L'objet de cette thèse était de mettre en place une séquence robuste d'imagerie rapide du tenseur de diffusion par RMN sur un imageur petit animal 7-T. Nous avons mis en place une séquence Twice Refocused Spin Echo afin de s'affranchir des problèmes de courants de Foucault. Nous avons préféré une acquisition spirale de l'espace-k à EPI pour son insensibilité aux artefacts de mouvement et de flux très importants en diffusion. Nous avons développé un logiciel sous Matlab pour la reconstruction des images du tenseur de diffusion et la visualisation des cartes d'anisotropie et cartes couleurs. Enfin nous avons utilisé un logiciel développé à l'INRIA de Nice-Sofia Antipolis (MedINRIA DTI Track) pour visualiser l'affichage des vecteurs propres et effectuer le « fiber tracking » à partir des datas collectées sur notre imageur 7-T sur cerveau de rat. Une fois la technique et les méthodes de reconstructions validées sur différents fantômes et sur cerveau de rat sain, nous l'avons appliqué à un modèle de rat traumatisé étudié au sein du laboratoire et traumatisé selon la méthode impact-accélération. L'objet de l'étude était de caractériser l'oedème cérébral post traumatique de manière précoce grâce à l'imagerie du tenseur de diffusion. Cette technique nous a permis de caractériser le type d'oedème cérébral post-traumatique par des modifications de la diffusivité moyenne. Des modifications d'anisotropie dans le corps calleux du cerveau de rat traumatisé ont montré la présence de lésions axonales diffuses. Enfin, l'imagerie fiber tracking a permis de détecter des lésions axonales au centre du corps calleux du cerveau de rat traumatisé.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'imagerie par tenseur de diffusion (DTI) est une technique qui permet d'étudier l'organisation et l'état structurel des faisceaux de substance blanche. L'étude de l'intégrité des faisceaux peut aider à comprendre et à déterminer la sévérité du pronostic des patients après un accident ischémique cérébral (AIC). Dans cette thèse, je présente deux études ; dans la première nous avons comparé les résultats obtenus à partir d'un template du faisceau Corticospinal (FCS) à ceux obtenus par la tractographie chez des sujets sains et des patients post-AIC. Dans les deux groupes, les valeurs de la fraction d'anisotropie (FA) obtenues avec la tractographie étaient plus élevées que celles du template. Cependant, chez les patients, les deux méthodes ont détecté une diminution des valeurs de FA du FCS ipsilésionnel, qui était corrélée aux scores moteurs, mais les valeurs de FA obtenues avec le template étaient mieux corrélées avec le signal BOLD généré par la main parétique. La deuxième étude cherchait à savoir si la sévérité de l'aphasie post-AIC pouvait être corrélée à l'atteinte de certaines régions de la substance blanche. L'analyse voxel à voxel a permis d'identifier une zone située à l'intersection des voies dorsale et ventrale du langage, au-dessous de la jonction temporo-pariétale (JTP) gauche. La gravité des dommages dans cette région, évaluée par les valeurs de la FA, était mieux corrélée aux déficits phasiques que le volume de l'infarctus. Dans cette thèse, nous avons trouvé que, après un AIC, l'atteinte du FCS est un bon prédicteur de la sévérité du déficit moteur et celle d'une région localisée au-dessous de la JTP gauche, est un bon prédicteur de la sévérité de l'aphasie.

