Ce travail de thèse porte sur la conception, la réalisation et l'évaluation expérimentale d' un microsystème d'analyse dont l'originalité repose sur l'intégration d'une micro antenne planaire de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (SRMN) sur un système micro fluidique à base d'un polymère, le Cyclique Oléfine Copolymère (COC). La détermination des caractéristiques géométriques optimales du microsystème afin d'optimiser le couplage électromagnétique entre la micro antenne de détection et l'échantillon est effectuée à l'aide d'un modèle de calcul numérique, ce qui permet l'optimisation du rapport signal sur bruit (RSB). La réalisation du microsystème avec des procédés de micro fabrication développés au laboratoire ont permis de valides son fonctionnement dans un spectromètre dont le champ magnétique statique atteint 11.74 Tesla (fréquence de Larmor du proton égale à 500MHz). Travailler dans un champ aussi intense permet d'améliorer la sensibilité de détection mais nécessite de porter une attention particulière à l'homogénéité du champ magnétique qui, dans notre cas, peut être dégradée en raison de l'introduction du microsystème dans le spectromètre. En effet, les distorsions du champ magnétique, dues aux différentes susceptibilités magnétiques des matériaux constituant la microsonde, ont un impact direct sur la résolution spectrale. C'est pourquoi, une modélisation 3D par éléments finis est proposée afin de prévoir l'influence du microsystème sur la forme des raies spectrales et donc d'en déduire la résolution spectrale pouvant être espérée. La comparaison des résultats expérimentaux et ceux issus des simulations permet de valider le modèle de calcul numérique. Il apparait cependant nécessaire d'inclure le phénomène d'amortissement radiatif afin de pouvoir rendre compte des résultats expérimentaux relatifs à la résolution spectrale effectivement observée.

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale

La présente étude avait pour but d’explorer les modulations fonctionnelles putaminales du signal de spectroscopie par résonance magnétique (SRM) combiné du glutamate et de la glutamine (Glx), ainsi que de l’acide γ-aminobutyrique (GABA) en lien avec l’apprentissage d’une séquence motrice. Nous avons émis l’hypothèse que les concentrations de Glx seraient spécifiquement augmentées pendant et après la pratique d’une telle tâche, et ce comparativement à une condition d’exécution motrice simple conçue pour minimiser l’apprentissage. La tâche d’appuis séquentiels des doigts (« finger taping task ») utilisée est connue pour induire un apprentissage moteur évoluant en phases, avec une progression initialement rapide lors de la première session d’entraînement (phase rapide), puis lente lors de sessions subséquentes (phase lente). Cet apprentissage est également conçu comme dépendant de processus « on-line » (pendant la pratique) d’acquisition et « off-line » (entre les périodes de pratique) de consolidation de la trace mnésique de l’habilité motrice. Une grande quantité de données impliquent le système de neurotransmission glutamatergique, principalement par l’action de ses récepteurs N-Méthyl-D-aspartate (NMDAR) et métabotropiques (mGluR), dans une multitude de domaine de la mémoire. Quelques-unes de ces études suggèrent que cette relation s’applique aussi à des mémoires de type motrice ou dépendante du striatum. De plus, certains travaux chez l’animal montrent qu’une hausse des concentrations de glutamate et de glutamine peut être associée à l’acquisition et/ou consolidation d’une trace mnésique. Nos mesures de SRM à 3.0 Tesla, dont la qualité ne s’est avérée satisfaisante que pour le Glx, démontrent qu’une telle modulation des concentrations de Glx est effectivement détectable dans le putamen après la performance d’une tâche motrice. Elles ne nous permettent toutefois pas de dissocier cet effet putativement attribuable à la plasticité du putamen associée à l’apprentissage moteur de séquence, de celui de la simple activation neuronale causée par l’exécution motrice. L’interprétation de l’interaction non significative, montrant une plus grande modulation par la tâche motrice simple, mène cependant à l’hypothèse alternative que la plasticité glutamatergique détectée est potentiellement plus spécifique à la phase lente de l’apprentissage, suggérant qu’une seconde expérience ainsi orientée et utilisant une méthode de SRM plus sensible au Glx aurait donc de meilleures chances d’offrir des résultats concluants. / The present study explored motor learning-related functional changes in putaminal combined glutamate and glutamine (Glx) and γ-Aminobutyric acid (GABA) magnetic resonance spectroscopy (MRS) signal. It was hypothesized that Glx concentrations would specifically increase during and after learning of a sequential finger tapping task (sFTT), as compared to execution of a simple motor task designed to elicit minimal