Une exploration multimodale permettrait d'identifier les biomarqueurs précoces du CNV permettrait de déterminer leur caractère prédictif. Chapitre (3): Dans ce chapitre, les résultats présentés montrent que l'augmentation maximale de la température était plus élevée dans le cerveau néonatal que dans le cerveau adulte. Chapitres (4 et 5): Le but principal de cette thèse était de fournir une approche multimodale du CNV et de la régulation neurovasculaire dans le cerveau du nouveau-né prématuré. Chapitre (4): Les résultats montrent que le volume sanguin cérébral régional (rCBV) et le rCMRO2 (Cerebral metabolic rate of oxygen) exercent une influence prédominante sur le débit sanguin cérébral régional (rCBF) à l'état de repos chez le prématuré. Chapitre (5): Les bouffées d'activité électroencéphalographique caractéristiques chez les nouveau-nés au repos se sont révélés couplées à une réponse hémodynamique transitoire complexes avec différents types de réponses incluant: (a) des réponses hémodynamiques stéréotypées positives (augmentations de HbO, CBF et CMRO2, diminution de HbR), (b )des réponses hémodynamiques négatives (augmentations de HbR, diminutions de HbO avec des diminutions de CBF et CMRO2), (c) des augmentations et des diminutions à la fois de HbO -HbR et de CMRO2 sans modification du CBF. Malgré des profils de réponse hémodynamique différents qui reflètent l'immaturité et la complexité des systèmes vasculaires et des réseaux neuronaux, l'établissement d'un couplage neurovasculaire a été caractérisé avec une évolution en fonction de l'âge / Neurovascular coupling (NVC) has become the key aspect for understanding brain function. A multimodal exploration would aim to identify the early NVC biomarkers and determine their predictive character. Paper (1): In this chapter, the photothermal interaction of NIR laser on human tissues were modelled in silico. The results demonstrated the safety of the noninvasive optical evaluation of the brain function and the maximum temperature increase was higher in the neonatal brain than in the adult brain. Paper (2 & 3): The main purpose of this thesis was to provide a multimodal view of the NVC and cerebrovascular regulation in the neonatal premature brain. Paper (2): Key findings included that rCBV and rCMRO2 have a predominant driving influence on rCBF at the resting-state in the preterm neonatal brain. Paper (3): The bursts of electroencephalographic activity in neonates in resting state were found to be coupled to a transient hemodynamic response involving different types of hemodynamic response including: (a) positive stereotyped hemodynamic responses (increases in HbO, decreases in HbR together with increases in CBF and CMRO2), (b) negative hemodynamic responses (increases in HbR, decreases in HbO together with decreases in CBF and CMRO2), (c) Increases and decreases in both HbO-HbR and CMRO2 together with no changes in CBF. The establishment of neurovascular coupling system was observed as a function of age. High coherence was observed between the cerebral hemodynamic (vascular) and electrical (neuronal) oscillations which was less in the non-encephalopathic newborns than in the two pathological groups

L'immobilisation assise chronique provoque de nombreuses adaptations des systèmes musculaire, cardiorespiratoire et ostéoarticulaire. Cette situation entraîne la personne dans « la spirale du déconditionnement». La stase sanguine liée à la position assise augmente les risques de développer des maladies cardiovasculaires d'origine périphérique. Les dispositifs médicaux accessibles aux personnes dépendantes d'un fauteuil roulant sont rares et souvent inadaptés à une utilisation autonome au domicile. La première partie de ce travail, menée en collaboration avec la société DCO Engineering, a permis la mise au point d'un ergocycle motorisé (R-go dom) à la suite du développement d'un modèle théorique et d'une analyse cinématique. Ce dispositif est accessible depuis un fauteuil roulant et compatible avec les possibilités articulaires de cette population. La deuxième partie de ce travail a consisté à évaluer l'intérêt thérapeutique de l'exercice de pédalage passif sur le système cardiovasculaire périphérique. Une première étude a montré chez des sujets paraplégiques dépendant d'un fauteuil roulant (n=15) qu'un exercice de pédalage passif aigu entraîne une augmentation du flux sanguin (+30%) et une diminution des résistances au niveau de l'artère fémorale. Une seconde étude a mis en évidence la faisabilité et les adaptations cardiovasculaires périphériques, induites par 6 semaines d'entraînement en pédalage passif réalisées au domicile de sujets paraplégiques (n=14). Enfin, les sujets neurologiques représentant une part importante de la population dépendante d'un fauteuil roulant, nous avons évalué l'impact de cet exercice sur la spasticité musculaire par l'intermédiaire d'une méthode biomécanique: le pendulum test. En conclusion, cette technique de mobilisation peut s'inscrire dans le cadre d'une auto-rééducation au domicile en complément des soins habituellement prodigués.