Le travail de cette thèse est méthodologique centré autour de l'imagerie du tenseur de diffusion par résonance magnétique (DTI) avec des développements incluant des simula- tion Monte Carlo des signaux RMN de diffusion dans des modèles géométriques du tissu cérébral et des acquisitions de séquence DTI haute résolution 3D pour aboutir à l'imagerie "fibre tracking" dans le cerveau de souris. Différents modèles géométriques de la substance blanche, grise ou encore incluant les deux structures sont proposés. Le principe de leur génération est décrit ainsi que la gestion des contraintes liées à la compartimentation. Il est montré aussi le principe de l'élaboration d'un nouveau "modèle composite" qui per- met de modéliser des géométries complexes comme le mélange de différentes structures ou encore des différentes orientations des axes des fibres de la substance blanche. Un avantage au modèle composite est sa simplicité et le gain en temps de calcul. Les résul- tats des simulations ont été confrontés à des données in vivo et ont permis d'interpréter l'origine des signaux et d'évaluer l'impact de certains paramètres géométriques sur ces signaux. Ils ont permis aussi d'optimiser les conditions d'acquisition. Une application majeure des développements de l'imagerie 3D haute résolution est son application dans un modèle apparenté à la schizophrénie chez la souris. Par comparaison à des souris nor- males, il est montré, pour la première fois en utilisant DTI et l'imagerie fibre tracking, une baisse du volume de la matière blanche et une réduction, voire une absence de la partie post-commissurale du fornix, un tract qui relaie l'hippocampe vers le corps mamillaire.

Cette thèse a pour but de développer des techniques en imagerie par résonance magnétique(IRM) afin de détecter des altérations neurologiques à l’échelle microscopique dans des modèlesanimaux. Deux modèles chez la souris ont été étudiés en particulier: le modèle Glio6 de glioblastomehumain et le modèle MAP6, apparenté à la schizophrénie. Les méthodologies développées ont étécentrées autour de l’IRM du tenseur de diffusion (DTI) 3D rapide et à haute résolution spatiale pourdes applications ex vivo et in vivo chez le rongeur. Dans le modèle Glio6, la migration de cellulestumorales dans le corps calleux a été précocement détectée et quantifiée alors qu’aucun signe n’étaitvisible sur les IRM anatomiques classiques. La tractographie, imagerie des fibres de la matièreblanche, a permis d’identifier des déficits de certains tracts et de leurs connectivités dans le modèleMAP6. Des altérations inhomogènes ont été détectées, avec en particulier une réduction drastique dela voie cortico-spinale, résultats mettant en exergue le rôle primordial de la protéine MAP6 lors de laneuromorphogénèse. La méthode « Super Résolution » développée puis appliquée in vivo aux sourisMAP6, a permis d’obtenir en moins d’une heure une imagerie de tractographie comparable à celleobtenue ex vivo (en 59h), ce qui ouvre la voie à des suivis longitudinaux in vivo pour des études dudéveloppement du cerveau ou de l’évaluation de nouvelles thérapies. D’autre part, une méthode IRMcellulaire in vivo quantitative a été mise en place. Le principe repose sur la mesure combinée desrelaxivités cellulaires in vitro (pouvoir à réduire les temps de relaxation T2*, T2 et T1) pour convertir lestrois paramètres de la relaxation in vivo en concentrations cellulaires. En utilisant le modèle de gliomeU87 et des cellules U937 marquées magnétiquement, les résultats ont montré qu’une très large gammede concentrations cellulaires peut être quantifiée et que la biodistribution des cellules U937 autour dela tumeur est hétérogène, information essentielle pour étudier l’efficacité d’une thérapie cellulaire. / This thesis aims to develop magnetic resonance imaging (MRI) techniques to detectneurological damage at the microscopic level in animal models. Two mouse models were examined inparticular human glioblastoma model (Glio6) and a schizophrenia mouse model (MAP6 model). Themethodologies developed were centered around 3D fast diffusion tensor imaging (DTI) with highspatial resolution for ex vivo and in vivo applications in rodents. In Glio6 model, the migration oftumor cells in the corpus callosum was early detected and quantified while no signs were visible onconventional anatomical MRI. Tractography identified deficits of some tracts and their connectivity inthe MAP6 model. Inhomogeneous alterations were detected, especially with a drastic reduction of thecorticospinal pathway. Theses results highlight the crucial role of the MAP6 protein in the braindevelopment. The "Super Resolution" post-proccesing was developed and applied in vivo to MAP6mouse model. Tractography imaging comparable to that obtained ex vivo (in 59h) was obtained in lessthan one hour, paving the way for in vivo longitudinal studies as brain development studies orevaluation of new therapies. On the other hand, a in vivo cellular MRI method has been established.The principle is based on the combined measurement of cell relaxivities in vitro, to obtain in vivo cellconcentrations based on relaxation parameters. Using the U87 glioma model and U937 magneticallylabeled cells, the results showed that a wide range of cell concentrations can be quantified and thebiodistribution of U937 cells around the tumor is heterogeneous, information essential to study theeffectiveness of cell therapy.

