Global inference of the structural connectivity of white matter fiber bundles using deep learning approaches and microstructural prior knowledge
Description
Mapping the structural connectivity of the human brain is a major scientific challenge. Describing the trajectory and connections made by the hundred billion neurons that make up the brain is a titanic and multi-scale task. The major fiber bundles have been described by classical anatomical approaches since the 20. century. These studies also revealed the existence of shorter bundles, called superficial bundles, that ensure the connectivity between neighboring anatomical regions. The small size and complex shape of these bundles set a serious challenge to their visualization, so that their description remains under discussion to this day. The first research axis of this thesis aims at pushing the limits of diffusion MRI and proposing a new ex-vivo dataset of the whole human brain, called Chenonceau, dedicated to the characterization of the fine connectivity of the brain.The dataset consists of two T2-weighted anatomical acquisitions at 100 and 150 micron resolution, as well as 175 dMRI datasets at 200 micron resolution with diffusion weighting reaching 8000 s/mm2. More than 4500 hours of acquisition, distributed across two and a half years were necessary to acquire this data. Chenonceau takes advantage of the Bruker 11.7 T preclinical MRI system, equipped with both a high magnetic field and a powerful gradient tunnel (780 mT/m) allowing to reach the mesoscopic resolution and a very high diffusion weighting. To reconcile the large size of the human brain with the preclinical system, a new acquisition protocol is proposed. It is based on the separation of the brain into smaller samples, which are imaged individually, then reassembled in post-processing to reconstitute the full volume.The whole process is presented, including the protocol for the cutting and the storage of the anatomical samples, the details of the MRI sequences and the description of the image processing pipeline. Special attention is dedicated to the definition of the registration step which recomposes the whole volume from the individual acquisitions. The first inferences of anatomical connectivity from this new dataset are also presented. Tractography associated with clustering techniques allow the extraction of the long and superficial bundles of Chenonceau. The second part of the thesis focused on the development of a new method for fiber tracking, based on the use of the spin glass model. The latter expresses the tractography problem as a set of fiber fragments, called spins, distributed in the sample and whose position and orientation, as well as the connections they establish, are associated with an amount of energy. The construction of the tracts results from the displacement and connection of the spins, with the aim of reaching the global minimum of energy. This thesis proposes to replace the Metropolis-Hastings method used for optimization by an agent trained in a reinforcement learning framework.This new formulation aims at improving the choice of actions, which would no longer be randomly drawn, but dictated by a strategy learned by the agent, fruit of its past interactions with similar environments. The anticipation and projection capacities of such an agent appear particularly adequate to propose the most relevant trajectory in regions where the diffusion information is ambiguous. Moreover, the possibility for the algorithm to learn through interactions allows to circumvent the difficulty of establishing datasets of ground-truth bundles. (author)
Abstract (French)
La cartographie de la connectivite anatomique du cerveau humain est un defi scientifique majeur. Decrire la trajectoire et les connexions realisees par les cent milliards de neurones qui composent le cerveau est une tache titanesque et multi-echelle. Les grands faisceaux ont ete decrits par des approches anatomiques classiques des le 20eme siecle. Ces travaux ont egalement revele l'existence de faisceaux plus courts, appeles superficiels, qui definissent la connectivite entre les regions anatomiques voisines. La taille reduite et la forme complexe de ces faisceaux posent un serieux defi a leur visualisation, si bien que leur description demeure a ce jour debattue. Le premier axe de recherche de cette these vise a repousser les limites de l'IRM de diffusion et proposer un nouveau jeu de donnees ex-vivo du cerveau humain entier, intitule Chenonceau, dedie a la caracterisation de la connectivite fine du cerveau. Le jeu de donnees est compose de deux acquisitions anatomiques ponderees en T2 a une resolution de 100 et 150 microns, ainsi que 175 jeux de donnees d'IRMd a une resolution de 200 microns et une ponderation s'elevant jusqu'a 8000 s/mm2. Plus de 4500 heures d'acquisitions, reparties sur deux ans et demie ont ete necessaires pour acquerir ces donnees. Chenonceau met a profit la puissance de l'IRM pre-clinique Bruker 11.7T, dote a la fois d'un champ magnetique eleve et d'un tunnel de gradients puissants (780mT/m) permettant d'atteindre la resolution mesoscopique et une tres forte ponderation en diffusion. Pour concilier la taille imposante du cerveau humain avec l'imageur pre-clinique, un nouveau protocole d'acquisition est propose. Celui-ci repose sur la separation du cerveau en echantillons de taille reduite, qui sont sont images individuellement, puis reassembles en post-traitement pour reconstituer le volume integral. L'ensemble de la demarche est presente, incluant le protocole de coupe et de preservation des pieces anatomiques, le detail des sequences IRM utilisees ainsi que la description du pipeline de traitement des images. Une attention particuliere est portee a la definition de l'etape de recalage qui recompose le volume entier a partir des acquisitions individuelles. Les premieres inferences de la connectivite anatomique issues de ce nouveau jeu de donnees sont egalement presentees. Les techniques de tractographie et de clustering permettent d'extraire non seulement les faisceaux longs de Chenonceau, mais egalement les faisceaux superficiels. La seconde partie de la these a porte sur le developpement d'une nouvelle methode de suivi de fibres, fondee sur l'utilisation d'un modele de verres de spins. Ce dernier exprime le probleme de tractographie sous la forme d'un ensemble de fragments de fibres, appeles spin, distribues dans l'echantillon et dont la position et l'orientation, ainsi que les connexions qu'ils etablissent sont associes a une quantite d'energie. La construction des tracts resulte du deplacement et de la connexion des spins, dans le but d'atteindre le minimum global d'energie. Cette these propose de remplacer la methode de Metropolis-Hastings utilisee pour l'optimisation par un agent entraine dans un cadre d'apprentissage par renforcement. Cette nouvelle formulation vise a ameliorer le choix des actions, qui ne seraient plus tirees aleatoirement, mais dictees par une strategie apprise par l'agent, fruit de ses interactions passees avec des environnement semblables. Les capacites d'anticipation et de projection d'un tel agent apparaissent particulierement adequates pour proposer la trajectoire la plus pertinente dans des regions ou l'information de diffusion est ambigue. De meme, la possibilite pour l'algorithme d'apprendre au travers d'interactions permet de contourner la difficulte d'etablir des ensembles de faisceaux considerees veritables
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Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Inference globale de la connectivite structurelle des faisceaux de substance blanche en utilisant des approches d'apprentissage profond et d'a priori microstructurels
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 253 p.
- Report number
- FRCEA-TH--16184
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54066934
- Subject category
- S62: RADIOLOGY AND NUCLEAR MEDICINE;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ALGORITHMS; BRAIN; DIFFUSION; LEARNING; NMR IMAGING; RESOLUTION
- Descriptors DEC
- BODY; CENTRAL NERVOUS SYSTEM; DIAGNOSTIC TECHNIQUES; MATHEMATICAL LOGIC; NERVOUS SYSTEM; ORGANS
Optional Information
- Notes
- [250 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses