Cette thèse traite du problème de séparation aveugle de sources non-négatives (c'est à dire des grandeurs positives ou nulles). La situation de séparation de mélanges linéaires instantanés de sources non-négatives se rencontre dans de nombreux problèmes de traitement de signal et d'images, comme la décomposition de signaux mesurés par un spectromètre (spectres de masse, spectres Raman, spectres infrarouges), la décomposition d'images (médicales, multi-spectrale ou hyperspectrales) ou encore l'estimation de l'activité d'un radionucléide. Dans ces problèmes, les grandeurs sont intrinsèquement non-négatives et cette propriété doit être préservée lors de leur estimation, car c'est elle qui donne un sens physique aux composantes estimées. La plupart des méthodes existantes de séparation de sources non-négatives requièrent de ''fortes" hypothèses sur les sources (comme l'indépendance mutuelle, la dominance locale ou encore l'additivité totale des sources), qui ne sont pas toujours vérifiées en pratique. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthode de séparation de sources non-négatives fondée sur la répartition géométrique du nuage des observations. Les coefficients de mélange et les sources sont estimées en cherchant le cône simplicial d'ouverture minimale contenant le nuage des observations. Cette méthode ne nécessite pas l'indépendance mutuelle des sources, ni même leur décorrélation; elle ne requiert pas non plus la dominance locale des sources, ni leur additivité totale. Une seule condition est nécessaire et suffisante: l'orthant positif doit être l'unique cône simplicial d'ouverture minimale contenant le nuage de points des signaux sources. L'algorithme proposé est évalué avec succès dans deux situations de séparation de sources non-négatives de nature très différentes. Dans la première situation, nous effectuons la séparation de spectres de masse mesurés à la sortie d'un chromatographe liquide haute précision, afin d'identifier et quantifier les différents métabolites (petites molécules) présents dans l'urine d'un rat traité au phénobarbital. Dans la deuxième situation, nous estimons les différents compartiments pharmacocinétiques du radio-traceur FluoroDeoxyGlucose marqué au fluor 18 ([18F]-FDG) dans le cerveau d'un patient humain, à partir d'une série d'images 3D TEP de cet organe. Parmi ces pharmacocinétiques, la fonction d'entrée artérielle présente un grand intérêt pour l'évaluation de l'efficacité d'un traitement anti-cancéreux en oncologie.

Avec 3000 nouveaux cas par an en France, le glioblastome multiforme (GBM) est la tumeur primitive du cerveau la plus fréquente. C’est aussi la plus agressive, l’espérance de vie moyenne des patients au moment du diagnostic ne dépassant guère 15 mois. Depuis l’étude de Stupp et collaborateurs en 2005, l’association radiothérapie – temozolomide est le traitement de référence en première ligne des glioblastomes nouvellement diagnostiqués. La protéine de la translocation (translocator protein, TSPO), connu aussi sous le nom de récepteur périphérique des benzodiazépines ou PBR, joue un rôle dans la biosynthèse des stéroïdes et le transport du cholestérol. L’interaction de la TSPO avec VDAC (Voltage-Dependant Anion Channel) dans les pores de transition de la perméabilité mitochondrial suggère également un rôle dans la régulation de l’homéostasie cellulaire et de l’apoptose. Certains travaux ont rapporté une surexpression de la TSPO dans des tumeurs cérébrales, suggérant que cette protéine pourrait représenter une cible moléculaire pour la thérapie du GBM. En particulier, l’Erucylphosphohomocholine (ErPC3, erufosine), dont l’activité antitumorale semble dépendre de la TSPO, a été capable d’induire l'apoptose in vitro dans des lignées de cellules de gliome résistantes à la chimiothérapie. Un radioligand de la TSPO pour l’imagerie par tomographie par émission de positons (TEP), le [18F]DPA-714, a été mis au point au CEA et validé dans différents modèles de neuroinflammation. Les hypothèses qui ont sous-tendu ce travail de thèse sont 1°) que la surexpression de la TSPO dans le GBM pouvait être mise en évidence par imagerie TEP au [18F]DPA-714 et 2°) que la manipulation pharmacologique de la TSPO, via les ligands spécifiques de cette protéine ou via l’ErPC3,pourrait induire l’apoptose dans les GBM. Les objectifs de la thèse étaient : 1°) d’évaluer l’expression de la TSPO dans un panel de cellules de gliomes murin et humain ; 2°) de caractériser, in vitro et in vivo, l’effet sur la survie cellulaire de lignées de GBM de l’administration de ligands de la TSPO [(et RO5-4864)] d’une part, ou de l’ErPC3 d’autre part ; 3°) de développer un modèle préclinique d’imagerie in vivo utilisant le [18F]DPA-714 pour suivre l’effet thérapeutique du ou des ligands sélectionné(s). Ce travail de thèse a démontré la faisabilité de l'imagerie TEP par [18F]DPA-714 pour détecter les gliomes 9L dans un modèle préclinique de rat et évaluer l’efficacité du traitement par ErPC3, ce qui pourrait constituer une nouvelle approche d’imagerie moléculaire du GBM. Il a permis de confirmer l'effet pro-apoptotique de l’ErPC3sur le gliome de rat in vitro et in vivo où une infiltration de la zone de la tumeur par les cellules microgliales/macrophages (CD11b-positives) et les astrocytes (GFAP-positives) chez les animaux traités