Le Corps Calleux (CC), principale commissure reliant les deux hémisphères cérébraux, est d'une importance cruciale dans l'intégration des informations interhémisphériques et des fonctions cognitives supérieures. Les modifications du CC pourraient contribuer à des anomalies de connectivité susceptibles d'expliquer les dysfonctionnements des régions cérébrales impliquées dans la physiopathologie de certaines maladies psychiatriques.Toutefois notre connaissance du rôle du CC dans les troubles de l’humeur et les conduites suicidaires est encore très limitée. Nous n'avons que peu d’informations sur l’implication exacte du CC en psychopathologie et sur les facteurs pouvant altérer son intégrité. L’objectif de cette thèse était de mieux préciser les relations existant entre altération du CC, troubles de l’humeur et conduites suicidaires Nous avons montré un lien entre l’atrophie du CC et la survenue de dépression sur une période de 10 ans parmi 467 sujets sains âgés de 65 à 80 ans grâce aux IRM morphologiques de l’étude en population générale Esprit. Dans une étude clinique menée chez 121 femmes plus jeunes (18-50 ans), Nous avons mis en évidence grâce à une technique d’imagerie par tenseur de diffusion (DTI) une altération des parties antérieures du CC chez les femmes bipolaires, tandis que le splénium, la partie postérieure du CC, est atteinte uniquement chez les suicidantes. Nous soulignons également que l’altération du splénium est associée au nombre de tentatives de suicides et au score d’intentionnalité du geste suicidaire. Par ailleurs, Nous avons montré une association de type linéaire entre le niveau d’un marqueur de l’inflammation (CRP) et la réduction de la taille des portions antérieures du CC au sein de la population âgée de l’étude Esprit.Nos travaux suggèrent donc une altération de l’intégrité du CC dans les troubles de l’humeur et les comportements suicidaires à des âges différents de la vie, en population générale et en population clinique. Les études futures devraient permettre de préciser les conséquences des anomalies de communication interhémisphérique mises en évidence dans ces pathologies. / Corpus Callosum (CC), the main commissure connecting the two cerebral hemispheres, is of crucial importance in the integration of interhemispheric information and higher cognitive functions. CC alterations might contribute to abnormal interhemispheric connectivity that may underlie functional abnormalities of brain regions involved in the pathophysiology of psychiatric disorders. However, our understanding of the role of the CC in mood disorders and suicidal behaviour is still very limited. We have little information about the exact involvement of the CC in psychopathology and the factors that could affect its integrity. The objective of this thesis was to further clarify the relationship between alterations of the CC, mood disorders and suicidal behaviour.We have found an association between CC atrophy and incident depression over a 10-year follow-up period among 467 healthy subjects aged 65 to 80 years using the morphological MRI data from the epidemiological study Esprit. In a clinical study of 121 younger women (18-50 years), we have used a diffusion tensor imaging (DTI) technique to show an alteration of the anterior parts of the CC in bipolar women, while the splenium, the posterior part of the CC, is altered only in suicidal women. We have also emphasized that the alteration of splenium is associated with the number of suicide attempts and suicidal intentionality scale score. Furthermore, we showed a linear association between the level of a marker of inflammation (CRP) and a reduced size of the anterior parts of the CC within the population of the Esprit study. Our work therefore suggests impaired integrity of the CC in mood disorders and suicidal behaviours at different stages of life, in general population and in clinical population. Future studies should aim to clarify the consequences of interhemispheric communication anomalies identified in these pathologies.

