Le flux sanguin cérébral (CBF) caractérise la micro-circulation et l'irrigation des tissus. Cette information de perfusion cérébrale est utilisé en clinique pour le diagnostic et le suivi thérapeutique de nombreuses maladies. La technique de mesure de CBF la moins invasive est celle par marquage de spins artériels (ASL) où l'eau du sang fait office de traceur. L'objectif de cette thèse, menée dans le cadre d'une convention CIFRE, consistait à faciliter l'utilisation de séquences ASL continues et pseudo-continues (CASL, pCASL) ainsi qu'à améliorer leur performance en pré-clinique. En effet, la mesure quantitative de CBF par ASL est un protocole complexe qui nécessite plusieurs étapes d'ajustements, d'acquisitions et de traitement de données. Dans le but d'alléger ce protocole, un package CASL a été développé en collaboration avec Bruker. Plusieurs étapes d'ajustements et de post-processing ont été automatisées, rendant la génération de cartes CBF relatives et absolues plus aisée. Le champ magnétique élevé des scanners IRM pré-cliniques présente de nombreux avantages mais est également une source de problèmes en ASL. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à deux d'entre eux : l'instabilité du marquage de spins et l'échauffement induit par les séquences ASL. Pour stabiliser le marquage ASL, une stratégie d'optimisation de la séquence pCASL a été développée et testée chez le rat à 9.4 T. Ceci a permis l'obtention d'un marquage robuste, même en situations de shim dégradé. Le package pCASL a été partagé avec dix autres instituts dans le monde. L'échauffement induit lors de séquences CASL et pCASL par le dépôt d'énergie radiofréquence a été caractérisé globalement et localement, dans le cerveau et au niveau des carotides, pour deux configurations d'antenne d'émission. Pour finir, une séquence pCASL encodée en temps a été développée et appliquée à la souris, dans le cadre d'une collaboration avec des équipes néerlandaises du Leiden University Medical Center. Cet outil permet la mesure simultanée de CBF et du temps de transit artériel, un paramètre pouvant refléter des pathologies vasculaires sous-jacentes. / Cerebral blood flow (CBF) characterizes the blood supply to brain tissue. This perfusion-related parameter contributes in diagnosis and therapeutic follow-up in many diseases. The least invasive technique to measure CBF is arterial spin labeling (ASL), where arterial water is used as tracer. The aim of this PhD project, conducted within a CIFRE agreement (Convention Industrielle de Formation par la REcherche), was to increase the performance and to facilitate the use of continuous and pseudo-continuous arterial spin labeling (CASL, pCASL) tools in preclinical studies. CBF quantification by means of ASL is one of the most challenging MRI modalities in terms of the workflow, since additional adjustments, acquisitions and post-processing steps are required. First, to render the workflow smoother for the user, a CASL package has been developed in collaboration with Bruker. This workflow allows easier relative and absolute CBF measurements, thanks to the integration of automated adjustments and reconstruction steps. In a second step, problems arising at high magnetic field were addressed. A strategy to optimize the pCASL labeling sequence in order to obtain robust results was developed and its robustness towards suboptimal shim conditions was demonstrated at 9.4 T in rats. The developed pCASL-package, consisting of three sequences, was shared with ten other institutes worldwide. Another issue encountered at high magnetic fields is heating due to RF power deposition, which was assessed locally in the brain and in the carotids, as well as globally, for the CASL and pCASL sequences and for two different transmit coil configurations. In a third step, time-encoded pCASL was developed in mice in collaboration with teams of the Leiden University Medical Center. This tool enables the simultaneous mapping of CBF and arterial transit time, a parameter that can reflect underlying pathologies such as increased vessel tortuosity or occlusion.

