Evaluation of microstructural alterations in the human brain and in experimental models with diffusion-weighted magnetic resonance spectroscopy

par Guglielmo Genovese

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Stéphane Lehéricy et de Francesca Branzoli.

Le président du jury était Yves Samson.

Le jury était composé de Nadja Van Camp, Julien Valette.

Les rapporteurs étaient Luisa Ciobanu, Jean-Philippe Ranjeva.

  • Titre traduit

    Evaluation des altérations microstructurales dans le cerveau humain et dans des modèles expérimentaux avec spectroscopie par résonance magnétique à pondération diffuse


  • Résumé

    La spectroscopie pondérée en diffusion (DW-MRS) est un outil unique pour étudier la microstructure cérébrale, grâce à la compartimentation spécifique des métabolites dans les différents types de cellules cérébrales. Dans cette thèse, on a étudié la DW-MRS de plusieurs manières complémentaires afin de pouvoir appliquer cette technique à des études cliniques: optimisation du pipeline d’acquisition et de l’analyse des données, reproductibilité des mesures de diffusion et validation histologique des métriques de DW-MRS comme marqueurs potentiellement utiles des altérations de la microstructure liées aux maladies du cerveau. La thèse est composée de trois parties. Dans la première partie, on propose une optimisation de l'acquisition pour les expériences DW-MRS chez l'homme, et une évaluation de la faisabilité d'une séquence DW-semi-LASER pour des études cliniques à 3 T. Dans la deuxième partie, on s’est concentrés sur la validation des métriques de DW-MRS par des mesures histologiques dans deux modèles murins de myélopathie. Une forte corrélation a été trouvée entre la diffusivité du mIns et la fraction de la surface des astrocytes, confirmant l'hypothèse selon laquelle la diffusivité du mIns peut être utilisée comme marqueur de l'hypertrophie des astrocytes au cours du processus inflammatoire. Dans la dernière partie, on a étudié l'évolution longitudinale des altérations axonales et gliales après un AVC dans le cerveau humain. On a observé la présence d’une inflammation à cause de la réactivité gliale environ un mois après l’AVC et de la réactivité astrocytaire jusqu’à environ trois mois après l’AVC.


  • Résumé

    Diffusion-weighted magnetic resonance spectroscopy (DW-MRS) is a unique tool to investigate brain microstructure in a cell-specific manner, while neglecting phenomena related to the extracellular environment. In this thesis, we studied DW-MRS in several complementary ways in order to be able to apply this technique in later clinical studies: optimization of the acquisition pipeline and data analysis, reproducibility of the diffusion measures, and histological validation of the DW-MRS metrics as potential useful markers of brain diseases-related microstructural alterations. The thesis is composed of three parts. In the first part, we propose an optimization of the acquisition and of the post-processing procedures for single-voxel DW-MRS experiments in humans, and an evaluation of the feasibility of a DW-semi-LASER sequence for clinical studies at 3 T. Power calculations for the metabolite diffusion measures were reported in order to provide useful information for designing case-control studies in patients with brain diseases. In the second part, we focused on validating DW-MRS metrics using histological measures in two different mouse models of myelinopathy. A strong correlation was found between mIns diffusivity and the astrocyte area fraction confirming the hypothesis that mIns diffusivity can be used as a marker of astrocyte hypertrophy during the inflammatory process. In the last part, we studied the longitudinal evolution of axonal and glial alterations after ischemic stroke in the human brain. We observed the presence of inflammation due to glial reactivity about one month after ischemic stroke and astrocytic reactivity up to about three months after the ischemic stroke.


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