Une exploration multimodale permettrait d'identifier les biomarqueurs précoces du CNV permettrait de déterminer leur caractère prédictif. Chapitre (3): Dans ce chapitre, les résultats présentés montrent que l'augmentation maximale de la température était plus élevée dans le cerveau néonatal que dans le cerveau adulte. Chapitres (4 et 5): Le but principal de cette thèse était de fournir une approche multimodale du CNV et de la régulation neurovasculaire dans le cerveau du nouveau-né prématuré. Chapitre (4): Les résultats montrent que le volume sanguin cérébral régional (rCBV) et le rCMRO2 (Cerebral metabolic rate of oxygen) exercent une influence prédominante sur le débit sanguin cérébral régional (rCBF) à l'état de repos chez le prématuré. Chapitre (5): Les bouffées d'activité électroencéphalographique caractéristiques chez les nouveau-nés au repos se sont révélés couplées à une réponse hémodynamique transitoire complexes avec différents types de réponses incluant: (a) des réponses hémodynamiques stéréotypées positives (augmentations de HbO, CBF et CMRO2, diminution de HbR), (b )des réponses hémodynamiques négatives (augmentations de HbR, diminutions de HbO avec des diminutions de CBF et CMRO2), (c) des augmentations et des diminutions à la fois de HbO -HbR et de CMRO2 sans modification du CBF. Malgré des profils de réponse hémodynamique différents qui reflètent l'immaturité et la complexité des systèmes vasculaires et des réseaux neuronaux, l'établissement d'un couplage neurovasculaire a été caractérisé avec une évolution en fonction de l'âge / Neurovascular coupling (NVC) has become the key aspect for understanding brain function. A multimodal exploration would aim to identify the early NVC biomarkers and determine their predictive character. Paper (1): In this chapter, the photothermal interaction of NIR laser on human tissues were modelled in silico. The results demonstrated the safety of the noninvasive optical evaluation of the brain function and the maximum temperature increase was higher in the neonatal brain than in the adult brain. Paper (2 & 3): The main purpose of this thesis was to provide a multimodal view of the NVC and cerebrovascular regulation in the neonatal premature brain. Paper (2): Key findings included that rCBV and rCMRO2 have a predominant driving influence on rCBF at the resting-state in the preterm neonatal brain. Paper (3): The bursts of electroencephalographic activity in neonates in resting state were found to be coupled to a transient hemodynamic response involving different types of hemodynamic response including: (a) positive stereotyped hemodynamic responses (increases in HbO, decreases in HbR together with increases in CBF and CMRO2), (b) negative hemodynamic responses (increases in HbR, decreases in HbO together with decreases in CBF and CMRO2), (c) Increases and decreases in both HbO-HbR and CMRO2 together with no changes in CBF. The establishment of neurovascular coupling system was observed as a function of age. High coherence was observed between the cerebral hemodynamic (vascular) and electrical (neuronal) oscillations which was less in the non-encephalopathic newborns than in the two pathological groups

