Après avoir longtemps ignoré le domaine des émotions, la neuropsychologie clinique reconnait aujourd’hui son intrication avec le domaine cognitif et son importance dans le suivi des patients cérébrolésés, chez lesquels des difficultés à reconnaître les émotions perturbent la qualité des échanges interpersonnels et la cognition sociale. Cette thèse porte sur la reconnaissance de cinq émotions de base (joie, peur, colère, tristesse, dégoût) et d’une expression neutre dans deux groupes de patients, avec gliome de bas grade et après accident vasculaire cérébral. L’évaluation recourt à deux modalités non verbales visuelles et auditives et une condition intermodale. Pour mieux comprendre le fonctionnement émotionnel des patients avec gliome, nous avons analysé les compétences émotionnelles de trois d’entre eux. Les résultats de nos recherches objectivent des difficultés modérées de reconnaissance des émotions en modalités visuelle et auditive pour les deux populations avec des déficits plus discrets chez les patients avec gliome de bas grade que chez les patients après accident vasculaire cérébral. Ces résultats confirment la pertinence de la théorie d’organisation hodotopique du cerveau pour les processus émotionnels comme pour les autres domaines cognitifs. Le bénéfice comportemental constaté pour les deux groupes en présentation intermodale ne suffit cependant pas toujours à normaliser les résultats, ce qui implique de probables répercussions quotidiennes. Ce travail souligne l’importance de l’évaluation des émotions non seulement reconnues, mais aussi ressenties, dans le suivi des patients cérébrolésés, notamment ceux qui souffrent de tumeurs d’évolution lente. / Emotional domain was ignored for a long time, but today clinical neuropsychology acknowledges its overlapping with the cognitive domain and its importance in the follow-up of brain-damage patients, where difficulties in emotion recognition reduce the quality of interpersonal interactions and social cognition. The present thesis focuses on the recognition of five basic emotions (happiness, fear, anger, sadness, disgust) and of a neutral expression in two groups of patients with low-grade gliomas and post-stroke. The experimental protocol, which requires visual and auditory non-verbal processing, also includes a crossmodal condition. Three case studies of patients with gliomas allow us to refine our understanding of their emotional functioning. Our results show moderate visual and auditory difficulties in emotion recognition for both groups, with lower deficits in the glioma group than in the post-stroke group. These results confirm the relevance of a hodotopical view of the brain for emotional processes as in other cognitive domains. However, the behavioral benefit of crossmodal presentation observed in both groups is not sufficient to sustain normal results, which is likely to impact daily life. We highlight the necessity of evaluating emotion recognition as well as emotion experience in brain damage patients, in particular when they suffer from slowly infiltrating tumours.

Les éléments LINE-1 (L1) sont une classe abondante de rétrotransposons représentant 17% du génome humain. La région 5’UTR des sous-familles les plus récentes (L1PA1 à 6) contient un promoteur bidirectionnel contenant non seulement un promoteur sens interne mais aussi un promoteur antisens, nommé ASP. Dans les cellules normales, l’un des mécanismes impliqués dans la régulation du promoteur de L1 est la méthylation ADN. Dans les tumeurs, une hypométhylation globale affectant notamment les L1 est observée. Il a été mis en évidence que cette hypométhylation pouvait induire la transcription, à partir de l’ASP, de transcrits chimères ou LCT (L1 Chimeric Transcript). Ces LCT sont composés en 5’ de la séquence L1 et se poursuivent dans la région génomique adjacente. Afin d’étudier l’impact pangénomique de cette dérégulation et son implication dans les processus tumoraux, un outil bio-informatique dédié, nommé CLIFinder, a été développé pour identifier dans des données de RNA-seq paired-end orientés des LCT putatifs. Les RNA-seq de 13 gliomes, qui sont les cancers du cerveau les plus fréquents chez l’adulte, et de 3 tissus cérébraux contrôles ont été étudiés. CLIFinder identifie 2675 chimères dans les gliomes dont 84% impliquent des L1 récents (PA1 à 7) pleine taille supposés posséder un ASP fonctionnel et 50% sont détectées spécifiquement dans les échantillons tumoraux. 