Développement d'outils de vectorisation d'angiographies obtenues par microscopie 2-photons dans le contexte du vieillissement du cerveau

Les pathologies affectant les petits vaisseaux de la neurovasculature sont-elles à l'origine des effets cognitifs qui apparaissent au cours du vieillissement? Pour répondre à cette question, il faut d'abord posséder des outils permettant d'extraire la microvasculature du néocortex à partir d'angiographies acquises par microscopie à fluorescence deux-photons. Une meilleure compréhension de l'évolution de la microvasculature du cerveau avec l'âge et de l'effet de ces modifications sur les fonctions des aires corticales constitue en effet une étape essentielle vers la mise en place de nouveaux biomarqueurs du vieillissement du cerveau. Des modèles réalistes de la vasculature du cerveau peuvent servir de base à des modélisations du débit sanguin et à la simulation de signal IRM. En utilisant des vasculatures vectorisées, de nouvelles voies de recherche pourront donc être explorées, dont l'effet de différents types de pathologies des petits vaisseaux sur le signal IRM dépendant du niveau d'oxygène sanguin (BOLD). L'objectif de ce projet de recherche est donc le développement d'une méthode de segmentation des vaisseaux sanguins et d'un outil d'interaction permettant de corriger et de modifier le réseau vasculaire extrait. Ces outils sont utilisés pour comparer la microvasculature du néocortex de rats provenant de deux cohortes d'âges différents formés de 12 jeunes rats (âge = 11-15 semaines) et 12 rats âgés (âge = 23-25 mois) de type Long-Evans. Ces méthodes ont été développées en utilisant principalement la plateforme de programmation MATLAB, le module de gestion de pipeline de traitement PSOM et l'outil de traitement d'image FIJI. La méthode est semi-automatique, nécessitant une correction manuelle des graphes extraits des angiographies après la segmentation. L'approche modulable adoptée permet l'ajout de nouvelles fonctions et de nouveaux outils, ce qui pourra améliorer sa robustesse et l'automatisation de l'extraction des vaisseaux sanguins. En analysant les masques des vasculatures issus du prétraitement des données, il a été montré que la densité des capillaires dans le néocortex sensorimoteur de rats Long-Evans diminue avec l'âge, en passant de pour les jeunes rats à pour les rats âgés, ce qui représente une baisse statistiquement significative de 20 %. Une analyse utilisant les graphes nettoyés semble également aller dans ce sens en montrant que la densité linéaire des vaisseaux décroît au cours du vieillissement. Cette mesure est liée aux capacités de perfusion de la vasculature, et pourrait indiquer que l'efficacité d'apport en nutriment et en oxygène décroît dans le néocortex sensorimoteur de rats au cours du vieillissement.

Abstract

Are the conditions affecting the small vessels of the neurovasculature the cause of cognitive impairments that appear with aging? To answer this question, we must have tools to extract the neocortex microvasculature from angiograms acquired by two-photon fluorescence microscopy. A better understanding of the brain microvasculature evolution with age and the effect of those changes on the cortical areas functions is indeed an essential step towards the development of new biomarkers of brain aging. Realistic models of the brain vasculature can be used as a basis of blood flow modeling and to simulate MRI signal originating from these vessels. Using vectorized vasculatures, new research avenues can be explored, including the effect of different types of small vessels diseases on blood oxygen level-dependent (BOLD) MRI signal. The main objective of this research project is the development of a blood vessel segmentation method and of an interface to correct and modify the extracted vascular networks. These tools are used to compare the neocortex microvasculature of rats from two different age cohorts. These cohorts consist of 12 young (age = 11-15 weeks) and 12 old Long-Evans rats (age = 23-25 months). The tools have been developed using the MATLAB programming platform, the pipeline processing module PSOM and the image processing tool FIJI. The method is semi-automatic, requiring manual correction of the extracted angiogram graphs after segmentation. The modular approach allows the addition of new features and tools, which can improve the robustness and automation of the blood vessels extraction technique. By analyzing the vasculature masks obtained by the initial data preprocessing, it is found that the density of capillaries in the sensorimotor neocortex of Long-Evans rats decreases with age, from ρ = 6.8 ± 0.3 [%] in young rats to ρ = 5.4 ± 0.3 [%] in aged rats, which represents a statistically significant decrease of 20%. An analysis using the cleaned graphs also seems to go in this direction by showing that the linear density of vessels decreases with aging. This density is linked to the perfusion capacity of the vasculature, and may indicate that the efficiency of nutrient and oxygen distribution decreases with aging in rat's sensorimotor neocortex.