Les techniques modernes d'imagerie fonctionnelle du cerveau utilisent le métabolisme cérébral comme marqueur d'activité neuronale. En effet le cerveau dépend intimement des apports sanguins en métabolites pour son fonctionnement. Cependant les mécanismes de régulation du métabolisme sont encore mal connus. Dans cette étude nous avons utilisé le modèle du bulbe olfactif chez le rat anesthésié pour caractériser la consommation d'oxygène en réponse à une stimulation physiologique. La quantification précise de la vascularisation du bulbe olfactif a pu mettre en évidence que la couche glomérulaire, très dense en synapses, est l'une des zones les plus vascularisées du cerveau. Cette couche est aussi le lieu d'une intense consommation d'oxygène lors du traitement de l'information olfactive. Par contraste, la couche du nerf, complètement dénuée d'interactions synaptiques et très peu vascularisée, consomme peu d'oxygène. L'étude pharmacologique de ces réponses métaboliques nous a permis de montrer que le compartiment post-synaptique du glomérule est le siège de cette intense activité métabolique. Cette dernière est aussi dépendante du traitement de l'information olfactive qui est effectué à la fois dans le bulbe olfactif et à la périphérie, dans la cavité nasale. Ceci nous a permis de caractériser l'effet de l'adaptation périphérique sur la consommation d'oxygène et le traitement local de l'information olfactive. Enfin, nous avons décrit en détail l'importance des phénomènes de diffusion au niveau du réseau microvasculaire dans le rééquilibrage transitoire du taux d'oxygène local.

Notre laboratoire a récemment développé une méthode d'imagerie bi-photonique de phosphorescence en profondeur, pour mesurer la Po2 in vivo, avec une résolution micrométrique dans le cerveau de rongeurs anesthésiés (Parpaleix et al. 2013). Le laboratoire a également fait l'observation que la valeur de la Po2 à mi-distance entre deux érythrocytes d'un capillaire, rapporte indirectement la Po2 dans le tissu voisin. Mon projet de thèse a été de mettre au point une approche permettant de mesurer la Po2 cérébrale chez l'animal éveillé non-stressé. Pour ce faire, j'ai développé une approche chirurgicale permettant d'observer en microscopie bi-photonique, le bulbe olfactif et le cortex somato-sensoriel de souris éveillées. J'ai ensuite mis au point une technique d'entrainement permettant à ces souris d'être maintenues en contention en l'absence de stress. La première partie de mon travail, menée dans la couche glomérulaire, a permis de déterminer une Po2 érythrocytaire de 60.6 mm Hg et une Po2 tissulaire de 23 mm Hg, un flux érythrocytaire moyen de 30.6 cellules/s et un hématocrite moyen de 34.6 %.Dans un deuxième temps, j'ai reproduit ces mesures dans le cortex somato-sensoriel et observé des différences régionales touchant la Po2 tissulaire moyenne et les paramètres vasculaires, tels l'hématocrite et le flux érythrocytaire. Enfin, j'ai analysé combien l'anesthésie change l'état d'oxygénation cérébrale. Mes données, obtenues dans des conditions vraiment physiologiques, permettront d'améliorer les modèles de diffusion de l'oxygène, ainsi que l'analyse quantitative du métabolisme cérébral et l'interprétation de la nature des signaux mesurés en imagerie cérébrale humaine. / Two-photon phosphorescence lifetime microscopy allows depth-resolved micron-scale measurements of oxygen partial pressure (Po2) in the brain. The spatiotemporal resolution of these measurements has shown that the portion of capillary plasma in the vicinity of red blood cells (RBCs) has a higher Po2(Po2RBC) than that distant from RBCs(Po2InterRBC). Our group has shown that Po2InterRBC equilibrates with neuropil Po2 and can thus be used to non-invasively measure tissue Po2 (Parpaleix et al., 2013). The relevance of reported high-resolution Po2 values remains uncertain as measurements have only been performed during anaesthesia, which affects both neuronal activity and cerebral blood flow, and thus brain Po2.I measured Po2 at rest, in the awake, unstressed mouse in two brain regions, the olfactory bulb glomerular layer (GL) and the somatosensory cortex. The first section of my research, conducted in the GL, produced the first measurements of blood flow and Po2 parameters in the cerebral microvasculature in physiological conditions. I determined mean Po2 levels of values of 60.6 mmHg for Po2RBC, 23 mmHg for tissue Po2. In the cortex Po2 values show differences between the superficial layers. Furthermore the relationships of RBC Po2 and tissue Po2 to the blood flow parameters differed between the cortical layers, and also in comparison to the olfactory bulb GL.I compared both vascular and tissue Po2 between the awake and anaesthetised states, and observed that anaesthetics can dramatically change Po2 at the microvascular scale. This finding emphasises the importance of measuring these values in the physiologically normal brain.

