Etude en IRM des voies auditives centrales

par Arnaud Attye

Thèse de doctorat en BIS - Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement

Sous la direction de Alexandre Krainik et de Emmanuel Barbier.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble) , en partenariat avec Grenoble Institut des Neurosciences (laboratoire) .


  • Résumé

    1er objectif : Mieux caractériser les surdités neuro-sensorielles Nous avons démontré dans ce travail de thèse que nous étions capables d'individualiser le saccule et l'utricule pour faire le diagnostic d'hydrops compartiment par compartiment. L'intérêt repose sur les propriétés biomecaniques differentes de ces deux structures notamment en terme de compliance. En isolant l'hydrops sacculaire, nous avons démontré qu'il était lié à la présence de surdité neurosensorielle pour les patients avec une Maladie de Ménière mais également qu'il pouvait être détecté pour des patients présentant des surdités isolées sur les basses fréquences, qui ne sont habituellement pas classées comme porteurs cliniquement de la Maladie de Ménière. Nous avons mis au point une séquence 3D-FLAIR utilisable en pratique clinique pour la détection d'hydrops sacculaire, utilisable quelque soit le champ magnétique et le constructeur. Pour les patients porteurs de schwannomes cochléo-vestibulaires, nous avons démontré que le degré de perte auditive était cette fois liée à la présence d'un hydrops utriculaire. Ce diagnostic peut être porté sans injection de produit de contraste puisque la présence d'un schwannome obstructif entraine mécaniquement une augmentation du taux protidique dans la périlymphe et donc une discrimination périlymphe/endolymphe sur les séquences T2 en echo de gradient. En revisitant l'anatomie histologique avec la remnographie, nous avons proposé une théorie bi-compartimentale pour les échanges endolymphe/liquide céphalorachidien ; supposant que l'utricule et le saccule joue un rôle de tampon entre le cerveau et la cochlée. En cas d'obstruction mécanique, au niveau de l'aqueduc du vestibule pour la maladie de Ménière et du nerf cochléo-vestibulaire pour les tumeurs du conduit auditif interne ; le tampon ne joue plus son rôle. Surviennent alors des lésions cellulaires des stéréocils de la cochlée et la surdité attenante. 2ème objectif : Mieux caractériser les altérations structurelles neuronales rétro-cochléaires des surdités neurosensorielles Du point de vue biophysique de l'IRM, l'étude du nerf cochléaire possède l'avantage de posséder une structure simple essentiellement composée d'une seule population de fibre à modéliser par voxel, au prix d'une région d'étude compliquée intricant de l'os, du liquide et de l'air dans l'os temporal. Nous avons donc commencer par développer un algorithme de pré-traitement des données de diffusion qui utilise toutes les toolbox récentes pour corriger les artéfacts de susceptibilité magnétique, de mouvements, de champ B0 et B1, les courants de Foucaults, les arrtéfacts de Gibbs. Nous avons utilisée une séquence de Diffusion optimisée pour être utilisable en pratique clinique en cas de mouvements des patients, construite par bloc de 15 directions. Nous avons ensuite appris à utiliser des biomarqueurs quantitatifs, notamment le coefficient de diffusion apparent des fibres, directement issus du signal de Diffusion dont nous avons préalablement testé la fiabilité sur des données de diffusion multi-compartimentale de haute qualité au niveau de l'encéphale. Nous avons ensuite proposée une méthode originale d'extraction de l'information des voxels du nerf cochléaire appelée spectral clustering pour obtenir ce coefficient de densité des fibres de façon robuste au niveau de notre population témoin. Enfin, nous avons implémenté un algorithme de Manifold Learning pour l'analyse de ce signal de diffusion, qui surpasse les biomarqueurs scalaires en confrontation à des modèles pathologiques auditifs en tenant compte de l'hétérogénité du signal de diffusion dans un cluster. Nous avons ainsi démontré que les patients porteurs de la maladie de Ménière présentaient une augmentation de la densité de fibre, en faisant de particulier bosn candidats à l'implantation cochléaire, en accord avec les premières études cliniques fonctionnelles sur le sujet.

  • Titre traduit

    Central auditory pathways study using MRI


  • Résumé

    Sensorineural hearing loss (SNHL) is a common functional disorder in humans. Besides clinical investigations, magnetic resonance imaging (MRI) is the modality of choice to explore the central auditory pathways. Indeed, new MRI sequences and postprocessing methods have revolutionized our understanding of inner ear and brain disorders. The inner ear is the organ of sound detection and balance. Within the inner ear, there are two distinct compartments filled with endolymph and perilymph. The accumulation of endolymph fluid is called “endolymphatic hydrops”. Endolymphatic hydrops may occur as a consequence of a variety of disorders, including Meniere's Disease, immune-mediated diseases or internal auditory canal tumors. Previous classification for grading the amount of endolymph liquid using MRI has proposed a global semi-quantitative evaluation, without distinguishing the utricle from the saccule, whose biomechanical properties are different in terms of compliance. This work had two main objectives: 1°) to better characterize the role of endolymphatic hydrops in SNHL occurrence; 2°) to study secondary auditory pathways alterations. Part 1: Understanding the role and pathophysiology of endolymphatic hydrops in SNHL occurrence. Endolymphatic hydrops can be identified using MRI, acquired 4-6-hours after injection of contrast media. This work has demonstrated the feasibility and improved this technique in a clinical setting. Using optimized morphological sequences, we were able to illustrate inner ear microanatomy based on temporal bone dissection, and to distinguish the saccule and the utricle. In accordance with a multi-compartmental model, we observed that the saccular hydrops was a specific biomarker of low-tone SNHL in the context of typical or atypical forms of Meniere's Disease. In addition, utricular hydrops was linked to the degree of hearing loss in patients with schwannomas. We raise the hypothesis that both saccule and utricle compartment play the role of a buffer in endolymph reabsorption. When their compliance is overstretched, inner ear endolymph regulation fails, subsequently leading to cochlear lesions such as loss of the shorter stereocilia of the hair cells, as suggested by experimental animal models Thus, we were able to prove the high prevalence of endolymphatic hydrops in patients with SNHL. Part 2: Development of new imaging biomarkers to study the central auditory pathways. Diffusion-Weighted Imaging play a crucial role because it can help to assess the intracellular compartment by displaying the Brownian movements of water molecules. In the context of cochlear lesions, anterograde axonal degeneration has only been demonstrated in animal models. In the context of retrocochlear lesions, no MRI sequences have previously showed efficiency in distinguishing the cochlear from the facial nerve. This is crucial for safe surgery procedure. We have designed optimized postprocessing tools to explore SNHL patients with High-Angular Resolution DWI acquisition. We have included in the clinical setting software tools for B0 and B1 bias field artifacts' correction, Denoising process, Gibbs artifacts' correction, Susceptibility and Eddy Current artifacts management. The ultimate goal was to properly study the Fiber Orientation Distribution (FOD) along the auditory pathways in case-controlled studies, using top-of-the-art methods of fixels analysis and a newly developed toolbox with Machine Learning analysis of the Diffusion signal. We have studied reproducibility of these two methods on Multi-Shell Diffusion gradient scheme by test-retest procedure. We have then used the fixel method to seek for auditory pathways alterations in Meniere's Disease and Machine Learning automatic analyses to extract Inner Auditory Canal cranial nerves. Thus, we have developed a new method for cranial nerves' tractography using FOD spectral clustering, efficient in terms of computer requirement and in tumor condition.