Notre laboratoire a récemment développé une méthode d'imagerie bi-photonique de phosphorescence en profondeur, pour mesurer la Po2 in vivo, avec une résolution micrométrique dans le cerveau de rongeurs anesthésiés (Parpaleix et al. 2013). Le laboratoire a également fait l'observation que la valeur de la Po2 à mi-distance entre deux érythrocytes d'un capillaire, rapporte indirectement la Po2 dans le tissu voisin. Mon projet de thèse a été de mettre au point une approche permettant de mesurer la Po2 cérébrale chez l'animal éveillé non-stressé. Pour ce faire, j'ai développé une approche chirurgicale permettant d'observer en microscopie bi-photonique, le bulbe olfactif et le cortex somato-sensoriel de souris éveillées. J'ai ensuite mis au point une technique d'entrainement permettant à ces souris d'être maintenues en contention en l'absence de stress. La première partie de mon travail, menée dans la couche glomérulaire, a permis de déterminer une Po2 érythrocytaire de 60.6 mm Hg et une Po2 tissulaire de 23 mm Hg, un flux érythrocytaire moyen de 30.6 cellules/s et un hématocrite moyen de 34.6 %.Dans un deuxième temps, j'ai reproduit ces mesures dans le cortex somato-sensoriel et observé des différences régionales touchant la Po2 tissulaire moyenne et les paramètres vasculaires, tels l'hématocrite et le flux érythrocytaire. Enfin, j'ai analysé combien l'anesthésie change l'état d'oxygénation cérébrale. Mes données, obtenues dans des conditions vraiment physiologiques, permettront d'améliorer les modèles de diffusion de l'oxygène, ainsi que l'analyse quantitative du métabolisme cérébral et l'interprétation de la nature des signaux mesurés en imagerie cérébrale humaine. / Two-photon phosphorescence lifetime microscopy allows depth-resolved micron-scale measurements of oxygen partial pressure (Po2) in the brain. The spatiotemporal resolution of these measurements has shown that the portion of capillary plasma in the vicinity of red blood cells (RBCs) has a higher Po2(Po2RBC) than that distant from RBCs(Po2InterRBC). Our group has shown that Po2InterRBC equilibrates with neuropil Po2 and can thus be used to non-invasively measure tissue Po2 (Parpaleix et al., 2013). The relevance of reported high-resolution Po2 values remains uncertain as measurements have only been performed during anaesthesia, which affects both neuronal activity and cerebral blood flow, and thus brain Po2.I measured Po2 at rest, in the awake, unstressed mouse in two brain regions, the olfactory bulb glomerular layer (GL) and the somatosensory cortex. The first section of my research, conducted in the GL, produced the first measurements of blood flow and Po2 parameters in the cerebral microvasculature in physiological conditions. I determined mean Po2 levels of values of 60.6 mmHg for Po2RBC, 23 mmHg for tissue Po2. In the cortex Po2 values show differences between the superficial layers. Furthermore the relationships of RBC Po2 and tissue Po2 to the blood flow parameters differed between the cortical layers, and also in comparison to the olfactory bulb GL.I compared both vascular and tissue Po2 between the awake and anaesthetised states, and observed that anaesthetics can dramatically change Po2 at the microvascular scale. This finding emphasises the importance of measuring these values in the physiologically normal brain.