Abstract : Normal aging is accompanied by several metabolic and structural changes in the brain and a heightened risk of cognitive decline. These brain changes may increase the chances of later developing Alzheimer’s disease. The first major objective of the present work was to quantify, through positron emission tomography (PET) and volumetric magnetic resonance (MR) imaging techniques, the effects of normal aging on brain metabolism and structure. Our results indicate that brain glucose hypometabolism can be present in older individuals who remain cognitively normal. Cognitive status was assessed using age-normalised neuropsychological tests. Brain glucose hypometabolism was quite specific and affected primarily the prefrontal cortex and the caudate nucleus. Due to the high variation in plasma ketones, brain ketone hypometabolism per se was not present in older persons (≥65 years old). However, a lower rate constant for brain ketone uptake was fairly widespread in our healthy older group. Lower regional brain volume during normal aging was widespread throughout the cortex and was more apparent than cortical thickness loss. The second major objective was to characterize brain ketone and glucose metabolism in the context of mild Alzheimer’s disease. Glucose hypometabolism in Alzheimer’s disease was present in the temporoparietal cortex when compared with cognitively normal older adults. However, no significant differences in brain ketone metabolism or rate constant were found between the two groups. Alternative energy sources to glucose may therefore be beneficial to the Alzheimer’s disease brain, at least early in the disease process, in order to maintain neuronal capacity and limit synaptic loss and decline in memory and cognition. // Résumé : Au cours du vieillissement normal, le cerveau va subir plusieurs changements métaboliques et structuraux qui vont accroitre le risque de déclin cognitif et du fait même augmenter le risque de développer la maladie d’Alzheimer. Les objectifs du présent travail étaient de : 1) quantifier l’effet du vieillissement normal sur la structure et le métabolisme du cerveau, grâce aux techniquesd’imagerie tomographie par émission de positons et l’imagerie par résonance magnétique ; 2) caractériser le métabolisme cérébral des deux substrats énergétiques du cerveau, le glucose et les cétones, dans un contexte de la maladie d’Alzheimer. Nos résultats indiquent qu’un hypométabolisme du glucose est présent chez des personnes âgées (65 ans et plus) qui démontrent pourtant une cognition normale. Cette diminution du métabolisme cérébral du glucose est observée spécifiquement au niveau des régions du cortex préfrontal et du noyau caudé. Du fait d’une grande variabilité au niveau des concentrations plasmatiques en cétones, aucune diminution du métabolisme des cétones n’a été constatée chez les personnes âgées. En revanche, la constante de transfert des cétones au cerveau était globalement diminuée. En ce qui concerne l’atrophie cérébrale au cours du vieillissement normal, nous avons observé qu’elle était globale, qu’elle concerne l’ensemble du cerveau et qu’elle était plus marquée que la diminution de l’épaisseur corticale. En comparant des personnes âgées en bonne santé à des personnes ayant la maladie d’Alzheimer, nous avons également confirmé que chez ces dernières, le métabolisme du glucose est diminué spécifiquement au niveau du cortex temporopariétal. Cependant, aucune différence entre les deux groupes de personnes n’a été observée en ce qui concerne le métabolisme cérébral des cétones. Ainsi en fournissant des substrats énergétiques autres que le glucose, il serait donc possible de maintenir les capacités neuronales, limiter la perte synaptique et ralentir le déclin cognitif. Ceci pourrait constituer une stratégie prometteuse dans la prévention et le traitement complémentaire au début de la maladie d’Alzheimer.