78 chimères correspondent à des LCT déjà décrits dans la littérature. De même, l’étude de RNA-seq d’autres types tumoraux (lignée MCF7 et métastases ovariennes) par CLIFinder identifie des chimères en commun suggérant une récurrence de certaines d’entre elles. L’étude d’un groupe de chimères par marche en 5’ par RT-PCR valide que 89% (56/63) des chimères impliquant des L1 récents (L1PA1 à PA7) sont initiées dans la région de l’ASP et correspondent à des LCT alors que toutes les chimères testées impliquant des L1PA8 sont initiées en amont de cette région. Des études de RT-qPCR sur une cohorte plus large de 51 gliomes montrent que les 56 LCT testés, incluant des LCT spécifiques de tumeurs, sont exprimés non seulement dans les tumeurs mais aussi dans les contrôles. Par contre, 70% des LCT spécifiques de tumeurs, montrent alors une surexpression tumorale significative. Ces résultats suggèrent donc une transcription basale provenant de l’ASP dans les tissus normaux et que la dérégulation transcriptionnelle liées aux LCT dans les gliomes passe par une surexpression. Par ailleurs, afin de déterminer le ou les mécanismes sous-jacents impliqués dans l’augmentation de l’activité transcriptionnelle de l’ASP, deux hypothèses ont été testées. La première implique l’hypométhylation du promoteur de L1. Toutefois mes résultats tendent à réfuter cette hypothèse puisqu’aucune diminution de la méthylation ADN n’est retrouvée au niveau de la région promotrice des L1 impliqués dans la transcription de LCT surexprimés. Par contre, les gènes associés à des LCT dont l’expression est dérégulée en contexte tumoral présentent une dérégulation dans le même sens que celle du LCT. De plus, les variations d’expression de gènes corrèlent systématiquement avec celle des LCT correspondants. Ceci suggère qu’une augmentation d’activité transcriptionnelle aux loci des LCT serait responsable de la surexpression de ceux-ci. Enfin 2 LCT candidats surexprimés et ayant un potentiel de biomarqueur prédictif de la survie des patients, pourraient jouer un rôle fonctionnel dans l’initiation, la progression et/ou l’agressivité tumorale. En conclusion, mes travaux ont validé que CLIFinder se positionne comme un outil pertinent permettant d’identifier, de façon pangénomique, les LCT exprimés dans différents types tumoraux à partir de données de RNA-seq paired-end orientées. L’observation d’une récurrence ainsi que d’une surexpression tumorale de certains LCT suggère qu’ils pourraient jouer un rôle fonctionnel dans les processus de tumorigenèse. / LINE-1 (L1) is the most abundant class of retrotransposons which represents 17% of the human genome. The 5’ region of the youngest L1 sub-families (L1PA1 to 6) contains a bidirectional promoter consisting, in addition to the internal sense promoter, of an antisense promoter, called ASP. In normal cells, the main defense mechanism, developed to counteract the deleterious effect of L1 activity, consists in L1 promoter DNA methylation. A hallmark of cancer genomes consists in a global DNA hypomethylation which affects especially L1 promoters. In tumors, evidences suggest that this hypomethylation could result in transcription from ASP of aberrant L1-Chimeric Transcripts (LCTs) composed of L1 5’end and its adjacent sequence. To investigate the pangenomic extent of this transcriptional deregulation and its impact in tumoral processes, a dedicated bioinformatic tool, CLIFinder, was designed to select putative LCTs among RNA-seq oriented paired-end reads. RNA-seq analyses of 13 gliomas, which are the most common brain cancer in adults, and 3 control brains were performed.CLIFinder identifies 2675 chimeras in gliomas, among which 84% involves recent L1 (PA1 to 7) full size, supposed to possess a functional ASP, and 50% are detected specifically in tumors samples. 