Cette thèse porte sur l’étude de la séquence d’imagerie IRM IVIM (« Intravoxel incoherent motion »). Cette séquence permet l’étude des microvaisseaux sanguins tels que les capillaires, artérioles et veinules. Pour être sensible seulement aux groupes de spins non statiques dans les tissus, des gradients de diffusion sont ajoutés avant et après l’impulsion 180° d’une séquence d’écho de spin. La composante du signal correspondant aux spins qui diffusent dans le tissu peut être séparée de celle des spins en mouvement dans les vaisseaux sanguins qui est appelée signal IVIM. Ces deux composantes sont pondérées par f IVIM qui représente la fraction volumique du sang à l’intérieur du tissu. Le signal IVIM est en général modélisé par une fonction mono-exponentielle (ME) caractérisée par un coefficient de pseudo-diffusion D*. Nous proposons un modèle IVIM bi-exponentiel formé d’une composante lente caractérisée F slow et D* slow qui correspondrait aux capillaires comme dans le modèle ME, et d’une composante rapide caractérisée par F fast et D* fast qui correspondrait à des vaisseaux plus gros comme des artérioles et veinules. Ce modèle a été validé expérimentalement et des informations supplémentaires ont été obtenues en comparant les signaux expérimentaux avec un dictionnaire de signaux IVIM simulés numériquement. L’influence de la séquence d’impulsions, du temps de répétition et du temps d’encodage de diffusion a également été étudiée. Enfin, la séquence IVIM a été appliquée à l’étude d’un modèle animal de la maladie d’Alzheimer. / This PhD thesis is centered on the study of the IVIM (“Intravoxel Incoherent Motion”) MRI sequence. This sequence allows for the study of the blood microvasculature such as the capillaries, arterioles and venules. To be sensitive only to moving groups of spins, diffusion gradients are added before and after the 180° pulse of a spin echo (SE) sequence. The signal component corresponding to spins diffusing in the tissue can be separated from the one related to spins travelling in the blood vessels which is called the IVIM signal. These two components are weighted by f IVIM which represents the volume fraction of blood inside the tissue. The IVIM signal is usually modelled by a mono-exponential (ME) function and characterized by a pseudo-diffusion coefficient, D*. We propose instead a bi-exponential IVIM model consisting of a slow pool, characterized by F slow and D* slow corresponding to the capillaries as in the ME model, and a fast pool, characterized by F fast and D* fast, related to larger vessels such as medium-size arterioles and venules. This model was validated experimentally and more information was retrieved by comparing the experimental signals to a dictionary of simulated IVIM signals. The influence of the pulse sequence, the repetition time and the diffusion encoding time was also studied. Finally, the IVIM sequence was applied to the study of an animal model of Alzheimer’s disease.

