Cerebral stiffness changes due to vasoreactivity during visual activation measured with intrinsic Magnetic Resonance Elastography

Abstract

Abstract:This thesis presents the multi modality Magnetic Resonance imaging (MRI) study of the human brain, developed at the university of Sherbrooke with the main objective to develop a method to perform functional imaging via intrinsic MR Elastography(iMRE). MRE is able to characterize the mechanical properties of soft tissue such as shear stiffness either by intrinsic or extrinsic mechanical activation. Measuring brain mechanical properties with iMRE requires an efficient method to overcome the challenge of low frequency displacement fields and the physiological signals at the same frequency range. Here in this thesis we present the steps required to perform iMRE while visually stimulating the brain and obtaining regions of activation. The iMRE results were combined with Blood Oxygen Level Dependant fMRI (BOLD fMRI) and Time Of Flight (TOF) data that provide maps of brain activation and images of cerebral vasculature, respectively, to help identify the origins of fiMRE activation regions. Two types of fiMRE activations were observed in the brain in the primary visual cortex and bilateral Middle Temporal areas, with one activation type showing a decreased shear stiffness and the other showing increased shear stiffness due to visual stimulus, respectively. Such ability to differentiate two mechanisms of the brain activity observed by fiMRE is novel and provides complementary information to conventional BOLD fMRI. These fiMRE activation regions appeared to be related to vasoreactivity mechanisms such as vasodilation. In particular, regions with decreased shear stiffness activity were found to be close to the P4 segment of the Posterior Cerebral Artery (PCA) which is known to dilate due to visual stimulation. The measurement of fiMRE activation regions and their distance to the cerebral arteries shows that the closer the regions are to the arteries the more significant changes occur in the shear stiffness. The findings of this study represented in this thesis, allow us to better comprehend the hemodynamics and biomechanical mechanisms underlying vasoreactivity.

Cette étude présente l’expérience multimodalité d’imagerie par résonance magnétique (IRM) sur le cerveau humain, développée à l’Université de Sherbrooke, avec l’objectif principal de développer une méthode pour effectuer l’imagerie fonctionnelle par élastographie IRM intrinsèque (iMRE). L’ERM est capable de caractériser les propriétés mécaniques des tissus mous telles que la rigidité en cisaillement avec deux procédures principales appelées ERM extrinsèque et intrinsèque. La mesure des propriétés mécaniques du cerveau avec iMRE nécessite une méthode efficace pour surmonter le défi des champs de déplacement à basse fréquence et des bruits intrinsèques dans la même gamme de fréquences. Ici, dans ce mémoire, les étapes de la méthode pour effectuer l’iMRE tout en stimulant visuellement le cerveau et en obtenant des régions d’activation sont présentées. Les résultats de l’iMRE ont été combinés avec l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle dépendant du niveau d’oxygène sanguin (BOLD fMRI) et le temps de vol par angiographie (Time Of Flight Angiography (TOF)) qui fournissent, respectivement, les cartes d’activation cérébrale et des images de la vascularisation cérébrale, pour trouver les origines des régions d ’activations fiMRE. Deux types d’activations fiMRE ont été observés dans le cerveau dans le cortex visuel primaire et dans les zones temporales moyennes bilatérales. La première montrant une diminution de la rigidité en cisaillement et la seconde une augmentation de l’activité de la rigidité en cisaillement corrélée stimulus visuel. Une telle capacité à différencier deux mécanismes de l’activité cérébrale observée par fiMRE est nouvelle et fournit des informations complémentaires à la BOLD fMRI conventionnelle. Ces régions d’activation fiMRE semblaient être liées à des mécanismes de vasoréactivité tels que la vasodilatation, en particulier les régions avec une diminution de l’activité de rigidité en cisaillement ont été localisées en proximité du segment P4 de l’artère cérébrale postérieure (ACP), connue de se dilater lors de la stimulation visuelle. La mesure de la relation entre les régions d’activation fiMRE et leur distance aux artères cérébrales a montré que plus les régions sont proches des artères, plus la variation de la rigidité au cisaillement est importante. Les résultats de cette étude présentés dans ce mémoire nous permet de mieux comprendre l’hémodynamique du cerveau et les caractéristiques mécaniques à la base de la vasoréactivité.