Imagerie biphotonique de la Po2 intracérébrale : une mesure de l’activité neuronale

par Alexandre Parpaleix

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Serge Charpak.

Soutenue le 20-09-2013

à Paris 5 , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) .

Le président du jury était Claire Legay.

Le jury était composé de Serge Charpak, Claire Legay, Ute Lindauer, Bruno Weber.

Les rapporteurs étaient Ute Lindauer, Bruno Weber.


  • Résumé

    L’imagerie fonctionnelle cérébrale détecte les changements hémodynamiques induits par un stimulus pour déterminer les zones d’activation neuronale. Plus particulièrement, l’imagerie BOLD en IRMf détecte les changements d’oxygénation du sang grâce aux propriétés paramagnétiques de la déoxyhémoglobine. L’oxygène n’est donc pas uniquement un substrat énergétique pour le tissu neuronal, il joue également un rôle majeur dans l’imagerie noninvasive du cerveau humain. Au cours de ma thèse, j’ai tout d’abord participé à la mise au point d’une nouvelle technique non-invasive d’imagerie de l’oxygène dans le cerveau d’animaux anesthésiés. Couplant un nouveau senseur phosphorescent de l’oxygène (Finikova et al., 2008) et la microscopie biphotonique, cette approche permet à la fois de cartographier l’oxygène en 3D avec une résolution spatiale et temporelle jusqu’alors inégalée, mais aussi de suivre simultanément l’oxygène et le flux sanguin dans les capillaires cérébraux au repos ou lors d’une activation neuronale (Lecoq et al., 2011). Tirant profit des nouvelles possibilités de cette technique, nous avons alors démontré: • la présence d’un shunt artério-veineux uniquement basé sur la diffusion de l’oxygène. Ce résultat, obtenu chez le rat dans la couche la plus superficielle du bulbe olfactif: la couche du nerf (ONL), confirme que l’oxygène ne diffuse pas uniquement à partir des capillaires et démontre que les artérioles contribuent significativement à l’oxygénation du tissu cérébral. Il démontre également qu’il n’est pas possible de déterminer ni la Po2 capillaire ni la Po2 tissulaire à partir de la Po2 veineuse. • l’existence de transitoires de Po2 associés à chaque globule rouge dans le compartiment capillaire, appelés EATs (erythrocyte-associated transients) (Hellums, 1977; Cabrales and Intaglietta, 2007). En bref, de part leur diamètre supérieur à celui de la lumière d’un capillaire, les globules rouges passent un à un dans la lumière des capillaires, laissant entre eux un espace de plasma. Cependant, la faible solubilité de l’oxygène dans le plasma crée une barrière à la diffusion, ce qui se traduit par une inhomogénéité de la Po2 capillaire: celle-ci est élevée au bord du globule rouge et décroit avec la distance pour atteindre un minimum à mi-distance entre deux globule rouges. Poursuivant l’étude des EATs (Parpaleix et al., 2013), nous avons observé les points suivants: • La Po2 tissulaire dans l’environnement immédiat d’un capillaire peut être déterminée à partir de la Po2 vasculaire à mi-distance entre deux érythrocytes. Ce résultat est intéressant en ce qu’il permettra d’effectuer des mesures non invasives de Po2 tissulaire, utile notamment chez l’animal éveillé. • L’amplitude des EATs est si large (35 mmHg en moyenne) que la Po2 capillaire moyenne ne reflète en rien la saturation en oxygène de l’hémoglobine. • Une empreinte filtrée des EATs vasculaires est détectable dans le tissu (_5 mmHg d’amplitude). • Au cours d’une stimulation neuronale, une diminution de la Po2 capillaire moyenne peut être détectée avant l’hyperémie fonctionnelle, un résultat jusqu’à présent controversé dans le domaine de l’imagerie BOLD en IRMf, mais important en ce que ce dip pourrait être un rapporteur très résolutif de l’activation neuronale. Parmi les questions restant en suspens et pouvant être étudiées finement avec notre approche, j’en citerai une principale: quel est le poids des différents facteurs (métaboliques, présynaptiques ou post-synaptiques) et du flux sanguin dans l’établissement de la Po2 cérébrale au repos?

  • Titre traduit

    Imaging Po2 transients in brain capillaries to monitor local neuronal activity


  • Résumé

    In humans, functional mapping of brain activity mainly relies on the increase of cerebral blood flow (CBF) triggered by neuronal activation. This neurovascular coupling provides energy substrates such as oxygen and glucose to the activated area. The steady state concentration of oxygen, as well as its dynamics upon neuronal activation, have been investigated with numerous methods, however, none of them provided highly resolute measurements in depth. During my PhD, we combined a phosphorescence quenching approach with two-photon microscopy to detect, in depth and with a micrometer spatial resolution scale, the emission of phosphorescence by PtP-C343, a new oxygen nano-sensor designed for two-photon excitation. We first characterized the technique and then reported two biological results, using the olfactory bulb (OB) glomerulus as a model to study oxygen concentration, at rest and upon odor stimulation. We found an arterio-venous shunt, purely based on diffusion, in the superficial nerve layer of the OB, confirming the role of arterioles in brain oxygenation. Simultaneous measurements of Po2 and blood flow allowed us to reveal the presence of erythrocyte-associated transients (EATs), i.e. Po2 fluctuations that are associated with individual erythrocytes. Pursuing the investigation of EAT characteristics, we found that in capillaries, Po2 at mid-distance between two erythrocytes is at equilibrium with, and thus reports Po2 in the nearby neuropil. Finally, we could observe that even in capillaries, a small oxygen initial dip can be detected prior to functional hyperemia, upon odor activation.


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