Évaluation en temps réel du recrutement des réserves énergétiques cérébrales en glycogène pendant une dépolarization corticale envahissante ou la potentialisation à long terme hippocampique.

Real-time monitoring of the recruitment of cerebral glycogen energy reserves during cortical spreading depolarisation and long-term potentiation

• Auteur / Autrice : Shuting Chen
• Direction : Stéphane Marinesco
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 04/11/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Neurosciences et Cognition (NSCo) (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (Bron ; Saint-Priest-en-Jarez ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Canet-Soulas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Marinesco, Jens Dreier, Anne-Karine Bouzier-Sore, Baptiste Balança
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jens Dreier, Anne-Karine Bouzier-Sore, Pierre Pouget

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mémoire

Astrocytes

Biocapteurs

Glycogène

Mots clés libres

Métabolisme énergétique

Monitorage intracérébral

Biocapteur

Glucose

Lactate

Oxygène

Energy metabolism

Intracerebral monitoring

Biosensor

Glucose

Lactate

Oxygen

Résumé

Le glycogène astrocytaire est la seule forme de réserve énergétique dans le cerveau, généralement considéré comme mobilisé via la navette astrocyte-neurone dans des conditions telles que l'ischémie ou l'activité neuronale intense. La dépolarisation corticale envahissante (DCE) est une vague de dépolarisation quasi-complète des neurones et des cellules gliales, posant une augmentation de besoins métaboliques au tissu cérébral. La potentialisation à long terme (LTP) est reconnue comme le mécanisme moléculaire de la formation de la mémoire, suite à une stimulation à haute fréquence. L'hypothèse était que le glycogène serait mobilisé lors des SD et de l'induction de la LTP, fournissant ainsi un modèle pour étudier le métabolisme du glycogène et sa fonction dans un cerveau normal. Les réserves de glycogène ont été bloquées par l'administration locale d'un inhibiteur de la glycogène phosphorylase, 1,4-didésoxy-1,4-imino-D-arabinitol (DAB). Les SDs ont été enregistrées à l'aide de l'électrocorticographie (ECoG). Les concentrations extracellulaires de lactate, de glucose et d'oxygène dans le cortex ont été enregistrées pendant les SDs seconde par seconde à l'aide de biocapteurs enzymatiques à microélectrodes en présence ou en absence de DAB. Le blocage des réserves de glycogène a prolongé la durée de la repolarisation tissulaire après la dépolarisation. Les SDs ont induit une augmentation transitoire de la concentration extracellulaire de lactate dans le cortex, accompagnée d'une diminution du glucose et d'une consommation d'oxygène. En présence de DAB, la diminution du glucose et l'augmentation du taux métabolique de l'oxygène n'ont pas été réduites mais ont duré plus longtemps, tandis que la libération de lactate a été diminuée avec le traitement DAB, indiquant que la glycogénolyse libère principalement du lactate. De plus, en présence de DAB, l'administration supplémentaire de lactate par voie intraveineuse a permis de rétablir une durée normale de dépolarisation, ce qui suggère que le lactate libéré par les réserves de glycogène fournit un supplément d'énergie nécessaire à la repolarisation tissulaire. Ensuite, lors de l'induction et du maintien de la LTP, le lactate est libéré pendant la stimulation et probablement en continu pendant 75 minutes après la stimulation. Cependant, le traitement au DAB a bloqué la potentialisation tout au long de l'enregistrement de la réponse postsynaptique d'une heure. Par conséquent, la glycogénolyse se passe en quelques secondes pour alimenter le métabolisme énergétique en libérant du lactate dans l'espace extracellulaire, qui est ensuite métabolisé de manière anaérobie comme source d'énergie supplémentaire.

Astrocytic glycogen is the only form of brain energy stores, which is general considered to be mobilized through astrocyte-neuron lactate shuttle in conditions like ischemia or intense neuronal activity. Cortical spreading depolarization (SD) is a propagating wave of near-complete depolarization of neurons and glial cells, posing a metabolic challenge on brain tissue. Long-term potentiation (LTP) is recognized as the molecular mechanism of memory formation, following high frequency stimulation. We hypothesized that glycogen would be mobilized during CSDs and LTP induction, providing a model to study glycogen metabolism and its function in a normal brain. Glycogen stores were blocked by local administration of glycogen phosphorylase inhibitor 1,4-dideoxy-1,4-imino-D-arabinitol (DAB). SDs were recorded using eletrocorticalgraphy (ECoG) recordings. Extracellular lactate, glucose, and oxygen concentrations in cortex were monitored during SDs second by second using enzymatic microelectrode biosensors in presence or absence of DAB. Blocking glycogen stores increased the duration of tissue repolarization after depolarization. SDs induced a transient increase in cortical extracellular lactate concentration accompanied by glucose decrease and oxygen consumption. In the presence of DAB, the glucose decrease and elevated oxygen metabolic rate was not reduced but lasted longer, while lactate release was diminished with DAB treatment, indicating that glycogenolysis predominantly release lactate. Furthermore, in the presence of DAB, supplemental intravenous lactate administration rescued a normal duration of depolarization, suggesting that lactate released from glycogen stores provide a boost in energy supply required for tissue repolarization. Next, in the induction and maintenance of LTP, lactate is released during the stimulation and is probably released continuously during 75min after stimulation, however, DAB treatment blocked the potentiation throughout 1h recording of postsynaptic response. Therefore, glycogenolysis occurs within seconds to fuel energy metabolism through releasing lactate into extracellular space, which is then anaerobically metabolized as a supplemental energy source.