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

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

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

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

Le dioxyde de carbone (CO2) est un résidu naturel du métabolisme cellulaire, la troisième substance la plus abondante du sang, et un important agent vasoactif. À la moindre variation de la teneur en CO2 du sang, la résistance du système vasculaire cérébral et la perfusion tissulaire cérébrale subissent des changements globaux. Bien que les mécanismes exacts qui sous-tendent cet effet restent à être élucidés, le phénomène a été largement exploité dans les études de réactivité vasculaire cérébrale (RVC). Une voie prometteuse pour l’évaluation de la fonction vasculaire cérébrale est la cartographie de la RVC de manière non-invasive grâce à l’utilisation de l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Des mesures quantitatives et non-invasives de de la RVC peuvent être obtenus avec l’utilisation de différentes techniques telles que la manipu- lation du contenu artériel en CO2 (PaCO2) combinée à la technique de marquage de spin artériel (Arterial Spin Labeling, ASL), qui permet de mesurer les changements de la perfusion cérébrale provoqués par les stimuli vasculaires. Toutefois, les préoccupations liées à la sensibilité et la fiabilité des mesures de la RVC limitent de nos jours l’adoption plus large de ces méthodes modernes de IRMf. J’ai considéré qu’une analyse approfondie ainsi que l’amélioration des méthodes disponibles pourraient apporter une contribution précieuse dans le domaine du génie biomédical, de même qu’aider à faire progresser le développement de nouveaux outils d’imagerie de diagnostique. Dans cette thèse je présente une série d’études où j’examine l’impact des méthodes alternatives de stimulation/imagerie vasculaire sur les mesures de la RVC et les moyens d’améliorer la sensibilité et la fiabilité de telles méthodes. J’ai aussi inclus dans cette thèse un manuscrit théorique où j’examine la possible contribution d’un facteur méconnu dans le phénomène de la RVC : les variations de la pression osmotique du sang induites par les produits de la dissolution du CO2. Outre l’introduction générale (Chapitre 1) et les conclusions (Chapitre 6), cette thèse comporte 4 autres chapitres, au long des quels cinq différentes études sont présentées sous forme d’articles scientifiques qui ont été acceptés à des fins de publication dans différentes revues scientifiques. Chaque chapitre débute par sa propre introduction, qui consiste en une description plus détaillée du contexte motivant le(s) manuscrit(s) associé(s) et un bref résumé des résultats transmis. Un compte rendu détaillé des méthodes et des résultats peut être trouvé dans le(s) dit(s) manuscrit(s). Dans l’étude qui compose le Chapitre 2, je compare la sensibilité des deux techniques ASL de pointe et je démontre que la dernière implémentation de l’ASL continue, la pCASL, offre des mesures plus robustes de la RVC en comparaison à d’autres méthodes pulsés plus âgées. Dans le Chapitre 3, je compare les mesures de la RVC obtenues par pCASL avec l’utilisation de quatre méthodes respiratoires différentes pour manipuler le CO2 artérielle (PaCO2) et je démontre que les résultats peuvent varier de manière significative lorsque les manipulations ne sont pas conçues pour fonctionner dans l’intervalle linéaire de la courbe dose-réponse du CO2. Le Chapitre 4 comprend deux études complémentaires visant à déterminer le niveau de reproductibilité qui peut être obtenu en utilisant des méthodes plus récentes pour la mesure de la RVC. La première étude a abouti à la mise au point technique d’un appareil qui permet des manipulations respiratoires du CO2 de manière simple, sécuritaire et robuste. La méthode respiratoire améliorée a été utilisée dans la seconde étude – de neuro-imagerie – où la sensibilité et la reproductibilité de la RVC, mesurée par pCASL, ont été examinées. La technique d’imagerie pCASL a pu détecter des réponses de perfusion induites par la variation du CO2 dans environ 90% du cortex cérébral humain et la reproductibilité de ces mesures était comparable à celle d’autres mesures hémodynamiques déjà adoptées dans la pratique clinique. Enfin, dans le Chapitre 5, je présente un modèle mathématique qui décrit la RVC en termes de changements du PaCO2 liés à l’osmolarité du sang. Les réponses prédites par ce modèle correspondent étroitement aux changements hémodynamiques mesurés avec pCASL ; suggérant une contribution supplémentaire à la réactivité du système vasculaire cérébral en lien avec le CO2. / Carbon dioxide (CO2) is a natural byproduct of cellular metabolism, the third most abundant substance of blood, and a potent vasoactive agent. The resistance of cerebral vasculature and perfusion of the brain tissue respond to the slightest change in blood CO2 content. The physiology of such an effect remains elusive, yet the phenomenon has been widely exploited in studies of the cerebral vascular function. A promising avenue for the assessment of brain’s vascular function is to measure the cerebrovascular reactivity to CO2 (CVR) non-invasively using functional MRI. Quantitative and non-invasive mapping of CVR can be obtained using respiratory manipulations in arterial CO2 and Arterial Spin Labeling (ASL) to measure the perfusion changes associated with the vascular stimulus. However, concerns related to the sensitivity and reliability of CVR mea- sures by ASL still limit their broader adoption. I considered that a thorough analysis and amelioration of available methods could bring a valuable contribution in the domain of biomedical engineering, helping to advance new diagnostic imaging tools. In this thesis I present a series of studies where I exam the impact of alternative manipulation/ASL methods on CVR measures, and ways to improve the sensitivity and reliability of these measures. I have also included in this thesis a theoretical paper, where I exam the possible contribution of an unappreciated factor in the CVR phenomenon: the changes in blood osmotic pressure induced by the products of CO2 dissolution. Apart from a general introduction (Chapter 1) and conclusion (Chapter 6), this thesis comprises 4 other chapters, in which five different research studies are presented in the form of articles accepted for publication in scientific journals. Each of these chapters begins with its own specific introduction, which consists of a description of the background motivating the study and a brief summary of conveyed findings. A detailed account of methods and results can be found in the accompanying manuscript(s). The study composing Chapter 2 compares the sensitivity of two state-of-the-art ASL techniques and show that a recent implementation of continuous ASL, pCASL, affords more robust measures of CVR than older pulsed methods. The study described in Chapter 3 compares pCASL CVR measures obtained using 4 different respiratory methods to manipulate arterial CO2 (PaCO2) and shows that results can differ significantly when manipulations are not designed to operate at the linear range of the CO2 dose-response curve. Chapter 4 encompasses two complementary studies seeking to determine the degree of reproducibility that can be attained measuring CVR using the most recent methods. The first study resulted in the technical development of a breathing apparatus allowing simple, safe and robust respiratory CO2 manipulations. The improved respiratory method was used in the second – neuroimaging – study, in which I and co-authors investigate the sensitivity and reproducibility of pCASL measuring CVR. The pCASL imaging technique was able to detect CO2-induced perfusion responses in about 90% of the human brain cortex and the reproducibility of its measures was comparable to other hemodynamic measures already adopted in the clinical practice. Finally, in Chapter 5 I present a mathematical model that describes CVR in terms of PaCO2-related changes in blood osmolarity. The responses predicted by this model correspond closely to the hemodynamic changes measured with pCASL, suggesting an additional contribution to the reactivity of cerebral vasculature to CO2.