Un dysfonctionnement du métabolisme cérébral est observé au décours d'un traumatisme crânien (TC). L’œdème cérébral et l’hypoxie cérébrale post-traumatiques sont des acteurs principaux de l’apparition des lésions ischémiques secondaires responsables en partie de la défaillance énergétique. Cette hypoxie tissulaire résulte de troubles macrocirculatoires, de troubles de la microcirculation et/ou de troubles de la diffusion de l’oxygène des capillaires sanguins aux tissus. La baisse de la consommation en oxygène est également liée à une dysfonction mitochondriale post traumatique de la chaine respiratoire. Ces phénomènes ischémiques ou hypoxiques aboutissent ainsi à une élévation de lactate endogène en condition anaérobie. Cependant, l'élévation de lactate endogène post traumatique est liée majoritairement à une crise métabolique conduisant à une hyperglycolyse en dehors de tout phénomène hypoxique ou ischémique. L'objectif de notre étude était donc d’étudier l'œdème cérébral, l'oxygénation cérébrale, la défaillance mitochondriale post traumatique et le métabolisme cérébral dans un modèle expérimental de traumatisme crânien diffus par impact accélération chez l'animal. Nous avons étudié les effets de différents neuroprotecteurs sur le métabolisme cérébral à l'aide d'un monitorage multimodal. Les effets de la rhEpo (5000UI/Kg), du mannitol (1g/kg) et du lactate de sodium molaire (1.5 ml/Kg soit 3mOsm/kg) ont été étudiés sur l'œdème cérébral (IRM, microscopie électronique), sur l'hypoxie cérébrale tissulaire (IRM BOLD, mesure de la pression tissulaire en O2, saturation veineuse en O2 du sinus longitudinal supérieur), sur le métabolisme cérébral (spectroRMN) et sur la mitochondrie (analyse de la capacité de rétention calcique, de la chaine respiratoire, microscopie électronique et mesure du calcium intramitochondrial) chez des rats wistar mâles. Notre hypothèse était que l’injection de différents neuroprotecteurs permettrait d’améliorer le métabolisme cérébral post traumatique par des effets bénéfiques sur l’hémodynamique cérébrale et l'œdème cérébral, sur l'hypoxie tissulaire ou sur la dysfonction mitochondriale post TC. Nos résultats ont démontré que la rhEpo avait un effet bénéfique sur l'hypoxie cérébrale post traumatique par le biais d'une diminution de l'œdème cérébral péri capillaire en phase aigue associée à une diminution de la dysfonction mitochondriale proapoptotique. Le mannitol améliore l'hypoxie cérébrale post traumatique en jouant sur la microvascularisation cérébrale perturbée par l'œdème astrocytaire péri capillaire. Enfin, le lactate de sodium molaire avait des effets bénéfiques anti œdémateux et sur la dysfonction mitochondriale post TC améliorant ainsi la crise métabolique post traumatique. Ces résultats permettent d'améliorer la compréhension de la physiopathologie des lésions survenant au décours du traumatisme crânien ainsi que les mécanismes d'action de différentes molécules neuroprotectrices. / Cerebral metabolism is impaired after a Traumatic Brain Injury (TBI). Post traumatic cerebral edema and hypoxia are mainly responsible of the development of secondary ischemic lesions after TBI leading to metabolic impairment. Tissular hypoxia can result from disorders in macro and microcirculation and/or disturbance in the diffusion of oxygen from the blood capillaries to tissue. The decrease in oxygen consumption observed after brain injury is also related to a post traumatic dysfunction of the mitochondrial respiratory chain. These ischemic or hypoxic phenomena may be responsible for metabolic disorders leading to elevated level of endogenous lactate under anaerobic conditions. However, the elevation of endogenous lactate is mainly the consequence of a metabolic crisis that led to a state of hyperglycolysis without cerebral hypoxia or ischemia after TBI. The aim of our study was to investigate cerebral edema, cerebral oxygenation, mitochondrial and metabolic impairment post TBI in an experimental model of impact acceleration diffuse brain injury in rats. We also analyzed the effects of various neuroprotective agents on cerebral metabolism using a multimodal monitoring. The effects of rhEpo (5000UI/Kg), mannitol (1g/Kg) and of molar sodium lactate (1.5 ml/Kg or 3mOsm/kg) were investigated on brain edema (MRI, electronic microscopy), on brain tissue hypoxia (BOLD MRI, measurement of the tissular pressure of O2, venous O2 saturation of the upper longitudinal sinus), on brain metabolism (Magnetic Resonance Spectroscopy) and on mitochondria (study of the calcium retention capacity, of the respiratory chain, morphological analysis with electronic microscopy and measurement of intramitochondrial calcium) in male wistar rats. We hypothesized that the injection of various neuroprotective agents would improve posttraumatic cerebral metabolism by restoring a better cerebral hemodynamic status, by improving cerebral edema, tissular oxygenation and/or mitochondrial function. On the early phase of TBI, we demonstrated that rhEpo had a beneficial effect on post traumatic cerebral hypoxia by decreasing post-traumatic cerebral capillaries collapse due to astrocytic end-foot swelling. This effect was associated with an improvement in cellular apoptosis induced by mitochondrial pathways. Mannitol improved brain hypoxia by decreasing peri vascular astrocytic edema. Sodium lactate had benefic effects on cerebral hypoxia by decreasing cerebral edema and improved mitochondrial and metabolic impairments after TBI. These results help understanding physiopathological events after TBI and the various effects of neuroprotective agents that can be used in future clinical research.

