Caractérisation in vivo de la cyto- et myélo-architecture des réseaux fonctionnels à haut et très haut champs magnétiques.

In vivo characterization of the cyto- and myelo-architecture of functional networks at high and ultra high magnetic fields.

• Auteur / Autrice : Bosco Taddei
• Direction : Cyril Poupon, Christophe Pallier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et imagerie médicale
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Construction de grands instruments pour la neuroimagerie : de l'imagerie en population aux champs magnétiques ultra-hauts
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Irm

Neurosciences Cognitive

Réseaux Fonctionnels

Myéloarchitecture

Cytoarchitecture

Connectome

Mri

Cognitive Neurosciences

Functional Networks

Myeloarchitecture

Cytoarchitecture

Connectome

Résumé

L'imagerie par résonance magnétique à haut (3T) et très haut (7T) champ permet d'améliorer les résolutions spatiale, temporelle et angulaire des données d'imagerie in vivo ce qui permet d'explorer la structure et le fonctionnement du cerveau à des échelles sub-millimétriques. Ces échelles ne permettent toutefois pas d'appréhender l'organisation cellulaire du tissu cérébral et donc de mieux comprendre le lien qui existe entre la fonction cérébrale et son substrat anatomique. Il est cependant envisageable de développer des modèles multicompartimentaux avancés du signal IRM afin de dépasser les limites de résolution imposées par l'instrument IRM et appréhender l'organisation du tissu à une échelle s'approchant de l'échelle mésoscopique. Ces nouveaux modèles exploitent diverses caractéristiques intrinsèques des tissus dont ses propriétés magnétiques caractérisées en particulier les temps de relaxation T1, T2 qui permettent d'avoir accès à des informations de nature myéloarchitecturale, mais aussi le temps de relaxation T2* qui peut être relié à la concentration en fer des tissus que l'on sait varier entre les différentes structures cérébrales. D'autres modèles avancés exploitent le processus intrinsèque de diffusion de l'eau intracérébrale dont les caractéristiques (anisotropie, diffusivités, dépendance temporelle de l'atténuation du signal pondéré en diffusion) renseignent sur la cyto-architecture locale du parenchyme. Il est donc envisageable de caractériser finement la cyto- et myélo-architecture des réseaux fonctionnels cérébraux chez l'homme et d'étudier si les frontières des zônes activées correspondent à des changements significatifs de l'organisation cyto- et myélo-architecturale. Une des limites actuelles pour atteindre cet objectif reste la grande quantité de données à acquérir chez chaque sujet (données d'IRM fonctionnelle, données d'IRM de diffusion avec un large échantillonnage de l'espace q et du temps de diffusion, données d'IRM quantitative pondérées en T1, T2 et T2*) qui n'est pas compatible avec l'heure généralement dévolue à une session d'acquisition. Ce projet de thèse vise à répondre à ce challenge en reposant sur l'acquisition massive de telles données sur une cohorte d'une centaine d'individus dont tous subiront une dizaine de sessions d'imagerie afin de collecter pour chaque individu une quantité importante de données IRM à 3T et 7T reposant sur l'exploitation des nombreux contrastes qui permettront d'établir: - une cartographie précise de l'anatomie macroscopique de leur cerveau, - une cartographie précise de la cytoarchitecture de leur cerveau, - une cartographie précise de la myéloarchitecture de leur cerveau, - une cartographie précise des principaux réseaux fonctionnels (langage, lecture, vision, calcul, cognition sociale, fonctions exécutives, ...). Dans le cadre de ce projet intitulé Brain Imaging of the Cytoarchitecture using Key Emerging