La pratique régulière d’une activité physique (AP) est un important message de santé publique. L’AP améliore non seulement la santé cardiovasculaire via l’augmentation de la production de NO (nitric oxide) par l’endothélium vasculaire mais aussi la santé cérébrale via l’augmentation des taux de BDNF (brain-derived neurotrophic factor) dans le cerveau. Comme la synthèse et la sécrétion de BDNF sont proportionnelles à l’activité neuronale, il est généralement admis que l’élévation des taux cérébraux de BDNF induite par l’AP est à relier à l’hyperactivité neuronale. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle l’élévation du flux sanguin dans les vaisseaux de la circulation cérébrale pendant la réalisation de l’AP contribue à augmenter les taux cérébraux de BDNF. Les expériences ont été menées chez des rats soumis ou non à l’AP (tapis roulant). Nos résultats montrent : 1) que l’augmentation des taux de BDNF induite par l’AP (tapis roulant, 18m/min, 30 min/j, 7j consécutifs) est moindre lorsque l’augmentation du flux sanguin pendant la réalisation de l’AP, est prévenue par un clampage mono- ou bi- carotidien, 2) que l’effet de l’AP sur les taux de BDNF dépend de l’intensité de l’AP ( tapis horizontal versus déclive descendant), 3) que la dysfonction endothéliale (modèle de rat spontanément hypertendu) et le traitement par un inhibiteur de NO synthase diminuent les effets de l’AP sur les taux cérébraux de BDNF et 4) qu’il existe une association positive entre les taux cérébraux de BDNF et la production de NO par l’endothélium vasculaire.L’ensemble de nos résultats suggère que l’augmentation des taux cérébraux de BDNF induite par l’AP met en jeu l’augmentation du flux sanguin dans les vaisseaux de la circulation cérébrale et, plus précisément, l’augmentation de la production endothéliale de NO qui en résulte. Ils fournissent de nouvelles données pour comprendre le lien existant entre fonction endothéliale et performances cognitives, soulevant l’idée selon laquelle les modalités d’AP pour améliorer la santé cérébrale doivent être différentes en cas de pathologies associées à une dysfonction endothéliale. / The regular practice of physical activity (PA) is an important public health message. PA not only improves cardiovascular health through the increase in NO (nitric oxide) production by the vascular endothelium but also through the increase levels in brain BDNF (brain-derived neurotrophic factor) levels. As the synthesis and secretion of BDNF are proportional to neuronal activity, it is generally accepted that PA-induced brain BDNF levels elevation is linked to neuronal hyperactivity. We tested the hypothesis that the increase in blood flow in cerebrovasculature during PA contributes to increase brain BDNF levels. The experiments were carried out in sedentary and trained rats (treadmill). Our results show that: 1) brain BDNF levels elevation induced by PA (treadmill, 18m /min, 30 min /day, 7 consecutive days) is lower when the normal rise of cerebral blood flow during the PA is prevented by occluding one or both common carotid arteries, 2) the effect of PA on brain BDNF levels is dependent on PA intensity (horizontal versus downhill), 3) the presence of endothelial dysfunction (spontaneously hypertensive rat model) as well as NO synthase inhibition decrease the effects of PA on brain BDNF levels and 4) there is a positive association between brain BDNF levels and vascular endothelium NO production .Collectively, our results suggest that increase in brain BDNF levels, induced by PA, involves increase in cerebrovasculature blood flow and more precisely elevation in endothelium NO production. They provide new data for understanding the relationship between endothelial function and cognitive performance, raising the idea that PA modalities to improve brain health might be different in pathologies diseases with endothelial dysfunction.