Résumé : Les personnes atteintes de la maladie d’Alzheimer présentent une diminution de la capture cérébrale du glucose, qui semble être impliquée dans le développement des problèmes cognitifs associés à la maladie. Toutefois, il n’y a encore aucun consensus quant à savoir si la capture cérébrale du glucose est diminuée chez les personnes âgées cognitivement saines. En condition de déficit de glucose, les cétones sont le substrat énergétique alternatif pour le cerveau. La diète cétogène, induisant une cétose légère, améliore les fonctions cognitives chez les modèles animaux et chez l’homme. Notre premier objectif était d’évaluer l’effet du vieillissement sain et de la diète cétogène sur la capture cérébrale du glucose et des cétones chez le rat. Pour cela, la capture cérébrale de radiotraceurs analogues au glucose et aux cétones a été mesurée par tomographie par émission de positons. Nos résultats montrent que la capture des deux principaux substrats énergétiques du cerveau est globalement similaire chez des rats sains jeunes et âgés, mais est plus élevée suite à la diète cétogène. L’induction d’une cétose légère pourrait corriger la diminution de capture cérébrale du glucose subvenant au cours de la maladie d’Alzheimer. Le second objectif était de déterminer l’effet d’une diète cétogène sur le métabolisme cérébral du glucose et des cétones chez le rat. Pour cela, les différents intermédiaires des voies métaboliques du glucose et des cétones ont été mesurés par spectroscopie par résonance magnétique nucléaire. Les résultats démontrent que le métabolisme du glucose et des cétones dans les cellules du cerveau est plus élevé suite à la diète cétogène. Le contenu en acide [gamma]-aminobutyrique, le principal neurotransmetteur inhibiteur, est aussi plus élevé suite à la diète cétogène, ce qui pourrait contribuer à l’effet antiépileptique de la diète cétogène. Le troisième objectif était d’évaluer l’impact d’une restriction calorique à long terme, pouvant induire une cétose légère, sur le métabolisme cérébral chez des rats âgés sains. Nos résultats montrent que, couplée à une diète à haute teneur en sucrose et faible en acides gras oméga-3, la restriction calorique à long terme chez les rats âgés ne modifie pas le profil des métabolites et des acides gras du cerveau. La déficience en acides gras oméga-3 et la surcharge de sucrose pourraient empêcher une grande partie des effets bénéfiques de la restriction calorique au cerveau.//Abstract : Alzheimer’s disease is associated with a reduction of brain glucose uptake, which may be involved in the development of the cognitive problems associated with the disease. It is however unclear whether brain glucose uptake is decreased in the cognitively healthy elderly. Under conditions of glucose deficit, ketones are the alternative brain energy substrate. A mild ketosis, induced by the ketogenic diet, improves cognitive functions in animal models and humans. Our first objective was to evaluate the effect of healthy aging and of a ketogenic diet on brain glucose and ketone uptake in the rat. Brain uptake of radiotracers analogous to glucose and ketones was measured by positron emission tomography. Our results show that the uptake of the brains two main energy substrates is generally similar in healthy young and aged rats, but is higher under the ketogenic diet. The induction of a mild ketosis may compensate the reduction of brain glucose uptake occurring in Alzheimer’s disease. The second objective was to assess the effect of a ketogenic diet on brain glucose and ketone metabolism in the rat. Metabolic pathway intermediates of glucose and ketones were measured by nuclear magnetic resonance spectroscopy. Results show that glucose and ketone metabolism in brain cells is higher under the ketogenic diet. Content of [gamma]-aminobutyric acid, the main inhibitory neurotransmitter, is also higher under the ketogenic diet, which could contribute to the antiepileptic effect of the ketogenic diet. The third objective was to evaluate the effect of a long-term calorie restriction, which may induce a mild ketosis, on brain metabolism in healthy aged rats. Our results show that, in conjunction with a diet enriched in sucrose and low in omega-3 fatty acids, long-term calorie restriction in aged rats does not change brain metabolite and fatty acid profiles. Omega-3 fatty acid deficiency and an overload of sucrose may prevent the beneficial effects associated with calorie restriction in the brain.