à l’ErPC3 a pu être mise en évidence. Ces résultats ouvrent des perspectives intéressantes pour la recherche clinique dans le traitement des GBM. / In France alone, there are 3000 new cases of glioblastoma multiforme (GBM) per year and therefore GBM is the most common and aggressive form of the primary tumor in the central nervous system (CNS). The clinical prognosis for glioblastoma patients is extremely poor with a median survival period that rarely exceeds 15 months post-diagnosis. Since the study performed by Stupp and colleagues in 2005, the standard treatment for newly diagnosed glioblastoma consists of surgical removal of the tumor, followed by radiotherapy and concomitant chemotherapy with temozolomide. The 18 kDa Translocator Protein (TSPO), previously known as the peripheral benzodiazepine receptor (PBR) is a mitochondrial membrane protein known to be implicated in cholesterol transport, protein import, transport of porphyrin, cell proliferation and apoptosis through its interaction with VDAC (Voltage-Dependent Anion Channel) in the mitochondrial permeability transition pore (PTPM). Previous studies have reported overexpression of TSPO in brain tumors, suggesting that this protein may represent a molecular target for the therapy of GBM. In particular, Erucylphosphohomocholine (ErPC3, erufosine), an alkylphosphocholine, seems to be a promising agent in the treatment of glioblastoma. Previous studies have reported its ability to induce apoptosisin otherwise highly apoptosis resistant glioma cell lines and ErPC3 induced apoptosis seems to require the presence TSPO. [18F]DPA-714, a new TSPO radioligand for positron emission tomography (PET) imaging, was developed at the CEA and validated in different models of neuroinflammation. The hypotheses underlying this thesis are: 1) that the overexpression of TSPO in GBM can be detected by PET imaging using [18F]DPA-714 and 2) that the targeting of TSPO, via specific ligands or via ErPC3, can induce apoptosis in GBM. The objectives of the thesis were: 1) to evaluate the expression of TSPO in a panel of rodent and human glioma cell lines and 2) to characterize, in vitro and in vivo, the anti-neoplastic effect of TSPO ligands (PK11195 and RO5-4864) or ErPC3 in glioma cell lines as well as 3) to develop a preclinical model for in vivo PET imaging using [18F]DPA-714 to monitor treatment efficacy of selected ligands. In this thesis, we demonstrated the feasibility of using PET imaging with [18F]DPA-714 to characterize 9L glioma in an orthotopic rat model and to evaluate the effect of ErPC3 treatment, which could provide a new approach to molecular imaging of GBM. We confirmed the pro-apoptotic effect of ErPC3 in the rat 9L glioma cells in vitro and in vivo, and found an infiltration of microglia/macrophages (CD11b-positive) and astrocytes (GFAP-positive) in the tumor area of animals treated with ErPC3. These results open interesting perspectives for clinical research in the treatment of GBM.

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le contexte de la prédiction de la récidive en radiothérapie du cancer de l'utérus. L'objectif était d'analyser les images de tomographie par émission de positons (TEP) au 18F-fluorodésoxyglucose (18F-FDG) en vue d'en extraire des paramètres quantitatifs statistiquement corrélés aux événements de récidive. Six études ont été réalisées afin de répondre aux différentes problématiques soulevées par l'analyse des images 18F-FDG TEP telles que la présence d'artefact, l'isolation du métabolisme tumoral ou l'évaluation du signal en cours de traitement. Les études statistiques ont porté sur l'analyse de paramètres reflétant l'intensité, la forme et la texture du métabolisme tumoral avant, et en cours de traitement. À l'issue de ces travaux, le volume métabolique tumoral pré-thérapeutique ainsi que la glycolyse totale de la lésion per-thérapeutique apparaissent comme les paramètres les plus prometteurs pour la prédiction de récidive de cancers du col de l'utérus. De plus, il apparaît que la combinaison de ces paramètres avec d'autres caractéristiques de texture ou de forme, à l'aide de modèles statistiques d'apprentissage supervisé ou de modèles de régression plus classiques, ont permis d'augmenter la prédiction des événements de récidive. / This thesis deals with the issue of predicting the recurrence within the context of cervical cancer radiotherapy. The objective was to analyze positron emission tomography (PET) with 18F-fluorodeoxyglucose (18F-FDG) to extract quantitative parameters that could show statistical correlation with tumor recurrence. Six study were performed to address 18F-FDG PET imaging issues such as the presence of bladder uptake artifacts, tumor segmentation impact, as well as the analysis of tumor evolution along the treatment. Statistical analyses were performed among parameters reflecting intensity, shape and texture of the tumor metabolism before, and during treatment. Results show that the pre-treatment metabolic tumor volume and the per-treatment total lesion glycolysis are the most promising parameters for cervical cancer recurrence prediction. In addition, combinations of these parameters with shape descriptors and texture features, using machine-learning methods or regression models, are able to increase the prediction capability.