La mesure et le contrôle du pouls et du flux sanguin en continu sont d'importants paramètres pour l'évaluation de signes essentiels physiologiques sur la condition de santé d'un individu. Les dispositifs commerciaux existants, ainsi que les méthodes de recherche ou utilisées dans le milieu médical exigent un bon contact électrique ou optique pour obtenir cette mesure en continu. Pendant ces travaux de recherche, une méthode originale non invasive de mesure du rythme cardiaque fondée sur la perturbation localisée d'un champ magnétique au passage du flux sanguin a été développée, permettant l'acquisition des signaux à travers les vêtements, la transpiration, les salissures ou autres polluants dans l'environnement proche du capteur. Cette méthode est appelée la Signature Sanguine par Modulation Magnétique (MMSB) et les mesures ont été accomplies sur de multiples individus. Le système a été modélisé mathématiquement et simulé dans un environnement multiphysique, puis validé par l'utilisation des données expérimentales. Les résultats de mesure, en utilisant la méthode MMSB, pour le pouls et le flux sanguin ont été comparés et se trouvent bien corrélés, avec les résultats obtenus grâce à d'autres instruments. De plus, deux dispositifs ont été développés et sont en cours de commercialisation, pour des applications de vie quotidienne / Continuous pulse rate, blood pressure and blood flow monitoring are important for the assessment of physiological vital signs as these are able to provide continuous feedback on the health condition of an individual. Existing commercial, medical and research methods to continuously acquire such these physiological vital signs require good electrical or optical contact. During this research, a magnetic based sensing method, at room temperature, for blood pulse, flow and pressure is developed to achieve data acquisition through fabric, environmental contaminants and body-fluids. This method is named Modulated Magnetic Signature of Blood (MMSB) and physical measurements were conducted on multiple subjects, mathematically modelled and simulated in a multi-physics environment with verification through use of measurement data. Measurement results, using MMSB, for blood pressure and blood flow were compared, and found to be well correlated, with lifestyle device and medical research instruments respectively. In addition, two devices are developed, and are in the midst of commercialization, to support lifestyle applications

Nous présentons dans ce manuscrit une technique d’imagerie basée sur l’holographie numérique. Elle permet d’imager en 3D et dans le temps la circulation sanguine chez une larve de poisson-zèbre. L’information 3D est acquise en une seule image de la caméra, ce qui permet de suivre le mouvement des globules rouges dans le système vasculaire. Nous évoquerons dans un premier temps les techniques de bio-imagerie et d’imagerie du flux sanguin traditionnelles, puis nous rappellerons les principes de l’holographie. Ensuite, nous décrirons la méthode d’imagerie que nous avons développée et les résultats expérimentaux obtenus. Nous compléterons, en présentant les différentes améliorations que nous avons apportées à la technique. Enfin, nous discuterons brièvement de l’application du compressed sensing à l’imagerie de la circulation sanguine dans le poisson-zèbre. / In this manuscript, we present an imaging technique based on digital holography.It enables to image in 3D and in time the blood circulation in a zebrafish larva. The 3D information is acquired in a single frame of the camera, which makes possible to track the movement of red blood cells in the vascular system. We will first discuss the traditional techniques of bio and blood flow imaging, then we will remind the principles of holography. Afterwards, we will describe the imaging method we developed and the experimental results obtained. We will then present the improvements that have been made to the technique. Finally, we will briefly discuss the application of the compressed sensing to the blood flow imaging in zebrafish.

La mesure et le contrôle du pouls et du flux sanguin en continu sont d'importants paramètres pour l'évaluation de signes essentiels physiologiques sur la condition de santé d'un individu. Les dispositifs commerciaux existants, ainsi que les méthodes de recherche ou utilisées dans le milieu médical exigent un bon contact électrique ou optique pour obtenir cette mesure en continu. Pendant ces travaux de recherche, une méthode originale non invasive de mesure du rythme cardiaque fondée sur la perturbation localisée d'un champ magnétique au passage du flux sanguin a été développée, permettant l'acquisition des signaux à travers les vêtements, la transpiration, les salissures ou autres polluants dans l'environnement proche du capteur. Cette méthode est appelée la Signature Sanguine par Modulation Magnétique (MMSB) et les mesures ont été accomplies sur de multiples individus. Le système a été modélisé mathématiquement et simulé dans un environnement multiphysique, puis validé par l'utilisation des données expérimentales. Les résultats de mesure, en utilisant la méthode MMSB, pour le pouls et le flux sanguin ont été comparés et se trouvent bien corrélés, avec les résultats obtenus grâce à d'autres instruments. De plus, deux dispositifs ont été développés et sont en cours de commercialisation, pour des applications de vie quotidienne