Ce mémoire est séparé en deux volets, tous deux axés sur la spectroscopie proche infra-rouge (NIRS) pour la quantification des paramètres hémodynamiques. La NIRS est principalement basée sur la mesure des coefficients d'absorption (μa) et de dispersion (μs’) des tissus afin de retrouver les concentrations d'oxy- et de déoxyhémoglobine dans le sang. L'imagerie à l'aide de la NIRS est basée sur le parcours des photons à travers le tissu biologique à différentes longueurs d'onde du spectre proche infra-rouge. Le premier appareil de NIRS dont il sera question est un appareil de spectroscopie résolue dans le temps. Ce type de système retrouve des concentrations absolues d'hémoglobine à l'aide d'un bandeau placé sur la peau d’un sujet, dans ce cas-ci sur le front. Le modèle d’analyse des données permet la séparation des contributions extra-cérébrales et cérébrales aux données. Cette méthode fournit des données plus exactes sur la saturation en oxygène du cerveau, par rapport à un modèle homogène où le signal est contaminé par les couches superficielles. Une étude sur les changements hémodynamiques cérébraux de jeunes adultes pendant une activité physique a été réalisée, et l’article en détaillant les résultats est transcrit au chapitre 2. Le chapitre 3 comprend un retour sur cette étude et aborde les possibilités de travaux futurs. La seconde partie de mes travaux s’est déroulée sous forme de stage en entreprise durant l’été 2016. Sous la supervision de Dennis Hueber, Ph. D., et Beniamino Barbieri, Ph. D., j’ai effectué des recherches portant sur un appareil de NIRS manufacturé par la compagnie ISS Inc. et dont un prototype se trouve actuellement dans le laboratoire de mon superviseur Mathieu Dehaes, Ph. D. Cet appareil combine deux modalités d’imagerie optique, soit la NIRS dans le domaine des fréquences et la spectroscopie de corrélation diffuse. Le chapitre 4 détaille les tâches que j’ai réalisées durant ce temps, de même que les résultats des analyses que j’ai effectuées. / This master’s thesis is separated in two phases, both focused on near infrared spectroscopy for the quantification of hemodynamic parameters. NIRS is based on the measure of absorption (μa) and scattering (μs’) coefficients of tissues in order to recover the oxy- and deoxyhemoglobin concentrations in the blood. Its results are based on the photon propagation in tissue at different near-infrared wavelengths. The first NIRS system used during my studies is a time-resolved spectroscopy system. This device allowed us to retrieve absolute hemoglobin concentrations using a headband placed over the subject’s skin and centered on their forehead. The data analysis model which we used allowed us to separate extra-cerebral and cerebral contributions of the signal. This method yielded quantitative absolute measures of cerebral oxygen saturation as opposed to the traditional homogenous model where the signal is contaminated by superficial layers. A study on cerebral hemodynamic changes in young adults during exercise was conducted, and the published article detailing its results is transcribed in Chapter 2. Chapter 3 includes a review of this study and discusses potential future works. The second part of my research consisted in an industrial internship during the summer of 2016. Under the supervision of Dennis Hueber, Ph. D., and Beniamino Barbieri, Ph. D., I have worked on a NIRS device manufactured by ISS Inc., a prototype of which is currently in the laboratory of my supervisor Mathieu Dehaes, Ph. D. This device combines two NIRS modalities: frequency-domain NIRS and diffuse correlation spectroscopy. Chapter 4 details the work I have performed at ISS and the results of my research and analysis.