Encore aujourd’hui, l’électroencéphalogramme (EEG) reste la seule modalité permettant d’étudier facilement l’activité neuronale. Toutefois, l’interprétation de l’enregistrement EEG est un processus essentiellement qualitatif, ce qui limite grandement son utilisation clinique. Bien que certaines mesures aient été conçues pour évaluer quantitativement les modulations d’amplitude du signal EEG, leur grande variabilité empêche l’établissement de critères qui en permettraient une utilisation clinique. Par exemple, la désynchronisation liée à un évènement (DLE), une mesure reflétant l’activation corticale lors d’une tâche, pourrait être utilisée pour investiguer de nombreuses pathologies neuropsychiatriques et être intégrée au développement d’interface neuronale directe. Toutefois, pour une même tâche dans les mêmes conditions certains individus génèrent une forte DLE alors qu’elle est très faible pour d’autres. Curieusement, lors d’un mouvement de la main droite, la DLE est retrouvée au niveau des électrodes situées au centre de l’hémisphère gauche, mais aussi au niveau de celles situées au centre de l’hémisphère droit. Cette symétrie s’accorde avec une théorie de plus en plus répandue proposant une organisation bilatérale du système moteur. Ainsi, l’interaction interhémisphérique serait essentielle à la réalisation de mouvements mêmes unimanuels. Le corps calleux (CC), étant la principale structure responsable de cette interaction, revêt donc un intérêt particulier et cette étude vise à évaluer sa contribution à la variabilité interindividuelle de la puissance de la DLE élicitée par un mouvement des doigts. L’imagerie par résonnance magnétique a été utilisée afin de mesurer non seulement l’aire du CC sur la coupe mi-sagittale, mais aussi d’autres mesures reflétant son organisation et qui proviennent des techniques d’imagerie par résonnance magnétique de diffusion. Ces mesures sont la diffusivité moyenne, l’anisotropie fractionnelle et la longueur moyenne des fibres transcalleuses reconstruites par tractographie. Bien que nos résultats ne démontrent pas la présence d’une relation statistiquement significative entre la puissance de la DLE et aucune de ces mesures, deux tendances intéressantes émergent. En effet, la puissance de la DLE au niveau des électrodes centrales semble présenter une relation positive avec la diffusivité moyenne et une relation négative avec l’anisotropie fractionnelle. Ces deux mesures pourraient être particulièrement prometteuses pour de prochaines études visant à expliquer la variabilité de la puissance du signal EEG.

Résumé: La majorité des femmes ayant un cancer du sein en stade précoce sont traitées par radiothérapie impliquant souvent l’irradiation du sein entier. Malgré l’efficacité de cette modalité de traitement, la dose de radiation n’est pas optimale pour éliminer toutes les cellules cancéreuses résiduelles, mais plutôt pour obtenir les meilleurs résultats à long terme avec le moins de complications possibles. Les effets secondaires observés résultent tous de processus inflammatoires engendrés par la radiation. L’augmentation de l’expression et de l’activité de molécules inflammatoires, notamment la cyclooxygénase-2, dans les tissus normaux et malins stimulent l’invasion et l’angiogenèse tumorales, deux mécanismes importants menant à l’établissement de métastases. Le but global de ce projet de recherche est d’améliorer la radiothérapie en tentant de réduire la récurrence du cancer du sein. Les objectifs spécifiques étaient de déterminer grâce à l’imagerie par résonance magnétique que l’irradiation du stroma sain pouvait augmenter in vivo la capacité d’invasion des cellules cancéreuses du sein, stimuler la néovascularisation tumorale et qu’une co-administration à la radiothérapie d’un agent anti-inflammatoire inhibiteur sélectif de la cyclooxygénase-2 pouvait prévenir l’augmentation radio-induite de cette invasion. Dans notre étude, nous avons établi une méthode utilisant l’imagerie par résonance magnétique pour mesurer rapidement l’angiogenèse in vivo chez la souris dans des implants de Matrigel. Cette méthode servira ultérieurement à analyser l’effet de la radiation sur l’angiogenèse tumorale. Nous avons également suivi chez un modèle de souris l’invasion des cellules cancéreuses mammaires implantées après irradiation du tissu sain. Nous avons démontré que l’irradiation du tissu sain augmente l’invasion