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 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.

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.

The multisensory attentional consequences of tool use: a functional magnetic resonance imaging study

Background: Tool use in humans requires that multisensory information is integrated across different locations, from objects seen to be distant from the hand, but felt indirectly at the hand via the tool. We tested the hypothesis that using a simple tool to perceive vibrotactile stimuli results in the enhanced processing of visual stimuli presented at the distal, functional part of the tool. Such a finding would be consistent with a shift of spatial attention to the location where the tool is used. Methodology/Principal Findings: We tested this hypothesis by scanning healthy human participants' brains using functional magnetic resonance imaging, while they used a simple tool to discriminate between target vibrations, accompanied by congruent or incongruent visual distractors, on the same or opposite side to the tool. The attentional hypothesis was supported: BOLD response in occipital cortex, particularly in the right hemisphere lingual gyrus, varied significantly as a function of tool position, increasing contralaterally, and decreasing ipsilaterally to the tool. Furthermore, these modulations occurred despite the fact that participants were repeatedly instructed to ignore the visual stimuli, to respond only to the vibrotactile stimuli, and to maintain visual fixation centrally. In addition, the magnitude of multisensory (visual-vibrotactile) interactions in participants' behavioural responses significantly predicted the BOLD response in occipital cortical areas that were also modulated as a function of both visual stimulus position and tool position. Conclusions/Significance: These results show that using a simple tool to locate and to perceive vibrotactile stimuli is accompanied by a shift of spatial attention to the location where the functional part of the tool is used, resulting in enhanced processing of visual stimuli at that location, and decreased processing at other locations. This was most clearly observed in the right hemisphere lingual gyrus. Such modulations of visual processing may reflect the functional importance of visuospatial information during human tool use

Towards a model-based integration of co-registered electroencephalography/functional magnetic resonance imaging data with realistic neural population meshes

Brain activity can be measured with several non-invasive neuroimaging modalities, but each modality has inherent limitations with respect to resolution, contrast and interpretability. It is hoped that multimodal integration will address these limitations by using the complementary features of already available data. However, purely statistical integration can prove problematic owing to the disparate signal sources. As an alternative, we propose here an advanced neural population model implemented on an anatomically sound cortical mesh with freely adjustable connectivity, which features proper signal expression through a realistic head model for the electroencephalogram (EEG), as well as a haemodynamic model for functional magnetic resonance imaging based on blood oxygen level dependent contrast (fMRI BOLD). It hence allows simultaneous and realistic predictions of EEG and fMRI BOLD from the same underlying model of neural activity. As proof of principle, we investigate here the influence on simulated brain activity of strengthening visual connectivity. In the future we plan to fit multimodal data with this neural population model. This promises novel, model-based insights into the brain's activity in sleep, rest and task conditions.

Analysis of diffusion tensor magnetic resonance imaging data using principal component analysis

An analysis method for diffusion tensor (DT) magnetic resonance imaging data is described, which, contrary to the standard method (multivariate fitting), does not require a specific functional model for diffusion-weighted (DW) signals. The method uses principal component analysis (PCA) under the assumption of a single fibre per pixel. PCA and the standard method were compared using simulations and human brain data. The two methods were equivalent in determining fibre orientation. PCA-derived fractional anisotropy and DT relative anisotropy had similar signal-to-noise ratio (SNR) and dependence on fibre shape. PCA-derived mean diffusivity had similar SNR to the respective DT scalar, and it depended on fibre anisotropy. Appropriate scaling of the PCA measures resulted in very good agreement between PCA and DT maps. In conclusion, the assumption of a specific functional model for DW signals is not necessary for characterization of anisotropic diffusion in a single fibre.