L'évolution des connaissances dans le domaine de la neurochirurgie fonctionnelle, la neuroradiologie et les études de traçage neuronal par virus neurotropes ont permis d'étudier les circuits sous-tendant l'expression clinique de plusieurs syndromes neurologiques. La stimulation cérébrale profonde (SCP) du globus pallidus interne (GPi) est une thérapie validée dans les syndromes dystono-dyskinétiques (SDD) isolés. L'extension des indications vers des SDD secondaires ou hérédo-dégénératifs nous confronte à la nécessité d'améliorer notre compréhension des mécanismes de réorganisation fonctionnelle du circuit moteur et de l'intégrité résiduelle des connexions anatomiques. L'efficacité de la SCP dans les SDD complexes est déterminée par la préservation relative de la voie pyramidale, les interactions du circuit cortico-striato-pallido-thalamique et cérébello-thalamo-cortical et la réorganisation du réseau moteur au niveau cortical. Ce travail de thèse a essayé d’évaluer différentes composantes du réseau moteur in vivo chez l’homme à travers de l’étude de trois pathologies du mouvement associées à un SDD complexe. L’application de la SCP à la maladie de Huntington (MH) est un modèle d'étude du réseau moteur dans le contexte d’un SDD associé à une dégénérescence des neurones striato-pallidaux. Nous avons fait une étude prospective pour évaluer l'efficacité à long terme de la SCP du GPi sur les symptômes moteurs de la MH. Sept patients ayant une chorée sévère réfractaire au traitement pharmacologique ont été inclus dans l'étude. Nous avons observé une réduction significative de la chorée chez tous les patients avec un effet maintenu dans le temps (suivi médian de 3 ans). La bradykinésie et la dystonie ont montré une tendance (non significative) à une aggravation progressive. L'analyse anatomo-fonctionnelle du réseau moteur résiduel sous-tendant un SDD secondaire (dû à une lésion cérébrale acquise) a été abordée par deux techniques de neuroimagerie avancée. La réorganisation du circuit moteur dans le cadre d’une hémidystonie a été évaluée par IRM fonctionnelle. Les objectifs principaux ont été: 1) l’évaluation des régions activées par l'exécution d’une tâche motrice chez un groupe de patients hémidystoniques par rapport à un groupe de sujets témoins; 2) l’identification des profils d'activation selon le phénotype clinique (hypo/hyperkinétique) ou radiologique (lésion localisée en amont ou en aval du GPi) (des critères qui orientent l’éligibilité pour la SCP pallidale). Les études individuelles des patients ont montré des profils d'activation hétérogènes avec une activation bilatérale possible malgré le caractère unilatéral des lésions. En comparaison avec les sujets témoins, les patients ont présenté une réduction de l'activation au niveau thalamique, pallidal et temporal médial du côté ipsilatéral à la lésion. Les patients atteints d'une hémidystonie hypokinétique ont montré un profil d'activation bi-hémisphérique, désorganisé, ce qui pourrait expliquer le manque de réponse à la SCP observée dans cette présentation clinique. L'imagerie du tenseur de diffusion (DTI) a été appliquée à l'étude de la distribution topographique et la gravité des lésions de la substance blanche d'un groupe de patients atteints d'un SDD secondaire à une encéphalopathie anoxique néonatale par rapport à un groupe témoin. L'étude TBSS (tract based spatial statistics) a identifié la présence d'anomalies diffuses de la microstructure de la substance blanche (diminution de la fraction d’anisotropie (FA)) chez les patients. La technique de tractographie probabiliste a été utilisée pour reconstruire les faisceaux corticospinaux (CS) et thalamocorticaux (TC) (les voies efférentes du circuit moteur) et pour obtenir des paramètres quantitatifs DTI moyens pour chaque faisceau. La FA moyenne des faisceaux TC est diminuée chez les patients. Nous avons étudié la corrélation entre les paramètres cliniques et neurophysiologiques et les paramètres DTI du groupe de