Modeling three-dimensional morphological structures using spherical harmonics.

Evolution. 2009 Apr;63(4):1003-16. Epub 2009 Oct 17. // Links

Shen L, Farid H, McPeek MA.

Center for Neuroimaging, Division of Imaging Sciences, Department of Radiology, Center for Computational Biology and Bioinformatics, Indiana University School of Medicine, 950 W Walnut St, R2 E124, Indianapolis, Indiana 46202, USA. shenli@iupui.edu

Quantifying morphological shape is a fundamental issue in evolutionary biology. Recent technological advances (e.g., confocal microscopy, laser scanning, computer tomography) have made the capture of detailed three-dimensional (3D) morphological structure easy and cost-effective. In this article, we develop a 3D analytic framework (SPHARM-spherical harmonics) for modeling the shapes of complex morphological structures from continuous surface maps that can be produced by these technologies. Because the traditional SPHARM methodology has limitations in several of its processing steps, we present new algorithms for two SPHARM processing steps: spherical parameterization and SPHARM registration. These new algorithms allow for the numerical characterization of a much larger class of 3D models. We demonstrate the effectiveness of the method by applying it to modeling the cerci of Enallagma damselflies.

the human connectome project — neuroImagerie

The Human Connectome Project et la Connectomique

The Human Connectome Project et la Connectomique
par Jean-Paul Baquiast 24/08/2009

On reproche souvent aux technologies de l’imagerie cérébrale fonctionnelle de donner du cerveau humain et de ses activités cognitives des vues trop réductrices. Les observations étaient en effet jusqu’à présent focalisées sur de très petites aires cérébrales. Il était inévitable que les neuroscientifiques les interprétassent au moins partiellement en fonction des idées préconçues qu’ils pouvaient avoir relativement au fonctionnement du cerveau.

Des vues plus globales des aires responsables des états mentaux préconscients seraient cependant désormais disponibles. C’est ce qu’annoncent des scientifiques de la Rutgers University à Newmark et de l’université de Calofornie à Los Angeles dans un numéro à paraître (oct. 2009) de la revue Psychological Science,. On sait qu’il est admis qu’avant leur perception par le niveau conscient (awareness), les informations définissant un état mental donné sont traitées par le cerveau « inconscient ».

Des chercheurs des laboratoires précités, Stephen José Hanson, Russell A. Poldrack et Yaroslav Halchenko, pensent pouvoir prédire avec une précision raisonnable, en utilisant la Résonnance magnétique nucléaire (fMRI), les états mentaux d’une personne, avant même qu’ils ne s’expriment au niveau conscient. Pour cela, ils ont cherché à se donner un aperçu général de l’activité du cerveau, en élargissant la cartographie des observations. Pour eux, l’idée reçue selon laquelle des fonctions mentales spécifiques relèvent d’aires strictement localisées est inexacte.

Il serait selon eux réducteur de penser que des fonctions spécialisées, telles que l’apprentissage, la mémoire, la peur et l’amour, relèvent de bases neurales qui leurs seraient spécifiquement dédiées. Le cerveau est plus complexe qu’il n’apparaît dans ce modèle simple. En analysant son activité globale, ils montrent que plusieurs de ces fonctions font appel à des réseaux particuliers de neurones s’étendant à travers tout le cerveau. Ces réseaux différent les uns des autres selon les fonctions. Ainsi, globalement, à ce niveau, le cerveau ne doit pas être considéré comme statique. Il est capable de moduler les connections correspondantes en fonction des tâches entreprises.

De ce fait, en imageant par fMRI les patterns de connections neuronales qui s’établissent en permanence, il serait possible de prédire avec une bonne précision l’activité mentale particulière à laquelle se livre la personne observée. On pourrait donc dresser un catalogue intéressant un grand nombre de fonctions mentales en les caractérisant par les patterns spécifiques de réseaux neuronaux qui s’établissent à l’occasion de leur exécution par le cerveau. Ceci pourrait être un premier pas dans la voie de la caractérisation de fonctions mentales supérieures, telles que le raisonnement abstrait ou le mensonge. On pourrait aussi détecter les dysfonctionnements subtils se produisant à ce niveau et susceptibles de générer l’autisme ou la schizophrénie.

