Restauration d'images en IRM anatomique pour l'étude préclinique des marqueurs du vieillissement cérébral

Restoration of structural MRI images for the preclinical study of markers of cerebral aging

• Auteur / Autrice : Farah Bazzi
• Direction : Adrian Basarab, Hassan Amoud, Muriel Mescam, Ahmad Diab
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Image, Information, Hypermédia
• Date : Soutenance le 12/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Passat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrian Basarab, Hassan Amoud, Muriel Mescam, Ahmad Diab, Nicolas Passat, Jean-Louis Dillenseger, Christine Fernandez-Maloigne, Carole Lartizien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Dillenseger, Christine Fernandez-Maloigne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie par résonance magnétique

Modèles animaux

Cerveau -- Vieillissement

Mots clés libres

Imagerie par résonance magnétique

Marmouset

Segmentation

Cerveau

Déconvolution d'image

Super-résolution d'image

IRM structurelle

Apprentissage profond

Vieillissement cérébral

Analyse longitudinale

VBM

Magnetic resonance imaging

Marmoset

Segmentation

Brain

Image deconvolution

Single image super-resolution

Structural MRI

Deep learning

Cerebral aging

Longitudinal analysis

VBM

Résumé

Les maladies neurovasculaires et neurodégénératives liées à l'âge sont en forte augmentation. Alors que ces changements pathologiques montrent des effets sur le cerveau avant l'apparition de symptômes cliniques, une meilleure compréhension du processus de vieillissement normal du cerveau aidera à distinguer l'impact des pathologies connues sur la structure régionale du cerveau. En outre, la connaissance des schémas de rétrécissement du cerveau dans le vieillissement normal pourrait conduire à une meilleure compréhension de ses causes et peut-être à des interventions réduisant la perte de fonctions cérébrales associée à l'atrophie cérébrale. Par conséquent, ce projet de thèse vise à détecter les biomarqueurs du vieillissement normal et pathologique du cerveau dans un modèle de primate non humain, le singe marmouset (Callithrix Jacchus), qui possède des caractéristiques anatomiques plus proches de celles des humains que de celles des rongeurs. Cependant, les changements structurels (par exemple, de volumes, d'épaisseur corticale) qui peuvent se produire au cours de leur vie adulte peuvent être minimes à l'échelle de l'observation. Dans ce contexte, il est essentiel de disposer de techniques d'observation offrant un contraste et une résolution spatiale suffisamment élevés et permettant des évaluations détaillées des changements morphométriques du cerveau associé au vieillissement. Cependant, l'imagerie de petits cerveaux dans une plateforme IRM 3T dédiée à l'homme est une tâche difficile car la résolution spatiale et le contraste obtenus sont insuffisants par rapport à la taille des structures anatomiques observées et à l'échelle des modifications attendues. Cette thèse vise à développer des méthodes de restauration d'image pour les images IRM précliniques qui amélioreront la robustesse des algorithmes de segmentation. L'amélioration de la résolution spatiale des images à un rapport signal/bruit constant limitera les effets de volume partiel dans les voxels situés à la frontière entre deux structures et permettra une meilleure segmentation tout en augmentant la reproductibilité des résultats. Cette étape d'imagerie computationnelle est cruciale pour une analyse morphométrique longitudinale fiable basée sur les voxels et l'identification de marqueurs anatomiques du vieillissement cérébral en suivant les changements de volume dans la matière grise, la matière blanche et le liquide cérébral.

Age-related neurovascular and neurodegenerative diseases are increasing significantly. While such pathological changes show effects on the brain before clinical symptoms appear, a better understanding of the normal aging brain process will help distinguish known pathologies' impact on regional brain structure. Furthermore, knowledge of the patterns of brain shrinkage in normal aging could lead to a better understanding of its causes and perhaps to interventions reducing the loss of brain functions. Therefore, this thesis project aims to detect normal and pathological brain aging biomarkers in a non-human primate model, the marmoset monkey (Callithrix Jacchus) which possesses anatomical characteristics more similar to humans than rodents. However, structural changes (e.g., volumes, cortical thickness) that may occur during their adult life may be minimal with respect to the scale of observation. In this context, it is essential to have observation techniques that offer sufficiently high contrast and spatial resolution and allow detailed assessments of the morphometric brain changes associated with aging. However, imaging small brains in a 3T MRI platform dedicated to humans is a challenging task because the spatial resolution and the contrast obtained are insufficient compared to the size of the anatomical structures observed and the scale of the xpected changes with age. This thesis aims to develop image restoration methods for preclinical MR images that will improve the robustness of the segmentation algorithms. Improving the resolution of the images at a constant signal-to-noise ratio will limit the effects of partial volume in voxels located at the border between two structures and allow a better segmentation while increasing the results' reproducibility. This computational imaging step is crucial for a reliable longitudinal voxel-based morphometric analysis and for the identification of anatomical markers of brain aging by following the volume changes in gray matter, white matter and cerebrospinal fluid.