Anatomo-functional magnetic resonance imaging of the spinal cord and its application to the characterization of spinal lesions in cats

Abstract

Les lésions de la moelle épinière ont un impact significatif sur la qualité de la vie car elles peuvent induire des déficits moteurs (paralysie) et sensoriels. Ces déficits évoluent dans le temps à mesure que le système nerveux central se réorganise, en impliquant des mécanismes physiologiques et neurochimiques encore mal connus. L'ampleur de ces déficits ainsi que le processus de réhabilitation dépendent fortement des voies anatomiques qui ont été altérées dans la moelle épinière. Il est donc crucial de pouvoir attester l'intégrité de la matière blanche après une lésion spinale et évaluer quantitativement l'état fonctionnel des neurones spinaux. Un grand intérêt de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est qu'elle permet d'imager de façon non invasive les propriétés fonctionnelles et anatomiques du système nerveux central. Le premier objectif de ce projet de thèse a été de développer l'IRM de diffusion afin d'évaluer l'intégrité des axones de la matière blanche après une lésion médullaire. Le deuxième objectif a été d'évaluer dans quelle mesure l'IRM fonctionnelle permet de mesurer l'activité des neurones de la moelle épinière. Bien que largement appliquées au cerveau, l'IRM de diffusion et l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière sont plus problématiques. Les difficultés associées à l'IRM de la moelle épinière relèvent de sa fine géométrie (environ 1 cm de diamètre chez l'humain), de la présence de mouvements d'origine physiologique (cardiaques et respiratoires) et de la présence d'artefacts de susceptibilité magnétique induits par les inhomogénéités de champ, notamment au niveau des disques intervertébraux et des poumons. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer des méthodes permettant de contourner ces difficultés. Ce développement a notamment reposé sur l'optimisation des paramètres d'acquisition d'images anatomiques, d'images pondérées en diffusion et de données fonctionnelles chez le chat et chez l'humain sur un IRM à 3 Tesla. En outre, diverses stratégies ont été étudiées afin de corriger les distorsions d'images induites par les artefacts de susceptibilité magnétique, et une étude a été menée sur la sensibilité et la spécificité de l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière. Les résultats de ces études démontrent la faisabilité d'acquérir des images pondérées en diffusion de haute qualité, et d'évaluer l'intégrité de voies spinales spécifiques après lésion complète et partielle. De plus, l'activité des neurones spinaux a pu être détectée par IRM fonctionnelle chez des chats anesthésiés. Bien qu'encourageants, ces résultats mettent en lumière la nécessité de développer davantage ces nouvelles techniques. L'existence d'un outil de neuroimagerie fiable et robuste, capable de confirmer les paramètres cliniques, permettrait d'améliorer le diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de lésions médullaires. Un des enjeux majeurs serait de suivre et de valider l'effet de diverses stratégies thérapeutiques. De telles outils représentent un espoir immense pour nombre de personnes souffrant de traumatismes et de maladies neurodégénératives telles que les lésions de la moelle épinière, les tumeurs spinales, la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique.

Spinal cord injury has a significant impact on quality of life since it can lead to motor (paralysis) and sensory deficits. These deficits evolve in time as reorganisation of the central nervous system occurs, involving physiological and neurochemical mechanisms that are still not fully understood. Given that both the severity of the deficit and the successful rehabilitation process depend on the anatomical pathways that have been altered in the spinal cord, it may be of great interest to assess white matter integrity after a spinal lesion and to evaluate quantitatively the functional state of spinal neurons. The great potential of magnetic resonance imaging (MRI) lies in its ability to investigate both anatomical and functional properties of the central nervous system non invasively. To address the problem of spinal cord injury, this project aimed to evaluate the benefits of diffusion-weighted MRI to assess the integrity of white matter axons that remain after spinal cord injury. The second objective was to evaluate to what extent functional MRI can measure the activity of neurons in the spinal cord. Although widely applied to the brain, diffusion-weighted MRI and functional MRI of the spinal cord are not straightforward. Various issues arise from the small cross-section width of the cord, the presence of cardiac and respiratory motions, and from magnetic field inhomogeneities in the spinal region. The main purpose of the present thesis was therefore to develop methodologies to circumvent these issues. This development notably focused on the optimization of acquisition parameters to image anatomical, diffusion-weighted and functional data in cats and humans at 3T using standard coils and pulse sequences. Moreover, various strategies to correct for susceptibility-induced distortions were investigated and the sensitivity and specificity in spinal cord functional MRI was studied. As a result, acquisition of high spatial and angular diffusion-weighted images and evaluation of the integrity of specific spinal pathways following spinal cord injury was achieved. Moreover, functional activations in the spinal cord of anaesthetized cats was detected. Although encouraging, these results highlight the need for further technical and methodological development in the near-future. Being able to develop a reliable neuroimaging tool for confirming clinical parameters would improve diagnostic and prognosis. It would also enable to monitor the effect of various therapeutic strategies. This would certainly bring hope to a large number of people suffering from trauma and neurodegenerative diseases such as spinal cord injury, tumours, multiple sclerosis and amyotrophic lateral sclerosis.