Résumé : L’imagerie TEP est une modalité puissante qui permet de suivre d’infimes concentrations de traceurs marqués pour la détection de cancers et d’autres pathologies. Il y a actuellement un intérêt croissant pour le développement de peptides comme outils diagnostiques et de traitement en oncologie. Cet intérêt se justifie entre autres par le fait que les peptides sont tolérants à la présence de chélateurs bifonctionnels ou de groupements prosthétiques pour le marquage avec divers radiométaux (64Cu, T1/2 = 12,7 h, 68Ga, T1/2 = 68 min, etc.) ou le 18F (T1/2 = 109,8 min) sans perte de leur activité biologique. L’objectif des travaux rapportés dans ce document était de développer des outils moléculaires innovateurs et efficaces qui facilitent le marquage de peptides pour l’imagerie TEP. Il s’agit spécifiquement d’un chélateur bifonctionnel et d’une méthode de conjugaison rapide et sélective de groupe prosthétique. Sur un volet, un chélateur bifonctionnel analogue de la lysine avec des ligands méthylhydroxamates a été synthétisé en solution par double bisalkylation. Les résultats préliminaires indiquent une faible chélation avec le Cu(II), mais sont à poursuivre avec les 68Ga et 89Zr. Pour le second volet de radiomarquage au 18F, les procédures synthétiques ont été optimisées en deux étapes, soient le marquage du groupe prothétique et sa conjugaison au peptide. Tout d’abord, des conditions de marquage par une réaction de SNAr en présence de 18F- ont été développées pour donner le groupe prosthétique 18F-thioester nécessaire à la conjugaison. Par la suite, sa conjugaison au peptide par la réaction de ligation chémosélective, ce qui implique trois étapes 1) une transthioestérification favorisée entre les groupements thioester et thiol des segments de peptides; 2) un réarrangement irréversible de l’intermédiaire thioester en N-(oxyalkyl)amide, suivi; 3) du clivage de l’auxiliaire. Par les présents travaux, il a été prouvé que la nouvelle méthodologie en un seul pot réactionnel accélère la réaction et permet le marquage au 18F de peptides non protégés, limitant ainsi les réactions secondaires et le nombre d’étapes après le marquage des peptides. La conjugaison du groupe prothétique à un composé et un peptide modèle se produit en 26-55 min comparativement aux 48 h des conditions originales rapportées. La méthode proposée permet également le marquage de peptides non protégés. Dans le futur, le chélateur bifonctionnel et le groupe prothétique seront conjugués à différents dérivés peptidiques ciblant des récepteurs impliqués dans le cancer et des tests de compétition, de saturation, de biodistribution et d’imagerie µTEP seront effectués. / Abstract : PET is a powerful imaging modality that follows tiny labeled tracer concentrations for the detection of cancer and other pathologies. There currently is a growing interest for the development of peptides as diagnostic and treatment tools in oncology. This interest is justified by the fact that peptides are tolerant to the presence of bifunctionnal chelators or prosthetic groups for labeling with many radiometals (64Cu, T1/2 = 12,7 h, 68Ga, T1/2 = 68 min, etc.) or 18F (T1/2 = 109,8 min), without losing their biological activity. The objective of the work reported in this document was to develop innovative and efficient molecular tools that facilitate peptide labeling for PET imaging. Specifically, they are a bifunctionnal chelator and a fast and selective prosthetic group conjugation method. On the first aspect, a lysine analogue bifunctionnal chelator bearing methylhydroxamate ligands was synthesized in solution through a double bisalkylation. The preliminary results show a weak Cu(II) chelation, but they are to be pushed forward with 68Ga and 89Zr. On the second aspect of 18F radiolabeling, synthetic procedures were optimised for two steps, which are the prosthetic group’s labeling and its conjugation to the peptide. First, the labeling conditions for a SNAr reaction with 18F- were developed, to yield the necessary 18F-thioester prosthetic group. Then, its conjugation to the peptide by the chemical ligation reaction through its three steps 1) a favored transthioesterification between the thioester and thiol peptide segments; 2) an irreversible rearrangement of the thioester intermediate to a N-(oxyalkyl)amide, followed; 3) the auxiliary cleavage. By this work, it has been proven that the new one pot methodology accelerates the reaction and allows the 18F labeling of unprotected peptides, which limits secondary reactions and the number of post peptide labeling steps. The prosthetic group conjugation to both model compound and peptide takes place in 26-55 min, compared to the 48 h initially reported. The proposed method also allows the labeling of unprotected peptides. In the future, the bifunctionnal chelator and the prosthetic group will be conjugated to different peptide derivatives that target cancer implied receptors and competition, saturation, biodistribution and µPET imaging assays will be performed.

Au cours des 20 dernières années, de nombreux modèles animaux ont émergé, permettant le développement de nouvelles approches pour l'étude préclinique du cerveau sain et pathologique. Les rongeurs sont ainsi devenus des acteurs incontournables des avancées thérapeutiques. Dans ce contexte, l'imagerie radioisotopique, qui permet de quantifier des traceurs radioactifs avec une sensibilité excellente, constitue un outil de choix l'étude des processus cérébraux in vivo. Mais, jusqu'à présent, les techniques de radioimagerie les plus courantes imposent l'anesthésie ou l'immobilisation de l'animal. Or, les anesthésiants affectent les processus biologiques étudiés. De plus, il existe un vif intérêt pour l'étude simultanée du comportement de l'animal. L'acquisition d'une image dynamique des processus cérébraux concomitante à la mesure du comportement de l'animal éveillé et libre de ses mouvements est une information précieuse pour l'étude de l'addiction, de la mémoire, etc.