Physiopathologie des comas isoélectriques : de l’EEG au neurone

Physiopathology of isoelectric coma : from EEG to single neuron

• Auteur / Autrice : Antoine Carton-Leclercq
• Direction : Stéphane Charpier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 04/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut du cerveau (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Régis Lambert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Naccache, Valérie Crepel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jeanne Paz, Dominique Debanne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cortex cérébral

Réseaux neuronaux (physiologie)

Coma

Focalisation isoélectrique

Électrophysiologie

Mots clés libres

Néocortex

Electrophysiologie

Isoélectrique

Coma

Anoxie

Neocortex

Electrophysiology

Soelectric

Coma

Anoxia

Résumé

Le cerveau génère de façon continue et endogène des activités électriques qui peuvent être enregistrées en surface grâce à un électroencéphalogramme (EEG). La fréquence et l’amplitude de ces potentiels EEG varient selon l’état de vigilance. Ainsi, l’état d’éveil conscient se caractérise par des activités rapides (≥ 10 Hz) et de faible amplitude, alors que le sommeil profond est associé à des oscillations amples et de basse fréquence (≈ 1 Hz). L’EEG est donc un outil clinique permettant d’établir des corrélations entre le patron global d’activité cérébrale et l’état physiologique ou pathologique du sujet. Lors d’une atteinte cérébrale d’origine traumatique, métabolique ou anoxique conduisant à un coma, les patrons EEG sont altérés et surviennent des profils EEG anormaux, tels que la généralisation et la persistance d’activités oscillatoires ou d’un patron d’activité de type burst-suppression (B-S), alternant bouffées de potentiels de grande amplitude et périodes de silence électrique. Le profil EEG le plus péjoratif, et le moins connu d’un point de vue neurophysiologique, est celui privé d’activité, aussi appelé isoélectrique. Un EEG isoélectrique est le plus souvent définitif lorsqu’il survient après un violent traumatisme crânien, une encéphalopathie ischémique ou une anoxie cérébrale prolongée, mais peut être réversible en cas d’intoxication médicamenteuse, d’hypothermie ou après une réanimation réussie. Il est généralement admis qu’une suspension des activités EEG spontanées reflète un arrêt complet des fonctions neuronales, rendant le cerveau incapable de traiter des informations endogènes ou exogènes. Mes recherches doctorales ont eu pour but d’explorer les propriétés fonctionnelles des neurones et réseaux corticaux qui pourraient possiblement persister lors d’un coma isoélectrique. J’ai dans un premier temps mis au point un nouveau modèle rongeur d’état isoélectrique réversible induit par l’administration de fortes doses d’isoflurane, un anesthésique volatile central de la famille des éthers halogénés. A l’aide d’enregistrements EEG et intracellulaires in vivo, j’ai comparé l’excitabilité intrinsèque et les réponses sensorielles, issues de la déflection des vibrisses, des neurones corticaux somatosensoriels pendant une période d’activité EEG continue et après suppression des activités cérébrales. J’ai montré que dans l’état isoélectrique les neurones corticaux étaient hyperpolarisés, dépourvus de potentiels synaptiques et de décharge spontanée, mais qu’ils conservaient leur capacité à être excités et à répondre à des stimulations sensorielles. J’ai ensuite réalisé des enregistrements multi-échelle dans un second modèle rongeur de coma isoélectrique induit par une anoxie cérébrale. J’ai montré que l’asphyxie chez le rat curarisé provoquait une rapide atténuation des activités neuronales dans toutes les couches du cortex jusqu’à l’obtention de tracés isoélectriques. Le silence électro-cérébral n’étant interrompu que par l’émergence dans les couches profondes d’une onde triphasique se propageant bidirectionnellement à toutes les couches du cortex. Cette onde baptisée onde de la mort (OdM) était le reflet extracellulaire d’une dépolarisation anoxique des neurones corticaux au terme de laquelle toute excitabilité intrinsèque était abolie. La ré-oxygénation déclenchait une repolarisation des neurones, coïncidant à son tour avec une autre onde corticale, l’onde de la réanimation (OdR). Après l’OdR, les activités neuronales et EEG récupéraient progressivement leurs niveaux pré-anoxiques. Mes travaux ont permis de mettre en évidence qu’un arrêt complet des activités cérébrales endogènes conduisant à un EEG plat ne signifie pas forcément un arrêt des fonctions neuronales et qu’un même profil EEG peut refléter différents états fonctionnels des réseaux neuronaux.

The brain continuously generates electrical activities. Once recorded at the surface of the brain they constitute an electroencephalogram (EEG). The bidirectional fluctuations displayed on an EEG trace come from the summation of numerous excitatory and inhibitory synaptic events occurring in cortical neurons. Both frequency and shape of EEG fluctuations may change in accordance with the subject’s various internal states. Thus the active wake is characterized by fast (≥ 10 Hz), low amplitude oscillations whereas the slow-wave sleep EEG pattern displays large and low frequency (≈ 1 Hz) oscillations. The EEG is therefore used in clinical settings to establish correlations between the background electrical activity of the brain and the subject’s physiological state. After traumatic, metabolic or anoxic brain insults leading to a coma, EEG patterns are altered giving rise to abnormal EEG patterns such as generalized and persistent oscillations or “Burst-Suppression” (B-S) alternating large electrical potentials and periods of electro-cerebral silence. The most pejorative EEG pattern, and the least understood from a neurophysiological standpoint, is deprived of activity and called the “isoelectric” brain state. An isoelectric EEG is most often irreversible when it follows a violent head trauma, ischemic encephalopathy or prolonged brain anoxia but can be reversed when caused by drug intoxication, deep hypothermia or after a successful resuscitation. It is commonly assumed that the shutting down of spontaneous background activity leads to the abolition of neuronal functions leading to cerebral unresponsiveness to whether endogenous or peripheral stimuli. My doctoral work focuses on the exploration of neurons and networks’ functional properties that might potentially subsist during the isoelectric coma. Firstly I designed a novel rodent model of reversible isoelectric brain state induced by administration of large doses of isoflurane, a volatile anesthetic halogenated ether. By performing EEG and in vivo intracellular recordings I compared cortical neurons’ intrinsic excitability and whisker evoked sensory responses between an active EEG period and after the abolition of ongoing background activities. I showed that during the isoelectric brain state, cortical neurons were hyperpolarized, deprived of synaptic potentials and spontaneous discharge activity but were still excitable and responsive to peripheral stimuli. I then performed multi-scale electrophysiological recordings in a second rodent model of isoelectric coma, induced by brain anoxia. I showed that asphyxia in curarized rats lead to a quick dampening of neuronal activity in all cortical layers. Activity then shuts down giving rise to a continuous isoelectric line, the electro-cerebral silence is then disrupted by the emergence in deep cortical layers of a large amplitude triphasic wave that then propagated bidirectionally to the other layers of the cortex. This wave called the wave of death (WoD) was the extracellular reflection of an anoxic depolarization in cortical neurons during which intrinsic excitability is abolished. The quick re-oxygenation of the brain lead to a repolarization of neurons that was correlated with the appearance on the surface of another wave, the wave of resuscitation (WoR). After the WoR, neuronal and extracellular activities regained their normoxic values. My work allowed me to highlight that a total cessation of endogenous cerebral activities leading to a flat-line EEG isn’t necessarily synonymous of an abolition of neuronal functions and that the same EEG profile can be the reflection of different functional states of neuronal networks.