Méthodes avancées d'imagerie de diffusion par blocs pour l'étude du développement cérébral fœtal à l'échelle mésoscopique // Advanced methods of blockwise diffusion imaging for studying fetal cerebral development at the mesoscopic scale

La seconde moitié de la grossesse est une période extrêmement riche pour le développement cérébral, au cours de laquelle se déroulent des processus clés tels que la neurogenèse, la migration neuronale et la croissance axonale ; des structures transitoires se forment et disparaissent, tandis que le volume cérébral est multiplié par plus de dix. Une technique d'imagerie ex vivo par blocs récemment mise au point à NeuroSpin nous permet d'apporter un regard nouveau sur les tissus cérébraux en développement, en tirant parti de l'IRM à ultra haut champ (11,7 teslas) pour acquérir des images sans précédent de l'ensemble du cerveau à une résolution mésoscopique (100 à 200 µm 3D isotrope) . Les données acquises sont hautement multiparamétriques, comprenant une cartographie quantitative T1, T2 et T2*, ainsi qu'une imagerie pondérée en diffusion à haute résolution angulaire et à plusieurs pondérations (b = 1500, 4500, 8000 s/mm² avec respectivement 25, 60 et 90 directions) à une résolution isotrope de 200 µm.
Afin d'atteindre un tel niveau de détail, un scanner à petit diamètre (diamètre utile de 5 cm) est utilisé pour des acquisitions de longue durée (150 heures par champ de vue). Les cerveaux de plus de 20 semaines de gestation sont trop volumineux et sont donc sectionnés en blocs dont la taille est compatible avec le scanner. Les images des blocs sont recalées à l'aide d'un protocole semi-automatique dédié, puis fusionnées pour reconstruire un ensemble d'images du cerveau entier. Bien que ce protocole nous ait permis d'obtenir des images de bonne qualité sur plusieurs spécimens de cerveaux fœtaux (3 publiés, 3 autres cerveaux en cours à fin 2025), les données d'imagerie de diffusion n’ont pas été complètement analysées : en effet, la nature par blocs des acquisitions pose des défis uniques, notamment en raison de la discontinuité à la frontière entre les blocs, mais aussi des déformations non linéaires des images et de la non-linéarité des gradients de champ magnétique.
Le (la) doctorant(e) sera accueilli(e) au sein de l'équipe inDEV (imagerie des phénotypes neurodéveloppementaux) en étroite collaboration (co-supervision) avec l'équipe Ginkgo, qui est experte dans les méthodes d'imagerie de diffusion et a mis au point la technique d'acquisition par blocs sur un cerveau adulte appelé Chenonceau. Le sujet se situe à l'interface entre l'imagerie, l'algorithmique, et les neurosciences du développement : le travail proposé comprendra le développement et l'évaluation comparative de nouvelles méthodes de traitement dédiées à l’IRM de diffusion par blocs afin d'obtenir une tractographie de haute qualité et d'ajuster des modèles microstructurels de diffusion. Il comprendra également une partie expérimentale, avec une participation à l'acquisition et à la reconstruction de nouveaux cerveaux, à la fois des spécimens typiques et des spécimens pathologiques présentant une agénésie du corps calleux. Enfin, le (la) candidat(e) explorera les applications neuroscientifiques de ce jeu de données sans précédent, qui présente un potentiel exceptionnel pour décrire des processus tels que le développement des voies sous-corticales et des faisceaux associatifs, et pour devenir le premier atlas du cerveau fœtal en développement incluant l’architecture des fibres à l'échelle mésoscopique.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The second half of pregnancy is an extremely rich period in terms of brain development, during which key processes such as neurogenesis, neuronal migration, and axonal growth take place; transient structures form and disappear, while brain volume increases more than tenfold. A blockwise ex-vivo imaging technique recently developed in NeuroSpin allows us to take a new look on developing brain tissues, leveraging ultra-high-field MRI at 11.7 teslas to acquire unprecedented whole-brain images at mesoscopic resolution (100 to 200 µm 3D isotropic) . The acquired data is highly multiparametric, including quantitative T1, T2, and T2* mapping, as well as high angular resolution, multi-shell diffusion-weighted imaging (b = 1500, 4500, 8000 s/mm² with 25, 60, and 90 directions respectively) at 200 µm isotropic resolution.
In order to reach such a high level of detail, a small-bore scanner is used (5 cm usable diameter) over extended scanning times (150 hours per field of view). Brains older than about 20 gestational weeks are too large, and are sectioned into blocks whose size is compatible with the scanner. The resulting blockwise images are registered using a dedicated semi-automatic protocol, and fused to reconstruct a set of whole-brain images. While this protocol has allowed us to obtain good-quality images on several fetal brain specimens (3 published, 3 other brains in progress as of the end of 2025), the diffusion imaging data remains to be fully analyzed: indeed, the blockwise nature of the acquisitions poses unique challenges, notably due to the discontinuity at the boundary between blocks, but also to non-linear image deformations and non-linearity of the magnetic field gradients.
The PhD candidate will be hosted in the inDEV team (imaging neurodevelopmental phenotypes) in close collaboration (co-supervision) with the Ginkgo team, which has leading expertise in diffusion imaging methods and has pioneered the blockwise acquisition technique in an adult brain known as Chenonceau. The PhD work lies at the interface between imaging, algorithmics, and developmental neuroscience: it will include developing and benchmarking new methods for processing this blockwise diffusion MRI to obtain high-quality tractography and fit diffusion microstructural models. It will also include an experimental part, where the PhD candidate will take part in the acquisition and reconstruction of new brains, both typical specimens and pathological ones with agenesis of the corpus callosum. Finally, the candidate will explore neuroscientific outcomes of this unprecedented dataset, which has exceptional potential to describe processes such as the development of subcortical pathways and associative white matter fibre tracts, and to become the first atlas of the developing fetal brain with fibre architecture at the mesoscopic scale.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut des sciences du vivant Frédéric JOLIOT
Service : Service Neurospin
Laboratoire : Unité de recherche en neuroimagerie applicative clinique et translationnelle
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Ecole doctorale : Physique et Ingénierie: électrons, photons et sciences du vivant (EOBE)
Directeur de thèse : Germanaud David
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/JOLIOT/NEUROSPIN/UNIACT
URL : https://joliot.cea.fr/drf/joliot/recherche/neurospin
URL : https://doi.org/10.25493/X3K8-Y9W

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut des sciences du vivant Frédéric JOLIOT
Service : Service Neurospin

Master/ingénieur analyse d'images, mathématiques appliquées, physique