À IMNC, nous avons abordé la neuroimagerie comportementale par une approche originale basée sur des sondes intracérébrales qui mesurent la concentration du traceur radioactif par détection directe des positons in situ. La sonde PIXSIC, basée sur un capteur pixelisé à diodes de silicium, a démontré leur pertinence dans le cadre d'études pharmacologiques chez l'animal totalement libre de ses mouvements. Toutefois, PIXSIC a montré quelques limitations pour son utilisation longitudinale : un niveau de bruit élevé dû aux perturbations électromagnétiques, une forte sensibilité au rayonnement gamma d'annihilation et une grande fragilité mécanique de l'implant aminci à 200 micromètres. En nous appuyant sur l'avènement des technologies CMOS pour la détection des particules chargées en physique des hautes énergies, nous avons pour ambition de concevoir MAPSSIC, une sonde qui réponde aux difficultés mises en avant par PIXSIC. Les capteurs CMOS permettent d'inclure l'amplification au niveau des pixels, limitant ainsi le bruit d'origine électromagnétique. Le volume sensible peut être réduit à une épaisseur de quelques dizaines de micromètres, réduisant ainsi fortement la sensibilité aux gammas et autorisant l'augmentation de son épaisseur totale pour assurer sa robustesse mécanique. Enfin, les capteurs CMOS nous permettent de concevoir un détecteur fortement pixelisé pour accéder à de nouvelles capacités d'imagerie. Cette thèse a eu pour objectif de développer une version optimisé de la sonde. Pour cela, nous avons imaginé un premier prototype de capteur CMOS et nous avons développé un modèle Monte Carlo pour estimer ses propriétés de détection. Nous avons pu démontrer que ses performances le qualifiait pour l'usage prévu. Notamment en terme de sensibilité, de volume d’isoefficacité et d’énergie déposée. Nous avons également pu explorer plusieurs paramètres d’optimisation, les dimensions des pixels et l’épaisseur de la zone sensible, qui nous permettent de considérer MAPSSIC au delà du premier prototype. Fort de ces bases théoriques nous avons conçu plusieurs exemplaires du capteur. Les développements qui ont été établis durant la thèse se sont ensuite focalisés sur un ensemble d'outils méthodologiques, logiciels et matériels afin de permettre la caractérisation physique du capteur à l'aide de sources radioactives. Nous avons pu établir l'uniformité de la réponse des pixels et la plage de taux d’évènements assurant la linéarité du taux de comptage. Ces éléments nous ont permis de conclure sur la pertinence de ce capteur pour la conception d'un dispositif autonome d'imagerie. Celui-ci est constitué d'un implant fait de deux capteurs dos-à-dos, d'un système électronique assurant le contrôle des capteurs, la lecture du signal et la communication sans fil et d'une station d'acquisition. Dans le cadre de la thèse, nous avons montré son adéquation pour l'évaluation des variations de l'activité d'une source radioactive bêta+ liquide dans laquelle l'implant a été plongé. / Over the last 20 years, many animal models have emerged, allowing the development of new approaches for the preclinical study of the healthy and pathological brain. Rodents have become key players in therapeutic advances. In this context, radioisotope imaging, which quantifies radioactive tracers with excellent sensitivity, is a prime tool for the study of brain processes in vivo. But so far, the most common radioimaging techniques require anesthesia or immobilization of the animal. However, anesthetics affect the biological processes studied. In addition, there is a keen interest in the simultaneous study of the behavior of the animal. The acquisition of a dynamic image of brain processes concomitant with the behavior of the awake and freely moving animal is valuable information for the study of addiction, memory, etc.At IMNC lab, we have approached behavioral neuroimaging with an original method based on intracerebral probes that measure the concentration of the radioactive tracer by direct detection of positrons in situ. The PIXSIC probe, based on a pixelized sensor with silicon diodes, demonstrated their relevance in the context of pharmacological studies with completely freely moving animals. However, PIXSIC has shown some limitations for its longitudinal use: a high level of noise due to electromagnetic perturbations, a high sensitivity to annihilation gamma radiation and a high mechanical fragility of the implant thinned to 200 microns.Based on the advent of CMOS technologies for the detection of charged particles in high energy physics, our ambition is to design MAPSSIC, a probe that responds to the difficulties highlighted by PIXSIC. CMOS sensors allows amplification at the pixel level, thus limiting electromagnetic noise. The sensitive volume can be reduced to a thickness of a few tens of microns, thus greatly reducing the sensitivity to gammas and allowing the increase of its total thickness to ensure its mechanical robustness. Finally, CMOS sensors allows us to design a highly pixelated detector to reach new imaging capabilities. This thesis aims to develop an optimized version of the probe. We imagined a first prototype CMOS sensor and we developed a Monte Carlo model to estimate its detection properties. We were able to show that his performances qualified it for the intended use, in terms of sensitivity, isoefficiency volume and deposited energy. We have also been able to explore several optimization parameters, the pixel dimensions and the thickness of the sensitive area, which allow us to consider MAPSSIC beyond the first prototype. With these theoretical bases we have produced several copies of the sensor. The developments that were established during the thesis then focused on a set of methodological tools, software and hardware to allow the physical characterization of the sensor using radioactive sources. We have been able to establish the uniformity of the pixel response and the event rate range ensuring the linearity of the count rate.These elements allowed us to conclude on the relevance of this sensor for the design of an autonomous imaging device. This consists of an implant made of two back-to-back sensors, an electronic system providing sensor control, signal reading and wireless communication and an acquisition station. In the context of the thesis, we have shown its suitability for the evaluation of the variations of the activity of a liquid beta+ radioactive source in which the implant has been immersed.

