Imagerie fonctionnelle par ultrasons de la rétine et des fonctions visuelles cérébrales

Functional ultrasound imaging of the retina and visual function

• Auteur / Autrice : Marc Gesnik
• Direction : Mickael Tanter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/11/2017
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....) - Institut Langevin ondes et images
• 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 : Laurence Bourgeais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mickael Tanter, Ryad Benosman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefan Catheline, Daniel Pressnitzer

Mots clés

Mots clés libres

Ultrasons

Imagerie fonctionelle

Vision

Ultrasound

Functional imaging

Vision

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur les récents progrès de l’imagerie fonctionnelle par ultrasons et ses nouvelles applications en ophtalmologie. Dans le cadre d’un projet mêlant physique des ondes, imagerie, neurosciences et ophtalmologie, nous avons appliqué cette technologie à l’imagerie du système visuel et à l’étude préclinique de thérapies le ciblant. Au cours de ce projet, nous avons accompagné nos études précliniques de progrès constants dans notre imagerie.Un dispositif permettant l’imagerie du cerveau en 3 dimensions a été conçu. Cette imagerie a été réalisée en temps réel, ou à une fréquence ultrasonore de 30 MHz grâce au procédé d’entrelacement. Grâce à une connaissance a priori de l’architecture vasculaire cérébrale et de l’effet Doppler, il est possible de réaliser une décomposition spectrale des écoulements sanguins cérébraux selon leurs vitesses et de leurs orientations.Ceci a permis une étude des fonctions visuelles du rat et du primate non-humain. Nous avons imagé la rétine du primate en Doppler de puissance, mais sa forte mobilité en fait un organe délicat à imager en imagerie fonctionnelle. En revanche, nous avons réalisé une imagerie fonctionnelle de la rétine de rat à 30 MHz. Nous avons caractérisé en détail le système visuel cérébral de ce rongeur. Nous avons mis en évidence ses principales structures et redémontré leurs caractéristiques les plus connues, comme leur organisation rétinotopique ou leur différence de temps de réponse neurovasculaire à un stimulus. Des animaux traités par des thérapies de restauration visuelle a été imagée. La première imagerie de primates non-humains anesthésiés puis éveillés et exécutant une tâche comportementale, et la détection de variations de flux sanguins dues à des erreurs uniques ont été réalisées. Enfin, une étude préclinique aiguë et une étude chronique de traitements ayant des effets neurovasculaires ont été menées grâce au suivi du flux sanguin par nos procédés.

This thesis focuses on recent improvements in the functional ultrasound imaging (fUS) technique and their applications in the field of ophthalmology. Within the framework of a synergetic project blending waves physics, medical imaging, neuroscience and ophthalmology, fUS was shown to be capable of imaging and studying the visual system of healthy and diseased animals for the purpose of preclinical studies. To tackle these issues, constant upgrades in the fUS technique had to support the preclinical studies.An experimental set-up was built to image the visual pathway in three dimensions with fUS. Using a new imaging facility, fUS was proven to be feasible in real time and at high ultrasound frequencies such as 30 MHz. Interleaved sampling had to be implemented in that case. Furthermore, the a priori knowledge of the vascular cerebral architecture and the Doppler Effect were exploited to spectrally decompose cerebral blood flux and vessels according to their velocities and orientations.Leveraging these improvements, functional ultrasound imaging of rats and non-human primates was performed. Primate retina was imaged with Power Doppler, but proved to be too mobile to be functionally imaged. However, fUS has been performed on rat retina after 30 MHz fUS imaging had been implemented. The rat visual pathway has then been characterised with fUS. Some of its known features where highlighted such as its retinotopic organisation or the time response differences between some of its structures. The same set-up has been leveraged to map the cerebral activity of animal that underwent visual restauration therapies. These tools were then used to map cerebral activity in anesthetized and awake and behaving monkeys. Unique blood volume variations due to unique mistakes were detected. These tools were finally applied to two preclinical trials on a depressive state of the brain vascular contractility. Blood volume and blood velocity changes were highlighted throughout an acute and a chronical study.