Technologies (BICKET), le candidat aura pour première objectif la mise en place du protocole d'imagerie complet et l'acquisition au cours de la première année d'un premier jeu de données d'imagerie sur les 15 premiers sujets jeunes âgés de 20 à 30 ans. En parallèle de la constitution de cette cohorte unique, le candidat s'attaquera au second objectif scientifique de la thèse, ie la mise en place d'un pipeline d'analyse reposant sur les toolkits Freesurfer, BrainVISA, Ginkgo et Nipype et qui permettra: - de cartograhier les structures anatomiques macroscopiques à partir des données IRM anatomiques à 3T et 7T (cortex, noyaux gris centraux), - de cartographier les faisceaux de fibres longs et superficiels à partir des données d'IRM de diffusion à haute résolution angulaire acquises à 3T, - de calculer les cartographies caractéristiques de la cytoarchitecture (densité et dispersion des neurites, densité neuronale, diamètre axonal) à partir des données d'IRM de diffusion acquises à 3T, - de calculer les cartographies caractéristiques de la myéloarchitecture (fraction de myéline) à partir des données d'IRM quantitatives pondérées en T1 et T2 acquises à 3T, - de calculer les cartographies caractéristiques de la concentration de fer (susceptibilité magnétique) à partir des données d'IRM quantitatives pondérées en T2* acquises à 3T et 7T, - de calculer les cartographies des réseaux fonctionnels ciblés à partir des données d'IRM fonctionnelle à haute résolution spatiale acquises à 7T. Le troisième objectif de la thèse visera l'étude conjointe des cartographies fonctionnelles, cytoarchitectoniques et myéloarchitectoniques à l'échelle individuelle. Dans un premier temps, les cartographies individuelles de la structure laminaire du cortex cérébral seront produites à partir d'une classification des données cyto-/myélo-architecturales afin de faciliter l'identification des réseaux fonctionnels au sein des couches corticales. Il s'agira ensuite d'étudier l'existence de gradients de cyto-/myelo-architecture au niveau des frontières des régions corticales activées pour les différents réseaux fonctionnels d'intérêt à l'échelle individuelle et d'explorer la reproductibilité de tels gradients à l'échelle de la cohorte. La connectivité superficielle individuelle des patchs d'activitation sera également reconstruites afin d'étudier sa variabilité inter-individuelle tant sur le plan morphologique que sur le plan micostructurel (gradients du diamètre des axones ou de la densité axonale). Ce projet de thèse repose sur une approche originale de type “Big Data à l'échelle individuelle” et devrait apporter à la communauté neuroscientifique non seulement un jeu de données massives individuelles unique au monde, mais également de nouveaux outils d'exploration conjointe de la cyto- et myeloarchitecture du substrat anatomique des principaux réseaux fonctionnels du cerveau humain. Cette thèse impliquera une collaboration forte entre méthodologistes en physique de l'IRM/analyse de données de l'unité BAOBAB de NeuroSpin, et experts des neurosciences cognitives de l'unité UNICOG de NeuroSpin, qui se traduira par une co-direction BOABAB/GAIA - UNICOG pour allier les 2 expertises. Le candidat devra être titulaire d'un Master ou d'un diplôme d'ingénieur en imagerie médicale ou en physique médicale, issu d'une université ou d'une école d'ingénieur, devra être familier avec l'imagerie par résonance magnétique et avoir un goût affirmé pour les neurosciences cognitives. Le candidat doit également être capable d'interagir dans un environnement multidisciplinaire, parler couramment et savoir rédiger en langue anglaise et être familier avec les outils informatiques (programmation informatique en C++ et python serait appréciée).