La séquence d'Imagerie Echo Planaire est largement utilisée pour l'acquisition des séries temporelles d'images nécessaires aux études d'imagerie fonctionnelle cérébrale. Cette séquence permet d'acquérir une trentaine de coupes couvrant le cerveau entier, avec une résolution spatiale de 2 à 4 mm et une résolution temporelle de 1 à 2 s. Elle est donc bien adaptée à l'analyse exploratoire des aires cérébrales activées, mais ne permet pas d'étudier précisément la dynamique temporelle de l'activation. Par ailleurs, une interpolation temporelle des données est nécessaire pour tenir compte des délais inter-coupes et l'acquisition 2D est source d'artéfacts d'origine vasculaire, en particulier à bas champs magnétiques. Afin d'améliorer l'estimation de la réponse cérébrale, cette thèse a eu pour objet le développement d'une séquence d'acquisition 3D à haute résolution temporelle, à 1.5T. Pour cela, la séquence d'Imagerie Echo Volume (EVI) a été combinée avec l'utilisation de l'imagerie parallèle et l'acquisition de champs de vue réduits. L'EVI permet l'acquisition d'un volume de l'espace de Fourier après une unique impulsion d'excitation, mais requiert des trains d'échos très longs. L'imagerie parallèle et la réduction des champs de vue permettent de réduire la durée des trains d'échos et de réaliser l'acquisition d'un volume de cerveau, avec peu de distorsions géométriques et de pertes de signal, en 200 ms. Tous les paramètres d'acquisition ont été optimisés afin de maximiser le rapport signal sur bruit de l'EVI localisé parallèle et de pouvoir détecter les activations cérébrales de manière robuste. La détection des activations cérébrales a été mise en évidence avec des paradigmes de stimulation visuels et auditifs, et des fonctions de réponses hémodynamiques à haute résolution temporelle ont pu être extraites. Afin d'améliorer le rapport signal sur bruit, les inversions matricielles nécessaires à la reconstruction parallèle ont été régularisées et l'influence du niveau de régularisation sur la détection des activations a été étudiée. Finalement, quelques applications potentielles de l'EVI parallèle ont été expérimentées, telles que l'étude des non-stationnarités de la réponse BOLD.

La tomographie optique diffuse est une nouvelle modalité d'imagerie médicale fonctionnelle. Elle présente de nombreux atouts pour le suivi de l'activité cérébrale. Dans ce contexte, ces travaux s'articulent autour de la compréhension de la propagation lumineuse au travers de la tête par l'intermédiaire de simulations fondées sur la résolution de l'équation de diffusion par la méthode des éléments finis sur des modèles anatomiques issus de la segmentation d'IRM. Nous avons mis en évidence la faible pénétration cérébrale de la lumière en raison des propriétés optiques particulières de la tête, et donc la forte influence des structures anatomiques superficielles dans le signal détecté en surface. Nous avons réalisé un système fondé sur le comptage de photons résolu en temps adapté à l'environnement clinique et qui repose sur l'utilisation de diodes laser picoseconde à quatre longueurs d'onde différentes. Les performances de l'ensemble ont été optimisées en tenant compte des nombreux impératifs cliniques ce qui a permis de réaliser et d'optimiser un appareil dont le rapport signal à bruit est uniquement limité par le bruit de photons et ayant une réponse impulsionnelle de l'ordre de 100-300 ps à mi-hauteur. Ce système a permis la détection de la variation de l'activité cérébrale. L'origine cérébrale des variations d'absorption détectées à la surface a été avérée grâce à la comparaison de l'expérience avec les simulations d'activation cérébrale. Les résultats des simulations ont permis de proposer des méthodes originales de localisation spatiale de l'activité cérébrale fondées sur la "loi de Beer-Lambert microscopique" qui est une fonction du temps de vol des photons. Elles permettent d'obtenir une information sur la profondeur des variations de concentration d'oxy-hémoglobine et de déoxy-hémoglobine, liées à la réponse hémodynamique cérébrale, grâce aux cartes de variations de concentration résolues en temps.

