Le diagnostic de maladie d'Alzheimer (MA) chez les patients de moins de 65 ans ou early-onset Alzheimer's disease (EOAD) est souvent difficile car la présentation clinique est fréquemment atypique, dominée par des signes non amnésiques. Les études antérieures sur les marqueurs de diagnostic précoce en imagerie se sont intéressées à l'imagerie structurelle et fonctionnelle dans l'EOAD mais aucune à la perfusion en IRM par la technique de marquage de spin ou arterial spin labeling (ASL). En effet, l'analyse de l'ASL demeure complexe, en particulier à l'échelle individuelle, du fait du faible rapport signal sur bruit des cartographies de perfusion et de l'hétérogénéité des zones atteintes à la phase initiale de la maladie. Notre premier objectif était technique et a consisté à optimiser l'interprétation des cartographies d'ASL grâce à la projection des anomalies de perfusion sur la surface du cortex extraite de l'acquisition morphologique T1 réalisée au cours du même examen, permettant d'accéder à une représentation tridimensionnelle interactive des données perfusionnelles. Le traitement des cartographies intégrait plusieurs étapes successives dont une correction des effets de volume partiel, une normalisation d'intensité spécifique et un lissage surfacique. Ce procédé a été appliqué sur les cartographies de 18 patients atteints d'EOAD avec une qualité de segmentation et de représentation des cartographies surfaciques obtenues jugées respectivement optimale et bonne dans 72 % des cas par deux lecteurs. Notre deuxième objectif était clinique et avait pour but de caractériser les altérations perfusionnelles et métaboliques par ASL et 18fluorodésoxuglucose-TEP (18F-FDG-TEP) sur un groupe de 37 patients atteints d'EOAD. Cette étude préliminaire à montré : (i) un pattern anatomique pathologique commun au niveau des lobules pariétaux inférieurs et des lobes temporaux ; (ii) des discordances entre les 2 techniques avec des lésions plus étendues en 18F-FDG-TEP et la détection en ASL de zones hypoperfusées additionnelles au niveau des lobes frontaux non visibles en 18F-FDGTEP. Ces deux travaux suggèrent que l'ASL pourrait donc devenir une séquence complémentaire clef dans l'arsenal des techniques d'imagerie utiles à un diagnostic précoce de l'EOAD et de la MA. Son utilisation en pratique clinique nécessite cependant une optimisation de sa représentation visuelle, et l'application corticale surfacique utilisée dans ce travail en représente une des voies potentielles. / The diagnosis of Alzheimer's disease (AD) in patients under the age of 65 years, called early-onset Alzheimer's disease (EOAD), remains a challenging issue due to the high incidence of atypical clinical presentations with non-memory symptoms. Although EAOD has been widely explored by structural and functional imaging, no previous study has examined the contribution of ASL in the assessment of cortical perfusion in this disease. Indeed, the analysis of ASL remains complex, especially at the individual level, due to the weak signal-to-noise ratio of the perfusion maps and the heterogeneity of pathological areas in the initial phase of the disease. Our first objective was technical and has consisted in optimizing the visual interpretation of ASL maps by the cortical surface-based projection of the perfusion alterations on the structural T1 sequence acquired during the same imaging protocol, providing a 3D interactive display of the perfusion data. Data processing included several successive steps, such as a partial volume effect correction, a specific intensity normalization and a surface-based smoothing process. It was applied on the perfusion maps of eighteen EOAD patients and the quality of segmentation and of cortical surface-based perfusion maps were scored as optimal in 72% in both cases by two readers. Our second objective was clinical and aimed to characterize the cerebral hypoperfusion and hypometabolism by ASL and 18F-FDG-PET in a group of 37 EOAD patients. Our preliminary study showed: (i) a similar pathological pattern located in the inferior parietal lobules and in the temporal cortex, (ii) discrepancies between the two modalities with the presence of more widespread hypometabolic regions detected by 18F-FDGPET and additionnai areas of alterations in the frontal lobes detected by ASL without apparent hypometabolism. Our studies suggest that ASL may become a useful complementary tool which, in combination with the existing structural and functional techniques, could offer improved efficiency in the difficult early detection of EOAD and AD. Its use in clinical practice, however, requires an optimization of its visual representation, and the cortical surface-based projection applied in this work represents one of the potential ways to this image quality improvement.

Le travail méthodologique mis en place durant cette thèse a consisté en l'optimisation des acquisitions et des traitements de données pour l'imagerie quantitative de la perfusion cérébrale et de la vasoréactivité en ASL. Dans un premier temps, une méthode originale pour mesurer la largeur du bolus des spins marqués appelée BoTuS (Bolus Turbo Sampling) a été mise en place et validée afin d'améliorer la quantification de la perfusion cérébrale basale en ASL. Les acquisitions en ASL pulsé ont été comparé aux mesures de perfusion en premier passage gadolinium et en premier passage de produit de contraste iodé en scanner X sur des patients atteints de tumeurs cérébrales. Dans un second temps, afin d'améliorer la qualité des cartes de vasoréactivité en ASL, des analyses des variations physiologiques des sujets ont été implémenté afin d'être utilisé comme modèle dans l'analyse statistique des données. Enfin, ces méthodes optimisées au niveau de l'acquisition et de la chaîne traitement ont été appliquées sur des populations de sujets sains et de patients afin de les valider. Les applications cliniques ont été menées sur des patients porteurs de la maladie d'Alzheimer où l'on a montré une baisse de la vasoréactivité par rapport aux témoins âgés. La perfusion cérébrale et la vasoréactivité de sujets atteints de sténoses a été étudié. Enfin, une étude avant et après acclimatation à l'altitude a montré qu'un séjour de 7 jours à 4365 m augmente le débit sanguin cérébral et diminue la vasoréactivité cérébrale. / The methodological aspects implemented during this Ph.D. thesis consisted of the optimization of the acquisitions and data processing of ASL imaging for quantitative assessment of cerebral perfusion and vasoreactivity. First of all, an original technique called BoTuS (Bolus Turbo Sampling) was implemented and validated,with the aim to render the quantification of the pulsed ASL signal more robust. Cerebral blood flow measurements obtained using pulsed ASL were compared to gold standard techniques such as the first passage of gadolinium MRI and CT-scan perfusion in a population of patients with treated brain tumors. Secondly, a new processing technique was tested, taking into account the physiological state of the subject during the exam to model the ASL signal during the vasoreactivity paradigm, and thus to provide more reliable maps at the subject level. Finally, these methods were applied in various studies on healthy subjects and patients. A decrease in vasoreactivity was found in Alzheimer disease patients compared to elderly subjects. Studies on patients with severe stenosis were conducted to test our methods at the subject level. An increase in CBF and a decrease in vasoreactivity in subjects exposed to high altitude at 4365 m during 7 days was demonstrated and correlated to transcranial Doppler results.

Le travail méthodologique mis en place durant cette thèse a consisté en l'optimisation des acquisitions et des traitements de données pour l'imagerie quantitative de la perfusion cérébrale et de la vasoréactivité en ASL. Dans un premier temps, une méthode originale pour mesurer la largeur du bolus des spins marqués appelée BoTuS (Bolus Turbo Sampling) a été mise en place et validée afin d'améliorer la quantification de la perfusion cérébrale basale en ASL. Les acquisitions en ASL pulsé ont été comparé aux mesures de perfusion en premier passage gadolinium et en premier passage de produit de contraste iodé en scanner X sur des patients atteints de tumeurs cérébrales. Dans un second temps, afin d'améliorer la qualité des cartes de vasoréactivité en ASL, des analyses des variations physiologiques des sujets ont été implémenté afin d'être utilisé comme modèle dans l'analyse statistique des données. Enfin, ces méthodes optimisées au niveau de l'acquisition et de la chaîne traitement ont été appliquées sur des populations de sujets sains et de patients afin de les valider. Les applications cliniques ont été menées sur des patients porteurs de la maladie d'Alzheimer où l'on a montré une baisse de la vasoréactivité par rapport aux témoins âgés. La perfusion cérébrale et la vasoréactivité de sujets atteints de sténoses a été étudié. Enfin, une étude avant et après acclimatation à l'altitude a montré qu'un séjour de 7 jours à 4365 m augmente le débit sanguin cérébral et diminue la vasoréactivité cérébrale.

Cette thèse porte sur le développement de nouvelles approches par marquage de spin suivi par spectroscopie RPE. Cette technique est bien adaptée pour suivre la dynamique structurale des protéines. Son principe repose sur l'insertion d'un radical nitroxyde, en un (ou plusieurs) site(s) choisi(s) d'une protéine et permet de sonder localement la structure de la protéine étudiée grâce aux différentes techniques de RPE (en onde continue et impulsionnelle).Dans une première partie, cette technique a été appliquée à la caractérisation de la dynamique structurale de l'IF1 de levure, un peptide inhibiteur de l'ATP-synthase. L'utilisation des spectroscopies de RPE et de dichroïsme circulaire a permis de montrer qu'IF1 de levure dimérise par sa partie médiane et que la partie C-terminale est désordonnée.La seconde partie est plus méthodologique et a pour but d'étudier et de caractériser un marqueur nouvellement synthétisé afin d'élargir les potentialités du marquage de spin. En effet, cette technique est notamment limitée par la faible diversité spectrale offerte par les sondes disponibles (trois raies). Le nouveau marqueur donne un spectre RPE à six raies grâce à la présence d'un noyau magnétique dans l'environnement du radical. Greffé sur une protéine modèle, nous avons montré que ce nouveau marqueur est tout autant capable de rendre compte de variations structurales qu'un marqueur classique. La superposition des signatures spectrales (trois raies + six raies) montre qu'il est possible de différencier les deux signatures spectrales et de sonder simultanément deux sites d'une protéine et de son partenaire. / This thesis focuses on the development of new approaches for site-directed spin labeling followed by EPR spectroscopy. This technique is well suited to monitor the structural dynamics of proteins. The insertion of a nitroxide radical, in one (or several) selected site(s) of a protein, allows probing the structure of the protein using different EPR spectroscopy approaches (continuous wave and pulsed).In a first part, this technique has been applied to characterize the structural dynamics of the yeast IF1, an inhibitory peptide of the ATP-synthase. Using EPR and circular dichroïsm spectroscopies we showed that yeast IF1 dimerizes by its central part and that the C-terminal part remains disordered.The second part is more methodological and the aim is to study and characterize a newly synthesized spin label in order to expand the potential of site-directed spin labeling. In particular, the technique is limited by the poor spectral diversity offered by the available labels (three lines). The new label gives a six lines EPR spectrum thanks to the presence of a magnetic nucleus in the environment of the radical. Grafted on a model protein, we demonstrated that this new label is as able as classical ones to report on structural variations. The superposition of the spectral signatures (three lines + six lines) showed that it is possible to differentiate the two spectral signatures and to probe two sites of a protein and its partner simultaneously.