L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes IRM permettant d’étudier l’impact d’une ischémie focale transitoire sur le cerveau de rat nouveau-né. Les techniques utilisées sont l’imagerie à contraste renforcé par le manganèse (MEMRI), l’imagerie du tenseur de diffusion (DTI) ainsi que de façon préliminaire l’imagerie Q-ball (QBI). Le MEMRI après injection intra cérébrale a été utilisé afin d’étudier de manière dynamique le tractus cortico-thalamique, en parallèle le DTI a servi de marqueur de la structuration cérébrale. Les résultats ont montré une atteinte du tractus cortico-thalamique ipsi-latéral, sept et quatorze jours après ischémie. De manière générale le DTI a montré une structuration ralentie à la suite de l’ischémie. A partir de ces résultats la faisabilité d’une méthode d’acquisition rapide et de traitement de données Q-ball a été établie puis testée sur un animal immature. Les méthodes mises en place se sont révélées efficaces dans le suivi de la maturation cérébrale dans des conditions normales ainsi que pathologiques, ouvrant des perspectives d’études liées au développement cérébral. / The thesis aim is to develop MRI methods to study the impact of focal transient ischemia in neonatal rat brain. The principal techniques used are MEMRI (Manganese Enhanced MRI), DTI (Diffusion Tensor Imaging) and QBI (Q-Ball Imaging). MEMRI was used to observe in a dynamic way the cortico-thalamic manganese transport combined with the structural informations extracted from the DTI experiments. Results have shown a cortico-thalamic pathway disturbance, at seven and fourteen days after ischemia. Globally DTI results have shown a slowed brain structuration. From these results, the feasibility of a fast acquisition method and the post processing steps of Q-ball protocol was established and applied in an immature rat. The different MRI protocols developed during this thesis have shown good efficiency to follow the rat brain maturation, in healthy and pathological conditions, thus opening new perspectives for brain development studies.

L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes IRM permettant d'étudier l'impact d'une ischémie focale transitoire sur le cerveau de rat nouveau-né. Les techniques utilisées sont l'imagerie à contraste renforcé par le manganèse (MEMRI), l'imagerie du tenseur de diffusion (DTI) ainsi que de façon préliminaire l'imagerie Q-ball (QBI). Le MEMRI après injection intra cérébrale a été utilisé afin d'étudier de manière dynamique le tractus cortico-thalamique, en parallèle le DTI a servi de marqueur de la structuration cérébrale. Les résultats ont montré une atteinte du tractus cortico-thalamique ipsi-latéral, sept et quatorze jours après ischémie. De manière générale le DTI a montré une structuration ralentie à la suite de l'ischémie. A partir de ces résultats la faisabilité d'une méthode d'acquisition rapide et de traitement de données Q-ball a été établie puis testée sur un animal immature. Les méthodes mises en place se sont révélées efficaces dans le suivi de la maturation cérébrale dans des conditions normales ainsi que pathologiques, ouvrant des perspectives d'études liées au développement cérébral.

Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (MRI) has allowed unprecedented non-invasive mapping of brain neural connectivity in vivo by means of fiber tractography applications. Fiber tractography has emerged as a useful tool for mapping brain white matter connectivity prior to surgery or in an intraoperative setting. The advent of high angular resolution diffusion-weighted imaging (HARDI) techniques in MRI for fiber tractography has allowed mapping of fiber tracts in areas of complex white matter fiber crossings. Raw HARDI images, as a result of elevated diffusion-weighting, suffer from depressed signal-to-noise ratio (SNR) levels. The accuracy of fiber tractography is dependent on the performance of the various methods extracting dominant fiber orientations from the HARDI-measured noisy diffusivity profiles. These methods will be sensitive to and directly affected by the noise. In the first part of the thesis this issue is addressed by applying an objective and adaptive smoothing to the noisy HARDI data via generalized cross-validation (GCV) by means of the smoothing splines on the sphere method for estimating the smooth diffusivity profiles in three dimensional diffusion space. Subsequently, fiber orientation distribution functions (ODFs) that reveal dominant fiber orientations in fiber crossings are then reconstructed from the smoothed diffusivity profiles using the Funk-Radon transform. Previous ODF smoothing techniques have been subjective and non-adaptive to data SNR. The GCV-smoothed ODFs from our method are accurate and are smoothed without external intervention facilitating more precise fiber tractography. Diffusion-weighted MRI studies in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) have revealed significant changes in diffusion parameters in ALS patient brains. With the need for early detection of possibly discrete upper motor neuron (UMN) degeneration signs in patients with early ALS, a HARDI study is applied in order to investigate diffusion-sensitive changes reflected in the diffusion tensor imaging (DTI) measures axial and radial diffusivity as well as the more commonly used measures fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD). The hypothesis is that there would be added utility in considering axial and radial diffusivities which directly reflect changes in the diffusion tensors in addition to FA and MD to aid in revealing neurodegenerative changes in ALS. In addition, applying adaptive smoothing via GCV to the HARDI data further facilitates the application of fiber tractography by automatically eliminating spurious noisy peaks in reconstructed ODFs that would mislead fiber tracking.