La réalisation du catalogue des patterns correspondant aux grandes fonctions mentales est déjà engagée. Il s’agit du Projet Connectome. Il vise à terme la réalisation d’une carte complète des connexions neuronales du système nerveux central. Cette carte permettra d’envisager les multiples connections correspondant à une fonction mentale simple, au lieu de se focaliser sur quelques millimètres carré de tissu cortical.

Une première étude a reposé sur la participation de 130 sujets, chacun d’eux chargés de tâches plus ou moins complexes, tout en étant observés par RMI. Pour ce faire, les chercheurs ont observé la somme considérable d’un demi-million de points à la surface du cerveau. Ils ne savaient pas à quelle activité se livraient les témoins. Ils ont pu cependant identifier avec une précision de 80% huit de ces tâches en s’appuyant sur le catalogue des patterns correspondant à des tâches précédemment référencées à partir d’observations précédentes. De plus, dans d’autres expériences, ils ont pu identifier les objets que des sujets pouvaient observer avant que ces derniers ne prennent conscience de le faire. Ceci a confirmé l’hypothèse depuis longtemps admise selon laquelle l’afférence dans l’espace de travail conscient se produit avec retard au regard des traitements primaires réalisés dans les zones sensorielles et motrices.

Le programme de recherche des National Institutes of Health américains, Blueprint for Neuroscience Research, s’insérant dans la National Neurotechnology Initiative, a lancé un projet de $30 millions destiné à cartographier les circuits neuronaux d’un adulte en bonne santé. On utilisera pour cela les techniques d’imageries cérébrales les plus modernes. Les images seront collectées à partir de centaines de sujets volontaires. Le projet vise à accélérer la « Neuro-révolution » que décrit l’ouvrage récent de Zack Lynch The Neuro Revolution: How Brain Science Is Changing Our World (St. Martin’s Press, July 2009). L’objetif est de faire apparaître les principales connections qui permettent au cerveau d’accomplir les fonctions mentales les plus importantes. Trois techniques d’imagerie seront utilisées : 1. HARDI pour High angular resolution diffusion imaging with magnetic resonance qui détecte la diffusion des molécules d’eau dans les tissus fibreux et peut ainsi visualiser les faisceaux d’axones, 2. R-fMRI pour Resting state fMRI, qui détecte les fluctuations dans l’activité du cerveau chez une personne au repos et peut faire apparaître des réseaux s’activant de façon coordonnée et 3. E/M fMRI pour Electrophysiology and magnetoencephalography (MEG) combined with fMRI. Cette dernière procédure complète l’information relative à l’activité cérébrale parallèlement aux signaux obtenus par la fMRI. Dans ce cas, la personne accomplit une tâche telle que plusieurs régions cérébrales supposées associées à cette tâche soient activées. Comme ce sera la première fois que ces trois techniques seront utilisées simultanément, le projet devra développer de nouveaux outils informatiques et mathématiques pour analyser les données recueillies. * NIH Blueprint for neuroscience research http://neuroscienceblueprint.nih.gov/

Un tel programme, comme on pouvait le supposer, suscite beaucoup de scepticisme. L’objectif consistant à identifier en 5 ans des milliers sinon plus de faisceaux neuronaux actifs, voire dans certains cas de neurones individuels, parait irréaliste. On rappelle que le cerveau comprend des centaines de milliards de cellules et un nombre astronomiquement plus grand de synapses. De plus, certaines des techniques envisagées, qui ont été développées en expérimentant chez l’animal, paraissent encore inapplicables à l’homme.

Plus généralement, établir une carte à grande échelle des connections entre régions cérébrales soulève de nombreux problèmes. D’une part, aucun cerveau n’est comparable à un autre. Mais d’autre part, même en acceptant des approches statistiques, il n’existe pas d’accord sur la délimitation fonctionnelle des aires cérébrales du cortex humain. Il n’est pas certain par exemple que les données dite de tractographie obtenues par certaines techniques, telles que les tenseurs de diffusion observés, puissent être corrélées avec les réalités anatomiques. Autrement dit, comme l’aurait rappelé Borgès, la carte n’est pas le territoire 1).

Les sceptiques continueront donc à se méfier de l’interprétation des observations obtenues par ces nouvelles approches globales. Elles risquent de transporter à un niveau supérieur la subjectivité qui était reprochée aux interprétations des images obtenues avec des techniques moins globales.

