Ce mémoire présente les travaux effectués sur le développement d'une source optique servant à des applications d'imagerie biomédicale en général et de diffusion Raman cohérente en particulier. En effet la diffusion de ces dernières est freinée par le verrou technologique que constitue la nécessité de deux impulsions synchronisées et décalées en longueur d’onde. La praticité et les possibilités de conversions de fréquences offertes par l’optique non-linéaire fibrée sont ainsi utilisées pour adresser ce verrou technologique. Tout d’abord, une source simplement réglable en longueur d’onde est générée par l’effet d’auto-décalage en fréquence optique d'un soliton par effet Raman. Une étude des principaux paramètres de fibre aboutit à des décalages de 320 à plus de 500 nm, permettant une imagerie des résonances d’intérêt (≈ 1000-4000 cm-1). Deux applications de ce décalage sont présentées. Ensuite, l’autre impulsion voit sa largeur spectrale réduite de 70 à 10 cm-1 par compression spectrale, qui consiste en un "regroupement non-linéaire de fréquences sans pertes", afin de bénéficier de la résolution spectrale nécessaire. Enfin, la source développée est validée par l’acquisition de spectres CARS de différents échantillons de référence, pour différentes résonances (850 à 1750 cm-1). Une extension de la source à d'autres types d'imagerie est proposée, ainsi qu'une architecture de source quasiment entièrement fibrée exploitant les principes développés au cours de cette thèse / This manuscript presents the work done concerning the development of a light source used for biomedical imaging and more particularly for coherent Raman scattering imaging. In fact an efficient broadcasting of these ones is hampered by the need of two synchronized and wavelength shifted pulses. As so, the handiness and frequency conversion capabilities of nonlinear fiber optics are used to circumvent this technological lock. First of all, an easy wavelength tunable source is set by the use of the self-shifting in optical frequency of a soliton. A study of the main fiber parameters lead to shifts of 320 to more than 500 nm which allows interesting molecular resonances imaging (≈ 1000-4000 cm-1). Two applications of this shift are also reported. Then, the second pulse sees its spectral width reduced from 70 to 10 cm-1 by spectral compression, which consists in a "loss-less frequency regrouping", in order to obtain a proper spectral resolution. Finally, the developed source is validated by acquiring CARS spectra of different reference solvents and for different resonances (850 to 1750 cm-1). An evolution of this source to allow other imaging techniques is proposed, as well as a quasi-all-fibered source exploiting the principles addressed during this thesis work

Abstract Brain disorders such as epilepsy, dementia and other mental illnesses induce increasing costs on health care systems with aging populations. The most effective treatment of these disorders would be either prevention or intervention of the disorder before irreversible damage develops. However, despite the increased interest in different brain diseases, many of them are still detected too late. One reason for this is the lack of appropriate functional imaging modality that can critically sample the targeted physiological phenomenon. Furthermore, it has been shown that one imaging modality is not enough to cover brain functionality properly; a multimodal approach is required. The main goal of this thesis was to validate near-infrared spectroscopy (NIRS) for brain measurement and to integrate it into a multimodal neuroimaging setup that can critically sample basic human physiological phenomena. A novel key element was the combined use of NIRS with ultra-fast magnetic resonance encephalography (MREG), electroencephalography (EEG), continuous non-invasive blood pressure and anesthesia monitoring as a synchronous system. This unique multimodal neuroimaging set-up with a new functional magnetic resonance imaging sequence, MREG, can sample human brain physiology at 10 Hz sampling rate without cardiorespiratory aliasing. The implemented setup was successfully used in scanning multiple patient and control populations. With the help of critical sampling rate, non-stationarity between the measured signals reflecting brain pulsations could be detected. Combined NIRS and EEG showed the capability to monitor therapeutic opening of the blood-brain barrier during treatment of central nervous system lymphoma for the first time in humans. Furthermore, our multimodal neuroimaging setup enabled the mapping of the recently described brain avalanches and glymphatic pulsation mechanisms of the brain. In conclusion, the ultra-fast multimodal laboratory with integrated NIRS offers novel and more comprehensive views on basic brain physiology. The measures from this thesis also have the potential to offer new, quantitative