Functional ultrasound imaging (fUSi) to assess brain function in physiological and pathological conditions : application to stroke

par Clément Brunner

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Jean-Claude Baron.

Soutenue le 19-12-2016

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) .

Le président du jury était Isabelle Loubinoux.

Le jury était composé de Jean-Claude Baron, Isabelle Loubinoux, Omar Touzani, Emmanuel Barbier, Olivier Bergis, Luis Villanueva.

Les rapporteurs étaient Omar Touzani, Emmanuel Barbier.

  • Titre traduit

    Imagerie fonctionnelle par ultrason pour évaluer les fonction cérébrales en conditions physiologique et pathologique : application à l'AVC


  • Résumé

    Depuis le milieu du XXème siècle, les techniques d’imagerie fonctionnelles ont un rôle grandissant dans notre compréhension sur les fonctions du cerveau en conditions physiologique et pathologique. Bien que l’IRMf fasse partie des techniques les plus communément utilisées pour l’imagerie du cerveau complet lors d’études préclinique et clinique, cette modalité souffre de sa résolution spatiotemporelle et sa sensibilité pour enregistrer finement les fonctions et activités cérébrales. Récemment l’imagerie fonctionnelle par ultrason (ifUS) a subi des développements permettant d’être complémentaires à l’IRMf ainsi qu’aux autres techniques d’imagerie cérébrales classiquement employées. Contrairement aux ultrasons focalisés conventionnels, l’imagerie hémodynamique proposé par l’ifUS repose sur une illumination ultrasonore plane permettant la détection des globules rouges en mouvement et la mesure de leur vitesse dans les micro-vaisseaux cérébraux. De ce fait, l’ifUS est indirectement lié à l’activité cérébrale d’où l’importance d’une meilleure compréhension des mécanismes du couplage neuro-vasculaire liant l’activité neuronale et les variations cérébrales d’apport en sang. De plus, cette technique a le potentiel pour fournir des informations précises sur les processus de certaines pathologies à la fois sur des modèles précliniques et chez l’homme. Dans un premier temps, j’exposerais mes travaux sur les récents développements techniques permettant l’ifUS in vivo (i) en condition chronique, (ii) sur l’animal éveillé, libre de mouvement et effectuant une tache comportementale et (iii) des vaisseaux capillaires chez le rongeur et l’homme. Dans un second temps, je démontrerais que l’ifUS in vivo peut fournir des informations nouvelles sur des pathologies telles que l’accident vasculaire cérébrale.


  • Résumé

    Since the middle of the 20th century, functional imaging technologies are making an increasing impact on our understanding on brain functions in both physiological and pathological conditions. Even if fMRI is nowadays one of the most used tool for whole brain imaging in pre-clinical and clinical studies, it lacks sufficient spatiotemporal resolution and sensitivity to assess fine brain function and activity. Functional ultrasound imaging (fUSi) has been recently developed and presents a potential to complement fMRI and other existing brain imaging modalities. Contrary to conventional ultrasound using focus beams, fUSi relies on hemodynamic imaging based on ultrasound plane-wave illumination to detect red blood cells movement and velocity in brain micro-vessels. Consequently, the fUSi signal is indirectly related to brain activity and it is therefore important to better understand the mechanisms of the neurovascular coupling linking neural activity and cerebral blood changes. Here again, fUSi may provide relevant information about disease processes in preclinical models but also in humans. First, I will present recent technical developments allowing in vivo fUSi (i) in chronic condition, (ii) in freely moving and behaving rats and (iii) in rodents and human brain capillaries. Second, I will demonstrate how fUSi could provide new insights in brain pathologies such as stroke.


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