Brain microstructure mapping using quantitative and diffsusion MRI Alice Lebois To cite this version: Alice Lebois. Brain microstructure mapping using quantitative and diffsusion MRI. Medical Physics [physics.med-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 2014. English. NNT : 2014PA112162. tel- 01063198 HAL Id: tel-01063198 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01063198 Submitted on 24 Sep 2014 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. UNIVERSITEPARIS-SUD´ ECOLE´ DOCTORALE : Sciences et Technologie de l’Information, des T´el´ecommunications et des Syst`emes LABORATOIRE: Unit´e d’Imagerie RMN et de Spectroscopie, NeuroSpin, CEA DISCIPLINE : Physique THESEDEDOCTORAT` Soutenue le 23/07/2014 par Alice LEBOIS Brain microstructure mapping using quantitative and diffusion MRI Directeur de th`ese : Cyril POUPON Directeur de Recherche (UNIRS) Composition du jury : Pr´esidente du Jury : Petra HUPPI Professeur (Universit´edeGen`eve) Rapporteurs : Emmanuel BARBIER Directeur de Recherche (Universit´eJ.F.deGrenoble) Christophe DESTRIEUX Directeur de Recherche (Universit´eF.R.deTours) Examinateurs : Daniel ALEXANDER Professeur (University College of London) Jean-Christophe GINEFRI Maˆıtre de Conf´erence (Universit´e Paris Sud) Membres invit´es : Denis LE BIHAN Directeur (NeuroSpin/CEA) Jean-Fran¸cois MANGIN Directeur de Recherche (NeuroSpin/CEA) Acknowledgements Je tiens tout d’abord `a remercier mon directeur de th`ese, Cyril Poupon qui a su m’encourager etmefaireconfiancetoutaulongdemath`ese : merci pour ton optimisme, ta gentillesse et ton aide dans les moments difficiles. Je remercie ´egalement tous les membres du jury, Drs Emmanuel Barbier et Christophe Destrieux pour l’int´erˆet qu’ils ont port´e`amonm´emoire de th`ese et leurs remarques constructives sur mon sujet, Drs Daniel Alexander, Petra H¨uppi et Jean-Christophe Ginefri, pour avoir accept´e de faire partie de ce jury et d’avoir fait le d´eplacement pour ma soutenance. Je remercie enfin Drs Denis Le Bihan et Jean-Fran¸cois Mangin pour avoir accept´e mon invitation `a cette soutenance. Mercia ` tout mon jury pour les questions et discussions lors de ma soutenance. Je voudrais remercier les personnes avec qui j’ai collabor´e : Irina qui m’a accueillie et encadr´ee la premi`ere ann´ee de ma th`ese, Ivana de l’University College of London mais aussi Chung Hung Yeh, (a.k.a Jimmy !) avec qui j’ai partag´eles derniers mois de sa th`ese et `a qui nous avons pu rendre visite `aTaiwangrˆace `a la bourse ORCHID. Plus un ami qu’un coll`egue, j’ai appr´eci´e les bons moments pass´es en ta pr´esence au laboratoire et `a Taiwan, ta gentillesse, ta patience et ton humour. Un grand merci `a tous mes coll`egues de Neurospin, `a commencer par mes coll`egues du laboratoire de diffusion : Fabrice, Refka, Alaitz, Anne, Cyril, Achille, Cyrille, V´eronique, Linda, Pamela, Josselin, Christine et surtout, mes trois (adorables !) coll`egues de bureau: Clarisse, Delphine et Urielle. Merci `atouset`a toutes pour votre bonne humeur, votre humour et votre gentillesse. Merci tout sp´ecialement `a Fabrice, pour son calme et ses conseils avis´es et pour avoir partag´e quelques s´eances de badminton et de tir `a l’arc avec nous. Merci `aV´eronique qui a su me transmettre son optimisme, sa sagesse et sa bonne humeur. Egalement merci `a Achille, Cyrille et Urielle pour les sorties et festivals qui m’ont permis de d´ecompresser au bon moment ! Je finis par mes remerciements `a Clarisse et Delphine, sans qui ces trois ans et demi auraient ´et´e bien plus difficiles. Merci `a vous pour votre amiti´e, pour nos longues discussions, nos sorties, nos fous rires, nos moments de joie, nos r´eflexions sur la vie, vos conseils, . Grˆace `a vous, cette exp´erience a ´et´e une r´eelle exp´erience humaine, o`uj’aiputrouverdevraiesamiesavec qui j’esp`ere pouvoir garder contact. Je n’oublierai certainement pas mes coll`egues qui, avec nous, ont partag´elemoment pr´ecieux du Glunch: Laurent, Marie-France, J´er´emy, Yann, Nathalie, Denis, Lionel. Merci `a vous tous pour ces grands moments et grandes discussions que nous avons pu partager autour d’une abondance de nourriture en tout genre qui en a ´etonn´e plus d’un ! i ii Merci `a vous, Yohanna et Dominique pour les potins et toutes ces discussions que nous avons pu avoir pendant ces trois ans. Merci aussi aux manips radio et infirmi`eres : Ga¨elle, Bernadette, V´eronique, Christine, S´everine D., S´everine R., Chantal et Laurence. Mercia ` vous d’avoir rendu agr´eables les moments pass´es `ala console, et merci sp´ecialement `a Chantal, pour tous ses conseils, pour son sourire quotidien et pour avoir accept´e de jouer au badminton avec moi ! Enfin, je remercie toutes les personnes que j’ai pu croiser et avec qui j’ai pu discuter durant mon passage `a NeuroSpin : Ileana, Julien, Benjamin, Nadya, Alfredo, Aur´elien, Alexis, Nicolas, Fawzi, Luisa, Boucif, ... Je