Les interactions cellule-cellule et cellule-matrice extracellulaire (MEC) sont cruciales pour entretenir la cohésion tissulaire. Ces deux types d'adhésions sont fonctionnellement interconnectés par un dialogue permanent qui met en jeu des voies de signalisation convergentes régulant notamment l'architecture et la contractilité du cytosquelette d'acto-myosine sous-jacent. Ce dialogue permet d'établir un équilibre de forces intracellulaires en réponse à la tension appliquée par le milieu extérieur. L'endothélium des vaisseaux sanguins est un tissu soumis à des conditions mécaniques particulières. En plus des compressions intercellulaires subies par tout épithélium, les cellules endothéliales (CEs) doivent également subir et résister aux forces hémodynamiques du flux sanguin et à la rigidité de la lame basale – deux signaux mécaniques agissant de part et d'autre de l'endothélium. Les Cerebral Cavernous Maformations (CCM) ou encore angiomes caverneux sont des lésions vasculaires hémorragiques d'origine génétique qui se développent au niveau des capillaires du système nerveux central et qui se caractérisent par des défauts dans l'environnement proche des CEs. La perte des jonctions intercellulaires et du recouvrement par les cellules murales, l'organisation aberrante de la membrane basale aussi que la stagnation du flux sanguin sont les caractéristiques des CCM. C'est pourquoi nous avons choisi cette pathologie comme modèle intéressant de mécanotransduction mettant en jeu le dialogue entre les intégrines et les cadhérines. En effet, les trois gènes indifféremment mutés dans cette pathologie codent pour des protéines, CCM1-3, qui s'associent en un complexe ternaire et qui sont reconnues comme des acteurs importants de la régulation des jonctions adhérentes. Des études moléculaires et protéomiques montrant que le complexe CCM interagit avec la protéine ICAP-1, un régulateur négatif de l'intégrine β1, nous ont conduit à formuler l'hypothèse selon laquelle ce complexe jouerait un rôle pivot dans la signalisation croisée entre ces intégrines et cadhérines. Les études effectuées pendant ma thèse ont démontré que les protéines CCM régulent l'homéostasie tensionnelle médiée par les structures d'adhérence intercellulaires et à la MEC par leur action inhibitrice sur l'intégrine β1 et en controlant une balance d'activité entre les deux isoformes de ROCK, ROCK1 et ROCK2. Nous avons montré que, suite à la perte des protéines CCMs, la suractivation de l'intégrine β1 augmente la sensibilité des CEs aux signaux mécaniques comme la rigidité de la MEC ou les forces hémodynamiques du flux sanguin. Il en résulte une suractivation de la contractilité cellulaire dépendante de ROCK1 déclenchant une boucle de rétrocontrôle mécanique conduisant à l'amplification des tensions intra- et extracellulaire et brisant ainsi l'homéostasie tensionnelle pour favoriser le phénotype malin. / Cell-cell or cell-matrix interactions have crucial roles in the maintenance of the physical cohesion of any tissue. In addition, growing body of evidence indicates that these two adhesion systems do not act independently, but rather are functionally interconnected by a permanent crosstalk. This dialog usually operates via common molecules that trigger convergent signaling as well as by actomyosin network which, by providing physical link, contributes to establishment of intracellular force counterbalancing tension applied by extracellular surrounding. Blood vessels endothelium is a particular tissue in term of mechanical conditions. Apart from intracellular compression, endothelial lining needs to resist hemodynamic forces as well as rigidity of the basal membrane - two mechanical inputs acting from opposite sides of the endothelial layer. Cerebral Cavernous Malformation (CCM) is a sporadically acquired or inherited disease of venous capillaries within neuro-vascular unit characterized by defects in all aspects of local microenvironment. Loss of intra-endothelial junctions and mural cell coverage, aberrant organization of basal lamina as well as stagnant blood flow are features of CCM lesions. Thereby, CCM became for us an interesting model to study mechanotrasduction process and in this context, the cross-talk between integrin and cadherin mediated adhesion structures. Indeed, CCM proteins are well recognized players involved in a control of VE-cadherin mediated intracellular junctions. In addition, CCM1 was found to interact with ICAP-1, a negative regulator of β1 integrin, raising the possibility that this complex most likely acts as molecular node regulating β1 integrin/ VE-cadherin convergent signaling pathways.Studies performed during this thesis have demonstrated that CCM complex coordinates cadherin- and integrin-mediated tensional homeostasis by repressing β1 integrin activation and maintaining a balance of activity between the two isoforms of RhoA-associated kinases ROCK1 and ROCK2. We have found that β1 integrin sustained over-activation upon CCM proteins loss contributes to increased ECs sensitivity to mechanical cues, such as ECM physical reorganization or hemodynamic force that in turn activates ROCK1-dependent contractility. This establishes a positive feedback mechanical loop that breaks tensional homeostasis and switches on the malignant phenotype.