Nous dirons pour notre part que, comme toujours en science, notamment lorsque les observations instrumentales recoupent des observations relevant de l’analyse psychologique, la prudence devra continuer à s’imposer. Indéniablement cependant, la voie ouverte par un projet tel que le Connectome aura des suites, notamment pour les informaticiens qui s’efforceront par ailleurs de simuler sur ordinateurs des éléments plus ou moins importants du tissu cérébral (le Blue Gene Project d’IBM, par exemple, dont on vient d’annoncer de nouveaux développements).

1) Plus précisément, comme nous l’indique Luc Charcellay que nous remercions::
“”En cet empire, l’Art de la Cartographie fut poussé à une telle Perfection que la Carte d’une seule Province occupait toute une Ville et la Carte de l’Empire toute une Province. Avec le temps, ces Cartes Démesurées cessèrent de donner satisfaction et les Collèges de Cartographes levèrent une Carte de l’Empire, qui avait le Format de l’Empire et qui coïncidait avec lui, point par point.”
Suarez Miranda, Viajes de Varones Prudentes
Histoire universelle de l’infamie JLB

Pour en savoir plus
* Le Connectome Project http://iic.harvard.edu/research/connectome
* Article de Physorg.com Researchers develop ‘brain-reading’ methods
http://www.physorg.com/news167921900.html

LYON – mitochondria mammals birds lizard – UCP

Reptilian uncoupling protein: functionality and expression in sub-zero temperatures

Author(s): Rey B (Rey, Benjamin)1, Sibille B (Sibille, Brigitte)1, Romestaing C (Romestaing, Caroline)1, Belouze M (Belouze, Maud)1, Letexier D (Letexier, Dominique)1, Servais S (Servais, Stephane)1, Barre H (Barre, Herve)1, Duchamp C (Duchamp, Claude)1, Voituron Y (Voituron, Yann)1,2

Source: JOURNAL OF EXPERIMENTAL BIOLOGY    Volume: 211    Issue: 9    Pages: 1456-1462    Published: MAY 1 2008

Times Cited: 1 References: 51 Citation Map

Abstract: Here we report the partial nucleotide sequence of a reptilian uncoupling protein (repUCP) gene from the European common lizard ( Lacerta vivipara). Overlapping sequence analysis reveals that the protein shows 55%, 72% and 77% sequence homology with rat UCP1, UCP2 and UCP3, respectively, and 73% with bird and fish UCPs. RepUCP gene expression was ubiquitously detected in 4 degrees C cold-acclimated lizard tissues and upregulated in muscle tissues by a 20 h exposure to sub-zero temperatures in a supercooling state or after thawing. In parallel, we show an increase in the co-activators, peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1 alpha (PGC-1 alpha) and peroxisome proliferator-activated receptors ( PPAR), mRNA expression, suggesting that the mechanisms regulating UCP expression may be conserved between mammals (endotherms) and reptiles (ectotherms). Furthermore, mitochondria extracted from lizard skeletal muscle showed a guanosine diphosphate (GDP)-sensitive non phosphorylating respiration. This last result indicates an inhibition of extra proton leakage mediated by an uncoupling protein, providing arguments that repUCP is functional in lizard tissues. This result is associated with a remarkable GDP-dependent increase in mitochondrial endogenous H2O2 production. All together, these data support a physiological role of the repUCP in superoxide limitation by lizard mitochondria in situations of stressful oxidative reperfusion following a re-warming period in winter.

Toulouse – Maladies cérébro-vasculaires – sténose – stimulation tube section variable

http://www.imft.fr/recherche/gemp/theme1/operation11.html

Animatrice : S. Lorthois

Les infarctus cérébraux sont une des grandes causes mondiales de mortalité et de handicaps. Dans un nombre important de cas, ils sont dus à l’existence d’une sténose (i.e. un rétrécissement localisé) de l’artère carotide interne. A l’heure actuelle, une opération chirurgicale visant à retirer l’artère sténosée est envisagée si le degré de sténose (pourcentage de rétrécissement) est supérieur à 80%. L’Angiographie par Résonance Magnétique (ARM), non invasive, est de plus en plus utilisée pour visualiser la morphologie des artères carotides et évaluer la sévérité des sténoses carotidiennes. Cependant, les structures d’écoulement (zones de recirculations, jets) peuvent induire la présence d’artéfacts. Par exemple, la perte de signal observée en amont et en aval du col des sténoses rend la différenciation entre une sténose sévère et une occlusion difficile voire impossible.

