Soutenance de thèse de Florian Goirand

Par sabater

Statistical modelling of blood flow and transport in brain micro-vascular networks

Soutenance de thèse Florian Goirand

Vendredi 18 juin en visio-conférence à 10 h 00

Laboratoire de Géosciences Rennes (Univ. Renne)

Le lien de connexion sera communiqué prochainement

Abstract :

Micro-vascular networks play a  key  role  in  the  blood  supply  to  brain  cells:  they  ensure an accurate delivery of oxygen and nutrients and the removal of toxic metabolic wastes. The joint alterations of these networks and of the cerebral micro-circulation have been recently highlighted as a critical mechanism in cognitive decline in (micro-)strokes or neuro-degenerative diseases like Alzheimer’s. However, little is known about how the structure of brain micro-vascular networks influences        the        blood        flow        organization        and        its        transport        properties. In a first part, we demonstrate that the micro-vascular structure drives the blood flow organization similarly to dipole flows on random networks. This organization implies anomalous transport properties characterized by a broad distribution of Lagrangian particle travel times in the microvasculature.

These  transport  properties  are   successfully   captured   by   our   Continuous   Time   Random Walk model which predicts notably the non-linear increase of the size of areas with abnormal concentrations of oxygen or  metabolic  wastes  with  global  blood  flow  reduction.  In  a  second  part,  we highlight the presence of local flow anti-correlations in homogeneous random networks. We demonstrate, thanks to the q-model framework, that  these  anti-correlations  result  from  the  limitations  of such networks to dissipate the pressure along their edges. In a final part, we highlight that the spatialized community structure of micro-vascular networks weakens their resilience to vessel occlusions compared to unstructured random networks. We quantify the role of these communities thanks to the design of a model inspired by percolation theory which allows to account for micro-vascular flow and structure heterogeneities. Furthermore, we show the existence of large flow perturbations induced by vessel occlusions. This work provides new theoretical tools to understand the onset and/or the progression of neuro-degenerative diseases.

Résumé :

Les réseaux micro-vasculaires jouent un rôle clé dans l’apport sanguin aux cellules cérébrales : ils assurent un approvisionnement précis en oxygène et nutriments et l’évacuation des déchets métaboliques toxiques. Les altérations conjointes de ces réseaux et de la micro-circulation cérébrale ont été récemment mises en évidence comme un mécanisme critique dans le déclin des capacités cognitives lors de (micro) accidents vasculaires cérébraux ou de maladies neuro-dégénératives comme la maladie d’Alzheimer. Cependant, le lien entre la structure des réseaux micro-vasculaires cérébraux, l’organisation  de  l’écoulement  sanguin  et  ses  propriétés  de   transport   reste   un   mystère. Dans une première partie, nous démontrons que la structure micro-vasculaire détermine l’organisation de l’écoulement sanguin  similairement  à  un  écoulement  dipolaire  sur  un  réseau  aléatoire. Cette organisation implique des propriétés de transport anormales caractérisées par une distribution large des temps de trajet des particules lagrangiennes dans la micro-vasculature. Ces propriétés de transport sont capturées avec succès par notre modèle de Marcheur Aléatoire en Temps Continu qui prédit notamment l’augmentation non-linéaire de la taille des régions présentant des concentrations anormales en oxygène ou en déchets métaboliques avec la diminution du débit sanguin global. Dans une seconde partie, nous dévoilons la présence d’anti-corrélations, localement dans l’écoulement, dans les réseaux aléatoires homogènes. Nous démontrons, grâce au cadre théorique du q-model, que ces anti-corrélations résultent de la limitation de ces réseaux à dissiper la pression le long de leurs liens. Dans une dernière partie, nous dévoilons que la structure en communautés spatialisées des réseaux micro-vasculaires fragilise leur résilience à l’occlusion de vaisseaux par rapport à des réseaux aléatoires non-structurés. Nous quantifions le rôle de ces communautés grâce au développement d’un modèle inspiré de la théorie de la percolation qui permet la prise en compte des hétérogénéités de structure et d’écoulement dans la micro-vasculature. Enfin, nous montrons l’existence de larges perturbations de l’écoulement induites par ces occlusions. Ce travail fournit de nouveaux outils théoriques pour comprendre le déclenchement et/ou la progression de maladies neuro-dégénératives.

 

Jury :

  • Alim Karen Alim (TU Münich, Rapporteure),
  • Gwennou Coupier (LiPhy, Rapporteur),
  • Olivier Bénichou (Membre du Jury),
  • Philippe Davy (membre du Jury),
  • Tanguy Le Borgne (Géosciences Rennes, co-directeur),
  • Sylvie Lorthois (IMFT, co-directrice).