Functional neuroimaging using Ultrasound Localization Microscopy
Neuroimagerie fonctionnelle par Microscopie de Localisation Ultrasonore
Résumé
The advent of neuroimaging has profoundly increased our fundamental understanding of brain function. While most brain-wide functional imaging modalities exploit neurovascular coupling to map brain activity in millimetric resolutions, the recording of functional responses at microscopic scale in mammals remains the privilege of electrophysiological or optical approaches. But these are restricted to either the cortical surface or the immediate vicinity of implanted sensors. Recently, Ultrasound Localization Microscopy (ULM) solved the trade-off between spatial resolution and penetration depth by localizing millions of intravenously injected microbubbles. It achieved transcranial whole-brain imaging of cerebrovascular flow, up to micron scale. However, within microscopic vessels, the long acquisition time required to detect single microbubble signatures has so far restricted ULM application mainly to microvasculature structural imaging.In this thesis we show that ULM can be modified to study functional hyperaemia dynamically during brain activation, reaching a (6.5μm, 1s) spatiotemporal resolution in deep cortical and subcortical regions of the rat brain. Using repetitive activation patterns, functional ULM discriminates blood flow and velocity variations during tasks in intraparenchymal and larger vessels of activated regions. We also investigate a new parameter in ULM : the intensity backscattered by microbubbles. We show that this parameter could be used to localize vessels in the out of plane dimension in 2D ULM, thereby providing a 3D localization and a more precise quantification of flow speeds. This parameter could also help us gaining knowledge on the physiological interpretation of the signals used by ultrasound neuroimaging modalities : power Doppler and ULM.
L’avènement de la neuroimagerie a permis d’améliorer considérablement notre connaissance du fonctionnement cérébral. Alors que la plupart des modalités permettent, en exploitant le couplage neurovasculaire, d’imager la totalité du cerveau avec des résolutions spatiales de l’ordre du millimètre, enregistrer des réponses fonctionnelles à des échelles microscopiques reste le privilège des techniques électrophysiologiques ou optiques. Mais ces dernières ne peuvent accéder qu’à la surface du cerveau ou au voisinage direct de capteurs implantés dans les tissus, sans pouvoir couvrir de larges champs de vue. Récemment, la Microscopie de Localisation Ultrasonore (ULM), par la localisation de millions de microbulles injectées dans la vascularisation sanguine, a permis de résoudre le compromis entre résolution spatiale et profondeur de pénétration en imagerie ultrasonore. Le flux cérébrovasculaire a ainsi pu être imagé à des résolutions inférieures à 10 microns sur cerveau entier. Cependant, la durée d’acquisition nécessaire pour détecter des signaux dans les plus petits vaisseaux, de l'ordre de la minute, a restreint son application à une imagerie structurelle statique de la microvascularisation et empêché sa translation vers une modalité d’imagerie fonctionnelle.Dans cette thèse, nous montrons que l’ULM peut être modifiée pour devenir une modalité d’imagerie dynamique. Elle permet alors d’étudier des hyperhémies fonctionnelles sur l’intégralité du cerveau de rat avec une résolution spatio-temporelle de (6,5 μm, 1s). En s’appuyant sur la répétition de plusieurs motifs de stimulation, cette Microscopie de Localisation Ultrasonore fonctionnelle permet de détecter les variations de flux sanguins et de vitesse jusque dans les vaisseaux intra-parenchymaux des régions activées. Nous nous intéressons aussi dans cette thèse à un nouveau paramètre en ULM : l'intensité de rétrodiffusion. Nous montrons comment ce paramètre peut être utilisé pour localiser les vaisseaux dans la direction hors plan en ULM 2D, fournissant une localisation en 3D des vaisseaux sanguins et des quantifications plus précises des vitesses de flux. Nous proposons aussi d'étudier ce nouveau paramètre dans le cadre d'une comparaison des signaux Doppler de puissance et ULM, signaux utilisés par les modalités de neuroimagerie fonctionnelle par ultrasons.
Origine : Version validée par le jury (STAR)