Les plaques amyloïdes, composées d’agrégats de protéines bêta-amyloïde, sont l’un des principaux marqueurs physiopathologiques de la maladie d’Alzheimer et peuvent s’accumuler jusqu’à trois décennies avant les premiers signes cliniques. Il n’est pas encore bien établi dans quelle mesure le vieillissement cognitif normal pourrait dépendre de la présence de cette pathologie cérébrale. Par ailleurs, la réserve cognitive reflète le décalage parfois observé entre le niveau de pathologie et les manifestations cliniques de démence. En plus d’être associée à un risque réduit de développer une maladie neurodégénérative, la réserve cognitive rend compte d’une susceptibilité réduite de présenter un déclin cognitif associé au vieillissement normal. Cependant, la littérature demeure mitigée quant à l’effet protecteur de la réserve cognitive face à une charge amyloïde élevée à un stade où la cognition est cliniquement normale. L’objectif général de cette thèse était donc d’acquérir une meilleure compréhension de la relation entre la charge amyloïde, la cognition et la réserve cognitive au sein du vieillissement normal. Cette question de recherche a été étudiée grâce à la participation d’un groupe de 104 personnes âgées (77 femmes, âge moyen de 73 ans). Suivant une procédure de dépistage permettant de recruter uniquement des aînés sans trouble cognitif, une batterie d’épreuves neuropsychologiques a été administrée à partir de laquelle une mesure de mémoire épisodique a été extraite. Puis, l’imagerie par résonance magnétique et la tomographie par émission de positons ont permis d’établir la charge amyloïde de chaque participant. La première étude avait comme objectif de documenter chez cette population, d’une part, l’impact de la charge amyloïde sur l’efficience de la mémoire épisodique, et d’autre part, l’effet de la scolarité sur cette relation. Les résultats de cette étude ont permis d’appuyer l’idée que la performance en mémoire épisodique est associée à la charge amyloïde, relation qui est modérée par la scolarité. Plus précisément, cette association demeure significative jusqu’à 13.5 années d'études, alors qu’au-delà de ce seuil, la pathologie n’a plus d’impact sur les performances en mémoire. Ce résultat est cohérent avec celui démontrant que les performances en mémoire épisodique des participants ayant un diplôme d’études secondaires et collégiales étaient significativement affectées par les dépôts amyloïdes comparativement au groupe d’universitaires. La deuxième étude visait à évaluer l’effet protecteur d’autres proxys de réserve cognitive reconnus comme pouvant compenser les effets de l’âge et d’une pathologie cérébrale, soit la profession, le vocabulaire et les activités cognitivement stimulantes liées au style de vie. L’effet de différents indexes composites de réserve ont aussi été examinés. Lorsque considérés individuellement, seule la profession modère significativement la relation entre la charge amyloïde et la mémoire épisodique. Enfin, la combinaison de la profession et de la scolarité démontre la plus grande taille d'effet relativement à la modération de l’impact du fardeau amyloïde sur la mémoire épisodique. Cette thèse met en évidence l’impact de la charge amyloïde sur l’efficience de la mémoire épisodique dans le vieillissement normal. Néanmoins, les personnes âgées cognitivement normales ayant une réserve cognitive mieux développée seraient protégées contre l’effet délétère qu’entraîne cette pathologie sur la mémoire épisodique. / Amyloid plaques, aggregates of beta-amyloid proteins, are one of the main pathophysiologic markers of Alzheimer's disease and can accumulate up to three decades before the first clinical signs. It is unclear to what extent normal cognitive aging might depend on the presence of this brain pathology. Furthermore, cognitive reserve reflects the discrepancy that can be observed between the level of pathology and the clinical manifestations of dementia. In addition to being associated with a reduced risk of developing a neurodegenerative disease, cognitive reserve accounts for the reduced susceptibility to cognitive decline associated with aging. However, whether cognitive reserve may help withstand the effect of high amyloid load among cognitively normal older adults is still unclear. The general objective of this thesis was therefore to gain a better understanding of the relationship between amyloid load, cognition and cognitive reserve in normal aging. This research question was investigated through a sample of 104 older adults (77 women, mean age 73 years). Following a screening procedure which allowed to recruit only older adults with clinically normal cognition, a battery of neuropsychological tests was administered from which a measure of episodic memory was extracted. Participants underwent magnetic resonance imaging and positron emission tomography in order to quantify beta-amyloid load in each participant. The first study aimed to better characterize in this population, on the one hand, the impact of amyloid deposition on the efficiency of episodic memory, and on the other hand, the effect of education against this pathology. Performance in episodic memory was significantly associated with amyloid load, and this relationship was moderated by education. More precisely, the association remained significant up to 13.5 years of education, whereas beyond this threshold, amyloid load no longer had an impact on episodic memory performances. This result is consistent with the fact that the episodic memory performance of participants with a high school and college diploma were significantly affected by amyloid deposits compared to participants with a university degree. The second study aimed to investigate the protective effect of cognitive reserve against amyloid burden by means of other well-documented proxies of cognitive reserve that help better cope with age or pathology, such as occupation, vocabulary and cognitively stimulating lifestyle activities. The effect of different composite indexes of cognitive reserve was also examined. Taken individually, only occupation significantly moderated the relationship between amyloid load and episodic memory. In addition, when combined with education, this composite index of cognitive reserve demonstrated the largest effect size relatively to the moderation of the impact of amyloid burden on episodic memory. This thesis highlights the impact of amyloid load on episodic memory efficiency in normal aging. Furthermore, cognitively normal older adults with higher cognitive reserve appear to be protected against the deleterious effect of amyloid load on episodic memory.