learning. Learning of sFTT is known to evolve in an initial fast progressing stage during the first practice session (fast learning stage), followed by a slower progression during later sessions (slow learning stage). It is also thought to depend on both on-line (during practice sessions) acquisition and off-line (between practice sessions) consolidation processes to create, transform and assure retention of a motor skill memory trace. A body of data implicates glutamatergic neurotransmission, especially through its N-Methyl-D-aspartate (NMDAR) and metabotropic (mGluR) receptors, in many memory systems, some of which apply to motor learning and striatal-dependant learning. Moreover, some animal studies suggest that Glx concentrations can be upregulated in relation to memory acquisition and/or consolidation. Our MRS acquisitions, of which the quality happened to be sufficient only for Glx quantification, allowed the detection of an augmentation in putaminal Glx occurring after motor task execution. However, our data could not ascribe this modulation specifically to motor learning related plastic changes, at the exclusion of simple neural activation related to motor execution. Nevertheless, the interpretation of the non-significant interaction, showing a larger Glx change in response to the simple motor task compared to sFTT, leads to the possibility that the detected glutamatergic plasticity may be specifically associated to the slow learning phase. We therefore suggest that testing this alternate hypothesis in a second experiment, using an MRS technique with more sensibility to Glx could yield more convincing results.

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryog&nique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures infèrieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanèment, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale.

La composition en acides gras du tissu adipeux mammaire est reconnue comme marqueur qualitatif de la consommation lipidique antérieure mais aussi de la part nutritionnelle du risque / pronostic du cancer du sein. Ceci ouvre la perspective d’individualiser dans la population générale, un groupe de personnes à risque, susceptibles de bénéficier d’une intervention nutritionnelle ciblée. L’approche du dépistage d’une population à risque par l’utilisation de la composition du tissu adipeux comme biomarqueur se heurte i) à l’aspect invasif que représente le prélèvement d’un fragment de tissu adipeux mammaire, et ii) à la lourdeur contraignante du conditionnement et de l’analyse systématique des acides gras du tissu adipeux. Les méthodes analytiques actuellement disponibles sont incompatibles avec la perspective d’un dépistage de masse. Cependant, les descriptions récentes de l’utilisation de la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) pour décrire la composition lipidique des triglycérides du tissu adipeux permettent d’envisager de l’utiliser dans cet objectif. Ce travail de thèse présente: 1) l’évaluation de la SRM pour caractériser la composition en acides gras du tissu adipeux chez l’animal (le rat) suite à une intervention nutritionnelle, 2) l’évaluation du profil lipidique du tissu adipeux par SRM chez la femme sur une plateforme clinique 3T, 3) l’étude des liens entre la composition en acides gras du tissu adipeux et la présentation du cancer du sein, et 4) la comparaison des données de la SRM in vitro (11.7T) et in vivo (3T) du tissu adipeux chez des patientes prises en charge pour un cancer du sein avec les données de la chromatographie gazeuse. / Fatty acid composition of the white adipose tissue remains the most reliable qualitative biomarker of previous dietary intake of fatty acids and may provide information on the nutritional part of the risk or evolution of breast cancer. This opens the prospect of individualization of women at high nutritional risk of breast cancer that may benefit from a targeted nutritional intervention but 1) the need for biopsy and 2) subsequent time-consuming biochemical analyses hamper any application of this approach. Proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) of adipose tissue lipids represents an appealing, non-invasive approach, which could circumvent these limitations. This manuscript reports: 1) an assessment of feasibility of (1H-MRS) to evaluate the consequences of a nutritional intervention in a rat mammary tumor model on the adipose tissue fatty acid composition, 2) an assessment of the feasibility of in vivo measurement of the fatty acid composition of breast adipose tissue by (1H-MRS) on a clinical platform, 3) an assessment of the relation of specific patterns of composition of adipose tissue fatty acids with the presentation of breast cancer, and 4) a comparison with gas chromatography of (1H-MRS) data acquired on breast adipose tissue in vitro (11.7T) and in vivo (3T) on patients managed for breast cancer.