biomarkers for the detection of different brain disorders prior to irreversible damage. / Tiivistelmä Aivosairaudet kuten epilepsia, dementia ja muut mielenterveyden häiriöt aiheuttavat kasvavissa määrin kuluja ikääntyvien ihmisten terveydenhuollossa. Näiden tautien tehokkain hoitokeino olisi joko ennaltaehkäisy tai varhainen havaitseminen ennen peruuttamattomien kudosvaurioiden kehittymistä. Lisääntyneestä kiinnostuksesta huolimatta monet aivosairaudet havaitaan edelleen liian myöhään. Osasyy tähän on sopivan toiminnallisen kuvausmenetelmän puuttuminen, jolla voitaisiin kuvata haluttu fysiologinen ilmiö riittävän nopeasti. Onkin osoitettu, ettei yksittäinen kuvausmenetelmä riitä aivojen toiminnan riittävän tarkkaan ymmärtämiseen, vaan siihen tarvitaan eri menetelmien yhdistämistä. Tämän väitöskirjatutkimuksen päätarkoituksena oli arvioida lähi-infrapunaspektroskopian (NIRS) soveltuvuutta aivojen toiminnan mittaamisessa sekä integroida se osaksi multimodaalista neurokuvantamisjärjestelmää. Uutena elementtinä NIRS:iä käytettiin yhdessä ultranopean magneettiresonanssienkefalogrammin (MREG), aivosähkökäyrän (EEG), jatkuva-aikaisen kajoamattoman verenpaineen mittauksen ja anestesiamonitoroinnin kanssa samanaikaisesti, ajallisesti synkronoituna. Yhdessä uuden toiminnallisen magneettikuvaussekvenssin, MREG:n, kanssa tällä ainutlaatuisella multimodaalisella neurokuvantamisjärjestelmällä voidaan kuvata ihmisen aivojen perusfysiologiaa 10 Hz näytteistysnopeudella ilman sydämen sykkeen ja hengityksen laskostumista. Toteutetulla multimodaalisella mittausjärjestelmällä tehtiin useita onnistuneita kuvauksia eri potilasryhmillä ja terveillä koehenkilöillä. Kriittisen näytteistämisen ansiosta voitiin havaita epästationaarisuutta aivojen pulsaatioita heijastelevien signaalien välillä. NIRS:n ja EEG:n samanaikainen mittaaminen mahdollisti ensimmäistä kertaa ihmisen veriaivoesteen aukeamisen monitoroinnin keskushermostolymfoomapotilaiden hoidossa. Lisäksi multimodaalinen neurokuvantamisjärjestelmä mahdollisti hiljattain havaittujen aivojen vyöryjen (engl. avalanches) ja glymfaattisten pulsaatioiden kartoittamisen. Yhteenvetona voidaan todeta, että väitöskirjatyön aikana toteutettu multimodaalinen laboratorio yhdessä NIRS:n kanssa mahdollistaa aivojen perusfysiologian edistyksellisen ja tarkan tutkimisen. Nyt kehitetyt mittarit saattavat myös tarjota uusia, kvantitatiivisia biomarkkereita eri aivosairauksiin ennen vakavien vaurioiden syntymistä.

Les travaux réalisés au cours cette thèse ont eu comme objectif l’étude de l’interaction de la lumière polarisée avec des milieux et des particules diffusants. Ces travaux s’inscrivent dans un contexte collaboratif fort entre le LPICM et différents laboratoires privés et publics. Des aspects très variées ont été traités en profondeur dont le développement instrumental, la simulation numérique avancée et la création de protocoles de mesure pour l’interprétation de donnés à caractère complexe.La partie instrumentale de la thèse a été consacrée au développement d’un instrument novateur, adapté à la prise d’images polarimétriques à différents échelles (du millimètre au micron) pouvant être rapidement reconfigurable pour offrir différents modes d’imagerie du même échantillon. Les deux aspects principaux qui caractérisent l’instrument sont i) la possibilité d’obtenir des images polarimétriques réelles de l’échantillon et des images de la distribution angulaire de lumière diffusé par une zone sur l’échantillon dont sa taille et position peuvent être sélectionnée par l’utilisateur à volonté, ii) le contrôle total de l’état de polarisation, de la taille et de la divergence des faisceaux utilisés pour l’éclairage de l’échantillon et pour la réalisation des images de celui-ci. Ces deux aspects ne se trouvent réunis sur aucun autre appareil commercial ou expérimental actuel.Le premier objet d’étude en utilisant le polarimètre imageur multimodal a été l’étude de l’effet de l’épaisseur d’un milieu diffusant sur sa réponse optique. En imagerie médicale il existe un large consensus sur les avantages de l’utilisation de différentes propriétés polarimétriques pour améliorer l’efficacité de techniques optiques de dépistage de différentes maladies. En dépit de ces avantages, l’interprétation des observables polarimétriques en termes de propriétés physiologiques des tissus se trouve souvent obscurcie par l’influence de l’épaisseur, souvent inconnue, de l’échantillon étudié.L’objectif des travaux a été donc, de mieux comprendre la dépendance des propriétés polarimétriques de différents matériaux diffusants avec l’épaisseur de ceux-ci. En conclusion, il a été possible de montrer que, de manière assez universelle, les propriétés polarimétriques des milieux diffusants varient proportionnellement au chemin optique que la lumière a parcouru à l’intérieur du milieu, tandis que le dégrée de polarisation dépend quadratiquement