patients. / Advances in the field of functional neurosurgery, neuroradiology and virus neuronal tracing studies have enabled to deepen our knowledge of the circuits underlying the clinical expression of several neurologic syndromes. Globus pallidus internus (GPi) deep brain stimulation (DBS) is a validated technique for the treatment of isolated (primary) dystonia-dyskinesia syndromes (DDS). Broadening indications for DBS therapy to complex DDS (secondary and heredodegenerative disorders) require further understanding of motor circuit functional reorganization mechanisms and residual anatomic connections integrity. The efficacy of neuromodulation in these complex dystonia syndromes is determined by the relative preservation of pyramidal pathway, the interactions between cortico-striato-pallido-thalamic and cerebello-thalamo-cortical circuits and motor network reorganization at the cortical level. This thesis has tried to evaluate the different components of human motor network in vivo through the study of three different movement disorders associated with complex dystonia. The application of DBS to Huntington’s disease (HD) is a model for the study of the motor network in the context of this heredodegenerative DDS associated with striatal neuron degeneration in the cortico-striato-pallido-thalamic loop. We have conducted a prospective study to evaluate long-term motor outcome of GPi DBS in HD. Seven patients with severe chorea refractory to medical treatment were included in the study. Significant and sustained reduction of chorea was observed for all patients until last follow-up visit (median follow-up was 3 years). Bradykinesia and dystonia showed a non-significant trend towards progressive worsening. Anatomic and functional assessment of the motor circuit following brain injury (secondary DDS) has been approached by two different advanced neuroimaging techniques. We have studied motor circuit reorganization underlying hemidystonia in functional magnetic resonance imaging (fMRI). The main objectives of this study were: 1) to evaluate activation regions associated with motor task execution in a group of hemidystonic patients compared with another group of healthy control subjects; 2) to identify activation patterns related to clinical (hypo or hyperkinetic) or radiological (prepallidal or postpallidal) phenotypes (following clinical criteria relevant for DBS therapy eligibility). Activation patterns associated with motor-task execution were heterogeneous in single-subject studies. Despite the unilateral distribution of lesions leading to dystonia, bilateral activation was found in several subjects. Compared with healthy control group, hemidystonic patients showed reduced brain activation in ipsilesional thalamus, globus pallidus and medial temporal areas. Hypokinetic hemidystonic subgroup showed widespread bilateral overactivity involving both hemispheres. Poor clinical outcome associated with this clinical presentation could be explained by DBS therapy inability to modulate a highly disorganized network. Diffusion tensor imaging (DTI) has been applied to the study of the topographic distribution and severity of white matter lesions in a group of patients with a DDS secondary to neonatal anoxic encephalopathy in comparison with a healthy control group. TBSS (tract based spatial statistics) found widespread areas of abnormal white matter microstructure (decreased fractional anisotropy (FA)) in the corpus callosum, corona radiata and posterior limb of the internal capsule in the group of patients. After running probabilistic tractography to reconstruct corticospinal and thalamocortical tracts (motor circuit output pathways), mean quantitative tract-derived DTI parameters were calculated for each single tract. This study found decreased mean FA in thalamocortical tracts in the group of patients as compared to healthy controls. Clinical scores and neurophysiological measures were also analyzed and correlated with DTI parameters.

