IRM de diffusion et quantitative à très haut champ et forts gradients pour l’exploration de la connectivité, de la cytoarchitecture, et de la myéloarchitecture du cerveau de l'animal à l'homme à l'échelle mésoscopique

Ultra-high field diffusion and quantitative MRI with strong gradients to explore the connectivity, cytoarchitecture and myeloarchitecture of animal and human brains at the mesoscale

• Auteur / Autrice : Raïssa Yebga Hot
• Direction : Cyril Poupon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imagerie et physique médicale
• Date : Soutenance le 03/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Building large instruments for neuroimaging: from population imaging to ultra-high magnetic fields (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Thierry Delzescaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Jouvent, Yaniv Assaf, Samuel Sarrazin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Jouvent, Yaniv Assaf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Connectivité structurelle (neurosciences)

Caille japonaise

Cortex cérébral

Cartographie cérébrale

Tractographie

Imagerie du tenseur de diffusion

Imagerie par résonance magnétique à très haut champ

Mots clés libres

Neuroimagerie

IRM à très haut champ

IRM quantitative

IRM de diffusion

Microstructure du cortex cérébral

Connectivité structurelle

Neuroimaging

Ultra-high field MRI

Quantitative MRI

Diffusion MRI

Cerebral cortex microstructure

Structural connectivity

Résumé

La neuroimagerie fait face à deux grands défis: cartographier le connectome du cerveau humain et comprendre l’organisation cellulaire des aires corticales reliant les connexions cérébrales. Des limites méthodologiques et technologiques font encore obstacle à la production de cartes à haute résolution dépassant la résolution millimétrique in vivo. L’utilisation conjointe de très hauts champs magnétiques (>7T) et de gradients puissants (>300mT/m) permet de dépasser ces limites. Cette thèse a pour but d’explorer cette piste et de démontrer qu’il est possible d’obtenir des cartographies de résolution mésoscopique à partir de cerveaux scannés ex vivo aussi bien chez l’animal que chez l’homme. Les appareils d’IRM cliniques étant encore dépourvus de cette double technologie, la stratégie adoptée a donc reposé sur l’utilisation de deux imageurs précliniques à 7T et 11,7T, équipés de puissants gradients à 440mT/m et 780mT/m respectivement. Ils ont permis de produire des cartographies du cerveau à l’échelle mésoscopique dans le cadre de trois études complémentaires. Le développement de protocoles dédiés incluant des séquences d’imagerie anatomique, pondérées en diffusion et quantitatives a permis de cartographier les structures cérébrales les plus fines, d’en étudier la connectivité structurelle, et d’en caractériser la cytoarchitecture et la myéloarchitecture. Ces travaux ont nécessité le développement de chaînes de traitement spécifiques pour reconstruire et analyser les cartographies ciblées. Les connectivités structurelles liées aux circuits socio-émotionnels d’animaux d’élevage et sauvages ont d’abord été étudiées à partir de protocoles comprenant des séquences IRM pondérées en T₂ et en diffusion. La première des espèces étudiées fut la caille japonaise, un oiseau d’élevage dont le caractère émotionnel peut être caractérisé par sa réponse spécifique face à des situations de peur appelée immobilité tonique. Une cohorte de 21 sujets a été formée pour valider l’hypothèse que sa propension à exprimer la peur se reflète dans son connectome. L’étude menée en collaboration avec l’INRAE Val de Loire (Nouzilly, France) portait sur deux lignées: les cailles à courte (STI) et longue (LTI) immobilités toniques. Les données de diffusion ont permis d’établir un premier atlas de connectivité structurelle de la caille japonaise qui a révélé l’existence de différences structurelles entre les deux lignées au niveau de plusieurs faisceaux de fibres dont certains participant au circuit socio-émotionnel. La deuxième étude portait sur l’exploration des cerveaux de 8 animaux sauvages provenant du ZooParc de Beauval (Saint-Aignan, France). Leurs cartes de connectivité structurelle ont été générées et l’étiquetage des faisceaux de substance blanche impliqués dans leurs circuits socio-émotionnels a été réalisé. Ces deux premières études ont été des tremplins pour l’acquisition de données mésoscopiques sur un cerveau humain scanné ex vivo, afin d’en cartographier sa connectivité intracorticale. L’étude du cortex cérébral humain in vivo visant l’échelle mésoscopique reste ardue mais prometteuse pour mieux comprendre les pathologies cérébrales associées aux lésions du cortex, qu’elles soient neurodégénératives, psychiatriques ou neurodéveloppementales. Pour cette étude ex vivo, un cerveau humain entier a été mis à disposition par le CHU de Bretonneau (Tours, France) après son extraction et sa fixation. Après avoir été découpé en 13 blocs de taille compatible avec le diamètre du tunnel des IRM précliniques, ce cerveau a pu être scanné avec un protocole incluant de nombreuses séquences d’IRM anatomique, de diffusion (11,7T) et quantitative (7T). Deux campagnes d’acquisition IRM ont pu être menées en parallèle pendant 2 ans. Dans le cadre de ce travail de thèse, une étude visant à la caractérisation fine du ruban cortical a été conduite après reconstruction du puzzle complet, dont l’objectif principal visait la segmentation des couches corticales le constituant.