En neurosciences et en médecine, l'imagerie fonctionnelle de la perfusion cérébrale permet de caractériser les variations régionales du couplage neurovasculaire et de la vasoréactivité aux gaz circulants. Grâce à l'IRM par marquage des spins artériels (ASL), il est possible de mesurer la perfusion de façon quantitative, dynamique et reproductible sans injection de produit de contraste. Ce travail méthodologique a consisté à mettre en place et optimiser une séquence IRM de quantification de la perfusion par ASL pour étudier la vasoréactivité cérébrale. Pour disposer d'une mesure quantitative avec une sensibilité maximale, des simulations numériques et des expériences sur sujets sains ont permis d'optimiser : l'amplitude des impulsions RF, en prenant en compte l'hétérogénéité du champ B1 ; les délais des impulsions d'inversion pour supprimer le signal statique ; la position de la zone de marquage par rapport au champ de transmission du résonateur RF ; l'espacement minimal entre la zone de marquage et la région d'intérêt ; la durée de bolus et le temps d'attente avant l'acquisition. Une méthode originale de caractérisation rapide du bolus de sang marqué en début de chaque expérience a été développée pour permettre un paramétrage optimal de la séquence pour chaque sujet. Ces méthodes ont été utilisées pour caractériser les effets de l'inhalation de mélanges d'oxygène et de carbogène à teneur variable en CO2 sur la perfusion cérébrale chez des sujets sains. En parallèle, les mêmes méthodes de perfusion sont utilisées dans une étude qui vise à caractériser la vasoréactivité cérébrale dans la maladie d'Alzheimer.

La perfusion est un facteur important dans la viabilité et la fonction du myocarde. Des atteintes microvasculaires diffuses, précédant l'infarctus ou l'insuffisance cardiaque sont impliqués dans bon nombre de pathologies cardiaques. Ce travail vise à améliorer les techniques existantes de mesure quantitatives et non-invasive de la perfusion myocardique par marquage de spins artériels (ASL). La première partie de mon travail de thèse a consisté en la mise place chez la souris d'une technique alternative pour mesurer la perfusion myocardique. Celle-ci est basée sur un marquage pulsé et régulièrement répété afin de construire un état d'équilibre de l'aimantation sous l'influence de la perfusion (approche steady-pulsed ASL). Le modèle théorique associé à cette technique spASL a été développé en parallèle afin de quantifier le flux sanguin tissulaire. Il a été montré que spASL permettait d'obtenir un résultat similaire aux techniques existantes avec en plus, les avantages d'améliorer la sensibilité au signal de perfusion ainsi que de réduire le temps d'acquisition. Dans un second temps, un transfert vers l'imagerie clinique pour une application chez l'homme a été entrepris. Le marquage de type spASL a été conservé et le module de lecture a été adapté aux spécificités de l'imagerie cardiaque chez l'homme pour une acquisition en respiration libre. Un post-traitement dédié qui comprend une correction de mouvement rétrospective a ensuite vu le jour afin d'améliorer la robustesse de nos mesures. Parallèlement aux développements conduits chez l'homme, nous avons exploité l'approche spASL chez l'animal en proposant diverses améliorations en fonction des études menées. / Myocardial blood flow is an important factor of tissue viability and function. Diffuse changes in microcirculation preceding heart failure are involved in various cardiac pathologies. This work aim at improving existing techniques allowing quantitative and non-invasive myocardial perfusion assessment using arterial spin labeling. The first step of my work was to design an alternative approach to quantify myocardial blood flow in mice. The so called steady-pulsed ASL (spASL) is based on a regularly repeated pulsed labeling in order to build up a stationary regime of the magnetization under the influence of perfusion. The associated theoretical model has been developed in parallel to quantify tissue blood flow. We have shown that spASL allows to obtain similar results than the previously employed techniques, with the additional advantages of an increased sensitivity to the perfusion signal and a reduced acquisition time. A transfer towards clinical imaging for human applications was then undertaken. The spASL labeling scheme has been preserved while adapting the readout module to the specificities of cardiac MRI when applied to free-breathing human acquisitions. A dedicated post-processing, which includes a retrospective motion correction, has emerged subsequently to improve the robustness of our measurements. In parallel to the developments made for human studies, some optimization of the spASL technique when applied to rodent have been carried out depending on the conducted studies.