L’objectif de la thèse: À ce jour, il est admis que la TSPO joue un rôle important dans le processus inflammatoire, et qu’il est possible de suivre sa présence à l’aide d’une variété de radiotraceurs adaptés. Les impacts de l’inflammation touchent un grand nombre de personnes à travers le monde pour diverses raisons ; c’est pourquoi, quoique le [ ¹ ⁸F]DPA-714 est très prometteur, il est nécessaire d’aller plus loin pour explorer ses capacités et ses applications possibles. L’inflammation a une forte incidence sur différentes maladies, par conséquent, à impact social élevé (comme la maladie inflammatoire de l’intestin (IBD), la neuroinflammation, et le choc septique). Dans ces modèles nous analyserons et quantifierons les niveaux de d’expression de TSPO 18kDa par imagerie TEP que nous comparerons au niveau exprimé trouvés chez des sujets contrôles. L’objectif étant de déterminer si la TSPO peut constituer une cible biologique d’intérêt pour l’évaluation et la quantification d’un état inflammatoire chez l’individu en utilisant l’imagerie TEP avec le radioligand [ ¹ ⁸F]DPA-714.Aperçu sur le travail de recherche : L’étude entreprise dans cette thèse a fourni des informations conduisant à la conclusion suivante : la TSPO 18kDa peut en effet être utile comme biomarqueur pour l’évaluation d’un état inflammatoire dans plusieurs maladies. Nous avons pu illustrer par l’intermédiaire de deux modèles de la maladie inflammatoire de l’intestin, un modèle de la neuroinflammation et un modèle de choc septique, que la TSPO est un indicateur du niveau de l’inflammation dans la zone affectée. De plus, nous avons pu suivre, mesurer et quantifier l’évolution d’une zone inflammée en fonction du temps.Bien que le [ ¹ ⁸F]DPA-714 est le traceur utilisé pour déterminer la présence et le niveau de l’inflammation, d’autres traceurs sont constamment en cours de développement. Cela est démontré par le travail de collaboration effectuée avec l’équipe de radiochimie, dans lequel nous avons illustré le potentiel d’un nouveau radioligand de TSPO, le [ ¹ ⁸F]DPA-C5yne. / Purpose : The purpose of this study was to determine the in vivo potential of the TSPO 18 kDa as a biomarker of inflammation, with the use of its radioligand [ ¹ ⁸F]DPA-714, to non-invasively quantify the inflammatory state within the scope of various pathologies. Procedure : Multiple animal models of various inflammatory diseases, to include : inflammatory bowel disease, neuroinflammation, and septic shock, were developed and put in place by adapted measures. The animals well-being and the subsequent inflammation was evaluated. The inflammatory state was measured using quantitative PET imaging with the TSPO radioligand [ ¹ ⁸F]DPA-714 and correlated to the expression of conventional inflammatory markers using microscopy. Results : Based on the observed data, we were able to distinguish control groups from treated groups when using [ ¹ ⁸F]DPA-714. This TSPO radioligand permitted us to quantify the inflammatory level and to observe evolutionary changes in the inflammatory state of the disease in multiple models. The PET results, using the [ ¹ ⁸F]DPA-714 signal was correlated with an increased TSPO expression at cellular level. Conclusion : Results indicate that [ ¹ ⁸F]DPA-714 is a suitable tracer for studying inflammation of multiple diseases.[ ¹ ⁸F]DPA-714 could be a good molecular probe to non-invasively evaluate the level and localization of inflammation. Moreover, in vivo imaging using this TSPO ligand is potentially a powerful tool to stage and certainly to follow the evolution and therapeutic efficiency at molecular level in inflammatory diseases.

Cette thèse traite du problème de séparation aveugle de sources non-négatives (c'est à dire des grandeurs positives ou nulles). La situation de séparation de mélanges linéaires instantanés de sources non-négatives se rencontre dans de nombreux problèmes de traitement de signal et d'images, comme la décomposition de signaux mesurés par un spectromètre (spectres de masse, spectres Raman, spectres infrarouges), la décomposition d'images (médicales, multi-spectrale ou hyperspectrales) ou encore l'estimation de l'activité d'un radionucléide. Dans ces problèmes, les grandeurs sont intrinsèquement non-négatives et cette propriété doit être préservée lors de leur estimation, car c'est elle qui donne un sens physique aux composantes estimées. La plupart des méthodes existantes de séparation de sources non-négatives requièrent de ``fortes" hypothèses sur les sources (comme l'indépendance mutuelle, la dominance locale ou encore l'additivité totale des sources), qui ne sont pas toujours vérifiées en pratique. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthode de séparation de sources non-négatives fondée sur la répartition géométrique du nuage des observations. Les coefficients de mélange et les sources sont estimées en cherchant le cône simplicial d'ouverture minimale contenant le nuage des observations. Cette méthode ne nécessite pas l'indépendance mutuelle des sources, ni même leur décorrélation; elle ne requiert pas non plus la dominance locale des sources, ni leur additivité totale. Une seule condition est nécessaire et suffisante: l'orthant positif doit être l'unique cône simplicial d'ouverture minimale contenant le nuage de points des signaux sources. L'algorithme proposé est évalué avec succès dans deux situations de séparation de sources non-négatives de nature très différentes. Dans la première situation, nous effectuons la séparation de spectres de masse mesurés à la sortie d'un chromatographe liquide haute précision, afin d'identifier et quantifier les différents métabolites (petites molécules) présents dans l'urine d'un rat traité au phénobarbital. Dans la deuxième situation, nous estimons les différents compartiments pharmacocinétiques du radio-traceur FluoroDeoxyGlucose marqué au fluor 18 ([18F]-FDG) dans le cerveau d'un patient humain, à partir d'une série d'images 3D TEP de cet organe. Parmi ces pharmacocinétiques, la fonction d'entrée artérielle présente un grand intérêt pour l'évaluation de l'efficacité d'un traitement anti-cancéreux en oncologie. / This thesis addresses the problem of non-negative blind source separation (i.e. positive or zero quantities). The situation of linear instantaneous mixtures of non-negative sources occurs in many problems of signal and image processing, such as decompositions of signals measured by a spectrometer (mass spectra, Raman spectra, infrared spectra), decomposition of images (medical, multi-spectral and hyperspectral) or estimating of the activity of a radionuclide. In these problems, the sources are inherently non-negative and this property should be preserved during their estimation, in order to get physical meaning components. Most of existing non-negative blind source separation methods require ``strong" assumptions on sources (such as mutual independence, local dominance or total additivity), which are not always satisfied in practice. In this work, we propose a new geometrical method for separating non-negative sources. The mixing matrix and the sources are estimated by finding the minimum aperture simplicial cone containing the scatter plot of mixed data. The proposed method does not require the mutual independence of the sources, neither their decorrelation, nor their local dominance, or their total additivity. One condition is necessary and sufficient: the positive orthant must be the unique minimum aperture simplicial cone cone containing the scatter plot of the sources. The proposed algorithm is successfully evaluated in two different problems of non-negative sources separation. In the first situation, we perform the separation of mass spectra measured at the output of a liquid chromatograph to identify and quantify the different metabolites (small molecules) present in the urine of rats treated with phenobarbital . In the second situation, we estimate the different pharmacokinetics compartments of the radiotracer [18F]-FDG in human brain, from a set of 3D PET images of this organ, without blood sampling. Among these pharmacokinetics, arterial input function is of great interest to evaluate the effectiveness of anti-cancer treatment in oncology.