78 chimeras correspond to LCT already described in literature. In addition, study of additional RNA-seq data from other tumor types (MCF7 and ovarian metastasis) by CLIFinder identifies common chimeras suggesting that some of them can be recurrent. The analysis of a group of chimeras by 5’ walk RT-PCR validate that 89% (56/63) of chimeras implying recent L1 (L1PA1 to 7) are initiated at the ASP region and therefore correspond to LCT; whereas all tested chimeras implying an L1PA8 element are transcribed from an upstream region. RT-qPCR studies on a larger cohort of 51 gliomas show that all 56 tested LCT, even identified by CLIFinder as “tumor specific”, are not only expressed in tumors but also in controls. Nevertheless, 70% of the “tumor specific” LCTs are significantly overexpressed in tumors. My results suggest that, even L1 5’ UTR methylation, some ASP are active in normal tissues and lead to a basal LCT expression in normal tissues. Moreover, a transcriptional deregulation linked to LCTs in tumors exists and implies a LCTs’ overexpression.In order to determine the underlying mechanisms involved in the increase of transcriptional activity of ASP, two hypothesis were tested. The first one implies L1 promoter hypomethylation. My results tend to refute this hypothesis because no decrease of the DNA methylation is found at the promoter region of L1 linked to overexpressed LCTs. On the other hand, the genes associated to LCT presenting an expression deregulation in tumors demonstrate a deregulation in the same way. Moreover, gene expression variations correlates systematically with the one corresponding LCTs. This suggests that an increase of transcriptional activity at the LCTs loci would be responsible of their overexpression. Finally, 2 candidate LCT overexpressed and presenting as potential predictive biomarkers for patient’s survival, could play a functional role in initiation, progression and/or the tumoral aggressiveness.In conclusion, my work has validated CLIFinder as a useful tool to identify, at pangenomic level, LCTs expressed in different tumor types from paired-end stranded RNA-seq data. The observation of the recurrence and tumoral overexpression for some LCTs suggests that they may play a functional role in tumoral processes.

L’épidémiologie et les facteurs de risque des gliomes diffus de bas grade (GDBG, ou gliomes diffus de grade II OMS) sont à ce jour mal connus. Ce travail de thèse s’est intéressé à décrire les caractéristiques épidémiologiques (taux d’incidence, données démographiques) et à rechercher, dans la littérature et par nos travaux, des arguments en faveur de facteurs de risque environnementaux, fonctionnels et moléculaires. Epidémiologie descriptive : l’analyse d’une série exhaustive de cas incidents de GDBG diagnostiqués entre 2006 et 2011, à l’échelle nationale, a permis de déterminer l’incidence des GDBG dans leur ensemble (incidence standardisée sur la population française : 0,775/105 personnes-années) et pour chacun de leurs sous-types histologiques définis par la classification 2007 de l’OMS. Facteurs de risque environnementaux : nous avons pu mettre en évidence des différences significatives dans la distribution géographique des gliomes diffus de grade II et III OMS en France métropolitaine, avec une incidence plus élevée dans le Nord-Est et le centre de la France. Cette hétérogénéité semble en faveur de facteurs de risque environnementaux, même s’il n’existe à ce jour aucun facteur de risque environnemental démontré dans les GDBG. Facteurs de risque biologiques : notre travail a permis de démontrer l’existence