La Spectroscopie et l'Imagerie Spectroscopique de Résonance Magnétique (ISRM) jouent un rôle émergent parmi les outils cliniques, en donnant accès, d'une manière complètement non-invasive, aux concentrations des métabolites in vivo. Néanmoins, les inhomogénéités du champ magnétique, ainsi que les courants de Foucault, produisent des distorsions significatives de la forme de raie des spectres, induisant des conséquences importantes en termes de biais lors de l'estimation des concentrations. Lors des traitements post-acquisition, cela est habituellement traité à l'aide des méthodes de pré-traitement, ou bien par l'introduction de fonctions analytiques plus complexes. Cette thèse se concentre sur la prise en compte de distorsions arbitraires de la forme de raie, dans le cas des méthodes qui utilisent une base de métabolites comme connaissance a priori. L'état de l'art est évalué, et une nouvelle approche est proposée, fondée sur l'adaptation de l'amortissement de la base des métabolites au signal acquis. La forme de raie présumée commune à tous les métabolites est estimée et filtrée à l'aide de la méthode LOWESS. L'approche est validée sur des signaux simulés, ainsi que sur des données acquises in vitro. Finalement, une deuxième approche novatrice est proposée, fondée sur l'utilisation des propriétés spectrales de la forme de raie commune. Le nouvel estimateur est testé seul, mais aussi associé avec l'estimateur classique de maximum de vraisemblance, démontrant une réduction significative du biais dans le cas des signaux à haut rapport signal-sur-bruit. / Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) and Spectroscopic Imaging (MRSI) play an emerging role in clinical assessment, providing in vivo estimation of disease markers while being non-invasive and applicable to a large range of tissues. However, static magnetic field inhomogeneity, as well as eddy currents in the acquisition hardware, cause important distortions in the lineshape of acquired NMR spectra, possibly inducing significant bias in the estimation of metabolite concentrations. In the post-acquisition stage, this is classically handled through the use of pre-processing methods to correct the dataset lineshape, or through the introduction of more complex analytical model functions. This thesis concentrates on handling arbitrary lineshape distortions in the case of quantitation methods that use a metabolite basis-set as prior knowledge. Current approaches are assessed, and a novel approach is proposed, based on adapting the basis-set lineshape to the measured signal.Assuming a common lineshape to all spectral components, a new method is derived and implemented, featuring time domain local regression (LOWESS) filtering. Validation is performed on synthetic signals as well as on in vitro phantom data. Finally, a completely new approach to MRS quantitation is proposed, centred on the use of the compact spectral support of the estimated common lineshape. The new metabolite estimators are tested alone, as well as coupled with the more common residual-sum-of-squares MLE estimator, significantly reducing quantitation bias for high signal-to-noise ratio data.

Le travail de thèse est dédié à la caractérisation de fusions spécifiques oncogéniques entre les gènes FGFR et TACC dans les gliomes. Nous avons analysé 907 gliomes pour la présence du gène de fusion FGFR3-TACC3. Nous avons montré que les fusions FGFR3-TACC3 ne touchent que les gliomes IDH wild-type (3%), sont mutuellement exclusives avec l'amplification de EGFR et avec la forme tronquée EGFRvIII et inversement, sont associées à l'amplification de CDK4 et de MDM2 et à la délétion du 10q. Les fusions FGFR3-TACC3 sont associées à une expression intense et diffuse de FGFR3 en immunohistochimie (IHC) et l'IHC pour FGFR3 est un marqueur prédictif très sensible de la présence des fusions FGFR3-TACC3. Les patients porteurs d'une fusion FGFR3-TACC3 ont une survie globale significativement plus longue comparés aux patients avec gliome IDH wild-type. Nous avons traité deux patients porteurs d'un gène de fusion FGFR3-TACC3 avec un inhibiteur tyrosine-kinase (TK) spécifique pour FGFR et nous avons observé une stabilisation de maladie et une réponse mineur chez un patient. Dans la deuxième section nous avons optimisé une nouvelle séquence de spectroscopie différentielle-MEGA-PRESS-pour la détection de l'oncometabolite 2-hydroxyglutarate (2 HG) qui s'accumule de manière spécifique dans les gliomes IDH mutés. Nous avons