière d'analyser et de comprendre le fonctionnement du cerveau normal ou malade.

IRM de diffusion dans l'exploration des tumeurs du foie.

Messages à retenir: Connaître le principe physique de l'imagerie de diffusion (DWI) à l'IRM adaptée à l'exploration des tumeurs du foie.Savoir la bonne technique d'acquisition des séquences pour évaluer la diffusion du parenchyme hépatique ainsi que des lésions focales intra -hépatiques les plusfréquentes.Apprendre l'utilité de la DWI pour évaluer le succès d'un traitement médical oncologique ou interventionnel .Discuter les avantages et les pièges liés à la DWI hépatique susceptibles d'influencer l'interprétation des tumeurs hépatiques. Résumé: Le principe d'imagerie de diffusion (DWI) à l'IRM repose sur la mobilité des molécules d'eau dans les différents tissus. Ce «mouvement Brownien» dépend de lacellularité tissulaire , des membranes cellulaires intactes et de la vascularisation . L'augmentation de ces paramètres précités résulte en une restriction de ladiffusion moléculaire, caractérisée par un hypersignal, puis quantifié par le calcul d'un coefficient apparent de diffusion (ADC). Basée sur des séquenceséchoplanaires pondérées en T2, la technique d'acquisition est rapide et non-invasive, donc souvent intégrée à l'IRM hépatique de routine. La DWI s'est révéléetrès sensible pour la détection de tumeurs hépatiques, même à un diamètre infracentimétrique. Néanmoins, sans être très spécifique, elle ne donne pas d'information certaine sur le caractère bénin ou malin, et elle doit être interprétée avec les autres séquences d'IRM et dans le contexte clinique donné. L'informationdiagnostique résultant de la DWI est morphologique et fonctionnelle, ce qui permet d'évaluer le succès de traitements oncologiques, notamment en absence dechangement de taille ou persistance de prise de contraste des lésions hépatiques. Très sensibles aux mouvements respiratoires, la DWI hépatique peut êtreaccompagnée d'artéfacts, qui influencent le calcul de l'ADC dont la valeur dépend de la machine IRM utilisée.

Explorer le cerveau avec l'imagerie du connectome.

Objectifs: comprendre que les connections cérébrales forment un réseau structurel complexe de grande taille, comprendre que l'organisation architecturale de ce réseau définit les propriétés fonctionnelles de ce dernier, comprendre qu'il y a une interdépendance intime entre la structure et la fonction , le métabolisme, comprendre que le réseau change au cours du développement ou lors de lésions ou maladie cérébrale. Messages à retenir: le cerveau est un réseau neuronal complexe qui peut être mesurer avec l'IRM, la connectivité cérébrale est inhomogène, la connectivité structurelle détermine largement la fonction cérébrale, les réseau neuronaux se modifient au cours de la vie et dans certaines maladies cérébrales. Résumé: La "connectomique" est un domaine émergeant et prometteur des neurosciences qui utilise l'IRM de diffusion en combinaison avec des traitements algorithmiques avancés afin de mesurer les trajectoires de faisceaux de fibres et la connectivité cérébrale permettant d'étudier l'organisation de la structure du réseau neuronal cérébral dans son ensemble. Lors de ce cours nous reverrons les méthodes rendant cette cartographie possible et exposerons les techniques d'analyse utilisées pour obtenir de nouvelles informations sur l'architecture cérébrale. Nous reverrons également un certains nombre d'exemple d'applications où la connectomique offre une nouvelle manière d'analyser et de comprendre le fonctionnement du cerveau normal ou malade.

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.

Tractographie de la matière blanche orientée par a priori anatomiques et microstructurels = White matter tractography guided by anatomical and microstructural priors

Résumé : L'imagerie par résonance magnétique pondérée en diffusion est une modalité unique sensible aux mouvements microscopiques des molécules d'eau dans les tissus biologiques. Il est possible d'utiliser les caractéristiques de ce mouvement pour inférer la structure macroscopique des faisceaux de la matière blanche du cerveau. La technique, appelée tractographie, est devenue l'outil de choix pour étudier cette structure de façon non invasive. Par exemple, la tractographie est utilisée en planification neurochirurgicale et pour le suivi du développement de maladies neurodégénératives. Dans cette thèse, nous exposons certains des biais introduits lors de reconstructions par tractographie, et des méthodes sont proposées pour les réduire. D'abord, nous utilisons des connaissances anatomiques a priori pour orienter la reconstruction. Ainsi, nous montrons que l'information anatomique sur la nature des tissus permet d'estimer des faisceaux anatomiquement plausibles et de réduire les biais dans l'estimation de structures complexes de la matière blanche. Ensuite, nous utilisons des connaissances microstructurelles a priori dans la reconstruction, afin de permettre à la tractographie de suivre le mouvement des molécules d'eau non seulement le long des faisceaux, mais aussi dans des milieux microstructurels spécifiques. La tractographie peut ainsi distinguer différents faisceaux, réduire les erreurs de reconstruction et permettre l'étude de la microstructure le long de la matière blanche. Somme toute, nous montrons que l'utilisation de connaissances anatomiques et microstructurelles a priori, en tractographie, augmente l'exactitude des reconstructions de la matière blanche du cerveau.