des cellules cancéreuses mammaires. L’invasion radio-induite est stimulée par une irradiation unique de 30 Gy tout comme avec un protocole d’irradiations fractionnées de 5x7,5 Gy se rapprochant plus des doses utilisées en clinique. Ensuite, un traitement avec un inhibiteur sélectif de cyclooxygénase-2, soit le NS-398, a été effectué. Le NS-398 limite l’augmentation radio-induite de l’invasion. Ces résultats supporteraient le développement de nouveaux traitements basés sur des inhibiteurs de COX-2 pour augmenter l’efficacité de la radiothérapie chez les femmes ayant un cancer du sein. / Abstract: Most women with early breast cancer are treated with radiotherapy to the whole breast. Despite the efficiency of this treatment, the dose of radiation is not calculated to eliminate all the residual cancer cells, but rather to obtain the best long-term results with minimal side-effects. The observed side-effects all result from inflammatory processes caused by radiation. Increase of inflammatory molecules expression and activity, such as cyclooxygenase-2, in normal and malignant tissues induce invasion and tumour angiogenesis. Both of these important mechanisms lead to metastasis formation. The general aim of this research project is to improve radiotherapy by decreasing breast cancer recurrence. Specific objectives were to determine with magnetic resonance imaging that irradiation of normal tissues could increase breast cancer cells invasiveness in vivo, stimulate tumour neovascularization and prevent radiation-enhanced invasion by the administration of an anti-inflammatory agent inhibiting selectively the cyclooxygenase-2 during radiotherapy. In this study, we have developed a new assay to monitor angiogenesis in Matrigel plugs in live mice using magnetic resonance imaging. This method would be a promising tool to test the effect of radiation on tumour angiogenesis. We also followed in a mouse model the invasion of mammary cancer cells implanted post-irradiation of healthy tissues. We demonstrated that irradiation of healthy tissues leads to an increase in mammary cancer cells invasion. Radiation-induced invasion was observed with a unique 30 Gy dose as well as with a more clinically-relevant fractionated protocol consisting in 5 irradiations of 7.5 Gy. Then, mice were treated with NS-398, a selective inhibitor of cyclooxygenase-2. NS-398 limits the increase of invasion stimulated by radiation. These results could support new treatments development based on COX-2 inhibition to increase radiotherapy efficiency for women with breast cancer.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique d'imagerie non invasive et non ionisante qui permet d'imager et de discriminer les tissus mous grâce à une bonne sensibilité de contraste issue de la variation de paramètres physiques (T$_1$, T$_2$, densité de protons) spécifique à chaque tissu. Les données sont acquises dans l'espace-$k$, correspondant aux fréquences spatiales de l'image. Des contraintes physiques et matérielles contraignent le mode de fonctionnement des gradients de champ magnétique utilisés pour acquérir les données. Ainsi, ces dernières sont obtenues séquentiellement le long de trajectoires assez régulières (dérivée et dérivée seconde bornées). En conséquence, la durée d'acquisition augmente avec la résolution recherchée de l'image. Accélérer l'acquisition des données est crucial pour réduire la durée d'examen et ainsi améliorer le confort du sujet, diminuer les coûts, limiter les distorsions dans l'image~(e.g., dues au mouvement), ou encore augmenter la résolution temporelle en IRM fonctionnelle. L'échantillonnage compressif permet de sous-échantillonner l'espace-$k$, et de reconstruire une image de bonne qualité en utilisant une hypothèse de parcimonie de l'image dans une base d'ondelettes. Les théories d'échantillonnage compressif s'adaptent mal à l'IRM, même si certaines heuristiques ont permis d'obtenir des résultats prometteurs. Les problèmes rencontrés en IRM pour l'application de cette théorie sont i) d'une part, les bases d'acquisition~(Fourier) et de représentation~(ondelettes) sont cohérentes ; et ii) les schémas actuellement couverts par la théorie sont composés de mesures isolées, incompatibles avec l'échantillonnage continu le long de segments ou de courbes. Cette thèse vise à développer une théorie de l'échantillonnage compressif applicable à l'IRM et à d'autres