de ce chemin. Cette découverte a pu être ensuite utilisée pour élaborer une méthode d’analyse de données qui permet de s’affranchir de l’effet des variations d’épaisseur des tissus, rendant ainsi les mesures très robustes et liées uniquement aux propriétés intrinsèques des échantillons étudiés.Un deuxième objet d’étude a été la réponse polarimétrique de particules de taille micrométrique. La sélection des particules étudiées par analogie à la taille des cellules qui forment les tissus biologiques et qui sont responsables de la dispersion de la lumière. Grâce à des mesures polarimétriques, il a été découvert que lorsque les microparticules sont éclairées avec une incidence oblique par rapport à l’axe optique du microscope, celles-ci semblent se comporter comme si elles étaient optiquement actives. D’ailleurs, il a été trouvé que la valeur de cette activité optique apparente dépend de la forme des particules étudiées. L’explication de ce phénomène est basée sur l’apparition d’une phase topologique dans le faisceau de lumière. Cette phase topologique dépend du parcours de la lumière diffusée à l’intérieur du microscope. L’observation inédite de cette phase topologique a été possible grâce au fait que l’imageur polarimétrique multimodale permet un éclairage des échantillons à l’incidence oblique. Cette découverte peut améliorer significativement l’efficacité de méthodes optiques pour la détermination de la forme de micro-objets. / The work carried out during this thesis was aimed to study the interaction of polarized light from the scattering media and particles. This work is part of a strong collaborative context between the LPICM and various private and public laboratories. A wide variety of aspects have been treated deeply, including instrumental development, advanced numerical simulation and the creation of measurement protocols for the interpretation of complex data.The instrumental part of the thesis was devoted to the development of an innovative instrument, suitable for taking polarimetric images at different scales (from millimeters to microns) that can be quickly reconfigured to offer different imaging modes of the same sample. The two main aspects that characterize the instrument are i) the possibility of obtaining real polarimetric images of the sample and the angular distribution of light scattered by an illuminated zone whose size and position can be controlled, ii) the total control of the polarization state, size and divergence of the beams. These two aspects are not united on any other commercial or experimental apparatus today.The first object of the study using the multimodal imaging polarimeter was to study the effect of the thickness from a scattering medium on its optical response. In medical imaging, there is a broad consensus on the benefits of using different polarimetric properties to improve the effectiveness of optical screening techniques for different diseases. Despite these advantages, the interpretation of the polarimetric responses in terms of the physiological properties of tissues has been obscured by the influence of the unknown thickness of the sample.The objective of the work was, therefore, to better understand the dependence of the polarimetric properties of different scattering materials with the known thickness. In conclusion, it is possible to show that the polarimetric properties of the scattering media vary proportionally with the optical path that the light has traveled inside the medium, whereas the degree of polarization depends quadratically on the optical path. This discovery could be used to develop a method of data analysis that overcomes the effect of thickness variations, thus making the measurements very robust and related only to the intrinsic properties of the samples studied.The second object of study was to study the polarimetric responses from particles of micrometric size. The selection of the particles studied by analogy to the size of the cells that form the biological tissues, and which are responsible for the dispersion of light. By means of the polarimetric measurements, it has been discovered that when the microparticles are illuminated with an oblique incidence with respect to the optical axis of the microscope, they appear to behave as if they were optically active. Moreover, it has been found that the value of this apparent optical activity depends on the shape of the particles. The explanation of this phenomenon is based on the appearance of a topological phase of the beam. This topological phase depends on the path of the light scattered inside the microscope. The unprecedented observation of this topological phase has been done by the fact that the multimodal polarimetric imager allows illumination of the samples at the oblique incidence. This discovery can significantly improve the efficiency of optical methods for determining the shape of micro-objects.