Imagerie de diffusion (DWI) dans la caractérisation de l'échinococcose alvéolaire hépatique.

Objectifs: Etudier l'utilité de DWI dans l'échinococcose alveolaire (EA) hépatique. Matériels et méthodes: Dix-sept patients (10 hommes, âge moyen 64.3) avec 55 lésions hépatiques ont été examinés par IRM. La sémiologie des lésions a été étudiée après classification selon Kodama. Les coefficients apparent de diffusion (ADCmax, ADCmin, ADCtot) ont été mesurés. Résultats: Trois lésions de Kodama de type 1, 13 de type 2, 15 de type 3, 3 de type 4, et 21 de type 5. L'ADCtot des lésions mesurait 1.23±0.18 x 10-3 mm2/s. L'ADCtot de Kodama type 1, 2, 3, 4 et 5 mesuraient 1.97±0.27, 1.66±0.13, 1.73±0.12, 1.15±0.27 et 1.76±0.10 x 10-3 mm2/s, respectivement. Il n'y avait pas de différence significative de l'ADCtot entre les types (p=0.25) hormis le type 4 qui représente une lésion solide (p=0.035). Conclusion: Les valeurs d'ADC des lésions d'EA ne se révèlent pas utiles pour différencier les différents types selon Kodama, hormis pour le type 4 ce qui suggère la présence d'une composante solide. Celles-ci sont relativement basses comparées à d'autres lésions kystiques hépatiques, ce qui peut aider à suggérer le diagnostic.

Imagerie de diffusion hépatique : facteurs prédictifs du « T2 shine-through effect » dans l'hémangiome hépatique.

Objectifs: Déterminer la fréquence et les facteurs prédictifs de l'effet T2 shine-through (T2st) dans l'hémangiome hépatique (HH). Matériels et méthodes: Entre janvier 2010 et novembre 2011, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) du foie de 149 patients avec 400 HH a été revue rétrospectivement. Les caractéristiques lésionnelles : taille, localisation, signal et aspect en T1, T2 et diffusion, T2st, coefficient apparent de diffusion de l'HH et du foie (ADChh et ADCf) et type de rehaussement ont été évalués. Résultats: Le T2st était observé dans 53 % des HH. Sa présence était corrélée positivement avec la taille (p=0,046) et négativement avec ADChh et ADCf (p<0,0001, p=0,021). Le T2st était plus fréquent dans le lobe gauche vs droit (p=0,038), et dans les HH typiques (hypersignal T2 et rehaussement en mottes, p=0,0043). L'analyse multivariée retrouvait comme facteurs indépendants de la présence d'un T2st : ADChh et le type de rehaussement. Conclusion: Le T2st est fréquemment observé dans les HH et notamment les formes typiques. Sa présence ne remet pas en question le diagnostic dans les formes typiques.

Perfusion and diffusion MRI of glioblastoma progression in a four-year prospective temozolomide clinical trial

RESUME BUT Cette étude a été menée sur le suivi de patients traités pour un glioblastome nouvellement diagnostiqué. Son objectif a été de déterminer l'impact des séquences de perfusion et de diffusion en imagerie par résonance magnétique (IRM). Un intérêt particulier a été porté au potentiel de ces nouvelles techniques d'imagerie dans l'anticipation de la progression de la maladie. En effet, l'intervalle de temps libre de progression est une mesure alternative de pronostic fréquemment utilisée. MATERIEL ET METHODE L'étude a porté sur 41 patients participant à un essai clinique de phase II de traitement par temozolomide. Leur suivi radiologique a comporté un examen IRM dans les 21 à 28 jours après radiochimiothérapie et tous les 2 mois par la suite. L'évaluation des images s'est faite sur la base de l'évaluation de l'effet de masse ainsi que de la mesure de la taille de la lésion sur les images suivantes : T1 avec produit de contraste, T2, diffusion, perfusion. Afin de déterminer la date de progression de la maladie, les critères classiques de variation de taille adjoints aux critères cliniques habituels ont été utilisés. RESULAT 311 examens IRM ont été revus. Au moment de la progression (32 patients), une régression multivariée selon Cox a permis de déterminer deux paramètres de survie : diamètre maximal en T1 (p>0.02) et variation de taille en T2 (p<0.05). L'impact de la perfusion et de la diffusion n'a pas été démontré de manière statistiquement significative. CONCLUSION Les techniques de perfusion et de diffusion ne peuvent pas être utilisées pour anticiper la progression tumorale. Alors que la prise de décision au niveau thérapeutique est critique au moment de la progression de la maladie, l'IRM classique en T1 et en T2 reste la méthode d'imagerie de choix. De manière plus spécifique, une prise de contraste en T1 supérieure à 3 cm dans son plus grand diamètre associée à un hypersignal T2 en augmentation forment un marqueur de mauvais pronostic.