Mapping the structural connectome and probing the cytoarchitecture of the cortical areas involved in cerebral connections are two of the greatest challenges that face the neuroimaging community. Methodological and technological issues still stand in the way of producing high-resolution maps, namely below the millimeter scale, on living subjects. Ultra-high magnetic fields (>7T) and powerful gradient sets (>300mT/m) are potent tools related to MRI that can overcome these hurdles. This thesis has the purpose of mapping human and non-human brains postmortem based on the combined use of the cited tools. Since clinical MRI systems do not offer this combination yet, the chosen approach was to scan brain samples with two preclinical systems (7T and 11.7T) equipped with strong gradients (440mT/m and 780mT/m) that enabled to produce cartographies at the mesoscopic scale in the frame of three complementary studies. Anatomical MRI, diffusion MRI (dMRI) and quantitative MRI (qMRI) as well as the brain fixation process were instrumental in these studies to finely map cerebral structures and connections, and collect cytoarchitectural and myeloarchitectural information as well. Dedicated post-processing pipelines were developed to map and analyze the substantial amount of data. The structural connectivities related to the socio-emotional circuits of breeding and wildlife animals were firstly investigated using T₂-weighted MRI and dMRI protocols. The breeding species was the Japanese quail, a bird which emotionality trait can be characterized through its specific response facing fearful situations called tonic immobility. A cohort of 21 subjects was formed to validate if its propensity to express fearfulness is reflected in its connectome. The study, in collaboration with INRAE Val de Loire (Nouzilly, France), consisted in investigating two lines of Japanese quails: the short (STI) and the long tonic immobility (LTI) lines. The 200-micron dMRI dataset led to a first structural connectivity atlas of the Japanese quail which revealed the existence of structural differences between the connectivity patterns characterizing the two lines. Then, 8 wildlife animals that lived in the ZooParc de Beauval (Saint-Aignan, France) were scanned at a submillimeter resolution. Their structural connectivity maps were generated and the labeling of the white matter bundles involved in their socio-emotional circuits was done. These two studies were stepping stones in observing the structural intracortical connectivity of the human cerebral cortex. The investigation of the human cerebral cortex at the mesoscale remains challenging but promising to better understand psychiatric, neurodegenerative and neurodevelopmental pathologies associated with cortex damage. In this ex vivo study, an entire human brain was provided by the Bretonneau University Hospital (Tours, France) after its extraction and fixation. The MRI dataset stems from two acquisition campaigns performed at 7T for qMRI and at 11.7T for anatomical MRI and dMRI, which lasted 2 years. The human brain sample was cut into 13 blocks in order to fit in the tunnels of the preclinical MRI scanners. For this thesis, the 200-micron qMRI and dMRI dataset enabled an automatic segmentation of the cortical layers inferred from MRI-based information. This segmentation aimed at better understanding the cytoarchitecture and myeloarchitecture of the human cerebral cortex.