d’une dichotomie sur le plan moléculaire entre les GDBG de topographie frontale, plus fréquemment mutés IDH et codélétés 1p19q, et les GDBG temporo-insulaires, moins fréquemment mutés IDH et codélétés 1p19q, suggérant des voies de gliomagénèse différentes pour ces deux patterns tumoraux. Facteurs de risque fonctionnels : enfin, comme le montrent les données de la littérature, il existe deux arguments principaux en faveur de facteurs de risque fonctionnels dans les GDBG. D’une part, ces tumeurs présentent des localisations intracérébrales spécifiques et distinctes des autres gliomes, et impliquent préférentiellement les zones dites « fonctionnelles ». D’autre part, des modifications macroscopiques cérébrales ont été rapportées en lien avec l’apprentissage d’une tâche ou une expertise particulière. Les mécanismes microscopiques qui sous-tendent ces modifications sont encore incertains mais une implication (directe ou indirecte) des cellules gliales, semble probable, ce qui pourrait faire le lit de la gliomagénèse. Peu d’études se sont intéressées jusqu’à présent aux corrélations entre les activités du sujet et le risque de GDBG, et nous proposons donc, dans les suites de ce travail de thèse, une étude cas-témoins en ce sens. En conclusion, même s’il n’existe à ce jour aucun facteur de risque démontré de GDBG, certains éléments bibliographiques, et les travaux de cette thèse, suggèrent l’implication de facteurs environnementaux, fonctionnels et biologiques dans la genèse des GDBG. / The epidemiology and risks factors of diffuse low-grade gliomas (DLGG, or WHO grade II diffuse gliomas) are yet poorly known. This thesis aimed at describing the epidemiology (incidence rates, demographic data) and at looking for arguments in favor of environmental, functional and molecular risk factors, in the literature and by our works. Descriptive epidemiology: The analysis of an exhaustive series of incident cases of DLGG diagnosed between 2006 and 2011 allowed the determination of DLGG incidence (incidence rate standardized on the French population: 0,775/105 person-years) as well as that of each histological subtype described by the 2007 WHO classification. Environmental risk factors: We were able to demonstrate significant differences in the geographical distribution of WHO grade II and III diffuse gliomas in metropolitan France, with higher incidence rates in the North-East and Center regions. This heterogeneity stands in favor of environmental risk factors, even though there is to date no proven environmental risk factor for DLGG. Biological risk factors: Our work demonstrated the existence of a clear dichotomy, regarding molecular biology, between frontal DLGG, more frequently IDH-mutated and 1p19q codeleted, and temporo-insular tumors, less frequently IDH-mutated and 1p19q codeleted, suggesting different gliomagenesis pathways for these two patterns of tumors. Functional risk factors: Finally, data from the literature provide two main arguments in favor of the existence of functional risk factors in DLGG. First, the intra-cerebral location of these tumors is specific and distinct from that of other gliomas, with a preferential implication of “functional” areas. Second, macroscopic intra-cerebral changes have been reported following training on specific tasks, or in relation with a specific expertise. The microscopic mechanisms that underlie these modifications are uncertain but an implication (direct or indirect) of glial cells seems probable, and could favor gliomagenesis. To date, only few studies have investigated the correlation between the subject’s activity and the risk of DLGG. We thus propose, following this thesis, a case-control study to further investigate this issue. In conclusion, even though there is no demonstrated risk factor for DLGG, data from the literature, and conclusions from the present work, suggest the implication of environmental, functional and biological factors in DLGG genesis.

