Thèse du Contrôle Optimal en Résonance Magnétique Nucléaire à 11.7 Tesla à l'Imagerie Précise du Cerveau chez l'Homme In Vivo H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Construction de grands instruments pour la neuroimagerie : de l'imagerie en population aux champs magnétiques ultra-hauts Direction de la thèse : Vincent GRAS ORCID 0000000249972738 Début de la thèse : 2026-11-01 Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59 L'élucidation des mécanismes neuronaux des fonctions cognitives complexes, telles que l'apprentissage et la mémoire, constitue un axe de recherche majeur en neurosciences. Au cours des deux dernières décennies, l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) a permis de révéler l'organisation du cerveau en aires fonctionnelles bien définies, ainsi que d'importants mécanismes sous-jacents aux fonctions cognitives complexes. Cependant, les analyses actuelles reposent en grande partie sur une représentation du cortex en surface (2D). Cette représentation néglige naturellement la complexité tridimensionnelle des régions à l'anatomie fine, et ne parvient donc pas à saisir la complexité tridimensionnelle de ces régions.

Au cours de la dernière décennie, l'imagerie par résonance magnétique à ultra-haute résolution (IRM-UHF), fonctionnant à des champs magnétiques 7 Tesla, a ouvert une nouvelle ère pour l'imagerie non invasive, permettant de représenter la structure et l'anatomie cérébrales avec un niveau de détail sans précédent. L'IRMf-UHF a ainsi le potentiel de surmonter cette limitation en permettant une imagerie non invasive et résolue en profondeur des représentations fonctionnelles dans le cerveau humain vivant. Cependant, l'augmentation du champ magnétique exacerbe les artefacts d'imagerie liés à l'hétérogénéité du champ radiofréquence (B1) utilisé pour l'inversion de spin et du champ statique lui-même (B0). Ceci s'accompagne également d'une augmentation de l'énergie radiofréquence déposée pendant l'acquisition des images. Au cours des dix dernières années, Neurospin a développé des méthodes novatrices pour relever le défi de la production de données de haute qualité sur le cerveau humain par IRM à haut champ (de 3T à 11,7T). Les résultats obtenus jusqu'à présent reposent, d'une part, sur des avancées significatives en instrumentation (réseau d'antennes RF, transmission parallèle) et, d'autre part, sur le contrôle optimal de la dynamique de spin, grâce à la résolution numérique de problèmes d'optimisation non convexes contraints impliquant un grand nombre de variables.

Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous développerons des méthodes de contrôle optimal de l'émission de protons (pTx) dans le contexte de l'IRMf à ultra-haut champ (UHF-IRMf). Nous aborderons les limitations actuelles (coût algorithmique, temps de calcul, problème des minima locaux, cas des excitations spatialement sélectives...) et proposerons des approches innovantes pour surpasser les performances actuelles. Cette recherche sera axée sur la mise en oeuvre d'acquisitions à 11,7 T pour un échantillonnage rapide du signal BOLD (contraste dépendant du niveau d'oxygénation du sang) en écho de spin dans le cerveau lors d'expériences d'IRMf. Le signal BOLD en écho de spin présente une spécificité spatiale supérieure à celle du signal BOLD en écho de gradient et est particulièrement intéressant pour la résolution de la réponse IRMf le long de l'axe d'épaisseur du cortex. Grâce à l'amplification du signal en IRMf à ultra-haute fréquence (UHF-IRMf), ainsi qu'à une meilleure immunité à l'hétérogénéité du champ statique de l'écho de spin, cette technique consitue en IRM à 11.7T une variante intéressante du signal BOLD en écho de gradient non encore explorée. Afin d'exploiter les hautes résolutions spatiales et temporelles, un aspect clé de cette thèse est le développement et la validation d'une méthodologie permettant de réduire le champ de vision de l'acquisition dans une ou deux directions spatiales en imagerie rapide SE-BOLD. Des acquisitions de données IRMf in vivo à 11,7 Tesla de résolution sub-millimétrique seront réalisées sur l'hippocampe chez des volontaires sains en collaboration avec l'équipe de recherche en neurosciences de Neurospin. L'imagerie du cerveau chez l'homme à 11.7 Tesla (500 MHz) est devenu une réalité à NeuroSpin depuis les premières images dévoilées en 2025. L'augmentation du champ magnétique offre un gain superlinéaire en sensibilité à l'effet BOLD et ouvre une nouvelle voie à l'exploration fonctionnelle du cerveau. Un axe important est la recherche de résolution spatiale nécessaire pour découvrir in vivo l'organisation laminaire du cortex. Néanmoins, l'utilisation de fort champ magnétiques n'est pas aisée et nécessite de repenser les stratégies d'acquisitions pour que celles-ci soient robustes au hétérogénéités de champs, aux imperfections du système, et soient également conformes aux exigences en terme de sécurité (DAS en particulier). Développer des solutions innovantes permettant de palier aux hétérogénéité de champ à 11.7T and imagerie 1D- et 2D-selective
Appliquer ces solutions à l'imagerie rapide del'effet BOLD en echo de spin (SE-EPI, GRASE, ...) avec réduction de champ de vue
Collaboration avec l'équipe neuroscientifique de NeuroSpin pour développé un protocole d'acquisition centré sur les hippocampes

Etudiant(e) en physique titulaire d'un M2 en imagerie biomédicale avec une expérience en IRM pendant son stage de fin de Master