Mesure de l'oxygénation cérébrale au repos et pendant une stimulation sensorielle

Measurement of cerebral oxygenation at rest and during sensory stimulation

• Auteur / Autrice : Morgane Roche
• Direction : Serge Charpak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 06/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de neurophysiologie et nouvelles microscopies (Paris ; 2014-2018)
• Jury : Président / Présidente : Claire Legay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Legay, Gilles Bonvento, Denis Vivien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Bonvento, Denis Vivien

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cerveau -- Physiologie

Mots clés libres

Neurosciences

Résumé

La compréhension du métabolisme du cerveau impose de déterminer comment l’oxygène est délivré et consommé par les cellules cérébrales in vivo. L’imagerie biphotonique par déclin de phosphorescence (2PLM) d’un senseur d’oxygène est une technique innovante qui permet de réaliser des mesures de pression partielle en oxygène (Po2) cérébrale en profondeur chez la souris. La résolution de la technique est telle qu’elle permet de détecter les fluctuations de Po2 capillaire associées au passage de chaque érythrocyte, appelées EATs (Erythrocytes-Associated-Transients) (Parpaleix et al., 2013). Les chercheurs du laboratoire ont montré que la Po2 entre deux érythrocytes rapporte la Po2 tissulaire péri-capillaire de façon indirecte. Ma thèse s’est organisée en trois axes. J’ai d’abord cherché à cartographier l’oxygénation cérébrale chez l’animal vigile non stressé au repos (Lyons et al., 2016). J’ai ensuite montré dans quelle mesure nos conditions expérimentales c’est-à-dire l’implantation d’une fenêtre de verre ou l’implantation d’une fenêtre de type os affiné affectent les valeurs de Po2 chez l’animal vigile et anesthésié (Roche et al. 2019, en revue). Enfin, j’ai cherché à savoir quelle est la part de la modulation de l’oxygénation cérébrale par la respiration chez la souris au repos et pendant la locomotion volontaire (Zhang et al. 2019 en préparation). Dans une première étude, nous avons montré pour la première fois les valeurs physiologiques de Po2 capillaire et tissulaire péri-capillaire dans le glomérule olfactif chez la souris vigile au repos : la Po2 RBC qui rapporte la Po2 immédiatement au bord du globule rouge est de ~ 60 mmHg, la Po2 interRBC qui rapporte la Po2 tissulaire est de ~ 23 mmHg, et la Po2 moyenne est ~ 33 mmHg. Ces valeurs restent vraies dans le cortex somato-sensoriel, suggérant une homogénéité de l’oxygénation cérébrale. Cette première étude, réalisée en mesurant la Po2 à travers une fenêtre crânienne, nous a imposé un biais expérimental : la résection de la peau et de l’os, deux organes participant au maintien de la température cérébrale. Dans la mesure où il était établi que l’excitabilité neuronale et les propriétés physiques de notre senseur d’oxygène étaient sensibles à la température, j’ai étudié combien l’emploi d’une telle fenêtre crânienne module l’oxygénation cérébrale, chez la souris vigile et anesthésiée. J’ai reproduit ces expériences chez un animal préparé avec l’os affiné. Dans une deuxième publication (Roche et al, 2019, en révision), je démontre que toute forme d’observation (imagerie bi-photonique de fluorescence ou de phosphorescence mais aussi pour les deux types de préparations chirurgicales) s’accompagne d’une diminution de la température, induisant ainsi une diminution du flux érythrocytaire et de la Po2 cérébrale, tant vasculaire que tissulaire. La cartographie de l’oxygénation cérébrale donnée à la communauté scientifique précédemment doit être augmentée de ~ 10 mmHg. Enfin, dans le cadre d’une collaboration, j’ai également montré que chez la souris, la Po2 des grosses artères cérébrales (Pao2) augmente au cours de la locomotion, un effet secondaire à une augmentation de la fréquence respiratoire. Plus précisément, j’ai observé qu’en fait la Pao2 suit les fluctuations de la respiration de la souris au repos. Ce travail (Zhang et al, 2019) suggère que chez l’animal vigile, les variations de Po2 d’origine respiratoire ont un rôle important dans la modulation de l’oxygénation cérébrale.

Understanding brain metabolism requires resolving how oxygen is delivered and consumed by the different cellular compartments in vivo. Two-photon phosphorescence lifetime microscopy (2PLM) of an oxygen sensor is a technique which permits measurements of partial pressure of oxygen (Po2) in depth with a sub micrometric spatial resolution. This technique has been used for mapping Po2 in both tissue and vessels in the olfactory bulb of anesthetized rodents. The high spatial resolution of this technique permits detection of Po2 fluctuations in capillaries associated with each individual red blood cell (RBC), termed Erythrocyte Associated Transients (EATs) (Parpaleix et al., 2013). Furthermore, in the olfactory bulb glomeruli of anesthetized mice the Po2 between two RBCs is at equilibrium with, and thus reports the Po2 in the nearby neuropil. My thesis was organized into three aims. First, I investigated the physiological map of cerebral oxygenation in a non-stressed mouse at rest (Lyons et al., 2016). Second, I demonstrated the extent to which our experimental conditions (the placement of glass window or a thinned-skull window) affect Po2 measurements in anesthetized and awake mice (Roche et al, 2019, in review). Finally, I investigated the modulation of cerebral oxygenation by respiration in mice at rest and during voluntary locomotion (Zhang et al, 2019, in preparation). First, we report the physiological values of capillary Po2 and pericapillary tissue Po2 in the olfactory glomerulus of mice at rest: the Po2 RBC, which reports Po2 immediately adjacent to RBCs is ~ 60 mmHg, Po2 interRBC which report the pericapillary tissue Po2 is ~ 23 mmHg and the mean Po2 is ~ 33 mmHg. We found similar values in the somato-sensory cortex, suggesting that brain oxygenation is homogeneous. In this first study, we performed imaging experiments through a small cranial window, which imposes an experimental bias: The removal of the skin and the bone, which alters brain temperature. As both neuronal excitability and the physical properties of our oxygen sensor are temperature dependent, I re-evaluated our previous Po2 measurements, and investigated the extent to which a cranial window preparation modulates brain oxygenation in both awake and anesthetized mice. I also reproduced these experiments in mice with a thinned-skull preparation. In this second work (Roche et al, 2019, in review), I prove that these experimental conditions, commonly used for in vivo two-photon imaging, cause a temperature decrease, thereby resulting in a decrease of resting blood flow and cerebral Po2 (vascular and tissue). Therefore, the map of brain oxygenation previously given to the scientific community must be corrected by ~ 10 mmHg. Finally, in the context of a collaboration, I showed in mice that Po2 in large brain arteries (Pao2) increases during locomotion, a consequence of the increase in the respiratory rate. More precisely, I observed that Pao2 follows the respiratory fluctuations that occur at rest. This work (Zhang et al, 2019) suggests that in awake mice, the variations of Po2 that originate from respiration have an important role towards modulating brain oxygenation.