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2015-01-07T16:11:01Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-01-07T16:11:01Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP / FAPESP:11/12405-0

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2015-01-07T16:11:01Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-01-07T16:11:01Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A imagem molecular oferece a perspectiva de detectar doenças bem antes de os sintomas surgirem. A vasculatura tumoral é vital no crescimento do tumor e na disseminação de metástases, sendo assim alguns radiofármacos são dirigidos para a angiogênese. O glioma, tumor cerebral de baixa incidência porém alta mortalidade, requer um diagnóstico precoce para favorecimento da abordagem terapêutica. O objetivo desse estudo foi o desenvolvimento de novo radiofármaco para diagnóstico por imagem de glioma, baseado em peptídeos angiogênicos (GX1 e GX1-RGD) marcados com o radioisótopo tecnécio-99m. O desempenho dos conjugados peptídicos mostraram-se bastante parecidos em diversas avaliações. Eles foram radiomarcados com alta pureza radioquímica (>96%) e estáveis em soro até pelo menos 4h. Ambos são hidrofílicos e com baixa ligação às proteínas plasmáticas. A biodistribuição em animais sadios demonstrou alta excreção renal e depuração sanguínea rápida para ambos os radiotraçadores. Nos estudos in vitro, o 99mTc-HYNIC-PEG4-c(GX1) apresentou picos de ligação aos 60 min e o 99mTc-HYNIC-E-[c(RGDfk)-c(GX1)]) aos 120 min, nas células endoteliais HUVEC, usadas como controle, e nas células tumorais das linhagens U87MG e T98G. A captação tumoral nos animais foi mais acentuada para células U87MG, especialmente para o 99mTc-HYNIC-E-[c(RGDfk)-c(GX1)]) (2,87 ± 0,53% DI/g) aos 60 min p.i., com boa visualização em imagens adquiridas por gama-câmara e micro-SPECT/CT. Estudos realizados com os peptídeos conjugados à nanopartículas magnéticas para visualização em ressonância magnética também demonstraram especificidade dos produtos em tecidos tumorais. O desempenho do 99mTc-HYNIC-E-[c(RGDfk)-c(GX1)]) foi superior que o do traçador GX1, quanto à captação no glioma humano, podendo ser considerado como um promissor radiofármaco para diagnóstico de gliomas. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP / FAPESP:11/12405-0

Les gliomes sont des tumeurs qui seforment par prolifération anormale de cellules dansle tissu cérébral. La dangerosité de ces tumeursréside dans le fait que la plupart des gliomes sontinvasifs : les cellules tumorales migrent dans le tissusain autour de la tumeur. Ces cellules tumoralesisolées provoquent des récidives quasi systématiquesaprès traitement (chirurgie, chimiothérapie,radiothérapie), rendant ces tumeurs incurablesactuellement et conduisant au décès du patient. Il estimportant d'associer des études fondamentales pourmieux comprendre leur évolution dès l'origine et desétudes plus appliquées en développant de nouveauxsubstrats pour reproduire in vitro leur évolution. Lescellules progénitrices des oligodendrocytes (OPC)représentent la plus grande population de cellules enprolifération et la plus largement distribuée dans lecerveau adulte, ce qui en fait un suspect idéal del’origine des gliomes. A partir de donnéesexpérimentales de la littérature sur la dynamique invivo de ces cellules, un modèle mathématiquereproduisant cette dynamique dans un tissu sain a étédéveloppé.Ce modèle montre également que les OPC pourraientêtre à l’origine de toutes les formes de gliomerencontrées aussi bien de bas grade que de hautgrade. Par ailleurs, l’approche expérimentale utiliséevisait à développer un substrat de culture cellulaireadapté à l’étude des gliomes in vitro. Ainsi, unhydrogel biocompatible, minimaliste et contrôlable aété élaboré. Celui-ci mime l’élasticité de la matriceextracellulaire (MEC) cérébrale avec une rigidité del’ordre de 200 Pa et l’effet adhésif des molécules dela MEC impliqué dans l’adhésion et la proliférationdes cellules tumorales. Grâce à ses propriétés,l’hydrogel favorise la survie de près de 90% desmodèles cellulaires de gliome utilisés dans notreétude et supporte la croissance en trois dimensionsd’agrégats multicellulaires semblables à lamorphologie de micro-tumeurs in vivo. Le modèled’hydrogel est donc validé pour favoriser la viabilitéet la prolifération cellulaires. Les perspectives detravail futures porteront sur l'optimisation de sacomposition pour mimer de manière encore plusréaliste la croissance tumorale in vivo. / Gliomas are brain tumors arising fromanomalous cell proliferation into the brain tissue.The hazard of these tumors resides