La simulation numérique d’angiographies par résonance magnétiques (ARM) est un outil pouvant aider à la compréhension des mécanismes de production artéfactuelle et aux choix des séquences d’imagerie les plus adaptées pour les minimiser. En formulation Eulerienne, cette simulation implique le calcul du champ des vitesse par résolution numérique des équations de Navier-Stokes puis le calcul du champ d’aimantation par résolution numérique des équations de transport de Bloch. La procédure de construction de l’image, basée sur l’analyse de la distorsion de l’espace physique vers l’espace de l’image, est complexe et lourde à mettre en œuvre numériquement. Nous nous sommes intéressés à simplifier cette procédure par une approche analytique reproduisant l’algorithme de reconstruction de l’image mis en œuvre par les appareils d’ARM (codage spatial du signal puis transformée de Fourier inverse bidimensionnelle). Cette approche analytique simple a été appliquée au cas de la bifurcation carotidienne sévèrement sténosée de géométrie anatomique réaliste. Les résultats ont été comparés avec des expériences réalisées dans un fantôme (moulage silicone) de géométrie identique dans des conditions analogues (collaboration avec D. Saloner et L.D. Jou du Department of Radiology, UC San Francisco). En particulier, les simulations numériques ont permis de clarifier les conditions d’imagerie maximisant et minimisant le degré de sténose évalué par ARM [Lorthois et al., Annals of Biomed Eng, 2005].

En parallèle, en collaboration avec le LMM (P.Y. Lagrée) , nous avons poursuivi les travaux engagés pendant la précédente période concernant l’évaluation de la contrainte de cisaillement pariétale dans une artère sténosée. Nous avons en particulier montré que, dans le cas d’un tube à section variable, le système d’équations « RNS/Prandtl » inclue au premier ordre diverses descriptions asymptotiques des équations de Navier-Stokes et qu’il est donc bien adapté pour décrire la transition entre ces différents descriptions [Lagrée et Lorthois, Int J of Eng Science, 2005]

Publications récentes

S. Lorthois, P.-Y. Lagrée, J.-P. Marc-Vergnes et F. Cassot. « Maximal wall shear stress in arterial stenoses : application to the internal carotid arteries », Transactions of the ASME : Journal of Biomechanical Engineering, 2000, 122 : 661-666.

S. Lorthois, et P.-Y. Lagrée. « Ecoulement dans un convergent axisymétrique : calcul de la contrainte de cisaillement pariétale maximale », Comptes rendus de l’Académie des Sciences, Série IIb, 2000, 328(1) : 33-40.

S. Lorthois, J.S. Stroud-Rossman, S.A Berger, L.D. Jou and D. Saloner. « Numerical simulation of Magnetic Resonance Angiographies of an anatomically realistic stenotic carotid bifurcation », Annals of Biomedical Engineering, 2005 : 33, 270-283.

P.Y. Lagrée et S. Lorthois. « The RNS Prandtl equations and their link with other asymptotic descriptions : application to the wall shear stress scaling in a constricted pipe », International Journal of Engineering Science, 2005 : 43, 352-378.

toulouse Imagerie et analyse statistique de réseaux micro-vasculaires

Imagerie et analyse statistique de réseaux micro-vasculaires

http://www.imft.fr/recherche/gemp/theme1/operation12.html

Ce travail s’est effectué dans le cadre de plusieurs projets sélectionnés et soutenus par l’European Synchrotron Radiation Facilities (ESRF) en collaboration avec C. Fonta du CERCO (UMR CNRS –UPS 5549) et se poursuit dans le cadre de l’ANR-06-BLAN-0238 «Micro-réseau» en collaboration avec l’INRIA Sophia-Antipolis et l’ESRF.