L’Imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil fondamental pour l’exploration in vivo du développement du cerveau chez le fœtus, le bébé et l’enfant. Elle fournit plusieurs paramètres quantitatifs qui reflètent les changements des propriétés tissulaires au cours du développement en fonction de différents processus de maturation. Cependant, l’évaluation fiable de la maturation de la substance blanche est encore une question ouverte: d'une part, aucun de ces paramètres ne peut décrire toute la complexité des changements sous-jacents; d'autre part, aucun d'eux n’est spécifique d’un processus de développement ou d’une propriété tissulaire particulière. L’implémentation d’approches multiparamétriques combinant les informations complémentaires issues des différents paramètres IRM devrait permettre d’améliorer notre compréhension du développement du cerveau. Dans ce travail de thèse, je présente deux exemples de telles approches et montre leur pertinence pour l'étude de la maturation des faisceaux de substance blanche. La première approche fournit une mesure globale de la maturation basée sur la distance de Mahalanobis calculée à partir des différents paramètres IRM (temps de relaxation T1 et T2, diffusivités longitudinale et transverse du tenseur de diffusion DTI) chez des nourrissons (âgés de 3 à 21 semaines) et des adultes. Cette approche offre une meilleure description de l’asynchronisme de maturation à travers les différents faisceaux que les approches uniparamétriques. De plus, elle permet d'estimer les délais relatifs de maturation entre faisceaux. La seconde approche vise à quantifier la myélinisation des tissus cérébraux, en calculant la fraction de molécules d’eau liées à la myéline (MWF) en chaque voxel des images. Cette approche est basée sur un modèle tissulaire avec trois composantes ayant des caractéristiques de relaxation spécifiques, lesquelles ont été pré-calibrées sur trois jeunes adultes sains. Elle permet le calcul rapide des cartes MWF chez les nourrissons et semble bien révéler la progression de la myélinisation à l’échelle cérébrale. La robustesse de cette approche a également été étudiée en simulations. Une autre question cruciale pour l'étude du développement de la substance blanche est l'identification des faisceaux dans le cerveau des enfants. Dans ce travail de thèse, je décris également la création d'un atlas préliminaire de connectivité structurelle chez des enfants âgés de 17 à 81 mois, permettant l'extraction automatique des faisceaux à partir des données de tractographie. Cette approche a démontré sa pertinence pour l'évaluation régionale de la maturation de la substance blanche normale chez l’enfant. Pour finir, j’envisage dans la dernière partie du manuscrit les applications potentielles des différentes méthodes précédemment décrites pour l’étude fine des réseaux de substance blanche dans le cadre de deux exemples spécifiques de pathologies : les épilepsies focales et la leucodystrophie métachromatique. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a fundamental tool for in vivo investigation of brain development in newborns, infants and children. It provides several quantitative parameters that reflect changes in tissue properties during development depending on different undergoing maturational processes. However, reliable evaluation of the white matter maturation is still an open question: on one side, none of these parameters can describe the whole complexity of the undergoing changes; on the other side, neither of them is specific to any particular developmental process or tissue property. Developing multiparametric approaches combining complementary information from different MRI parameters is expected to improve our understanding of brain development. In this PhD work, I present two examples of such approaches and demonstrate their relevancy for investigation of maturation across different white matter bundles. The first approach provides a global measure of maturation based on the Mahalanobis distance calculated from different MRI parameters (relaxation times T1 and T2, longitudinal and transverse diffusivities from Diffusion Tensor Imaging, DTI) in infants (3-21 weeks) and adults. This approach provides a better description of the asynchronous maturation across the bundles than univariate approaches. Furthermore, it allows estimating the relative maturational delays between the bundles. The second approach aims at quantifying myelination of brain tissues by calculating Myelin Water Fraction (MWF) in each image voxel. This approach is based on a 3-component tissue model, with each model component having specific relaxation characteristics that were pre-calibrated in three healthy adult subjects. This approach allows fast computing of the MWF maps from infant data and could reveal progression of the brain myelination. The robustness of this approach was further investigated using computer simulations. Another important issue for studying white matter development in children is bundles identification. In the last part of this work I also describe creation of a preliminary atlas of white matter structural connectivity in children aged 17-81 months. This atlas allows automatic extraction of the bundles from tractography datasets. This approach demonstrated its relevance for evaluation of regional maturation of normal white matter in children. Finally, in the last part of the manuscript I describe potential future applications of the previously developed methods to investigation of the white matter in cases of two specific pathologies: focal epilepsy and metachromatic leukodystrophy.