analysé de façon prospective une cohorte de 25 patients avant chirurgie pour probable gliome de grade II et grade III. Nous avons trouvé que la MEGA-PRESS est hautement spécifique (100%) et sensible (80%) dans la prédiction de la présence de la mutation IDH. Son taux est corrélé aux concentrations de 2 HG mesurés sur tissu congelé par spectrométrie de masse (GC-MS/MS). / This work is devoted to the characterization of a specific oncogenic fusion between FGFR and TACC genes in gliomas. Overall, we screened 907 gliomas for FGFR3-TACC3 fusions. We found that FGFR3-TACC3 fusions exclusively affect IDH wild-type gliomas (3%), and are mutually exclusive with the EGFR amplification and the EGFR vIII variant, whereas it co-occurs with CDK4 amplification, MDM2 amplification and 10q loss. FGFR3–TACC3 fusions were associated with strong and homogeneous FGFR3 immunostaining. We show that FGFR3 immunostaining is a sensitive predictor of the presence of FGFR3-TACC3 fusions. FGFR3-TACC3 glioma patients had a longer overall survival than those patients with IDH wild-type glioma. We treated two patients with FGFR3–TACC3 rearrangements with a specific FGFR-TK inhibitor and we observed a clinical improvement in both and a minor response in one patient. In the second section, we developed a non-invasive diagnostic tool by 1H-magnetic resonance spectroscopy in IDH mutant gliomas. We optimized a uniquely different spectroscopy sequence called MEGA-PRESS for the detection of the oncometabolite 2-hydroxyglutarate (2 HG) that specifically accumulates in IDH mutant gliomas. We analysed a prospective cohort of 25 patients before surgery for suspected grade II and grade III gliomas and we assessed specificity and sensitivity, correlation with 2 HG concentrations in the tumor and associations with grade and genomic background. We found that MEGA-PRESS is highly specific (100%) and sensitive (80%) for the prediction of IDH mutation and correlated with 2 HG levels measured by gas chromatography-tandem mass spectrometry (GC-MS/MS) in frozen tissue.

Résumé : Les personnes atteintes de la maladie d’Alzheimer présentent une diminution de la capture cérébrale du glucose, qui semble être impliquée dans le développement des problèmes cognitifs associés à la maladie. Toutefois, il n’y a encore aucun consensus quant à savoir si la capture cérébrale du glucose est diminuée chez les personnes âgées cognitivement saines. En condition de déficit de glucose, les cétones sont le substrat énergétique alternatif pour le cerveau. La diète cétogène, induisant une cétose légère, améliore les fonctions cognitives chez les modèles animaux et chez l’homme. Notre premier objectif était d’évaluer l’effet du vieillissement sain et de la diète cétogène sur la capture cérébrale du glucose et des cétones chez le rat. Pour cela, la capture cérébrale de radiotraceurs analogues au glucose et aux cétones a été mesurée par tomographie par émission de positons. Nos résultats montrent que la capture des deux principaux substrats énergétiques du cerveau est globalement similaire chez des rats sains jeunes et âgés, mais est plus élevée suite à la diète cétogène. L’induction d’une cétose légère pourrait corriger la diminution de capture cérébrale du glucose subvenant au cours de la maladie d’Alzheimer. Le second objectif était de déterminer l’effet d’une diète cétogène sur le métabolisme cérébral du glucose et des cétones chez le rat. Pour cela, les différents intermédiaires des voies métaboliques du glucose et des cétones ont été mesurés par spectroscopie par résonance magnétique nucléaire. Les résultats démontrent que le métabolisme du glucose et des cétones dans les cellules du cerveau est plus élevé suite à la diète cétogène. Le contenu en acide [gamma]-aminobutyrique, le principal neurotransmetteur inhibiteur, est aussi plus élevé suite à la diète cétogène, ce qui pourrait contribuer à l’effet antiépileptique de la diète cétogène. Le troisième objectif était d’évaluer l’impact d’une restriction calorique à long terme, pouvant induire une cétose légère, sur le métabolisme cérébral chez des rats âgés sains. Nos résultats montrent que, couplée à une diète à haute teneur en sucrose et faible en acides gras oméga-3, la restriction calorique à long terme chez les rats âgés ne modifie pas le profil des métabolites et des acides gras du cerveau. La déficience en acides gras oméga-3 et la surcharge de sucrose pourraient empêcher une grande partie des effets bénéfiques de la restriction calorique au cerveau.