Le couplage neuro-vasculaire est un domaine grandissant. Ce dernier étudie les effets de l’activité cérébrale sur le comportement du flux sanguin cérébral (cerebral blood flow, CBF) et sur le flux des vaisseaux sanguins. Avec l’aide de l’imagerie par résonance magnétique (IRM), il est possible d’obtenir des images comme les images pondérées par susceptibilité (susceptibility weighted imaging, SWI) pour voir les veines ou bien avec des images de temps de vol par angiographie (time-of-flight magnetic resonance angiography, TOF MRA) pour imager les artères. Ces images permettent d’avoir une représentation structurelle des vaisseaux dans le cerveau. Ce mémoire présente une méthode permettant la segmentation des vaisseaux sanguins à partir d’images structurelles afin d’en extraire les caractéristiques. En utilisant le masque de segmentation, il est possible de calculer le diamètre des vaisseaux ainsi que leur longueur. Avec l’aide de tels outils de segmentation automatique, nous avons conduit une étude permettant d’analyser le comportement des vaisseaux sanguins lors d’activités neuronales. Grâce à une stimulation visuelle, nous avons fait l’acquisition de deux images; la première dite au repos et la seconde avec stimulation. Nous avons pu comparer le diamètre dans chacune des images et ainsi obtenir la vasodilatation en millimètre, mais également en pourcentage, et cela pour chaque voxel. Nous avons également calculé la distance entre le site d’activation et un voxel pour observer l’amplitude de la vasodilatation en fonction de la distance. Tout ceci permet d’avoir une meilleure compréhension du système vasculaire du cerveau humain. / Abstract : The neurovascular coupling is a growing field; it studies the effects of cerebral activity on the behaviour of cerebral blood flow (CBF) and the blood vessels themselves. With the help of magnetic resonance imaging (MRI), it is possible to obtain images such as susceptibility weighted imaging (SWI) to see the veins or time-of-flight magnetic resonance angiography (TOF MRA) to visualize the arteries. These images allow having a structural representation of vessels in the brain. This thesis presents a method to segment blood vessels from structural images and extract their features. Using the segmentation mask, it is possible to calculate the diameter of the vessels as well as their length. With the help of such automatic segmentation tools, we conducted a study to analyze the behaviour of blood vessels during neuronal activities. Due to visual stimulation, we have acquired two images; one at rest and the other with stimulation. We compare the diameter in each of the images and obtain vasodilation in millimeters, but also as a percentage in each voxel. We also calculated the distance between the activation site and each voxel to see the magnitude of the vasodilation function of the distance. All this provides a better understanding of the vascular system of the human brain.

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée. / Clinical diagnosis of cardiovascular disease is dominated by colour-Doppler ultrasound despite its limitations: angle-dependent velocity measurements and low frame-rate from conventional focusing. Two studies, varying in their approach, address these limitations using plane-wave imaging, post-processed with the delay-and-sum and autocorrelation methods. The aim of this study is to re-implement these methods, investigating some parameters which affect blood velocity estimation accuracy using 2D vector-Doppler. Through in vitro experimentation on stationary parabolic flow, using a Verasonics system, four parameters were tested on mapping accuracy: number of tilts per orientation, ensemble length for single titled images, cycles per transmit pulse, and orientation angle at various flow-rates. The optimal estimates were found for 7 compounded tilts per image, oriented at ±15° with 6 cycles per pulse. Reconstruction accuracies were comparable to conventional Doppler; however, maintaining frame-rates more than 10 to 20 times faster, allowing better characterization of fast transient events requiring higher temporal resolution.