Notre travail a tout d’abord consisté à mettre au point un nouveau protocole expérimental pour l’imagerie tri-dimensionnelle haute résolution de réseaux micro-vasculaires (Plouraboué et al. 2004). Les différentes étapes de cette méthode de préparation sont :

– L’injection de l’ agent de contraste dans l’ensemble du réseau vasculaire
– La préparation et le conditionnement des échantillons biologiques
– L’imagerie par tomographie synchrotron rayon X

L’avantage de l’utilisation des rayons X synchrotrons par rapport à d’autres techniques, comme par exemple la microscopie confocale, est d’imager des volumes considérables (une dizaine de millimètres cubes) avec une résolution spatiale de l’ordre du micron. Cette méthode nous a permis d’obtenir des images 3D de l’ensemble de la vascularisation de la substance grise de cortex de singe Marmousset (Cf figure ci dessus) et de rats sur une profondeur de l’ordre de quelques millimètres. Nous avons alors procédé à l’analyse de ces images dans le cadre de la thèse de Laurent Risser. En haut une image en rendu volumique de micro-réseaux vasculaires extrait du cortex d’un singe Marmousset. La résolution spatiale est de 1.4 microns, les barrres d’échelle en rouge de 100 microns dans chaques directions de sorte que la hauteur totale de l’échantillons correspondant à l’image est d’environ 2 mm. La figure du bas illustre les résultats obtenus avec une méthode de compteur de boites pour l’analyse fractale 3D de la densité vasculaire. On distingue nettement deux « régimes » pour la distribution de la densité. Un premier régime fractal à petite échelle et un second régime homogène partir d’une échelle proche de 40 microns. Figures extraites de Risser et al, 2007. Ce travail a permis de mettre en évidence les différences structurelles entre réseaux micro-vasculaires corticaux sains et tumoraux.

Un premier résultat d’analyse fractale de la densité vasculaire est illustré sur la figure ci-dessus, où l’on a représenté en coordonnées bi-logarithmiques l’évolution du nombre de boites en fonction de l’échelle considérée. Ce résultat indique la présence d’une distribution multi-échelle de dimension fractale égale à 2.1 de la densité vasculaire sur une gamme de un à quarante microns. Au delà de cette échelle, la densité vasculaire évolue comme celle d’un objet homogène. Quarante microns représente donc ici l’échelle d’un volume élémentaire représentatif pour la densité vasculaire. Cette mesure est à notre connaissance la première mesure directe de cette quantité à partir d’images 3D sur des réseaux micro-vasculaires corticaux (L. Risser et al., 2007).

Nous avons de plus développé des outils d’analyse d’image pour la squelettisation, le post-traitement et la numérisation automatique d’images de tomographie synchrotron. Ces outils permettent en particulier de traiter le problème du raccordement automatique des segments capillaires disconnectés (L. Risser et al, 2008).

Publications

F. Plouraboué, P. Cloetens, C. Fonta, A. Steyer, F. Lauwers & J. P Marc-Vergnes, High resolution X-ray Imaging of vascular networks, J. Microscopy, 215, 2, 139-148, 2004. L. Risser, F. Plouraboué, A. Steyer, P. Cloetens, G. Le Duc & C. Fonta, From homogeneous to fractal normal and tumorous micro-vascular networks in the brain, 27, 2, J. Cereb. Blood flow and Metabolism, 2007. L. Risser, F. Plouraboué & X. Descombes, Gap Filling of 3-D Micro-vascular Networks by Tensor Voting, to appear in IEEE Transactions in Medical imaging , 2008. F. Plouraboué, P. Cloetens, A. Steyer, F. Lauwers and J. P Marc-Vergnes, X-ray tomography of human brain cortical vascular network, In Proceedings of the 6th biennial conference on High resolution X-Ray diffraction and imaging, Grenoble, France, 2002. F. Plouraboué, P. Cloetens, A. Steyer, F. Lauwers and J. P Marc-Vergnes, X-ray tomography of human brain cortical vascular network, In Proceedings of microcirculation congress, Toulouse, France, 2002. F. Plouraboué, P. Cloetens, A. Steyer, F. Lauwers and J. P Marc-Vergnes, X-ray tomography of human brain cortical vascular network, In Proceedings of the 6th biennial conference on High resolution X-Ray diffraction and imaging, Grenoble, France, 2002. L. Risser, F. Plouraboué, P. Cloetens, C. Fonta, Cortical variations of vascular density : a 3D investigation, Human Brain Mapping conference, Chicago, USA, June 2007