//Abstract : Alzheimer’s disease is associated with a reduction of brain glucose uptake, which may be involved in the development of the cognitive problems associated with the disease. It is however unclear whether brain glucose uptake is decreased in the cognitively healthy elderly. Under conditions of glucose deficit, ketones are the alternative brain energy substrate. A mild ketosis, induced by the ketogenic diet, improves cognitive functions in animal models and humans. Our first objective was to evaluate the effect of healthy aging and of a ketogenic diet on brain glucose and ketone uptake in the rat. Brain uptake of radiotracers analogous to glucose and ketones was measured by positron emission tomography. Our results show that the uptake of the brains two main energy substrates is generally similar in healthy young and aged rats, but is higher under the ketogenic diet. The induction of a mild ketosis may compensate the reduction of brain glucose uptake occurring in Alzheimer’s disease. The second objective was to assess the effect of a ketogenic diet on brain glucose and ketone metabolism in the rat. Metabolic pathway intermediates of glucose and ketones were measured by nuclear magnetic resonance spectroscopy. Results show that glucose and ketone metabolism in brain cells is higher under the ketogenic diet. Content of [gamma]-aminobutyric acid, the main inhibitory neurotransmitter, is also higher under the ketogenic diet, which could contribute to the antiepileptic effect of the ketogenic diet. The third objective was to evaluate the effect of a long-term calorie restriction, which may induce a mild ketosis, on brain metabolism in healthy aged rats. Our results show that, in conjunction with a diet enriched in sucrose and low in omega-3 fatty acids, long-term calorie restriction in aged rats does not change brain metabolite and fatty acid profiles. Omega-3 fatty acid deficiency and an overload of sucrose may prevent the beneficial effects associated with calorie restriction in the brain.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Malgré le développement de nouvelles générations d’antipsychotiques, certains symptômes schizophréniques ne répondent pas à ces traitements. S’appuyant sur des hypothèses physiopathologiques sous tendant ces symptômes, de nouvelles thérapeutiques comme la thérapie de remédiation cognitive et les techniques de neurostimulation externe ont été développées. Cette approche était restée essentiellement clinique. Dans ce travail, l’étude en imagerie des mécanismes biologiques sous tendant les effets bénéfiques de ces thérapeutiques non pharmacologiques nous a permis de tester des hypothèses physiopathologiques. L’IRM fonctionnelle (IRMf) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) ont été utilisées pour rechercher les effets d’une thérapie de remédiation cognitive (TRC), de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de la stimulation électrique transcrânienne en courant continu (tDCS). Nous avons mis en évidence (1) que la TRC modifie les activations cérébrales durant une tâche de mémoire de travail chez des patients schizophrènes (2) que la TMS modifie la biochimie cérébrale de la zone stimulée et de régions cérébrales profondes chez un patient schizophrène, (3) que la tDCS modifie les réseaux de connectivité fonctionnelle d’une tâche de repos chez des volontaires sains / Despite the development of new generation antipsychotic drugs, some symptoms of schizophrenia do not respond to these treatments. Based on the pathophysiological hypothesis underlying these symptoms, new therapies such as cognitive remediation therapy and neurostimulation techniques have been developed. This approach remained essentially clinical. In this work, the study of biological mechanisms tending benefits of these non-pharmacological treatment has allowed us to test these pathophysiological hypotheses. Functional MRI (fMRI) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) were used to investigate the effects of cognitive remediation therapy (CRT), transcranial magnetic stimulation (TMS) and transcranial direct current stimulation (tDCS). We demonstrated (1) that CRT modifies cerebral activations during a working memory task in patients with schizophrenia, (2) that TMS modifies brain biochemistry of the stimulated area and of deep brain regions in a patient with schizophrenia and (3) that tDCS modifies the functional connectivity in resting state networks of healthy volunteers