Réponses hémodynamiques cérébrales associées aux rythmes thêta et gamma lors du mouvement libre et du sommeil paradoxal

Cerebral vascular patterns associated with theta and gamma rhythms during unrestrained behavior and REM sleep

• Auteur / Autrice : Antoine Bergel
• Direction : Bruno Cauli, Ivan Cohen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie. Neurosciences
• Date : Soutenance le 13/12/2016
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Neurosciences Paris-Seine
• Jury : Président / Présidente : Michaël Zugaro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Desdemona Fricker, Jérôme Epsztein
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bruno Poucet, Valérie Ego-Stengel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couplage neurovasculaire

Hémodynamique

Rythme gamma

Rythme thêta

Neuroimagerie fonctionnelle

Hippocampe (anatomie)

Locomotion humaine

Sommeil paradoxal

Électroencéphalographie

Mots clés libres

Imagerie Ultrasonore Fonctionnelle

Functional Ultrasound Imaging

Résumé

Le rythme thêta est un rythme cérébral associé à l’activité locomotrice et au sommeil paradoxal. Bien que son implication dans la communication entre régions du cerveau et processus mnésiques ait largement été démontrée, il persiste un manque de données extensives dû à la difficulté d’imager l’ensemble de l’activité cérébrale dans des conditions naturelles de locomotion et d’exploration. Dans cette thèse, j’ai développé une approche qui combine l’enregistrement des potentiels de champs locaux à l’imagerie ultrasonore fonctionnelle (fUS) sur l’animal en mouvement libre. Pour la première fois, j’ai pu révéler les réponses hémodynamiques associées au rythme thêta dans la plupart des structures du système nerveux central avec de bonnes résolutions spatiale (100 x 100 x 400 μm) et temporelle (200 ms). Pendant la locomotion et le sommeil, les variations hémodynamiques de l’hippocampe, du thalamus dorsal et du cortex (rétrosplenial, somatosensoriel) corrèlent fortement avec la puissance instantanée du signal thêta hippocampique, avec un décalage temporel variant de 0.7 s à 2.0 s selon les structures. De manière intéressante, les rythmes gamma hippocampiques moyen (55-95 Hz) et rapide (100-150 Hz) expliquent la variance des signaux hémodynamiques mieux que le seul rythme thêta, alors que le rythme gamma lent (30-50 Hz) est non pertinent. L’hyperémie fonctionnelle de l’hippocampe suit séquentiellement la boucle tri-synaptique (gyrus denté - région CA3 - région CA1) et se renforce considérablement à mesure que la tâche progresse. Lors du sommeil paradoxal, j’ai observé une hyperémie tonique globale ainsi que des activations phasiques de grande amplitude initiées dans le thalamus et terminant dans les aires corticales, que nous avons appelées “poussées vasculaires”. De fortes bouffées d’activité gamma rapide (100-150 Hz) précèdent de manière robuste ces poussées vasculaires, l’inverse n’étant pas vrai. Dans l’ensemble, ces résultats révèlent la dynamique spatio-temporelle des signaux hémodynamiques associés à la locomotion et au sommeil paradoxal et suggèrent un lien fort entre rythmes thêta, gamma rapide et activité vasculaire globale

Theta rhythm is a prominent oscillatory pattern of EEG strongly associated with active locomotion and REM sleep. While it has been shown to play a crucial role in communication between brain areas and memory processes, there is a lack of extensive data due to the difficulty to image global brain activity during locomotion behavior. In this thesis, I developed an approach that combines local field potential recordings (LFP) and functional ultrasound imaging (fUS) to unrestrained rats. For the first time, I could image the hemodynamic responses associated with theta rhythm in most central nervous system (CNS) structures, with high spatial (100 x 100 x 400 μm) and temporal (200 ms) resolutions. During running and REM sleep, hemodynamic variations in the hippocampus, dorsal thalamus and cortices (S1BF, retrosplenial) correlated strongly with instantaneous theta power, with a delay ranging from 0.7 to 2.0 s after theta peak. Interestingly, mid (55-95 Hz) and high gamma (100-150 Hz) instantaneous power better explained hemodynamic variations than mere theta activity, while low-gamma (30-50 Hz) did not. Hippocampal hyperaemia followed sequentially the trisynaptic circuit (dentate gyrus - CA3 region - CA1 region) and was considerably strengthened as the task progressed. REM sleep revealed brain-wide tonic hyperaemia, together with phasic high-amplitude vascular activation starting in the dorsal thalamus and fading in cortical areas, which we referred to as “vascular surges”. Strong bursts of hippocampal high gamma (100-150 Hz) robustly preceded these surges, while the opposite was not true. Taken together, these results reveals the spatio-temporal dynamics of hemodynamics associated with locomotion and REM sleep and suggest a strong link between theta, high-gamma rhythms and brain-wide vascular activity.