Le travail présenté dans ce mémoire avait pour but d’étudier le potentiel de nouvelles sondes fluorescentes pour la mise au point d’agents d’imagerie optique et d’imagerie Cherenkov inédits. Le premier chapitre porte sur la synthèse de subphtalocyanines et phtalocyanines fluorescentes possédant des fonctions chimiques qui confèrent à la molécule des propriétés adaptées à une application en imagerie médicale. Les composés obtenus ont été étudiés pour déterminer s’ils possèdent les propriétés requises pour l’application visée, en considération du cahier des charges propre aux fluorophores. Dans un deuxième temps, certaines sondes fonctionnelles préparées ont été utilisées pour créer des agents d’imagerie inédits. Dans le cas des subphtalocyanines, la biovectorisation a été explorée par association directe de la sonde avec un peptide, ou indirecte grace à un liposome encapsulant la sonde. Dans le cas des phtalocyanines, les sondes fonctionnelles ont été engagées dans la préparation de nanohybrides constitués de nanoparticules d’oxyde de fer ou de nanotubes d’oxyde de titane, afin d’obtenir des agents bimodaux ou théranostiques. Le troisième chapitre présente l’étude du phénomène de transfert d’énergie (CRET) entre des radioéléments émetteurs Cherenkov et des fluorophores organiques a été étudié. La détermination des paramètres de transfert optimaux a ensuite guidé la mise au point d’une sonde CRET composée d’un fragment fluorescéine lié covalentement à un complexe d’yttrium-90. Pour finir, la possibilité d’émettre dans la fenêtre du proche infrarouge a été explorée par multi-transfert de type CRETFRET. / The goal of this work was to prepare and study new fluorescent probes, which could give rise to novel optical or Cherenkov imaging agents. The first section of this work describes the synthesis of fluorescent subphthalocyanines and phthalocyanines probes, which possess relevant chemicals groups suitable for optical imaging applications. The optical and physico-chemical properties of the new probes were carefully examined to ensure they comply with the specification of the fluorophores for the desired application. The second part focused on the subsequent development of a few selected probes into real imaging agents. The biovectorisation of subphtalocyanines was achieved upon conjugation of a peptide either with the probe or with a liposome that encapsulate the probe. Phthalocyanine-based functional probes were engaged in the synthesis of nanohybrides made of iron oxide nanoparticles or titania nanotubes, to afford bimodal or theranostic agents. In a final part, the energy transfer phenomenon (CRET) between Cherenkov emitting radionuclides and organic fluorophores was studied. The optimal transfer parameters were considered to prepare a CRET probe made of a fluorescein moiety covalently attached to an Yttrium-90 complex. Finally, the ability to emit in the near infrared window was explored by multi-CRET-FRET transfer.

La tomographie de cohérence optique plein champ est une technique de microscopie permettant d’imager un plan d’intérêt en profondeur dans un milieu diffusant. Cette technique a été utilisée pour l’examen de pièces opératoires dans un but de diagnostic en cancérologie. L’utilisation de cette technique permettrait en effet de fournir un outil de diagnostic peropératoire rapide et fiable, évitant ainsi de nombreuses procédures de réopération. Ces réopérations peuvent survenir lorsque – lors du diagnostic final par analyse de coupes histologiques – le pathologiste décèle la présence de tissus cancéreux restant, non retirés au cours de l’opération.L’OCT plein champ a montré de bons résultats pour cette application. Néanmoins, cette technique ne fournit qu’un contraste morphologique des tissus, ne permettant pas d’utiliser des critères de qualification des pièces opératoires basées – par exemple – sur la morphologie ou la densité cellulaire.Nous avons développé une nouvelle modalité d’imagerie basée sur l’OCT plein champ permettant de révéler un contraste métabolique dans le tissu à une échelle subcellulaire. Ce contraste permet de révéler les cellules précédemment non distinguées en OCT plein champ. Nous avons également utilisé la mesure quantitative de cette modalité pour réaliser des outils d’aide au diagnostic utilisant des approches d’apprentissage par ordinateur. / Full filed optical coherence tomography is a microscopy imaging technique allowing to image a specific slice in a scattering medium, in depth. This technique has been used for the diagnosis of biopsy in cancerology. This technique could be an efficient and fast way to diagnose excised tissues during surgery. This would avoid numerous reoperations procedures. These reoperations are necessary when a pathologist suspects cancerous tissue to still be present in the patient, based on histological slide examination.FFOCT has shown promising results for that purpose. Nevertheless, this technique only gives a morphological contrast of tissues, which is not enough for applying some diagnostic criteria such as cell morphology or cell density.We developed a new imaging modality based on FFOCT allowing to reveal metabolic contrast in tissues at the subcellular scale. This contrast reveals cells previously indistinguishable with FFOCT. We also used this quantitative metric to propose tools to facilitate diagnosis, using machine learning approaches.