Hepatic hemangiomas : factors associated with T2 shine-through effect on diffusion-weighted MR sequences

Objectifs: Déterminer la fréquence et les facteurs prédictifs de l'effet T2 shine-through dans l'hémangiome hépatique. Matériels et méthodes: Entre janvier 2010 et novembre 2011, l'imagerie par résonance magnétique du foie de 149 patients avec 388 hémangiomes hépatiques a été revue rétrospectivement. Les caractéristiques lésionnelles: la taille, la localisation, le signal et l'aspect en T1, T2 et en diffusion, l'effet T2 shine-through, le coefficient apparent de diffusion des hémangiomes hépatiques et du foie et type de rehaussement ont été évalués. Résultats: L'effet T2 shine-through était observé dans 204/388 (52.6%) des hémangiomes hépatiques et 100 (67.1%) patients. L'ADC moyen des hémangiomas avec T2 shine-through effect était significativement plus bas que les hémangiomas sans T2 shine-through effect (2.0 +/- 0.48 vs 2.38 +/- 0.45 10"3 mm2/s, P < .0001). L'analyse multivariée retrouvait comme facteurs indépendants de la présence d'un effet T2 shine-through un hypersignal sur les images fat- suppressed T2-weighted fast spin-echo, les hémangiomes avec un rehaussement classique et retardé, et l'ADC du foie. Conclusion: Le T2 shine-through effect est fréquemment observé dans les hémangiomes hépatiques et dépend des caractéristiques lésionnelles. Sa présence ne remet pas en question le diagnostic lorsque les signes IRM typiques sont présents.

Mechanisms underlying functional recovery after in vivo focal cerebral ischemia : from preconditioning to diffusion MRI