in their invasiveability : tumor cells migrate into the healthy tissuesurrounding the tumor. These isolated cells causequasi systematic recurrences after treatment(surgery, chemotherapy, radiotherapy) making thesetumors currently incurable and leading to patientdeath. Hence, it is important to associatefundamental studies for better understanding of theirevolution from their origin with more appliedstudies developing new substrates for reproducingtheir evolution in vitro. Oligodendrocyte progenitorcells (OPC) are the most widely spread proliferatingpopulation in the adult brain, which makes them themain suspect of causing gliomas origin. Fromexperimental data in the literature about in vivodynamic of OPC, a mathematical model that depictsthis dynamic into a healthy tissue has beendeveloped.This model also shows that OPC could be at theorigin of all glioma forms from low to high grade.Furthermore, the experimental approach used aimedat designing a cell culture substrate adapted toglioma studies in vitro. Thus, a biocompatible,minimalistic and controllable hydrogel has beenperformed. It mimics brain extracellular matrix(ECM) elasticity around 200 Pa and the adhesiveeffect of ECM molecules involved in tumor celladhesion and proliferation. Due to these properties,the hydrogel contributes to around 90% of gliomacell models survival used in our study and promotesmulticellular aggregates growth in three dimensionsthat look like in vivo microtumors morphology. Thishydrogel model is thus validated for cell viabilityand proliferation. Future works will be devoted tothe optimization of its composition for bettermimicking of tumor growth in vivo in a morerealistic manner.

Glioblastoma multiforme (GBM) is a destructive brain cancer that results in death 12 to 15 months after diagnosis. The purpose of this retrospective study was to determine if variations in tumor size at diagnosis, treatment options, and survival rate occur in GBM patients living in urban and rural areas of the United States. Using the behavior model of health services as the theoretical framework, this study used secondary data sets of GBM cases reported from 1988 to 2011 from the Surveillance, Epidemiology, and End Results program. Tumor size was measured in millimeters; treatment was evaluated by ascertaining the number of GBM patients who had surgical resection of their tumors, radiation, and chemotherapy; and survival rate was evaluated using Cox Regression analysis. With a sample size of 33,202 cases, data were examined using descriptive and multivariable analyses with SPSS. Results showed statistically significant differences in tumor size at diagnosis in rural patients compared to urban patients (p = 0.0085; p = 0.018), more urban patients were treated with radiation compared to rural patients (p < 0.001), and rural patients had poorer survival rates than urban patients (p < 0.001). Finally, when controlling for region, race, age, gender, education, and income, longer survival time was associated with urban status, female cases, and higher family income (p < 0.0001), and greater age was associated with reduced survival time (p < 0.0001). Study results could promote positive social change by identifying predictive variables associated with health outcomes of GBM patients. It may also educate providers on the risk of rurality of patients diagnosed with GBM, and inform lawmakers responsible for the creation of healthcare policy and the equitable allocation of healthcare resources.

[pt] Gliomas estão entre os tumores cerebrais malignos mais comuns. Eles podem ser classificados entre gliomas de baixo e alto grau e sua identificação precoce é fundamental para o direcionamento do tratamento aplicado. Utilizando uma abordagem radiomics, o presente trabalho propõe o uso de índices de biodiversidade e de diversidade filogenética, definidos no campo da biologia, no problema de classificação de gliomas. O método proposto apresentou resultados promissores, com AUC-ROC (area under the ROC curve), acurácia, sensibilidade e especificidade de 0,951, 0,930, 0,967 e 0,827, respectivamente. / [en] Gliomas are among the most common malignant brain tumors. They can be classified into low-grade and high-grade gliomas and their early identification is crucial for treatment direction. Using a radiomics approach, the present work proposes the use of biodiversity and phylogenetic diversity biology indices to handle the glioma classification problem. The proposed method presented promising results, with AUC-ROC (area under the ROC curve), accuracy, sensitivity and specificity of 0,951, 0,930, 0,967 and 0,827, respectively.