L’introduction en clinique de la bimodalité combinant la tomographie d’émission de positons (TEP) et la tomodensitométrie (TDM) a été un succès dans les années 2000. La multimodalité dans le contexte de l’imagerie médicale a souvent pour but de combiner une information physiologique à une information anatomique. Deux approches existent : la première étant d’acquérir séparément les modalités et de les combiner ultérieurement par fusion d’images sur ordinateur, la seconde s’affranchit des problèmes possibles du recalage en opérant une acquisition dans le même statif des deux modalités. Cependant, il existe des limites à l’imagerie TEP/TDM. L’idée de combiner l’imagerie par résonance (IRM) magnétique à la TEP offre des avantages par rapport à la TDM. Notamment, l’IRM offre un excellent contraste des tissus et offre l’accès à de l’information multidimensionnelle, fonctionnelle et morphologique grâce à la modularité offerte par l’acquisition IRM. Cette information pourrait permettre de mieux comprendre les processus physiopathologiques des maladies. De plus, l’IRM n’est pas ionisante, au contraire de l’imagerie TDM. L’introduction au début des années 2010 des premiers appareils d’acquisition simultanée TEP/IRM offre de nombreuses possibilités, mais il reste des défis à résoudre avant d’assister à la même diffusion en clinique que l’imagerie TEP/TDM de ces appareils. Notamment, l’atténuation photonique, qui doit être corrigée afin de permettre le caractère quantitatif de l’imagerie, est un problème. Dans ce travail, nous abordons cette question en proposant des solutions pour les différentes régions du corps. Une attention particulière est portée à la région pelvienne. L’état de l’art des méthodes disponibles expose un faible nombre de solutions pour cette région, pourtant riche en tissus osseux atténuants et zone d’occurrence du second cancer le plus commun chez l’homme : le cancer de la prostate. Nous évaluons l’impact de la solution proposée sur la correction des photons diffusés, toujours dans un objectif d’obtenir une imagerie quantitative. Les différentes méthodologies de correction et d’évaluation font intervenir des simulations numériques Monte Carlo. / The clinical introduction of the bimodality combining the positron emission tomography (PET) and the computed tomography (CT) has been a major success in the 2000s. Multimodality, in the context of medical imaging, often has the aim of associating a physiological information and an anatomical information. Two approaches exist : either the two modalities are acquired separately and then fused through computerized image fusion, or we discard the issues related to image registration by acquiring in the same system the two modalities. However, there remain limits to PET/CT imaging. The idea to combinemagnetic resonance imaging (MRI) to PET offers solutions and advantages compared to the use of TDM.MRI offers an excellent tissue contrast and offers an access to multidimensional functional and morphological information thanks to the modularity offered by MRI. This information could improve the understanding of the physiopathological processes involved in diseases. Moreover, MRI is non-ionizing modality, on the contrary to CT. The introduction in the early 2010s of the first simultaneous PET/MRI systems offers a lot of possibilities, but there remains challenged to solve before observing the same spread as the PET/CT in imaging facilities. In particular, the photon attenuation, which must be corrected to provide a quantitative imaging, remains an issue. In this work, we address this issue by proposing solutions for the different regions of the body. A special attention is drawn to the pelvic region. Indeed, the state of the art of available methods exposes a small number of solutions for this area ; even so it is rich in attenuation osseous tissues et area of occurrence of the second most common cancer in men : prostate cancer. We assess the impact of the proposed solution on the scattered photons correction, still in the aim of obtaining a quantitative imaging modality. The different methodologiesof correction and evaluation use Monte Carlo numerical simulations.

Le diagnostic des pathologies du tube digestif pouvant favoriser la survenue du cancer colorectal(CCR) telle que les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) est un enjeu majeur de santé public. Un meilleur suivi du patient – impactant notamment le pronostic vital – et une meilleure compréhension de la physiopathologie de ces maladies reposent en partie sur l'émergence de nouvelles techniques diagnostiques. Dans ce contexte, ce manuscrit décrit les développements instrumentaux et méthodologiques combinant séquentiellement au sein d'un même protocole un examen par IRM endoluminale avec un examen associant l'endoscopie conventionnelle, la spectrophotométrie optique et l'endomicroscopie confocale. Les capteurs et procédures développés ont été caractérisés in vitro sur des modèles organiques puis évalués au cours de deux suivis longitudinaux sur un modèle de colite induite chimiquement chez le petit animal. Cette démarche s'inscrit dans les développements récents de techniques multimodales applicables chez des modèles animaux pour des études méthodologiques ou chez l'Homme. La première partie du manuscrit décrit un panorama de l'anatomie rectocolique ainsi que des MICI et du CCR. Les moyens diagnostics actuels utilisés de manière régulière en clinique sont également présentés. La seconde partie décrit précisément les développements instrumentaux et méthodologiques réalisés en IRM et en optique ainsi que les différentes études in vivo qui ont été menées afin d'évaluer le potentiel de la multimodalité IRM – optique. Enfin, la troisième partie de ce manuscrit présente et