Version abregée L'ischémie cérébrale est la troisième cause de mort dans les pays développés, et la maladie responsable des plus sérieux handicaps neurologiques. La compréhension des bases moléculaires et anatomiques de la récupération fonctionnelle après l'ischémie cérébrale est donc extrêmement importante et représente un domaine d'intérêt crucial pour la recherche fondamentale et clinique. Durant les deux dernières décennies, les chercheurs ont tenté de combattre les effets nocifs de l'ischémie cérébrale à l'aide de substances exogènes qui, bien que testées avec succès dans le domaine expérimental, ont montré un effet contradictoire dans l'application clinique. Une approche différente mais complémentaire est de stimuler des mécanismes intrinsèques de neuroprotection en utilisant le «modèle de préconditionnement» : une brève insulte protège contre des épisodes d'ischémie plus sévères à travers la stimulation de voies de signalisation endogènes qui augmentent la résistance à l'ischémie. Cette approche peut offrir des éléments importants pour clarifier les mécanismes endogènes de neuroprotection et fournir de nouvelles stratégies pour rendre les neurones et la glie plus résistants à l'attaque ischémique cérébrale. Dans un premier temps, nous avons donc étudié les mécanismes de neuroprotection intrinsèques stimulés par la thrombine, un neuroprotecteur «préconditionnant» dont on a montré, à l'aide de modèles expérimentaux in vitro et in vivo, qu'il réduit la mort neuronale. En appliquant une technique de microchirurgie pour induire une ischémie cérébrale transitoire chez la souris, nous avons montré que la thrombine peut stimuler les voies de signalisation intracellulaire médiées par MAPK et JNK par une approche moléculaire et l'analyse in vivo d'un inhibiteur spécifique de JNK (L JNK) .Nous avons également étudié l'impact de la thrombine sur la récupération fonctionnelle après une attaque et avons pu démontrer que ces mécanismes moléculaires peuvent améliorer la récupération motrice. La deuxième partie de cette étude des mécanismes de récupération après ischémie cérébrale est basée sur l'investigation des bases anatomiques de la plasticité des connections cérébrales, soit dans le modèle animal d'ischémie transitoire, soit chez l'homme. Selon des résultats précédemment publiés par divers groupes ,nous savons que des mécanismes de plasticité aboutissant à des degrés divers de récupération fonctionnelle sont mis enjeu après une lésion ischémique. Le résultat de cette réorganisation est une nouvelle architecture fonctionnelle et structurelle, qui varie individuellement selon l'anatomie de la lésion, l'âge du sujet et la chronicité de la lésion. Le succès de toute intervention thérapeutique dépendra donc de son interaction avec la nouvelle architecture anatomique. Pour cette raison, nous avons appliqué deux techniques de diffusion en résonance magnétique qui permettent de détecter les changements de microstructure cérébrale et de connexions anatomiques suite à une attaque : IRM par tenseur de diffusion (DT-IR1V) et IRM par spectre de diffusion (DSIRM). Grâce à la DT-IRM hautement sophistiquée, nous avons pu effectuer une étude de follow-up à long terme chez des souris ayant subi une ischémie cérébrale transitoire, qui a mis en évidence que les changements microstructurels dans l'infarctus ainsi que la modification des voies anatomiques sont corrélés à la récupération fonctionnelle. De plus, nous avons observé une réorganisation axonale dans des aires où l'on détecte une augmentation d'expression d'une protéine de plasticité exprimée dans le cône de croissance des axones (GAP-43). En appliquant la même technique, nous avons également effectué deux études, rétrospective et prospective, qui ont montré comment des paramètres obtenus avec DT-IRM peuvent monitorer la rapidité de récupération et mettre en évidence un changement structurel dans les voies impliquées dans les manifestations cliniques. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons décrit la manière dont la DS-IRM peut être appliquée dans le domaine expérimental et clinique pour étudier la plasticité cérébrale après ischémie. Abstract Ischemic stroke is the third leading cause of death in developed countries and the disease responsible for the most serious long-term neurological disability. Understanding molecular and anatomical basis of stroke recovery is, therefore, extremely important and represents a major field of interest for basic and clinical research. Over the past 2 decades, much attention has focused on counteracting noxious effect of the ischemic insult with exogenous substances (oxygen radical scavengers, AMPA and NMDA receptor antagonists, MMP inhibitors etc) which were successfully tested in the experimental field -but which turned out to have controversial effects in clinical trials. A different but complementary approach to address ischemia pathophysiology and treatment options is to stimulate and investigate intrinsic mechanisms of neuroprotection using the "preconditioning effect": applying a brief insult protects against subsequent prolonged and detrimental ischemic episodes, by up-regulating powerful endogenous pathways that increase resistance to injury. We believe that this approach might offer an important insight into the molecular mechanisms responsible for endogenous neuroprotection. In addition, results from preconditioning model experiment may provide new strategies for making brain cells "naturally" more resistant to ischemic injury and accelerate their rate of functional recovery. In the first part of this work, we investigated down-stream mechanisms of neuroprotection induced by thrombin, a well known neuroprotectant which has been demonstrated to reduce stroke-induced cell death in vitro and in vivo experimental models. Using microsurgery to induce transient brain ischemia in mice, we showed that thrombin can stimulate both MAPK and JNK intracellular pathways through a molecular biology approach and an in vivo analysis of a specific kinase inhibitor (L JNK1). We also studied thrombin's impact on functional recovery demonstrating that these molecular mechanisms could enhance post-stroke motor outcome. The second part of this study is based on investigating the anatomical basis underlying connectivity remodeling, leading to functional improvement after stroke. To do this, we used both a mouse model of experimental ischemia and human subjects with stroke. It is known from previous data published in literature, that the brain adapts to damage in a way that attempts to preserve motor function. The result of this reorganization is a new functional and structural architecture, which will vary from patient to patient depending on the anatomy of the damage, the biological age of the patient and the chronicity of the lesion. The success of any given therapeutic intervention will depend on how well it interacts with this new architecture. For this reason, we applied diffusion magnetic resonance techniques able to detect micro-structural and connectivity changes following an ischemic lesion: diffusion tensor MRI (DT-MRI) and diffusion spectrum MRI (DS-MRI). Using DT-MRI, we performed along-term follow up study of stroke mice which showed how diffusion changes in the stroke region and fiber tract remodeling is correlating with stroke recovery. In addition, axonal reorganization is shown in areas of increased plasticity related protein expression (GAP 43, growth axonal cone related protein). Applying the same technique, we then performed a retrospective and a prospective study in humans demonstrating how specific DTI parameters could help to monitor the speed of recovery and show longitudinal changes in damaged tracts involved in clinical symptoms. Finally, in the last part of this study we showed how DS-MRI could be applied both to experimental and human stroke and which perspectives it can open to further investigate post stroke plasticity.

Étude de la substance blanche par diffusion tensiorelle : tractographie des fibres d'association de la région temporo-pariéto-occipitale

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.