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil important pour l’investigation qualitative et quantitative de la physiologie du cerveau. L’investigation de l’activité neuronale à l’aide de cette modalité est possible grâce à la détection de changements hémodynamiques qui surviennent de manière concomitante aux activités de signalisation des neurones, tels l’augmentation régionale du débit sanguin cérébral (CBF) ou encore la variation de la concentration de désoxyhémoglobine dans les vaisseaux veineux. Pour étudier la formation de contrastes fonctionnels qui découlent de ces phénomènes, deux séquences de pulses ont été développées en vue d’expériences en IRM fonctionnelle (IRMf) visant l’imagerie du signal oxygéno-dépendant BOLD ainsi que de la perfusion. Le premier objectif de cette thèse fut le développement d’une séquence de type écho-planar (EPI) permettant l’acquisition entrelacée d’images en mode échos de gradient (GRE-EPI) ainsi qu’en mode échos de spins (SE-EPI) pour l’évaluation de la performance de ces deux méthodes d’imagerie au cours d’une expérience en IRMf BOLD impliquant l’utilisation d’un stimulus visuel chez 4 sujets adultes sains. Le deuxième objectif principal de cette thèse fut le développement d’une séquence de marquage de spins artériels employant un module de marquage fonctionnant en mode pseudo-continu (pCASL) pour la quantification du CBF au repos. Cette séquence fut testée chez 3 sujets adultes en bonne santé et sa performance fut comparée à celle d’une séquence similaire développée par un groupe de recherche extérieur. Les résultats de l’expérience portant sur le contraste BOLD indiquent une supériorité de la performance du mode GRE-EPI vis-à-vis celle du mode SE-EPI en termes des valeurs moyennes du pourcentage de l’ampleur d’effet et du score t associés à l’activité neuronale en réponse au stimulus. L’expérience visant la quantification du CBF démontra la capacité de la séquence pCASL développée au cours de ce projet de calculer des valeurs de la perfusion de la matière grise ainsi que du cerveau entier se retrouvant dans une plage de valeurs qui sont physiologiquement acceptables, mais qui demeurent inférieures à celles obtenues par la séquence pCASL développée par le groupe de recherche extérieur. Des expériences futures seront effectuées pour optimiser le fonctionnement des séquences présentées dans ce mémoire en plus de quantifier l’efficacité d’inversion de la séquence pCASL. / Magnetic resonance imaging (MRI) is an important tool for the qualitative and quantitative investigation of brain physiology. The investigation of neuronal activation using this modality is made possible by the detection of concomitantly-arising hemodynamic changes in the brain’s vasculature, such as localized increases of the cerebral blood flow (CBF) or the variation of the concentration of paramagnetic deoxyhemoglobin in venous vessels. To study the formation of functional contrasts that stem from these changes in MRI, two pulse sequences were developed in this thesis to carry out experiments in blood oxygenation level dependent (BOLD) and perfusion functional MRI (fMRI). The first objective laid out in this work was the development of an echo planar imaging (EPI) sequence permitting the interleaved acquisition of images using gradient-echo EPI and spin-echo EPI to assess the performances of these imaging techniques in a BOLD fMRI experiment involving a visual stimulation paradigm in 4 healthy adult subjects. The second main objective of this thesis was the development of a pseudo-continuous arterial spin labelling (pCASL) sequence for the quantification of cerebral blood flow (CBF) at rest. This sequence was tested on 3 healthy adult subjects and compared to an externally-developed pCASL sequence to assess its performance. The results of the BOLD fMRI experiment indicated that the performance of GRE-EPI was superior to that of SE-EPI in terms of the average percent effect size and t-score associated with stimulus-driven neuronal activation. The CBF quantification experiment demonstrated the ability of the in-house pCASL sequence to compute values of CBF that are within a range of physiologically-acceptable values while remaining inferior to those computed using the externally-developed pCASL sequence. Future experiments will focus on the optimization of the sequences presented in this thesis as well as on the quantification of the pCASL sequence’s labelling efficiency.

