Study of Human Cortical Microstructure Using Magnetization Transfer and T2* Mapping with Application in Multiple Sclerosis

Description du problème: La sclérose en plaques (SEP) est une maladie dévastatrice touchant plus de 100.000 personnes au Canada (MS Society of Canada). Les déficits fonctionnels engendrés par la maladie peuvent se traduire en troubles moteurs, cognitifs et sensoriels ayant un grand impact sur les activités sociales et professionnelles des patients. Le coût socio-économique de la SEP est colossal. Premièrement, la qualité de vie des patients ainsi que celle de leur familles peut se voir considérablement altérée. Deuxièmement, les traitements diminuant les effets handicapant de la SEP sont extrêmement dispendieux, leur coût annuel est estimé à plusieurs milliards de dollars au Canada (Karampampa et al. 2012) ainsi qu'aux USA (Hartung et al. 2015). De nos jours, la SEP ne se soigne pas et les détails de sa pathophysiologie restent obscures. La SEP est une maladie du système nerveux central, chronique, inflammatoire et démyélinisante. Elle est caractérisé par la formation de lésions inflammatoires et démyélinisantes prenant place dans la moelle épinière et dans les matières blanche et grise du cerveau. Bien que l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) soit resté l'outil principal de diagnostic de SEP, les lésions observées dans la matière blanche ne corrélaient que très peu avec les déficits fonctionnels observés. Récemment, il à été montré que la démyélinisation de la matière grise est un meilleur indice de l'aggravement fonctionnel (Mainero et al. 2015). Cependant, les techniques d'IRM classiques sont difficilement utilisables pour l'imagerie du cortex, en effet, son épaisseur est seulement 2 à 4 mm et la résolution spatiale d'une IRM standard est de l'ordre de grandeur de 1 mm, ce qui n'est pas suffisant pour examiner précisément la pathologies corticales. L'IRM à ultra-haut champ (7 Tesla) à été montré capable d'imager des détails microstructurels du cortex, grâce à un gain en résolution et en signal sur bruit. Récamment, il a été montré que la relaxation transverse (apellée T2*) acquise à 7 Tesla est un marqueur sensible de la progression de la pathologie corticale des patients polyscléreux, notamment, de la démyélinisation corticale (Pitt et al. 2010; Mainero et al. 2015; Cohen-Adad et al. 2011). Cependant, des effets confondants réduisent la spécificité qu'a le contraste T2* à quantifier la myéline (notamment, le contenu en fer, ou les vaisseaux sanguins) (Hwang et al. 2010; Lee et al. 2012). Une seconde mesure indépendante serait bénéfique pour augmenter la spécificité d'une potentielle estimation de quantitée de myéline. Le Ratio de Transfert de Magnétisation (MTR) à aussi été démontré sensible à la myéline dans le cortex (Derakhshan et al. 2014; Chen et al. 2013) et serait une excellent mesure

Abstract

Problem description: Multiple Sclerosis (MS) is a devastating disease affecting around 100,000 people in Canada (MS Society of Canada). The functional deficits resulting from the disease include motor, cognitive and somatic troubles, affecting the social and professional activities of MS patients. The socio-economic cost of MS is colossal. Firstly, life quality of MS patients and those of their family members can be drastically hampered. Secondly, existing treatments that reduce handicapping effects of MS are expensive, with an annual cost estimated in billions of dollars in Canada (Karampampa et al. 2012) and in the USA (Hartung et al. 2015). To date, MS is not curable and its pathophysiological mechanisms are still obscure. MS is known to be a chronic, inflammatory, demyelinating disease of the central nervous system. It is characterized by the formation of inflammatory and demyelinating lesions in the spinal cord and in the brain's white and gray matters. While Magnetic Resonance Imaging (MRI) has been the main tool for diagnosing MS, correlations of white matter lesions with functional deficits remain poor. Recently, it was shown that grey matter demyelination provides a more specific assessment of functional worsening (Mainero et al. 2015). However, it is difficult to image the grey matter with standard MRI methods because the cortex is only 2-4 mm thick and the spatial resolution of standard MRI system is on the order of 1 mm, which is not sufficient for proper examination of cortical pathology. Ultra-high field MRI (7 Tesla) was shown to reveal microstructural features thanks to an increase in signal to noise ratio and spatial resolution. Recently, transverse relaxation (characterized by a time constant: T2*) at 7 Tesla was shown to be a sensitive marker of pathology and disease progression associated with demyelination in the cortex of MS patients (Pitt et al. 2010; Mainero et al. 2015; Cohen-Adad et al. 2011). However, several confounds hamper the specificity of T2* measures (iron content, blood vessels) (Hwang et al. 2010; Lee et al. 2012). An independent measure would increase the specificity to the myelin content. Magnetization Transfer Ratio (MTR) imaging has been shown to be sensitive to myelin content (Derakhshan et al. 2014; Chen et al. 2013) and thus would be an excellent complementary measure because its underlying contrast mechanisms are different than that from T2*. However, mapping MTR and T2* in the cortex is challenging because the cortical ribbon is thin, highly convoluted and its geometry varies across individuals.