Les lésions de la moelle épinière ont un impact significatif sur la qualité de la vie car elles peuvent induire des déficits moteurs (paralysie) et sensoriels. Ces déficits évoluent dans le temps à mesure que le système nerveux central se réorganise, en impliquant des mécanismes physiologiques et neurochimiques encore mal connus. L'ampleur de ces déficits ainsi que le processus de réhabilitation dépendent fortement des voies anatomiques qui ont été altérées dans la moelle épinière. Il est donc crucial de pouvoir attester l'intégrité de la matière blanche après une lésion spinale et évaluer quantitativement l'état fonctionnel des neurones spinaux. Un grand intérêt de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est qu'elle permet d'imager de façon non invasive les propriétés fonctionnelles et anatomiques du système nerveux central. Le premier objectif de ce projet de thèse a été de développer l'IRM de diffusion afin d'évaluer l'intégrité des axones de la matière blanche après une lésion médullaire. Le deuxième objectif a été d'évaluer dans quelle mesure l'IRM fonctionnelle permet de mesurer l'activité des neurones de la moelle épinière. Bien que largement appliquées au cerveau, l'IRM de diffusion et l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière sont plus problématiques. Les difficultés associées à l'IRM de la moelle épinière relèvent de sa fine géométrie (environ 1 cm de diamètre chez l'humain), de la présence de mouvements d'origine physiologique (cardiaques et respiratoires) et de la présence d'artefacts de susceptibilité magnétique induits par les inhomogénéités de champ, notamment au niveau des disques intervertébraux et des poumons. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer des méthodes permettant de contourner ces difficultés. Ce développement a notamment reposé sur l'optimisation des paramètres d'acquisition d'images anatomiques, d'images pondérées en diffusion et de données fonctionnelles chez le chat et chez l'humain sur un IRM à 3 Tesla. En outre, diverses stratégies ont été étudiées afin de corriger les distorsions d'images induites par les artefacts de susceptibilité magnétique, et une étude a été menée sur la sensibilité et la spécificité de l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière. Les résultats de ces études démontrent la faisabilité d'acquérir des images pondérées en diffusion de haute qualité, et d'évaluer l'intégrité de voies spinales spécifiques après lésion complète et partielle. De plus, l'activité des neurones spinaux a pu être détectée par IRM fonctionnelle chez des chats anesthésiés. Bien qu'encourageants, ces résultats mettent en lumière la nécessité de développer davantage ces nouvelles techniques. L'existence d'un outil de neuroimagerie fiable et robuste, capable de confirmer les paramètres cliniques, permettrait d'améliorer le diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de lésions médullaires. Un des enjeux majeurs serait de suivre et de valider l'effet de diverses stratégies thérapeutiques. De telles outils représentent un espoir immense pour nombre de personnes souffrant de traumatismes et de maladies neurodégénératives telles que les lésions de la moelle épinière, les tumeurs spinales, la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique. / Spinal cord injury has a significant impact on quality of life since it can lead to motor (paralysis) and sensory deficits. These deficits evolve in time as reorganisation of the central nervous system occurs, involving physiological and neurochemical mechanisms that are still not fully understood. Given that both the severity of the deficit and the successful rehabilitation process depend on the anatomical pathways that have been altered in the spinal cord, it may be of great interest to assess white matter integrity after a spinal lesion and to evaluate quantitatively the functional state of spinal neurons. The great potential of magnetic resonance imaging (MRI) lies in its ability to investigate both anatomical and functional properties of the central nervous system non invasively. To address the problem of spinal cord injury, this project aimed to evaluate the benefits of diffusion-weighted MRI to assess the integrity of white matter axons that remain after spinal cord injury. The second objective was to evaluate to what extent functional MRI can measure the activity of neurons in the spinal cord. Although widely applied to the brain, diffusion-weighted MRI and functional MRI of the spinal cord are not