modalités. D'une part, nous proposons une théorie d'échantillonnage à densité variable pour répondre au premier point. Les échantillons les plus informatifs ont une probabilité plus élevée d'être mesurés. D'autre part, nous proposons des schémas et concevons des trajectoires qui vérifient les contraintes d'acquisition tout en parcourant l'espace-$k$ avec la densité prescrite dans la théorie de l'échantillonnage à densité variable. Ce second point étant complexe, il est abordé par une séquence de contributions indépendantes. D'abord, nous proposons des schémas d'échantillonnage à densité variables le long de courbes continues~(marche aléatoire, voyageur de commerce). Ensuite, nous proposons un algorithme de projection sur l'espace des contraintes qui renvoie la courbe physiquement plausible la plus proche d'une courbe donnée~(e.g., une solution du voyageur de commerce). Nous donnons enfin un algorithme de projection sur des espaces de mesures qui permet de trouver la projection d'une distribution quelconque sur l'espace des mesures porté par les courbes admissibles. Ainsi, la courbe obtenue est physiquement admissible et réalise un échantillonnage à densité variable. Les résultats de reconstruction obtenus en simulation à partir de cette méthode dépassent ceux associées aux trajectoires d'acquisition utilisées classiquement~(spirale, radiale) de plusieurs décibels (de l'ordre de 3~dB) et permettent d'envisager une implémentation prochaine à 7~Tesla notamment dans le contexte de l'imagerie anatomique haute résolution. / Magnetic Resonance Imaging~(MRI) is a non-invasive and non-ionizing imaging technique that provides images of body tissues, using the contrast sensitivity coming from the magnetic parameters (T$_1$, T$_2$ and proton density). Data are acquired in the $k$-space, corresponding to spatial Fourier frequencies. Because of physical constraints, the displacement in the $k$-space is subject to kinematic constraints. Indeed, magnetic field gradients and their temporal derivative are upper bounded. Hence, the scanning time increases with the image resolution. Decreasing scanning time is crucial to improve patient comfort, decrease exam costs, limit the image distortions~(eg, created by the patient movement), or decrease temporal resolution in functionnal MRI. Reducing scanning time can be addressed by Compressed Sensing~(CS) theory. The latter is a technique that guarantees the perfect recovery of an image from undersampled data in $k$-space, by assuming that the image is sparse in a wavelet basis. Unfortunately, CS theory cannot be directly cast to the MRI setting. The reasons are: i) acquisition~(Fourier) and representation~(wavelets) bases are coherent and ii) sampling schemes obtained using CS theorems are composed of isolated measurements and cannot be realistically implemented by magnetic field gradients: the sampling is usually performed along continuous or more regular curves. However, heuristic application of CS in MRI has provided promising results. In this thesis, we aim to develop theoretical tools to apply CS to MRI and other modalities. On the one hand, we propose a variable density sampling theory to answer the first inpediment. The more the sample contains information, the more it is likely to be drawn. On the other hand, we propose sampling schemes and design sampling trajectories that fulfill acquisition constraints, while traversing the $k$-space with the sampling density advocated by the theory. The second point is complex and is thus addressed step by step. First, we propose continuous sampling schemes based on random walks and on travelling salesman~(TSP) problem. Then, we propose a projection algorithm onto the space of constraints that returns the closest feasible curve of an input curve~(eg, a TSP solution). Finally, we provide an algorithm to project a measure onto a set of measures carried by parameterizations. In particular, if this set is the one carried by admissible curves, the algorithm returns a curve which sampling density is close to the measure to project. This designs an admissible variable density sampler. The reconstruction results obtained in simulations using this strategy outperform existing acquisition trajectories~(spiral, radial) by about 3~dB. They permit to envision a future implementation on a real 7~T scanner soon, notably in the context of high resolution anatomical imaging.