L'encéphalopathie associée au sepsis (EAS) est définie comme un dysfonctionnement cérébral diffus induit par une réponse systémique à une infection. Chez les patients septiques, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) a indiqué à la fois des anomalies de la substance grise (SG) et blanche (SB) associées à des troubles cognitifs graves, y compris le delirium. Pour améliorer notre compréhension des changements hémodynamiques, métaboliques et structuraux associés au sepsis, différentes séquences d'IRM ont été réalisées chez des rats ayant subi une injection ip de solution saline ou de lipopolysaccharide bactérien (LPS) 2,5h plus tôt ou une ligature et ponction caecale 24h plus tôt. Après ip LPS, l'IRM de contraste de phase a été réalisée pour étudier le flux des artères cérébrales antérieures et moyennes et le marquage des spins artériels (ASL) pour étudier la perfusion des structures cérébrales de la SB et SG. Des séquences d'imagerie par diffusion pondérée (DWI) ont été utilisées pour évaluer les changements structurels. Après la chirurgie CLP, ASL a été utilisé pour étudier les changements de la microcirculation. L'imagerie pondérée en T2, l'imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et les statistiques spatiales basées sur les faisceaux (TBSS) ont été réalisées pour caractériser les événements structurels dans différentes structures cérébrales. Après imagerie, les animaux ont été sacrifiés et leur cerveau a été traité pour l'histologie afin de détecter l'enzyme synthétisant les prostaglandines vasoactives cyclooxygénase-2 (COX-2) et le canal hydrique astrocytaire aquaporin-4 (AQP4) dont l'expression peut être régulée à la hausse, évaluer la présence d'immunoglobulines périvasculaires (Ig) indiquant une rupture de la barrière hémato-encéphalique (BHE) et étudier la morphologie des glies puisque la microglie et l’astroglie changent de morphologie lors des conditions inflammatoires. L'IRM n'a indiqué aucun changement hémodynamique dans la substance grise après l'administration de ip LPS, alors qu'une perfusion cérébrale accrue a été montrée au niveau du corps calleux comme indiqué par l'ASL. DTI a indiqué une augmentation de la diffusion des molécules d’eau parallèlement aux fibres du corps calleux. Ces changements étaient accompagnés d'une dégradation de BHE dans la SB ainsi que la substance grise corticale et striatale adjacente tel est indiqué par la présence périvasculaire d'IgG, sans aucun changement majeur de COX-2 vasculaire ou de morphologie des glies du coprs calleux. Le dysfonctionnement du SNC induit par le sepsis a résulté en une augmentation du contraste pondéré en T2 dans le cortex, le striatum et la base du cerveau, une diminution de la perfusion sanguine dans le cortex et une augmentation de la diffusion hydrique du corps calleux et du striatum ventral. Ces changements ont été associés dans la SB à des modifications de la morphologie des glies et dans la substance grise à une expression constitutive de COX-2 et AQP4 plus faible dans le cortex cérébral. La comparaison entre CLP ayant subit ou non une IRM sous anesthésie à l'isoflurane a montré une réponse inflammatoire réduite tel est indiqué par l'expression de COX- 2, une activation réduite des glies ainsi qu’une lésion réduite de la BHE dans le CLP subissant une IRM sous anesthésie. Collectivement, nos résultats suggèrent que des changements hémodynamiques peuvent survenir en l'absence de flux altéré dans les artères irriguant le cerveau antérieur. Ensuite, l'altération de la structure de la SB est une étape précoce de la pathogenèse de l’EAS qui peut résulter soit de la dégradation de la BHE, soit de l'activation des glies. Cette étude sous-tend l'effet délétère d'une seule exposition à l'anesthésie à l'isoflurane qui peut être atténuée par une seconde exposition chez les rats ayant subi une laparotomie ainsi que les effets de l'inflammation systémique induite par le CLP sur les glies pouvant être atténués par imagerie sous anesthésie à l'isoflurane. / Sepsis-associated encephalopathy (SAE) refers to central nervous system dysfunction during the systemic inflammatory response to infection. In septic patients with encephalopathy MRI has indicated both gray and white matter abnormalities that were associated with