L’objectif général de ce travail était d’évaluer l’effet du diabète de Type 1 et de l’hyperglycémie chronique (reflétée par un niveau élevé d’HbA1c), chez des patients indemnes de complications micro et macrovasculaires, sur la disponibilité en oxygène (O2) au niveau musculaire et cortical et ses répercussions sur l’aptitude physique aérobie. Dans un premier temps, nous nous sommes attardés à étudier l’effet du diabète et des niveaux élevés d’HbA1c sur les différentes étapes de la cascade d’oxygène (à savoir la diffusion alvéolo-capillaire, le transport artériel et la libération de l’O2 au niveau musculaire) ainsi que sur l’oxygénation musculaire estimée par la Spectroscopie dans le proche Infra-Rouge (NIRS) durant un exercice incrémental et voir les répercussions possibles sur la consommation maximale d’oxygène (〖V ̇O〗_2max). Nous avons montré que les patients DT1 présentent une capacité de diffusion alvéolo-capillaire ainsi qu’une capacité de transport artériel d’O2 comparable aux sujets sains. En revanche, les patients ayant un niveau élevé d’HbA1c présentent une altération de 〖V ̇O〗_2max ainsi qu’une réduction du volume sanguin musculaire (reflétée par une baisse de l’hémoglobine totale) et une nette baisse de la déoxyhémoglobine (HHb) au niveau du muscle actif aux intensités proches de l’exercice maximal. Ce dernier résultat pourrait s’expliquer par l’affinité plus importante de HbA1c pour l’O2 et/ou une altération de la redistribution de débit sanguin entre les vaisseaux nutritifs et non nutritifs. L’altération du volume sanguin au niveau musculaire chez les patients présentant un mauvais contrôle glycémique peut prévenir les cliniciens du dysfonctionnement de la microcirculation survenant avant même qu’une microangiopathie se manifeste à l’état clinique (Étude 1). Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la fonction cérébrale. Notre objectif étant d’évaluer l’hémodynamique cérébrale durant un exercice incrémental maximal. Nous avons trouvé une altération de l’hémodynamique cérébrale (baisse de l’hémoglobine totale) aux intensités proches de l’exercice maximal chez les patients DT1 qui présentent un mauvais contrôle glycémique (Étude 2). Ces deux travaux nous montrent bien que les sujets diabétiques de type 1 indemnes des complications micro et/ou marcovasculaires présentent une faible aptitude physique aérobie qui peut s’expliquer à la fois par une altération de l’oxygénation musculaire et cérébrale. Ces études mettent également en évidence l’intérêt d’associer la NIRS avec un exercice maximal. Ce dernier place les tissus en situation de besoin maximal en O2 ce qui permet de mettre en exergue des altérations fonctionnelles de la microcirculation avant même l’apparition de complications microvasculaires détectables par les tests cliniques habituels. / This study sought to investigate whether type 1 diabetes and high levels of glycated hemoglobin (HbA1c) influence oxygen supply including alveolar capillary diffusion, oxygen delivery and release, to active muscle and prefrontal cortex during maximal exercise. We first studied the effect of high level of HbA1c on oxyhemoglobin dissociation at the active muscle measured by Near Infra-Red Spectroscopy (NIRS) during maximal exercise. We found that alveolar capillary diffusion and arterial oxygen content was comparable between patients with type 1 diabetes and healthy subjects. However, patients with inadequate glycemic control but without any clinically detectable vascular complications displayed an impaired aerobic capacity as well as a reduction in blood volume and a dramatic impairment in deoxyhemoglobin (HHb) increase in active skeletal muscle during intense exercise. The latter supports the hypotheses of an increase in O2 affinity induced by hemoglobin glycation and/or of a disturbed balance between nutritive and nonnutritive muscle blood flow. Furthermore, reduced exercise muscle blood volume in poorly controlled patients may warn clinicians of microvascular dysfunction occurring even before overt microangiopathy (Study 1). Secondly, we aimed at investigating prefrontal cortex hemodynamic during an incremental maximal exercise in patients with uncomplicated type 1 diabetes, taking into account chronic glycemic control. We observed that levels and changes in regional cerebral blood volume – as reflected by change in total hemoglobin – were lower at high intensities of exercise in patients with inadequate glycemic control (Study 2).In summary, the physiological stimulus of maximal exercise coupled with NIRS measurement highlighted subclinical disorders of both cerebral hemodynamic and muscle oxygenation in poorly-controlled patients with type 1 diabetes albeit free from any clinical microangiopathy.