Quantitative MRI characterization of brain tissues in stroke patients.

Abstract

Strokes are the second leading cause of death worldwide, the second leading cause of dementia, and the leading cause of non-traumatic acquired motor disability in adults. Therefore, a pressing need exists to improve the revalidation treatment after strokes. The aim of the rehabilitation research is to discover and understand the relationship between brain, behaviour, and recovery after a stroke in order to use brain reorganization following a stroke to predict functional outcomes. This master thesis focuses on strokes inducing lesions in the left hemisphere which are causing aphasia and specifically anomia. The research investigates the brain plasticity and tissue microstructure properties changes in these patients through transversal studies. MRI data were acquired for both patients and controls using a specific "multi-parametric mapping" protocol, providing quantitative maps of tissue MR properties. The first transversal study compares the brains of stroke victims against control reference subjects, from a morphological and microstructural point of view. The aim of the microstructural comparison is to find out whether lesions in the left hemisphere induce changes in the right hemisphere, which appears normal on conventional MRI. The second research compares the microstructures of patients' brains in relation to their performance. A third, more methodologically oriented research aims to determine the importance of the chosen data treatment pipeline by comparing the results obtained with two different pipelines on the control subjects. The study of brain microstructures is carried out via a voxel-based quantification (VBQ) analysis. The data is first segmented and warped in the MNI standard space using the "Unified Segmentation" (US) method for control subjects and its extension for lesioned brains, the "Unified Segmentation with Lesion" (USwL) approach for patients. The data is then smoothed using a tissue weighted smoothing approach, for GM and WM separately. Statistical tests showed GM atrophy for patients in some regions of the right hemisphere (brain stem, right thalamus proper, right supplementary motor cortex and right lingual gyrus). Futhermore, there is a significant decrease in MT values for patients versus controls in a voxel located in the WM of the right hemisphere; this could reflect a variation in the amount of myelin between patients and healthy subjects. No voxel showed a difference within the patient group in terms of their performance. Comparing the results of two different pipelines on the control data revealed a large number of voxels with statistically significant differences. This highlights the importance of the data processing performed.

Les accidents vasculaires cérébraux (AVC) sont la deuxième cause de décès dans le monde, la deuxième cause de démence et la première cause de handicap moteur acquis non traumatique chez l'adulte. Il existe donc un besoin urgent d'améliorer le traitement de revalidation après un accident vasculaire cérébral. L'objectif de la recherche sur la rééducation est de découvrir et de comprendre la relation entre le cerveau, le comportement et la récupération après un AVC afin d'utiliser les changements cérébraux post-AVC pour prédire l'évolution des fonctions. Cette thèse de master se concentre sur les accidents vasculaires cérébraux provoqués par des lésions dans l'hémisphère gauche entraînant une aphasie et plus particulièrement une anomie. Le travail étudie la plasticité du cerveau et les changements des propriétés de la microstructure des tissus chez ces patients par le biais d'une étude transversale. Les données IRM ont été acquises sur deux groupes, les patients et les sujets contrôles, à l'aide d'un protocole de "cartographie multi-paramétrique", qui fournit plusieurs cartes quantitatives des propriétés de résonnance magnétique des tissus. Une première étude transversale compare, d'un point de vue morphologique et microstructurelle, les cerveaux des victimes d'AVC à ceux de sujets contrôles. L'objectif de l'étude des microstructures est de savoir si les lésions de l'hémisphère gauche induisent des changements dans l'hémisphère droit qui semble normal sur l'IRM conventionnelle. Une seconde recherche compare les microstructures des cerveaux des patients en fonction de leurs performances. Une troisième analyse, plus orientée vers la méthodologie, vise à mettre en évidence l'importance du traitement spatial des données choisi en comparant les résultats obtenus avec deux approches similaires mais légèrement différentes sur les sujets contrôles. L'étude des microstructures du cerveau est réalisée via une analyse quantitative basée sur les voxels. Les données sont d'abord segmentées et déformées dans l'espace standard MNI en utilisant la méthode "Unified Segmentation" (US) pour les sujets contrôles et l'approche "Unified Segmentation with Lesion" (USwL) pour les patients. Les données sont ensuite lissées en utilisant un lissage pondéré par les tissus pour la matière grise et la matière blanche. La réalisation de tests statistiques a montré une atrophie de la matière grise pour les patients dans certaines régions de l'hémisphère droit (tronc cérébral, thalamus droit, cortex moteur supplémentaire droit et gyrus lingual droit). De plus, il y a une diminution significative chez les patients dans un voxel situé dans la matière blanche de l'hémisphère droit dans la carte MT, ce qui pourrait refléter une variation de la quantité de myéline entre les patients et les sujets contrôles. Aucun voxel n'a montré de variation au sein du groupe de patients en fonction de leur performance. La comparaison des résultats de deux approches différentes de traitement spatial sur les données des sujets contrôles a révélé un grand nombre de voxels présentant une différence significative, ce qui souligne l'importance des opérations de traitement spatial utilisées.