discute les résultats obtenus au cours de ces différentes études pour les différentes modalités. En conclusion, l'apport de nouveaux outils diagnostiques tels que présentés dans ce manuscrit permettant d'accroître la sensibilité de détection et de caractérisation des lésions tissulaires colorectales est démontré / The diagnosis of gut-inflammatory conditions such as inflammatory bowel disease (IBD), that may lead into colorectal cancer (CRC), is a major public health issue. The emergence of novel imaging-based diagnosis technics helps to improve patients’ following-up but also the growth mechanisms of such conditions. In this context, the present manuscript describes a protocol that includes sequentially endoluminal MRI examination with conventional endoscopy, optical spectroscopy and confocal endomicroscopy. The dedicated developed instrumentation has been first characterized on organic models and then evaluated in vivo on a mouse model of colitis during two longitudinal studies. This project aims to propose methodological developments offering new ways of investigating complex mechanisms on mouse models and that could be further transposed to Human. The first part of this manuscript describes an overview of the colon and rectum anatomy as well as the main characteristics of IBD and CRC. The diagnostic imaging tools that are mainly use in clinical environment for the detection, description and staging of colorectal abnormalities are then presented. The second part describes the development of endoluminal MRI with dedicated coils and the development of optical modalities. In order to assess the potential of the proposed protocol, the different in vivo studies carried out during this project are detailed. Finally, the last part of the document shows and discusses the results obtained for each and cross modalities in this context. In conclusion, bringing new ways of imaging gut diseases to increase the sensitivity of the diagnosis and enhance the morphological description of colorectal abnormalities was demonstrated

Avec 35 millions de personnes atteintes dans le monde, la maladie d'Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus répandue. L'une des caractéristiques pathologiques de cette maladie est l'apparition de plaques amyloïdes, composées d'agrégats de peptide beta-amyloïde. Aujourd'hui, le diagnostic repose essentiellement sur des tests neuropsychologiques et sur la mise en évidence de changements dans la structure du cerveau tels que l'atrophie corticale (diminution du volume du cerveau). Cependant les symptômes de cette maladie n'apparaissent qu'à un stade très développé. Ainsi la détection in vivo des dépôts de peptide beta-amyloïde avant le développement de la maladie pourrait conduire à un diagnostic plus précoce et plus probant. Elle pourrait également faciliter le suivi et l'évaluation des effets des interventions thérapeutiques au cours du traitement. Dans ce travail, nous avons développé une méthode de diagnostic précoce innovante, capable de cibler et de détecter les plaques Abeta à la fois par l'imagerie par résonance magnétique et par l'imagerie de fluorescence. Nous avons développé un nouveau type d'agents de contraste intelligents pour l'imagerie multimodale, basé sur des nanoparticules magnétiques sur lesquelles sont greffés les polythiophènes luminescents (LCPs). Les LCPs à la surface des nanoparticules magnétiques se lient aux plaques Abeta de manière sélective et spécifique. Lors de cette liaison, la liberté conformationnelle des polythiophènes se trouve limitée, ce qui conduit à des spectres d'émission spécifiques dépendant de la conformation, et rend pertinent l'usage de l'imagerie par résonance magnétique et de fluorescence des plaques Abeta / Alzheimer's disease is the most common neurodegenerative disorder, affecting around 35 million people worldwide. One of the characteristic pathological hallmarks of AD is amyloid plaques; consist of beta-amyloid peptide aggregates. Today’s diagnosis depends essentially on neuropsychological tests and in highlighting change in brain structure such as cortical atrophy. A major issue is that symptoms appear only at a developed stage of the disease. Then in vivo detection of beta-amyloid deposits at an early stage could lead to earlier and more conclusive diagnosis of AD and help monitoring the effect of therapeutic interventions. In this work, we develop an innovative and early diagnosis method, able to target and detect beta-amyloid deposits aggregates both by magnetic resonance and fluorescence imaging. Thus we develop a new kind of smart contrast agent for multimodal imaging, based on magnetic nanoparticles on which are grafted luminescent conjugated polythiophenes (LCPs). LCPs on the surface of the magnetic nanoparticles bound to beta-amyloid aggregates selectively and specifically. Upon biding to beta-amyloid aggregates the conformational freedom of the backbone is restricted, leading to specific conformation-dependent emission spectra from the LCPs, opening the way for magnetic resonance and fluorescence imaging of the beta-amyloid plaques