souhaite ´egalement remercier mes ami(e)s du lyc´ee et de fac qui m’ont support´ee moralement : Laetitia, Justine, Olga, H´eloise, Soraya, R´emi et St´ephane. J’aimerais dire aussi un immense mercia ` ma famille et `a ma belle-famille sans qui tout aurait ´et´e aussi tr`es dur. Merci `a vous, Maman et Papa, votre soutien `atousles deux m’a ´et´etr`es pr´ecieux. Merciatoi,F´ ` elix, pour tes conseils de grand fr`ere et pour m’avoir remont´e le moral et donn´e confiance en moi. Merci `a vous, Coco et Doudou, pour votre pr´esence, votre gentillesse, votre sagesse, vous avez su m’accompagner dans chaque ´etape de ma vie. Merci ´egalement `a mes tantes, Tata Monique, Tata Cathy et Tata Sylvie ainsi qu’`a mes cousins. J’ai ´egalement une pens´ee pour ma grand-m`ere, M´em´e Lucette qui nous a quitt´es en Aoˆut dernier mais dont la bonne humeur et les bons petits plats ont ponctu´e ces ann´ees de th`ese. MerciaVal´ ` erie, Bertrand, Manon, Chlo´e, Geoffrey, Chantal, Pierre, Madeleine, Patrice, Christophe, Fabienne, Sam et toute ma belle famille pour les discussions et le soutien qu’ils m’ont apport´e lors des week-ends pass´es en Normandie. Finalement, je remercie tout sp´ecialement Quentin, qui m´erite certainement un diplˆome pour avoir support´e mes moments de questionnement et de stress durant ces trois ans. Merci `a toi, pour ton immense patience, ta gentillesse et ta tendresse. Je d´edie cette th`ese `a mes grands-parents, Jeannine et Roland alias Coco et Doudou, qui m’ont tant apport´e. Contents Acknowledgements i Contents iii List of Figures x List of Tables xvi Symbols xvii 1 Introduction 1 1.1 Context ..................................... 1 1.2 Motivations ................................... 2 1.3 Thesis organization ............................... 4 1.3.1 Chapitre 2: Human Brain Anatomy ................. 4 1.3.2 Chapitre 3: MRI modalities dedicated to tissue microstructure .. 4 1.3.3 Chapitre 4: Brain white matter relaxometric atlases ........ 5 1.3.4 Chapitre 5: Microstructure mapping using diffusion MRI ..... 5 1.3.5 Chapitre 6: Brain microstructure mapping ............. 5 1.3.6 Chapter 7: Conclusion and future work ............... 5 2 Human Brain Anatomy 6 2.1 Introduction ................................... 6 2.2 Macroscopic Anatomy ............................. 6 2.3 Global description .............................. 6 2.4 Cortex lobes, gyri, and sulci ......................... 7 2.4.1 Frontal lobe ............................... 8 2.4.2 Parietal lobe ............................. 8 2.4.3 Occipital lobe ............................. 8 2.4.4 Temporal lobe ............................. 8 2.4.5 Insula and limbic lobe ......................... 9 2.4.6 Brodmann areas ........................... 9 2.5 Internal anatomy ............................... 10 2.5.1 Blood supply of the brain ...................... 10 2.5.2 Ventricles ............................... 10 2.5.3 Grey matter .............................. 11 iii Contents iv 2.5.3.1 Nuclei of the cerebellum, the brain stem and the mes- encephalon .......................... 11 2.5.3.2 Grey matter of the diencephalon ............. 11 2.5.3.3 Grey matter of the telencephalon ............. 12 Deep nuclei ........................... 12 Cortex .............................. 12 2.5.4 White matter ............................. 13 2.5.4.1 Projection fibers ....................... 13 2.5.4.2 Association fibers ...................... 14 2.5.4.3 Interhemispheric commissures ............... 15 2.6 Brain tissue microstructure .......................... 15 2.6.1 Brain cells ................................ 16 2.6.1.1 Neurons ........................... 16 2.6.1.2 Oligodendrocytes ...................... 17 2.6.1.3 Astrocytes ......................... 18 2.6.1.4 Microglia .......................... 18 2.6.2 Cortex histology ........................... 18 2.6.3 White matter histology ........................ 20 2.7 Brain diseases and microstructure ...................... 20 2.8 Conclusion ................................... 21 3 MRI modalities dedicated to the study of tissue microstructure 22 3.1 Introduction ................................... 22 3.2 Principles of magnetic resonance imaging .................. 23 3.2.1 Magnetic resonance phenomenon ................... 23 3.2.1.1 Magnetic moments of protons ............... 23 3.2.1.2 Equilibrium state in the presence of a magnetic field B0 24 3.2.1.3 Perturbation of the equilibrium by a radio frequence B1 : excitation ......................... 24 3.2.1.4 Bloch equations, T1 and T2 relaxation times ....... 25 3.2.1.5 T1 and T2 relaxation times for different tissues and dif- ferent fields .......................... 27 3.2.2 Origin of the signal acquired in MRI ................ 27 3.2.3 From FID to image .......................... 29 3.2.4 Spatial encoding ...........................