straightforward. Various issues arise from the small cross-section width of the cord, the presence of cardiac and respiratory motions, and from magnetic field inhomogeneities in the spinal region. The main purpose of the present thesis was therefore to develop methodologies to circumvent these issues. This development notably focused on the optimization of acquisition parameters to image anatomical, diffusion-weighted and functional data in cats and humans at 3T using standard coils and pulse sequences. Moreover, various strategies to correct for susceptibility-induced distortions were investigated and the sensitivity and specificity in spinal cord functional MRI was studied. As a result, acquisition of high spatial and angular diffusion-weighted images and evaluation of the integrity of specific spinal pathways following spinal cord injury was achieved. Moreover, functional activations in the spinal cord of anaesthetized cats was detected. Although encouraging, these results highlight the need for further technical and methodological development in the near-future. Being able to develop a reliable neuroimaging tool for confirming clinical parameters would improve diagnostic and prognosis. It would also enable to monitor the effect of various therapeutic strategies. This would certainly bring hope to a large number of people suffering from trauma and neurodegenerative diseases such as spinal cord injury, tumours, multiple sclerosis and amyotrophic lateral sclerosis.

L'objectif de cette thèse est de fournir une chaine de traitement complète pour la reconstruction des faisceaux de la matière blanche à partir d'images pondérées en diffusion caractérisées par une faible résolution angulaire. Cela implique (i) d'inférer en chaque voxel un modèle de diffusion à partir des images de diffusion et (ii) d'accomplir une ''tractographie", i.e., la reconstruction des faisceaux à partir de ces modèles locaux. Notre contribution en modélisation de la diffusion est une nouvelle distribution statistique dont les propriétés sont étudiées en détail. Nous modélisons le phénomène de diffusion par un mélange de telles distributions incluant un outil de sélection de modèle destiné à estimer le nombre de composantes du mélange. Nous montrons que le modèle peut être correctement estimé à partir d'images de diffusion ''single-shell" à faible résolution angulaire et qu'il fournit des biomarqueurs spécifiques pour l'étude des tumeurs. Notre contribution en tractographie est un algorithme qui approxime la distribution des faisceaux émanant d'un voxel donné. Pour cela, nous élaborons un filtre particulaire mieux adapté aux distributions multi-modales que les filtres traditionnels. Pour démontrer l'applicabilité de nos outils en usage clinique, nous avons participé aux trois éditions du MICCAI DTI Tractography challenge visant à reconstruire le faisceau cortico-spinal à partir d'images de diffusion ''single-shell" à faibles résolutions angulaire et spatiale. Les résultats montrent que nos outils permettent de reconstruire toute l'étendue de ce faisceau. / The objective of this thesis is to provide a complete pipeline that achieves an accurate reconstruction of the white matter fascicles using clinical diffusion images characterized by a low angular resolution. This involves (i) a diffusion model inferred in each voxel from the diffusion images and (ii) a tractography algorithm fed with these local models to perform the actual reconstruction of fascicles. Our contribution in diffusion modeling is a new statistical distribution, the properties of which are extensively studied. We model the diffusion as a mixture of such distributions, for which we design a model selection tool that estimates the number of mixture components. We show that the model can be accurately estimated from single shell low angular resolution diffusion images and that it provides specific biomarkers for studying tumors. Our contribution in tractography is an algorithm that approximates the distribution of fascicles emanating from a seed voxel. We achieve that by means of a particle filter better adapted to multi-modal distributions than the traditional filters. To demonstrate the clinical applicability of our tools, we participated to all three editions of the MICCAI DTI Tractography challenge aiming at reconstructing the cortico-spinal tract from single-shell low angular and low spatial resolution diffusion images. Results show that our pipeline provides a reconstruction of the full extent of the CST.