Imagerie ultrasonore ultrarapide du cerveau social

Ultrafast ultrasound imaging of the social brain

• Auteur / Autrice : Florian Laszlo
• Direction : Mickael Tanter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 06/07/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....) - Institut Langevin - Ondes et Images (UMR7587) / IL
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Dournaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mickael Tanter, Pascal Dournaud, Pierre Pouget, Jonathan Vappou, Olivier Baud, Thomas Deffieux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Pouget, Jonathan Vappou

Mots clés

Mots clés libres

Imagerie

Ultrasons

Neurosciences

Cerveau

Traitement de signal

Physique

Imaging

Ultrasound

Neuroscience

Brain

Signal processing

Physics

Résumé

L’imagerie ultrasonore est une modalité émergente d’imagerie fonctionnelle cérébrale. Depuis la première preuve de concept en 2011, de nombreux projets en préclinique ont pu être menés sur des sujets très différents tels que l’étude de pathologies (Alzheimer, schizophrénie, …), l’étude de la tonotopie chez le petit animal ou encore celle des interactions sociales.Dans ce dernier cas, il est alors nécessaire de pouvoir faire de l’imagerie éveillée ce qui induit une complexification à la fois de la génération des images et du dispositif expérimental mais aussi de leur interprétation à cause des artefacts liés au mouvement du sujet étudié. Être capable de faire de l’imagerie sans anesthésie est également crucial car cette dernière peut modifier le métabolisme.La majorité des travaux conduits durant cette thèse consiste au développement de techniques expérimentales et de méthodes numériques au service de l’imagerie neurofonctionnelle ultrasonore chez le petit animal éveillé qui en est encore à ses débuts. Les avancées proposées sont appliquées à des cas concrets en partenariat avec l’institut Pasteur (étude d’un modèle d’autisme) et l’institut de psychiatrie et neurosciences de Paris (reconnaissance sociale et environnementale). L’imagerie fonctionnelle ultrasonore du cerveau est basée sur le couplage neurovasculaire. Ce couplage permet une mesure indirecte de l’activité du cerveau en imageant les variations des flux sanguins dans les zones cérébrales stimulées. Cette réponse hémodynamique est assez lente et ne permet pas d’accéder aux phénomènes physiologiques rapides. Afin de chercher une solution à ce problème, le couplage neuromécanique, c’est-à-dire le lien entre activité cérébrale et rigidité des tissus, est étudié pour la première fois avec les ultrasons dans ce document.

Ultrasound imaging is a new emerging tool for neurofunctional imaging. Since 2011 and the first proof of concept, numerous preclinical projects were led on various topics such as pathology studies (Alzheimer and schizophrenia for instance), small animal tonotopy study or else social interactions.To study social interactions with this technique, awake imaging is needed. Awake brain functional imaging is possible in ultrasound but it comes withdifficulties not only with the image generation and the experimental setup but also with the interpretation of the results because of the movement artifacts.Being able to perform awake imaging is also very interesting as it allows to get rid of the anesthesia which is known to alter metabolism.Most of the work presented in this document consists in the development of experimental techniques and numerical methodologies to perform functionalultrasound brain imaging (fUS) in awake small animals. The leads that are proposed will be applied on concrete examples with the help of the Pasteurinstitute (study of a model of an autistic trouble) and the Paris institute for neuroscience and psychiatry (social and environmental recognition).fUS is based on the neurovascular coupling: it allows an indirect measure of brain activity by monitoring blood flow variations in the stimulated brain areas.This hemodynamic response is quite slow and thus this technique cannot depict faster transient physiological phenomena. To address this problem, theneuromechanical coupling, that is the link between cerebral activity and tissue stiffness, is investigated for the first time in ultrasound.