Magnetic resonance imaging at high (3T) and ultra high (7T) fields allows to improve the spatial, temporal and angular resolution of in vivo imaging data, which allows to explore the structure and function of the brain at sub-millimeter scales. However, these scales do not allow us to understand the cellular organization of the brain tissue and thus to better understand the link between brain function and its anatomical substrate. It is however possible to develop advanced multicompartmental models of the MRI signal in order to overcome the resolution limits imposed by the MRI instrument and to understand the organization of the tissue at a scale approaching the mesoscopic scale. These new models exploit various intrinsic characteristics of the tissue, including its magnetic properties, characterized in particular by the relaxation times T1, T2, which give access to information of a myeloarchitectural nature, but also the relaxation time T2* which can be linked to the iron concentration of the tissue, which is known to vary between the different brain structures. Other advanced models exploit the intrinsic process of intracerebral water diffusion whose characteristics (anisotropy, diffusivities, time dependence of the attenuation of the diffusion weighted signal) give information on the local cyto-architecture of the parenchyma. It is therefore possible to characterize in detail the cyto- and myelo-architecture of functional brain networks in humans and to study whether the boundaries of activated areas correspond to significant changes in the cyto- and myelo-architectural organization(recherche). One of the current limitations to achieve this goal is the large amount of data to be acquired in each subject (functional MRI data, diffusion MRI data with a large sampling of q-space and diffusion time, T1, T2 and T2* weighted quantitative MRI data) which is not compatible with the time usually devoted to an acquisition session. This thesis project aims at answering this challenge by relying on the massive acquisition of such data on a cohort of about a hundred individuals who will all undergo about ten imaging sessions in order to collect for each individual a significant amount of MRI data at 3T and 7T based on the exploitation of the numerous contrasts that will allow to establish - a precise mapping of the macroscopic anatomy of their brain, - a precise mapping of the cytoarchitecture of their brain, - a precise mapping of the myeloarchitecture of their brain, - a precise mapping of the main functional networks (language, reading, vision, calculation, social cognition, executive functions, ...). Within the framework of this project entitled Brain Imaging of the Cytoarchitecture using Key Emerging Technologies (BICKET), the candidate's first objective will be to set up the complete imaging protocol and to acquire during the first year a first set of imaging data on the first 15 young subjects aged 20 to 30 years. In parallel to the constitution of this unique cohort, the candidate will tackle the second scientific objective of the thesis, eg the implementation of an analysis pipeline based on the Freesurfer, BrainVISA, Ginkgo and Nipype toolkits and which will allow - map macroscopic anatomical structures from 3T and 7T anatomical MRI data (cortex, basal ganglia), - map long and superficial fiber bundles from high-angle resolution diffusion MRI data acquired at 3T, - calculate characteristic cytoarchitecture maps (neurite density and dispersion, neuronal density, axonal diameter) from diffusion MRI data acquired at 3T, - calculate characteristic myeloarchitecture maps (myelin water fraction) from quantitative T1 and T2 weighted MRI data acquired at 3T, - calculate characteristic maps of iron concentration (magnetic susceptibility) from quantitative T2* weighted MRI data acquired at 3T and 7T, - to calculate the mappings of the targeted functional networks from high spatial resolution functional MRI data acquired at 7T. The third objective of the thesis will be the joint study of functional, cytoarchitectonic and myeloarchitectonic mappings at the individual level. First, individual mappings of the laminar structure of the cerebral cortex will be produced from a classification of the cyto-/myeloarchitectural data in order to facilitate the identification of functional networks within the cortical layers. This will be followed by an investigation of the existence of cyto-/myelo-architectural gradients at the boundaries of activated cortical regions for the different functional networks of interest at the individual level and an exploration of the reproducibility of such gradients at the cohort level. The individual surface connectivity of the activating patches will also be reconstructed in order to study its inter-individual variability both morphologically and micostructurally (gradients in axon diameter or axonal density). This thesis project is based on an original approach of ''Big Data at the individual scale'' and should bring to the neuroscientific community not only a massive individual dataset unique in the world, but also new tools to jointly explore the cyto- and myeloarchitecture of the anatomical substrate of the main functional networks of the human brain. This thesis will involve a strong collaboration between methodologists in MRI physics/data analysis from NeuroSpin's BAOBAB unit, and experts in cognitive neuroscience from NeuroSpin's UNICOG unit, which will result in a BOABAB/GAIA - UNICOG co-supervision to combine the 2 expertises. The candidate should have a Master's degree or an engineering degree in medical imaging or medical physics from a university or an engineering school, should be familiar with magnetic resonance imaging and have a strong interest in cognitive neuroscience. The candidate must also be able to interact in a multidisciplinary environment, be fluent and able to write in English and be familiar with computer tools (computer programming in C++ and Python would be appreciated).