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In vivo brain microstructure mapping for clinical neuroimaging

Applicant Jelescu Ileana
Number 194260
Funding scheme Eccellenza
Research institution Service de Radiodiagnostic et de Radiologie Interventionnelle CHUV
Institution of higher education University of Lausanne - LA
Main discipline Other disciplines of Physics
Start/End 01.09.2021 - 31.08.2026
Approved amount 1'707'215.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Other disciplines of Physics
Biophysics
Biomedical Engineering

Keywords (8)

gray matter; in vivo microscopy; microstructure; neuroimaging; pathology; brain structure; diffusion MRI; brain function

Lay Summary (French)

Lead
Il n’existe actuellement pas de technique de microscopie qui soit adaptée à l’exploration du cerveau humain in vivo et de manière non-invasive. L’imagerie par resonance magnétique (IRM) de diffusion s’est affirmée récemment comme une technique très prometteuse pour caractériser la microstructure du tissu biologique à une échelle cellulaire, inférieure à la résolution spatiale de l’image. Le défi principal de l’IRM microstructurelle est de décoder l’information contenue dans le signal IRM de diffusion au moyen de modèles biophysiques appropriés, pour en extraire des informations sur la micro-architecture du tissu. Après le succès de la caractérisation microstructurelle de la substance blanche du cerveau, la recherche se tourne depuis peu vers le pendant de ces méthodes dans la substance grise, afin de mieux comprendre de nombreuses maladies neurodégénératives et psychiatriques.
Lay summary

Nos travaux récents ont permis le développement d’un nouveau modèle (NEXI) optimisé pour le cortex cérébral et qui permet d’obtenir des cartes paramétriques de sa microstructure. Le projet proposé repose sur 3 objectifs: (i) Optimiser la méthode NEXI pour les scanners IRM cliniques et le cerveau humain ; (ii) Développer une cartographie de fluctuations neuronales dynamiques, pour détecter l’activité cérébrale ; (iii) Introduire les nouvelles méthodes d’IRM microstructurelle dans des études cliniques, pour avancer la compréhension de mécanismes pathologiques, en particulier ceux de la psychose. 

L’IRM microstructurelle sera essentielle à notre compréhension de tous les processus physiologiques et pathologiques du cerveau. Cette technique est parfaitement adaptée aux études pré-cliniques et cliniques, lui conférant un potentiel hors-pair en neurosciences fondamentales ainsi qu’en recherche translationnelle. Enfin, elle peut mettre en lumière le lien entre structure et fonction du cerveau à une échelle mésoscopique toute nouvelle, et potentiellement révolutionner la modélisation des réseaux neuronaux.

Direct link to Lay Summary Last update: 27.07.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

None of the current microscopy techniques are usable on human living subjects. Yet characterizing the microstructure of human brain over the course of development, aging and disease withholds tremendous value for neurobiology and diagnostics. Diffusion MRI has emerged in recent years as a highly promising “super-resolution” technique which can provide sub-pixel information about tissue microstructure. In an MRI experiment, water molecules diffuse over a few microns and their path is mainly influenced by cellular membranes and other features of tissue architecture encountered over that distance. The main challenge in the field of Microstructural MRI is to decode the information contained in the diffusion-weighted signal to retrieve these specific features of microstructure, by combining dedicated measurements with biophysical modeling. The ultimate goal is to bring MRI to the level of a non-invasive in vivo microscope. The past years has been pivotal to the establishment of white matter microstructure mapping, which is now validated and used in clinical studies of disease. Given the numerous neurodegenerative and psychiatric diseases that involve substantial gray matter damage, there is growing interest in mapping gray matter microstructure. The main challenge that has stalled Microstructural MRI in gray matter so far is establishing the relevant biophysical model for this tissue. We have recently taken up that challenge and showed that the main mechanism that needs to be specifically accounted for is membrane permeability of neurites and glial processes. We have developed the framework for a new model (NEXI - Neurite EXchange Imaging) that has been successfully implemented in the rat cortex in vivo. Importantly, NEXI is translatable to clinical MRI systems.The project is articulated around the following objectives: (i) Bring human gray matter microstructure mapping to the same level of maturity as white matter mapping; (ii) Develop “dynamic” microstructure mapping; (iii) Translate microstructure mapping tools to clinical studies, and bring new insights into disease mechanisms and progression, with a particular focus on biomarkers of early psychosis.The Microstructural MRI tools proposed are meant to have a dramatic impact on our understanding of virtually all normal and pathological processes. They can be adapted for both animal and clinical studies, giving them outstanding potential for fundamental neuroscience and in translational research. Finally, they can be used to uncover relationships between brain structure and function at a new mesoscale, and potentially revolutionize brain network modeling.
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