worse cognitive outcome including delirium. To improve our understanding of sepsis-associated hemodynamic, metabolic, and structural changes, different MRI sequences were performed in rats that either underwent an i.p injection of saline or bacterial lipopolysaccharide (LPS) 2.5h earlier or cecal ligation and puncture (CLP) 24h earlier. After ip LPS, phase contrast MRI was performed to study anterior and middle cerebral arteries flow and Arterial Spin Labeling (ASL) to study perfusion of white and grey matter brain structures. Diffusion Weighted Imaging (DWI) sequences was used to assess structural changes. After CLP surgery, ASL was used to study microcirculation changes. T2-Weighted Imaging, Diffusion Tensor Imaging (DTI) and tract-based spatial statistics (TBSS) were performed to characterize structural events in different brain structures. After imaging, animals were sacrificed and their brains processed for histology to detect the vasoactive prostaglandin-synthesizing enzyme cyclooxygenase-2 (COX-2) and the astrocytic aquaporin-4 water channel (AQP4) the expression of which can be upregulated during inflammation, to assess the presence of perivascular immunoglobulins (Ig) indicating blood-brain barrier (BBB) leakage and to study glia cell morphology as both microglia and astrocytes are known to change their morphology in inflammatory conditions. Magnetic resonance rat brain imaging indicated no hemodynamic changes in the grey matter after ip LPS administration while an increased CBF was shown in corpus callosum white matter as indicated by ASL. DTI indicated increased water diffusion parallel to fibers of the corpus callosum white matter. These changes were accompanied by BBB breakdown in the white matter and adjacent cortical and striatal grey matter as indicated by the perivascular presence of IgG, but no major changes in vascular COX-2 or white matter glia cell morphology. CLP induced sepsis-associated CNS dysfunction resulted in higher T2-weighted contrast intensities in the cortex, striatum and base of the brain, decreased blood perfusion distribution to the cortex and increased water diffusion in the corpus callosum and ventral striatum compared to sham surgery. These changes were associated in the white matter with modifications in glia cells morphology and in the grey matter with lower expression of constitutive COX-2 expression and AQP4 in the cerebral cortex. The comparison between CLP that underwent or not MRI under isoflurane anesthesia indicated reduced inflammatory response as indicated by COX-2 expression, reduced glia activation and reduced BBB damage in CLP that underwent MRI under isoflurane anesthesia. Collectively, our results suggest that hemodynamic changes may occur in the absence of altered flow in forebrain irrigating arteries. Then, altered white matter structure is an early step in SAE pathogenesis that may result either from BBB breakdown or glial cells activation. This study underlies the deleterious effects of a single exposure to isoflurane anesthesia that may be mitigated by a second exposure in sham-operated rats and the effects of CLP-induced systemic inflammation on glial cells that can be attenuated by imaging under isoflurane anesthesia.

Introduction: Il est bien établi que les maladies vasculaires, cérébrovasculaires et cardiovasculaires se manifestent différemment chez les hommes que chez les femmes. La rigidité artérielle (RA), un prédicteur indépendant de la maladie cardiovasculaire (MCV), a été associée à des changements de la réactivité cérébrovasculaire (RCV) et à un déclin cognitif lors du vieillissement. Plus précisément, les personnes âgées ayant une RA plus élevée présentent un déclin plus marqué au niveau des tâches exécutives. Une diminution des fonctions exécutives (FE) est également liée à une réduction de la RCV chez les personnes âgées. Cependant, il est important de noter que la relation entre la RA et la RCV est plus complexe. Certaines études montrent une diminution de la RCV associée avec une RA plus élevée, tandis que d’autres rapportent une RCV préservée avec une RA élevée. De plus, des travaux récents suggèrent que les différences de concentration en hématocrit (HCT) pourraient avoir une incidence sur les mesures de RA. Ici, nous avons