Thèse de doctorat présenté en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D) / Il est de plus en plus communément admis que la plupart des fonctions cognitives chez l’humain sont organisées sous forme de réseaux cérébraux distribués plutôt que strictement sous forme de modules anatomiques ségrégués et localisés. Parmi ces fonctions cognitives, nos capacités à nommer des objets ou à formuler des idées sont fondamentales dans la communication verbale et une perturbation de ces capacités peut mener à des limitations significatives au quotidien (ex. manque de fluidité, discours vide de sens, paraphasies et difficultés à se faire comprendre). La combinaison multimodale des données en imagerie par résonance magnétique (IRM) est une façon d’étudier ces réseaux cérébraux. Elle permet d’investiguer simultanément plusieurs pans de l’architecture neurobiologique qui forme ces réseaux cérébraux (ex. les dynamiques fonctionnelles qu’entretiennent les différentes aires cérébrales et leurs connexions anatomiques sous-jacentes). L’intégration de l’IRM fonctionnelle (IRMf) pour guider la tractographie représente une combinaison multimodale pertinente pour étudier le réseau fonctionnel (aires cérébrales) et structurel (fibre de matière blanche) qui permet la dénomination d’images chez l’humain. Néanmoins, la combinaison de ces modalités est complexe et il n’existe à ce jour aucune documentation strictement dédiée à l’intégration l’IRMf pour guider la tractographie (ex. procédurier, bonnes pratiques, etc.). Le premier objectif de cette thèse consistait donc à effectuer une synthèse intégrative des aspects méthodologiques associés à l’intégration de l’IRMf pour guider la tractographie via une étude de la portée (article/étude #1). Nos résultats sont organisés en 19 constats qui concernent les défis méthodologiques associés à cette méthode de combinaison multimodale. Nous y proposons également des recommandations, des pistes de solution et avons identifié des lacunes dans les connaissances associées à cette méthodologie. Le second objectif de cette thèse visait à cartographier le réseau cérébral impliqué dans la dénomination d’images en intégrant l’IRMf pour guider la tractographie auprès de jeunes adultes en santé (article/étude #2). En appliquant les connaissances de l’article/étude #1 dans le cadre d’une étude empirique, nous avons pu proposer un modèle neurocognitif de la dénomination d’images. Dans ce modèle, nous validons la présence d’une voie ventrale et dorsale du traitement de l’information. Les résultats suggèrent aussi que les parties postérieures du cortex inférotemporal et du gyrus temporal supérieur peuvent servir d’interface entre ces deux voies du traitement de l’information. Cette étude appuie également la suggestion d'une voie ventrale indirecte qui transige par le lobe temporal antérieur. Finalement, cette thèse propose un outil fort utile pour les chercheurs qui désirent utiliser cette méthode intégrative, avancer les connaissances ou encore développer de nouveaux outils méthodologiques. Grâce à a l’intégration de l’IRMf pour guider la tractographie et la triangulation des données issues d’autres méthodes, cette thèse offre une analyse détaillée des processus cognitifs et des bases neurobiologiques impliqués dans la dénomination d’images. Il s’agit encore ici d’un outil très pertinent pour tous les cliniciens qui ont recours à la dénomination d’images dans le cadre de leur pratique. / It has become more and more consensual that most cognitive functions in humans are organized in distributed brain networks rather than simply segregated and localized modules. Amongst these cognitive functions, our ability to name objects and elaborate ideas is fundamental for verbal communication as naming impairments can lead to significant limitations (i.e., lack of fluidity, empty speech, paraphasias and struggles to be understood). Multimodal magnetic resonance imaging (MRI) data combination provide opportunities for studying brain networks. It allows us to simultaneously investigate different aspects of the neurobiological architecture that forms brain networks (i.e., the functional dynamics that brain areas maintain together and their underlying anatomical connections). The integration of functional MRI (fMRI) to guide diffusion MRI (dMRI) tractography therefore represents an interesting way of combining multimodal MRI to study functional networks (brain areas) and white matter structures that allow picture naming abilities in humans. However, combining different MRI modalities remains a complex challenge and, up to this date, there is no documentation strictly dedicated to the integration of fMRI to guide dMRI tractography (i.e. bests practices, step-by-step guide, recommendations, etc.). The first objective of this thesis was to provide an integrative synthesis of the methodological aspects related to the integration of fMRI to guide dMRI tractography through a scoping review (article/study #1). Our results are organized in 19 findings which concern the methodological challenges associated with this multimodal combination technique. We there offer recommendations, solutions and identify gaps in the literature. The second objective of this thesis was to map the brain network involved in picture naming by integrating fMRI to guide dMRI tractography in healthy young adults (article/study #2). By applying the knowledge obtained from article/study #1 in the context of an experimental study, we were able to propose a neurocognitive model of picture naming. In this model, we confirm the presence of a ventral and dorsal information processing pathway. Our results also suggest that the posterior parts of the inferotemporal cortex and superior temporal gyrus may serve as an interface between these two information processing pathways. This study also supports the hypothesis of an indirect ventral pathway that relays through the anterior temporal lobe. Finally, this thesis offers a useful tool for researchers who wish to use this multimodal integrative method, advance knowledge or develop new methodological tools. Thanks to the integration of fMRI to guide dMRI tractography and the triangulation of data from other methods, this thesis was able to offer a complex and comprehensive look at the cognitive processes and neurobiological basis involved in picture naming. Again, this is also a very relevant tool for all clinicians who use picture naming in their everyday practice.