La grande quantité de données issues des l'imagerie médicale contribue au succès des méthodes supervisées pour l'annotation sémantique des images. Notre étude porte sur la détection de lésions cérébrales dans les images par résonance magnétique (IRMs) en utilisant un outil générique et efficace: les forêts aléatoires. Trois contributions majeures se distinguent. D'abord, la segmentation des lésions cérébrales, essentielle pour établir diagnostics, pronostics et le traitement. La conception d'une forêt aléatoire intégrant le contexte spatial cible particulièrement la segmentation automatique de lésions de sclérose en plaques et des gliomes dans les IRMs. La méthode intègre l'information multi-séquences des IRMs, les atlas de répartition des tissus. Deuxième contribution : l'estimation de la densité de cellules tumorales à partir des IRMs. Une méthode de couplage de modèles génératifs et discriminatifs est conçue pour apprendre la densité de cellules tumorales latente à partir de modélisations associées à des images synthétiques. Le modèle génératif est un simulateur bio-physiologique de croissance tumorale en libre accès. Le modèle discriminatif est une forêt aléatoire pour la régression multi-variée de la densité de cellules tumorales à partir des IRMs. Enfin, nous présentons les “forêts aléatoires spatialement adaptables” regroupant les avantages des approches multi-échelles avec ceux de forêts aléatoires, avec une application aux scénarios de classification et de segmentation précédemment cités. Une évaluation quantitative des méthodes proposées sur des bases de données annotées et librement accessibles démontre des résultats comparables à l'état de l'art. / The large size of the datasets produced by medical imaging protocols contributes to the success of supervised discriminative methods for semantic labelling of images. Our study makes use of a general and efficient emerging framework, discriminative random forests, for the detection of brain lesions in multi-modal magnetic resonance images (MRIs). The contribution is three-fold. First, we focus on segmentation of brain lesions which is an essential task to diagnosis, prognosis and therapy planning. A context-aware random forest is designed for the automatic multi-class segmentation of MS lesions, low grade and high grade gliomas in MR images. It uses multi-channel MRIs, prior knowledge on tissue classes, symmetrical and long-range spatial context to discriminate lesions from background. Then, we investigate the promising perspective of estimating the brain tumor cell density from MRIs. A generative-discriminative framework is presented to learn the latent and clinically unavailable tumor cell density from model-based estimations associated with synthetic MRIs. The generative model is a validated and publicly available biophysiological tumor growth simulator. The discriminative model builds on multi-variate regression random forests to estimate the voxel-wise distribution of tumor cell density from input MRIs. Finally, we present the “Spatially Adaptive Random Forests” which merge the benefits of multi-scale and random forest methods and apply it to previously cited classification and regression settings. Quantitative evaluation of the proposed methods are carried out on publicly available labeled datasets and demonstrate state of the art performance.

Ziel der Untersuchungen war es, neue Strategien zu entwickeln, die zu einer Verbesserung der MR-Diagnostik von Gliomen führen. Im Vordergrund des Interesses stand dabei die MR-Charakterisierung von experimentellen Gliomen mittels superparamagnetischer Eisenoxide, wobei MION ("Monocrystalline-Iron-Oxide-Nanopartikel") als Modellsubstanz für einen Großteil der Untersuchungen benutzt wurde. In Experimenten zur Blut-Hirn-Schranke (BHS) wurde gezeigt, dass normales Hirngewebe jenseits der BHS mit Eisenoxiden erreicht werden kann, wenn artifiziell die BHS zuvor hyperosmotisch durch Mannitol-Infusion temporär geöffnet wurde. Neben der intrazellulären Aufnahme in Astrozyten werden Eisenoxide nach erfolgter BHS-Öffnung in signifikant höherem Maße von aktivierter Mikroglia phagozytiert. Nach