Soutenance de thèse de Andreea HERTANU

L’imagerie quantitative de la myéline du système nerveux central (SNC) est un objectif important pour la communauté IRM (imagerie par résonance magnétique) qui travaille à une meilleure compréhension du fonctionnement normal du cerveau ainsi que des différents mécanismes qui peuvent l'affecter. La myéline est une membrane hautement organisée, structurée en multicouches de (phospho)lipides. Cette structure se traduit par des propriétés magnétiques particulières des protons méthylènes des longues chaines de phospholipides, et notamment par un non-moyennage des interactions dipolaires. Une saturation radiofréquence hors-résonance peut induire un arrangement particulier de ces interactions, appelé ordre dipolaire. Le transfert d’aimantation inhomogène (ihMT), technique dérivée du transfert d’aimantation, permet d’isoler le signal des protons associés à un ordre dipolaire détectable, offrant ainsi, dans le cadre de l’imagerie du SNC, une sélectivité accrue aux tissus myélinisés. L’imagerie ihMT est pondérée par T1D, le temps de relaxation de l'ordre dipolaire, lui-même déterminé par la dynamique moléculaire lente et la microstructure tissulaire. La sensibilité d’ihMT à la myélinisation a été validée dans des études sur sujets sains, et, pour la caractérisation des lésions chez des patient atteints de sclérose en plaques. Une première étude, réalisée sur cerveau de souris contrôle, a mis en évidence l’importance de pondérer le signal ihMT vers les valeurs de T1D longues afin d’améliorer la spécificité d’ihMT aux tissus myélinisés. Dans ce contexte général, le premier objectif de ces travaux de thèse a concerné l’étude par simulations numériques et par expériences de la possibilité d'isoler avec ihMT les différentes composantes T1D caractéristiques du SNC. Des filtres ihMT T1D passe-haut et passe-bande ont été obtenus par simulation des équations de Bloch-Provotorov et validés expérimentalement à 7T sur souris contrôles C57BL/6. La relation entre les filtres T1D et la densité de myéline mesurée par deux biomarqueurs histologiques sur des souris contrôles C57BL/6 a été évaluée et comparée à celle obtenue avec d'autres métriques IRM. Nous avons démontré que le signal issu des filtres T1D passe-haut est mieux corrélé aux biomarqueurs histologiques et est plus spécifique des tissus myélinisés sains que le signal du filtre T1D passe-bande isolant les T1D courts. De plus, corriger le signal ihMT des effets de relaxation T1 et des inhomogénéités B1+ permet d’accroitre de manière importante la spécificité des filtres T1D. Le deuxième objectif de ce travail de thèse a concerné l’évaluation de la sensibilité des filtres T1D aux altérations de la myéline. Pour cela, deux modèles différents de démyélinisation toxique ont été utilisés. Dans le modèle cuprizone de démyélinisation aiguë, les filtres T1D passe-haut ont permis la détection de gradients rostrocaudal et médio-latéral de démyélinisation et de remyélinisation dans le corps calleux de souris C57BL/6. Au pic de démyélinisation du modèle lysophosphatidylcholine de démyélinisation focale médullaire, le filtre T1D passe-haut était corrélé à la fois à la densité de myéline mesurée au moyen de la microscopie Raman stimulée et à la densité axonale quantifiée par un biomarqueur fluorescent (Thy1-CFP). Cette étude a également permis de démontrer pour la première fois une chute de la valeur de T1D dans la SB pathologique par rapport aux valeurs estimées dans la SB saine. Enfin, dans le but d’obtenir des paramètres quantitatifs plus informatifs de l’état de la myéline, nous avons, dans une troisième partie, amorcé le développement d’un cadre permettant une approche quantitative d’ihMT (qihMT), employant le formalisme de matrices exponentielles et tenant compte des multiples dimensions expérimentales des séquences d’acquisition. Ce cadre a été utilisé dans des expériences effectuées sur un imageur préclinique à 11.75 T sur un fantôme de myéline synthétique.

Myelin quantification in the central nervous system (CNS) is an important objective for the Magnetic Resonance Imaging (MRI) community working on the achievement of a deeper understanding of the normal brain function, or tackling the various mechanisms that can affect it. The myelin membrane has a highly organized lipid multi-layered stack ultrastructure, which results in peculiar magnetic properties of the methylene protons along lipid chains, including unaveraged dipolar interactions. Off-resonance radiofrequency saturation can induce a particular arrangement of these dipolar interactions, called dipolar order. Inhomogeneous Magnetization Transfer (ihMT), an MT-derived technique, allows the isolation of signal arising from protons with a detectable dipolar order, thus providing in the context of CNS imaging, enhanced selectivity to myelinated tissues. The ihMT signal is weighted by T1D, the dipolar order relaxation time, which is driven by slow molecular dynamics and tissue microstructure. The sensitivity of ihMT to myelination and myeloarchitectonic mapping was validated in studies on healthy subjects, and for the characterization of myelin pathology in multiple sclerosis patients. An initial study applied on the mouse brain highlighted the importance of weighting the ihMT signal to long T1D values in order to improve the specificity of ihMT to healthy myelinated tissues. In this general context, the first objective of this thesis was to investigate by numerical simulations and experimentally the possibility of isolating with ihMT the different T1D components encountered in the CNS tissue. High-pass and band-pass ihMT T1D-filters were analyzed using the Bloch-Provotorov equations, and the simulated ihMT signals were validated experimentally in control C57BL/6 mice on a preclinical 7T scanner. The relationship between ihMT T1D-filters and the myelin content measured by two histology biomarkers (plp-GFP for the quantification of the proteolipid protein PLP, and LFB for the quantification of phospholipids) was assessed and compared to that of other quantitative MRI metrics in control C57BL/6 mice. We demonstrated that ihMT high-pass T1D-filters isolating increasing ranges of long T1Ds correlate better with histology and are more specific to healthy myelinated tissues as compared to the ihMT band-pass T1D-filter isolating short T1Ds. Unbiasing the ihMTR metric from T1 relaxation effects and B1+ inhomogeneities led to an important increase in the specificity of ihMT T1D-filters to myelination and a qualitative improvement of the white matter/gray matter (WM/GM) contrast. The second objective of this thesis was to evaluate the sensitivity of ihMT T1D-filters to myelin alterations on two different models of toxic demyelination. In the acute cuprizone demyelination/remyelination model, ihMT high-pass T1D-filters allowed the detection of rostrocaudal and mediolateral gradients of demyelination and remyelination in the corpus callosum of C57BL/6 mice. At the time-point of maximum demyelination in the lysophosphatidylcholine focal demyelination model in the spinal cord, the investigated ihMT high-pass T1D-filter correlated with both the myelin content measured by means of Coherent Anti-stoke Raman scattering microscopy and the axonal density quantified by a fluorescent biomarker (Thy1-CFP). For the first time, T1D was estimated in pathological WM and was found to be shorter as compared to values in healthy WM. Finally, with the objective of obtaining quantitative parameters more informative of the myelin membrane status, we initiated the development of a quantitative ihMT (qihMT) framework, using a matrix exponential approach encompassing the multiple experimental dimensions of the ihMT sequence. This qihMT framework was used in experiments performed on a preclinical scanner at 11.75 T in a surrogate of the myelin membrane.