Nous avons cherché à décrire le rôle joué par un shunt circulatoire droite-gauche dans la survenue de lésions cérébrales latentes chez les plongeurs. Dix plongeurs, professionnels et sportifs, indemnes d'accident de désaturation avec un minimum de 500 plongées nous ont été adressés par des médecins des sports que nous avions contactés par courrier. Douze jeunes militaires non plongeurs constituaient le groupe témoin. Nous avons recherché la présence d'un shunt droite-gauche par écho Doppler transcrânien. Les lésions cérébrales correspondaient à des hypersignaux de la substance blanche retrouvés à la fois sur les séquences T2 et FLAIR en IRM. On ne réussit pas à mettre en évidence un lien entre la présence d'un tel shunt droite-gauche et la présence d'hypersignaux chez les plongeurs indemnes d'accident de désaturation neurologique aigu. Cependant on a tendance à retrouver une plus grande prévalence de ces hypersignaux en présence d'un shunt de haut grade. En outre alors que la différence n'est pas significative entre le groupe plongeur et le groupe témoin, on trouve significativement plus d'hypersignaux chez les plongeurs les plus expérimentés indépendamment de la présence ou de l'absence de shunt. On propose la réalisation d'une étude sur des plongeurs beaucoup plus expérimentés que ceux des études conduites jusqu'à présent et porteurs de shunts de haut grade.

Le périmysium a été analysé à l'aide de deux modalités d'imagerie, l'histologie et l'imagerie par résonance magnétique (IRM). L'histologie a permis l'observation des faisceaux primaires et l'IRM des faisceaux d'ordre supérieur. Dans les deux cas, une méthode de seuillage du périmysium a été mise au point et validée avec la construction d'une banque de cartes de référence probabilistes, résultat de la segmentation manuelle du réseau par un jury d'experts. Le périmysium segmenté a été caractérisé à l'aide de variable morpho-anatomiques et granulométriques. Celles-ci ont été ensuite reliées à la résistance mécanique et à la tendreté sensorielle de la viande cuite. Ce sont les structures macroscopiques, visualisées en IRM, qui jouent un rôle majeur sur le déterminisme de la tendreté de la viande bovine cuite. Ces résultats ouvrent des perspectives pour le développement de méthodes d'imagerie simples adaptées à la prédiction et au contrôle de la tendreté de la viande bovine.

L’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) a connu un grand essor ces deux dernières décennies. En effet, l’arrivée sur le marché d’IRM de haute résolution (5 Teslas et dernièrement 7 Teslas) a permis l’étude des mécanismes cérébraux. Le travail de recherche de cette thèse s’inscrit dans ce contexte.Il s’agit de développer une instrumentation pour des études objectives du comportement cérébral sous l’effet de stimuli. Nous nous sommes intéressés à l’étude de l’olfaction. Nous avons conçu et réalisé un stimulateur olfactif à six canaux, synchronisable avec la respiration et contrôlable par ordinateur. L’originalité de notre travail réside en la modularité de notre appareil, qui en fait un dispositif adaptable aux besoins des études. Nous proposons une approche innovante pour modifier l’intensité des stimulations délivrées : la Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI).Cet appareil a été utilisé dans plusieurs études en IRMf. L’efficacité de la MLI est mise en évidence dans une étude psychophysique décrite dans ce manuscrit. / The Magnetic Resonance Imaging (fMRI) has been developing for twentyyears. Indeed, the marketing of high-resolution MRI (5 Tesla and 7 Tesla recently)allowed the study of brain mechanisms. The research work of this PHD was todevelop instrumentation for objective studies of brain behavior during a sensorystimulation. We are interested in the study of olfaction. We have designed and builta six-channel olfactometer, synchronized with breathing and controlled by computer.The originality of our work lies in the modularity of our device, which makes itadaptable to a wide range of studies. We also propose an new method to changethe intensity of stimulation delivered : the Pulse Width Modulation (PWM). Thisdevice has been used in several studies in fMRI. The effectiveness of the PWM ishighlighted in a psychophysical study described in this manuscript.