étudié le rôle possible du sexe et de l'HCT sur ces relations hémodynamiques. Méthodes: Des acquisitions ont été effectuées chez 48 adultes âgés en bonne santé (31 femmes, 63 ± 5 ans) dans un scanneur d’imagerie par résonance magnétique (IRM) 3T. Des données de marquage de spin artériel pseudo-continu utilisant des lectures à double écho ont été collectées pendant un défi d'hypercapnie (changement de CO2 de 5mmHg, pendant deux blocs de 2 minutes). La RCV a été calculée comme étant le % de changement du signal de débit sanguin cérébral (% ∆CBF) par changement de mmHg dans le CO2 à la fin de l’expiration. Les données de vitesse d’onde de pouls (VOP) aortique ont été acquises à l’aide d’une série de contraste de phase cine encodée par la vitesse durant 60 phases cardiaques avec un encodage en vélocité de 180cm/s dans le plan. La VOP dans l'arcade aortique a été calculée entre l'aorte ascendante et descendante. Les analyses statistiques ont été effectuées à l'aide de SPSS. Résultats: Un test de modération contrôlant pour l’âge et le volume des hyperintensités de la matière blanche a révélé un effet direct significatif de la VOP sur la RCV (β = 1,630, IC à 95% [.654, 2,607), ainsi que de la VOP sur la FE (β = -. 998, IC 95% [-1,697, -,299]). Le sexe a modéré la relation entre VOP et RCV (β = -1,013, IC 95% [-1,610, -,4169]), et VOP et FE (β = .447, IC 95% [.020, .875]). En outre, il existait un effet significatif de l’HCT sur les différences de sexe observées dans l’effet de modération (VOP * SEXE) sur la FE (β = -0,7680, SE = 0,3639, IC 95% [-1,5047, -0,0314], p = 0,0414). Conclusion: Nos résultats indiquent que les relations entre la VOP, la RCV et la FE sont complexes et que le sexe et l’HCT modulentces relations. L’influence des variations hormonales (p. ex. la ménopause) sur ces relations devrait être étudiée dans le futur et pourrait permettre de personnaliser les stratégies de prévention des MCV. / Introduction: It is well established that sex differences exist in the manifestation of vascular, cerebrovascular and cardiovascular disease. Arterial stiffness (AS), an independent predictor of cardiovascular disease (CVD), has been associated with changes in cerebrovascular reactivity (CVR) and cognitive decline in aging. Specifically, older adults with increased AS show a steeper decline on executive function (EF) tasks. Decreased EF is also linked with reduction in CVR among older adults. Interestingly, the relationship between AS and CVR is more complex, where some works show decreased CVR with increased AS, and others demonstrate preserved CVR with higher AS. In addition, recent work suggests that measurements of AS may be affected by differences in the concentration of hematocrit (HCT). Here, we investigated the possible role of sex and HCT on these hemodynamic relationships. Methods: Acquisitions were completed in 48 healthy older adults (31 females, 63 ± 5 years) on a 3T MRI. Pseudo-continuous arterial spin labeling using dual-echo readouts were collected during a hypercapnia challenge (5mmHg CO2 change, during two, 2 min blocks). CVR was calculated as the %∆CBF signal per mmHg change in end-tidal CO2. Aortic PWV data was acquired using a cine phase contrast velocity encoded series during 60 cardiac phases with a velocity encoding of 180cm/s through plane. PWV in the aortic arch was computed between ascending and descending aorta. Statistical analyses were done using SPSS. Results: A moderation model test controlling for age and white matter hyperintensity volume revealed a significant direct effect of PWV on CVR (β=1.630, 95% CI [.654, 2.607), as well as PWV on EF (β=-.998, 95% CI [-1.697, -.299]). Sex moderated the relationship between PWV and CVR (β=-1.013, 95% CI [-1.610, -.4169]), and PWV and EF (β=.447, 95% CI [.020, .875]). In addition, there was a significant effect of HCT on the sex differences observed in the moderation effect (PWV*SEX) on EF (β=-0.7680, SE = 0.3639 ,95% CI [-1.5047, -0.0314], p=0.0414). Conclusion: Together, our results indicate that the relationships between PWV, CVR and EF is complex and in part mediated by sex and HCT. Future work should investigate the role of hormone variations (e.g., menopause) on these relationships to better personalize CVD prevention strategies.