Modélisation de graphes et analyse du réseau cérébro-vasculaire du cerveau

Mapping of the mouse cerebral vascular network in adults and during development

• Auteur / Autrice : Sophie Skriabine
• Direction : Fabrizio De Vico Fallani, Nicolas Renier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 08/06/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mathématiques de Paris centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche de Paris (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Serge Charpak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martine Cohen-Salmon, Anatole Chessel, Andy Shih
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Lorthois, Pablo Blinder

Mots clés

Mots clés contrôlés

Souris de laboratoire

Imagerie médicale

Modèles mathématiques

Couplage neurovasculaire

Maladies cérébrovasculaires

Mots clés libres

Systeme vasculaire

Graphs

Modelisation

Vasculature

Graphs

Modeling

Résumé

La vascularisation cérébrale est un vaste réseau visant à distribuer de manière adéquate les nutriments et l'oxygène nécessaires à l'énergie. Son fonctionnement est étroitement lié à l'activité des neurones qui le peuplent. Cet équilibre délicat fait intervenir de multiples mécanismes, notamment des interactions de couplage neurovasculaire. Il est supposé que des déséquilibres neurovasculaires sont impliqués dans la plupart des maladies cérébrales et vasculaires, telles que les maladies neurodégénératives. Les mécanismes précis qui contrôlent la plasticité neuro-vasculaire, etc. restent largement méconnus. Cependant, étudier le rôle que joue la vascularisation dans l'ensemble des systèmes cognitifs représente un véritable défi technique car très peu de ressources sont disponibles. Nous avons donc développé une pipeline permettant d’imager la vascularisation cérébrale entière, afin de caractériser l'état et l'évolution du système vasculaire dans différentes conditions pathologiques (Kirst, Skriabine, Vieites-Prado et al 2020). Nous proposons également de suivre l'évolution du réseau vasculaire pendant le développement. Nous fournissons des ressources sous forme d'atlas et d'outils informatiques pour débloquer la recherche sur le développement cérébral chez les souris. Cela conduit à la caractérisation complète du système vasculaire : de fortes disparités ont été observées tant en termes de densités que de topologie. L’observation d’un remaniement plastique vasculaire après un accident vasculaire cérébral, ainsi la dégradation vasculaire chez des souris sourdes congénitales apportent ainsi des preuves solides de la corrélation entre l'activité et le stress neuronal et la topologie vasculaire. Pour approfondir l'étude des hétérogénéités vasculaires, nous avons examiné leur évolution au cours du développement : le développement vasculaire se produit par vagues dont la longueur et l'intensité dépendent de la région cérébrale. Les systèmes somatosensoriels (régions corticales et thalamiques) semblent se développer conjointement, et l’on peut émettre l'hypothèse de l' existence d’un lien entre la longueur de la fenêtre de développement et les hétérogénéités d'orientation/densité. Une perturbation précoce du système (par la privation sensorielle par exemple) entraîne une modification de la topologie vasculaire chez l’adulte, suggérant une corrélation entre l'activité neuronale au cours du développement et une diminution de la densité vasculaire. La diminution de l'activité neuronale impacte également le vieillissement, en accélérant la dégradation vasculaire, non seulement dans le cortex, mais aussi dans les zones thalamiques liées à la mémoire et à la cognition, et reconnues pour être impliquées chez l'homme dans les troubles neurologiques liés à l'âge.

The cerebral vascularization is a vast network aimed at adequately distributing the nutrients and oxygen necessary for energy. Its functioning is closely linked to the activity of the neurons that populate it. This delicate balance involves multiple mechanisms, including neurovascular coupling interactions. It is assumed that neurovascular imbalances are involved in most brain and vascular diseases, such as neurodegenerative diseases. The precise mechanisms that control neurovascular plasticity, etc. remain largely unknown. However, studying the role that the vasculature plays in all cognitive systems is a real technical challenge because very few resources are available. We have therefore developed a pipeline to image the vasculature of whole organs in a reasonable time frame in order to characterize the state and evolution of the vascular system under different pathological conditions (Kirst, Skriabine, Vieites-Prado et al 2020). We also propose to monitor the evolution of the vascular network during development. We provide resources in the form of atlases and computational tools to unlock research on brain development in mice. This leads to the complete characterization of the vascular system: strong disparities were observed in both densities and topology. In particular in the cortical areas, these differences are sufficient to characterize the function (integrative or somato-sensory) of the different cortical regions. The observation of vascular plastic remodeling after stroke, as well as vascular degradation in congenitally deaf mice thus provide strong evidence for the correlation between neuronal activity and stress and vascular topology. To further investigate vascular heterogeneities, we examined their evolution during development: Vascular development occurs in waves whose length and intensity depend on the brain region. The somatosensory systems (cortical and thalamic regions) seem to develop together, and it can be hypothesized that there is a link between the length of the developmental window and the orientation/density heterogeneities. Early disruption of the system (e.g., by sensory deprivation) leads to a change in vascular topology in the adult, suggesting that decreased neuronal activity during development leads to decreased vascular density in the affected regions. In adulthood, such a loss of vessels has not been observed after a decrease in neuronal activity. However, a decrease in neuronal activity shows an impact during long-term aging in mice, by accelerating vascular degradation, not only in somatosensory areas but also in thalamic areas related to memory and cognition, and known to be involved in age-related neurological disorders in humans.