La maladie d’Alzheimer (AD) est la principale cause de démence neurodégénérative, caractérisée à 95% par des formes tardives (LOAD) qui présentent des troubles mnésiques et progressent lentement. Cependant, environ 5% des patients atteints d’AD présentent une forme précoce de la maladie (EOAD) débutant avant 65 ans. Bien que le substratum lésionnel soit identique à la LOAD, l’EOAD est caractérisée par une plus grande sévérité des dépôts de plaques amyloïdes, des enchevêtrements neurofibrillaires et de l’atrophie cérébrale. De plus, l’EOAD est plus hétérogène que la LOAD, car même si la majorité des troubles sont mnésiques il existe une proportion importante de formes atypiques affectées par des troubles du langage, visuospatiaux ou exécutifs. Bien que de nombreuses études en imagerie TEP 18F-FDG aient permis de caractériser métaboliquement l’EOAD par rapport à la LOAD ou à un groupe de contrôles sains, très peu différentiaient pas les formes typiques (mnésiques) des formes atypiques. Dans ce travail de thèse, nous avons examiné les données d’imagerie TEP 18F-FDG, complémentées par l’IRM structurelle, afin d’améliorer la caractérisation et la compréhension des formes typiques et atypiques d’EOAD. Suite à un premier travail d’harmonisation des reconstructions TEP 18F-FDG entre deux machines GE et Siemens ayant toutes deux servies à l’acquisition des données patients, notre second objectif a été d’étudier à l’inclusion sur le cerveau entier les patterns hypométaboliques caractéristiques des différentes formes d’EOAD et leurs corrélations potentielles avec la performance neuropsychologique. Cette étude a montré que chaque forme clinique d’EOAD était caractérisée par des patterns hypométaboliques spécifiques fortement corrélés aux symptômes cliniques et aux scores neuropsychologiques du domaine cognitif associé. Par la suite, nous nous sommes intéressés à la progression sur 3 ans de l’hypométabolisme sur la surface corticale en fonction des formes typiques ou atypiques d’EOAD. Bien que des patterns similaires d’évolution de l’hypométabolisme entre les formes typiques et atypiques aient été observés au niveau du cortex pariétal, seules les formes atypiques ont présenté une réduction du métabolisme bilatérale plus importante au niveau du cortex orbito-frontal latéral associée à des déclins cognitifs plus sévères. Temporellement, les résultats suggèrent que l’hypométabolisme chez les formes typiques progresserait selon un axe antérieur-vers-postérieur en cohérence avec les stades de Braak et Braak, alors que l’hypométabolisme chez les formes atypiques progresserait selon un axe postérieur-vers-antérieur. Pris ensemble, ces résultats confortent l’hypothèse d’une distribution différente de la pathologie tau en termes de charge et d’évolution temporelle entre ces deux formes d’EOAD. Notre dernier objectif a été de déterminer les capacités discriminatives des données TEP 18F-FDG, seules ou combinées aux données de l’IRM structurelle, afin de classifier de manière automatique et supervisée des patients atteints d’EOAD en forme typique ou atypique. Nous avons mis en application des algorithmes de machine learning combinés à des méthodes de validation croisée afin d’évaluer les influences de diverses composantes sur les performances de classification. Des précisions équilibrées maximales égales à 80,8% en imagerie monomodale TEP 18F-FDG et 92,4% en imagerie multimodale TEP 18F-FDG/IRM T1 ont été obtenues, validant ainsi la TEP 18F-FDG comme un biomarqueur sensible de l’EOAD et soulignant l’apport incontestable de la multimodalité. En conclusion, nos travaux ont permis une meilleure caractérisation et compréhension des formes cliniques d’EOAD, ouvrant la voie à un management personnalisé du patient et des traitements plus efficaces pour ces formes distinctes. / Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of neurodegenerative dementia, characterized at 95% by late-onset forms (LOAD) which present episodic memory impairments and progress slowly. However, 5% of AD patients have an early-onset form (EOAD) of the disease whose onset begins before 65. Although the lesion substratum is similar between EOAD and LOAD, EOAD has more severe neuritic plaque deposits, neurofibrillary tangles and brain atrophy. Moreover, EOAD is more heterogeneous than LOAD, because even if most of the impairments are about episodic memory there is a high proportion of atypical forms impaired in language, visuospatial or executive functions. Although many 18F-FDG PET studies allowed to metabolically characterize EOAD compared to LOAD or healthy controls group, very few differentiated typical from atypical forms. In this thesis, we examined 18F-FDG PET data, complemented by structural MRI, in order to improve characterization and comprehension of typical and atypical forms of EOAD. Following a first harmonization work between 18F-FDG PET reconstructions from both GE and Siemens scanners used for the acquisition of patient data, our second aim was to study at baseline on the whole brain hypometabolic patterns characterizing the clinical forms of EOAD and their correlations with neuropsychological performance. This work showed that each clinical form of EOAD was characterized by specific hypometabolic patterns highly correlated with clinical symptoms and neuropsychological performance of the associated cognitive domain. Then, we focused on the 3-year hypometabolism progression on the cortical surface according typical or atypical forms of EOAD. Although similar patterns of hypometabolism evolution between typical and atypical forms were observed in parietal cortices, atypical only showed a more severe reduction of metabolism in lateral orbitofrontal cortices associated with more severe cognitive declines. Temporally, the results suggest that hypometabolism in typical forms would progress according to an anterior-to-posterior axis coherently with Braak and Braak stages, whereas in atypical forms hypometabolism would progress according a posterior-to-anterior axis. Taken together, results consolidate the hypothesis of a different tau distribution in terms of burden and temporal evolution between both forms of EOAD. Our last goal was to determine the discriminative power of 18F-FDG PET data, alone or combined to structural MRI data, in order to automatically classify in a supervised manner EOAD patients into typical or atypical form. We applied machine learning algorithms combined to cross-validation methods to assess influence of some components on classification performances. Maximum balanced accuracies equal to 80.8% in monomodal 18F-FDG PET and 92.4% in multimodal 18F-FDG PET/T1 MRI were obtained, validating 18F-FDG PET as a sensible biomarker of EOAD and highlighting the incontestable contribution of multimodality. In conclusion, our works allowed a better characterization and comprehension of clinical forms of EOAD, paving the way to personalized patient management and more effective treatments for these distinct clinical forms.