Las enfermedades cardiovasculares (ECVs) son la principal causa de mortalidad en el mundo Occidental. El interés de prevenir y tratar las ECVs ha desencadenado un rápido desarrollo de los sistemas de adquisición de imágenes médicas. Por este motivo, la cantidad de datos de imagen recolectados en las instituciones de salud se ha incrementado considerablemente. Este hecho ha aumentado la necesidad de herramientas automatizadas para dar soporte al diagnóstico, mediante una interpretación de imagen confiable y reproducible. La tarea de interpretación requiere traducir los datos crudos de imagen en parámetros cuantitativos, los cuales son considerados relevantes para clasificar la condición cardiaca de un paciente. Para realizar tal tarea, los métodos basados en modelos estadísticos de forma han recibido favoritismo dada la naturaleza tridimensional (o 3D+t) de las imágenes cardiovasculares. Deformando el modelo estadístico de forma a la imagen de un paciente, el corazón puede analizarse de manera integral. Actualmente, el campo de las imágenes cardiovasculares esta constituido por diferentes modalidades. Cada modalidad explota diferentes fenómenos físicos, lo cual nos permite observar el órgano cardiaco desde diferentes ángulos. El personal clínico recopila todas estas piezas de información y las ensambla mentalmente en un modelo integral. Este modelo integral incluye información anatómica y funcional que muestra un cuadro completo del corazón del paciente. Es de alto interés transformar este modelo mental en un modelo computacional capaz de integrar la información de manera global. La generación de un modelo como tal no es simplemente un reto de visualización. Requiere una metodología capaz de extraer los parámetros cuantitativos relevantes basados en los mismos principios técnicos. Esto nos asegura que las mediciones se pueden comparar directamente. Tal metodología debe ser capaz de: 1) segmentar con precisión las cavidades cardiacas a partir de datos multimodales, 2) proporcionar un marco de referencia único para integrar múltiples fuentes de información, y 3) asistir la clasificación de la condición cardiaca del paciente. Esta tesis se basa en que los modelos estadísticos de forma, y en particular los Modelos Activos de Forma, son un método robusto y preciso con el potencial de incluir todos estos requerimientos. Para procesar múltiples modalidades de imagen, separamos la información estadística de forma de la información de apariencia. Obtenemos la información estadística de forma a partir de una modalidad de alta resolución y aprendemos la apariencia simulando la física de adquisición de otras modalidades. Las contribuciones de esta tesis pueden ser resumidas así: 1) un método genérico para construir automáticamente modelos de intensidad para los Modelos Activos de Forma simulando la física de adquisición de la modalidad en cuestión, 2) la primera extensión de un simulador de Resonancia Magnética Nuclear diseñado para producir estudios cardiacos realistas, y 3) un método novedoso para el entrenamiento automático de modelos de intensidad y de fiabilidad aplicado a estudios cardiacos de Resonancia Magnética Nuclear. Cada una de estas contribuciones representa un artículo publicado o enviado a una revista técnica internacional. / Cardiovascular diseases (CVDs) are the major cause of death in the Western world. The desire to prevent and treat CVDs has triggered a rapid development of medical imaging systems. As a consequence, the amount of imaging data collected in health care institutions has increased considerably. This fact has raised the need for automated analysis tools to support diagnosis with reliable and reproducible image interpretation. The interpretation task requires to translate raw imaging data into quantitative parameters, which are considered relevant to classify the patient’s cardiac condition. To achieve this task, statistical shape model approaches have found favoritism given the 3D (or 3D+t) nature of cardiovascular imaging datasets. By deforming the statistical shape model to image data from a patient, the heart can be analyzed in a more holistic way. Currently, the field of cardiovascular imaging is constituted by different modalities. Each modality exploits distinct physical phenomena, which allows us to observe the cardiac organ from different angles. Clinicians collect all these pieces of information to form an integrated mental model. The mental model includes anatomical and functional information to display a full picture of the patient’s heart. It is highly desirable to transform this mental model into a computational model able to integrate the information in a comprehensive manner. Generating such a model is not simply a visualization challenge. It requires having a methodology able to extract relevant quantitative parameters by applying the same principle. This assures that the measurements are directly comparable. Such a methodology should be able to: 1) accurately segment the cardiac cavities from multimodal datasets, 2) provide a unified frame of reference to integrate multiple information sources, and 3) aid the classification of a patient’s cardiac condition. This thesis builds upon the idea that statistical shape models, in particular Active Shape Models, are a robust and accurate approach with the potential to incorporate all these requirements. In order to handle multiple image modalities, we separate the statistical shape information from the appearance information. We obtain the statistical shape information from a high resolution modality and include the appearance information by simulating the physics of acquisition of other modalities. The contributions of this thesis can be summarized as: 1) a generic method to automatically construct intensity models for Active Shape Models based on simulating the physics of acquisition of the given imaging modality, 2) the first extension of a Magnetic Resonance Imaging (MRI) simulator tailored to produce realistic cardiac images, and 3) a novel automatic intensity model and reliability training strategy applied to cardiac MRI studies. Each of these contributions represents an article published or submitted to a peer-review archival journal.