Les travaux de cette thèse concernent la conception d'outils algorithmiques permettant l'intégration de connaissances a priori dans la reconstruction de signaux parcimonieux. Le but étant principalement d'améliorer la reconstruction de ces signaux à partir d'un ensemble de mesures largement inférieur à ce que prédit le célèbre théorème de Shannon-Nyquist. Dans une première partie nous proposons, dans le contexte de la nouvelle théorie du " compressed sensing " (CS), l'algorithme NNOMP (Neural Network Orthogonal Matching Pursuit), qui est une version modifiée de l'algorithme OMP dans laquelle nous avons remplacé l'étape de corrélation par un réseau de neurones avec un entraînement adapté. Le but est de mieux reconstruire les signaux parcimonieux possédant des structures supplémentaires, i.e. appartenant à un modèle de signaux parcimonieux particulier. Pour la validation expérimentale de NNOMP, trois modèles simulés de signaux parcimonieux à structures supplémentaires ont été considérés, ainsi qu'une application pratique dans un arrangement similaire au " single pixel imaging ". Dans une deuxième partie, nous proposons une nouvelle méthode de sous-échantillonnage en spectroscopie RMN multidimensionnelle (y compris l'imagerie spectroscopique RMN), lorsque les spectres des acquisitions correspondantes de dimension inférieure, e.g. monodimensionnelle, sont intrinsèquement parcimonieux. Dans cette méthode, on modélise le processus d'acquisition des données et de reconstruction des spectres multidimensionnels, par un système d'équations linéaires. On utilise ensuite des connaissances a priori, sur les emplacements non nuls dans les spectres multidimensionnels, pour enlever la sous-détermination induite par le sous échantillonnage des données. Ces connaissances a priori sont obtenues à partir des spectres des acquisitions de dimension inférieure, e.g. monodimensionnelle. La possibilité de sous-échantillonnage est d'autant plus importante que ces spectres monodimensionnels sont parcimonieux. La méthode proposée est évaluée sur des données synthétiques et expérimentales in vitro et in vivo.

La fatigue post-accident vasculaire cérébral (FPAVC) est fréquente et invalidante. Pour autant, elle reste à ce jour un phénomène mal connu et reconnu. Dans ce travail de thèse, nous avons réalisé une synthèse exhaustive de la littérature scientifique sur les facteurs associés à la FPAVC. Il en ressort qu’elle est fréquemment reliée aux symptômes dépressifs et anxieux mais que ses mécanismes physiopathologiques sont encore peu compris. Nous avons conduit une étude de la FPAVC sur 153 patients de la cohorte hospitalière STROKDEM (NCT01330160) ayant été suivis 6 mois après leur AVC ischémique. Dans une première étude, nous avons montré que la FPAVC n’était pas un effet secondaire des médicaments utilisés par les patients à la sortie de l’hôpital et à 6 mois. Elle reflèterait plutôt la présence de troubles fréquemment observés après un AVC comme la dépression, l’anxiété et les troubles du sommeil. Dans une deuxième étude, nous avons mis au jour une association forte entre FPAVC et plaintes cognitives subjectives des patients qui contrastait avec l’absence d’association avec les performances cognitives objectives lors de l’évaluation neuropsychologique, quel que soit le domaine cognitif considéré. Dans une troisième étude, nous avons exploré les mécanismes neuronaux sous-jacents à la FPAVC. Avec une analyse exploratoire et sans a priori, nous n’avons pas montré de différence de connectivité fonctionnelle au repos entre les patients avec ou sans FPAVC. L’ensemble de ces données nous apporte des éléments permettant d’avancer dans la compréhension du phénomène complexe qu’est la FPAVC. / Post-stroke fatigue (PSF) is frequent and debilitating. However, PSF is up to date a poorly understood and unrecognized phenomenon. In this thesis, we have done an exhaustive synthesis of scientific literature on factors associated with PSF. It indicates that PSF is frequently related with depressive and anxious symptoms but there is a lack of understanding of its physiopathological mechanisms. We conducted a study of PSF on 153 patients from the hospital-based cohort study STROKDEM (NCT01330160), followed-up for 6 months after an ischemic stroke. In a first study, we have shown that PSF was not a side effect of drugs use. PSF more reflects presence of disturbances frequently observed after stroke such as depression, anxiety, or sleep disturbances. In a second study, we have observed a strong association between PSF and subjective cognitive complaints that contrasted with the absence of association with objective cognitive performances during the neuropsychological evaluation, regardless of the considered cognitive domain. In a third study, we explored neuronal mechanisms underlying PSF. With an exploratory analysis, without a priori, we did not demonstrate any difference in functional connectivity at rest between patients with or without PSF. As a whole, these data give us pieces to progress in the understanding of the complex phenomenon named PSF.