Avec une formation initiale en sciences de l'informatique et une spécialisation image, mes activités de recherche actuelles concernent le traitement et l'analyse de l'information et de l'image pour des applications en médecine, plus particulièrement l'oncologie et la radiothérapie. Plus spécifiquement, je m'intéresse à la segmentation et la classification automatique pour la définition des contours d'organes et de tumeurs, au filtrage du bruit et à la déconvolution pour l'amélioration qualitative et quantitative, et plus récemment, aux modèles multi observation pour la prise en compte des images multi modales, et la fusion d'informations pour l'aide à la décision dans la prise en charge des patients. Je poursuis ces thématiques spécifiquement dans le cadre de l'utilisation de l'imagerie TEP/TDM (Tomographie par Emission de Positons et scanner X) en oncologie et radiothérapie. Mes activités de recherche ont pris place dans le contexte de l'équipe " imagerie multi modale quantitative pour le diagnostic et la thérapie " du laboratoire INSERM U650 de traitement de l'information médicale (LaTIM). Ce contexte a garantit un travail l'équipe pluridisciplinaire, en collaboration notamment avec des radiothérapeutes, des médecins nucléaires, des physiciens, des ingénieurs, des mathématiciens et des informaticiens. En tant que doctorant, ma principale contribution a été le développement d'une méthode originale de segmentation d'image adaptée à la définition des volumes fonctionnels des tumeurs sur les images TEP. Lors de mon post-doctorat, j'ai poursuivi la validation de la précision, de la robustesse et de la reproductibilité de cette approche dans le cadre d'un projet ANR pour lequel j'ai reçu un financement de deux ans et demi. J'ai également étudié au cours de ces deux dernières années l'impact d'une telle méthode dans de nombreuses applications, telles que la dosimétrie en planification de traitement en radiothérapie, et la prise en charge des patients en oncologie. Au cours de ces six dernières années, j'ai été de plus en plus impliqué dans des travaux de recherche connexes menés par d'autres doctorants et post-doctorants. Ces travaux incluent la fusion d'images TEP pour le suivi temporel quantitatif, les simulations réalistes et l'évaluation dosimétrique, la caractérisation de l'hétérogénéité intra tumorale des traceurs TEP par analyse de texture, et la réduction des effets de volume partiel et du bruit en imagerie d'émission. J'ai assumé la responsabilité de co-encadrant de plusieurs stagiaires et doctorants de l'équipe sous la direction du directeur de recherche D. Visvikis. Cette responsabilité inclus des réunions hebdomadaires et des discussions régulières avec les étudiants, l'aide à la mise en place des expériences et protocoles de validation, à l'analyse des résultats, la correction de rapports de stage, d'articles et de manuscrits de thèse, ainsi que réfléchir à des solutions aux problèmes tant théoriques que techniques. Je travaille actuellement en tant que chercheur associé au département de recherche en imagerie et radiothérapie de Maastricht (MAASTRO) aux Pays-bas. Au cours des prochaines années, mon projet de recherche sera dédié au développement d'un contexte flexible et robuste permettant la modélisation et l'analyse semi-automatique d'ensemble d'images médicales multi modales, multi résolutions et multi temporelles, telles que TEP/TDM, TEMP/TDM, TEP/IRM, multi IRM ou TEP avec différents traceurs, ainsi que des acquisitions dynamiques. Ce développement permettra de déduire de nouveaux modèles prédictifs et des outils de décision adaptés à diverses applications cliniques tels que les cancers de l'oesophage, rectal, pulmonaire ou ORL, par la fusion de toute l'information disponible (imagerie, génétique, phéntypes et rapports cliniques). Ce projet se construira en partie sur les travaux préliminaires réalisés avec des doctorants venant de soutenir et en passe de terminer leur thèse, et sur les thèses de deux nouvelles doctorantes que j'encadrerai à partir d'octobre 2011 et courant 2012, recrutées sur des financements que j'ai contribué à obtenir en 2010-2011.