selektiver Öffnung der BHS durch Bradykinin-Injektion in die A. carotis interna lässt sich selektiv der Transport von Eisenoxiden in das Gliomzentrum vergrößern. Am experimentellen Gliommodell ließ sich zeigen, dass intravenöse MION-Gabe zu einem charakteristischen ringförmigen Erscheinungsbild in der MRT der großen Tumoren führt: Die histologischen Untersuchungen bei mehreren Gliomarten (C6 und 9L) zeigen eindeutig die Phagozytose von Eisenpartikeln durch Gliomzellen selbst. Verglichen mit der Eisenoxid-Aufnahme in die Gliomzelle ist die Phagozytose der Eisenpartikel durch ortsständige Mikrogliazellen und Blutmakrophagen jedoch signifikant größer. Die intrazelluläre Aufnahme von MION durch Tumorzellen lies sich in Zellkulturexperimenten an verschiedenen Gliom- (C6, 9L) und Karzinom-Zelllinien (LX-1) bestätigen. In vitro konnte gezeigt werden dass die Konjugation von Transferrin (Tf) an eine Eisenoxidverbindung zu einer verstärkten intrazelluläre Aufnahme verglichen mit unkonjugiertem Verbindungen führt. Die Untersuchungen zur Bildgebung der Tumorvaskularisation von experimentellen Gliomen ergaben, dass durch die kombinatorische Anwendung eines kleinmolekularen und eines großmolekularen Markers mit anschließender einfacher Bildsubtraktion die vaskulären und interstitiellen Volumenfraktionen (VVF, IVF) ermittelt werden können. Auch die alleinige Injektion der noch experimentellen Blut-Pool-Marker MPEG-Pl-GdDTPA und Gadomer-17 ermöglicht im Tiermodell die quantitative Bestimmung sowohl des vaskulären Volumens (CBV) als auch der Permeabilität (P). Bei den Eisenoxiden verfälschen deren starke Suszeptibilitätseffekte die quantitative Bestimmung von Blutflussdaten, auch die Quantifizierung der Gefäßpermeabilität ist mit diesen Verbindungen mittels dynanischer MRT nicht möglich. / The aim of the studies was to develop new strategies for improving magnetic resonance imaging (MRI) of gliomas. In the majority of experiments the focus was on the characterization of experimental gliomas after administration of superparamagnetic iron oxides using MION (Monocrystalline Iron Oxide Nanoparticles) as a model compound. Experiments on the blood-brain barrier (BBB) demonstrated that iron oxides reach normal brain tissue beyond the BBB after their artificial, transient hyperosmotic opening by mannitol infusion. Upon opening of the BBB, iron oxides not only show intracellular uptake by astrocytes but are also phagocytosed in significantly higher amounts by activated microglia. Selective opening of the BBB by bradykinin injection into the internal carotid artery specifically increases the transport of iron oxides into the center of gliomas. Using an experimental glioma model, it was shown that intravenous administration of MION produces a characteristic ring enhancement of large tumors on MR images. Histologic studies of different types of gliomas (C6 and 9L) unequivocally demonstrated that iron oxide particles were phagocytosed by the glioma cells themselves. However, iron oxide uptake by glioma cells is significantly less pronounced compared to the phagocytosis of iron oxide particles by local microglial cells and blood macrophages. The incorporation of MION by tumor cells was confirmed in cell culture experiments using different glioma (C6, 9L) and carcinoma cell lines (LX-1). In vitro studies showed that conjugation of transferrin to an iron oxide compound enhanced intracellular uptake compared to unconjugated compounds. The imaging studies investigating tumor vascularization in experimental gliomas demonstrated that the combined use of a small-molecular and a large-molecular marker and simple image subtraction allow for determining vascular and interstitial volume fractions (VVF, IVF). Furthermore, injection of the blood pool markers MPEG-P1-Gd-DTPA and gadomer-17 alone likewise enables quantitative determination of both vascular volume (CBV) and permeability (P) in the animal model. Iron oxide particles, on the other hand, have pronounced susceptibility effects, which impair the quantitative determination of blood flow data. Nor do the particles allow for quantifying vascular permeability by dynamic MR imaging.