Functional Connectivity of the Rodent Brain Using Optical Imaging

L'objectif de cette thèse de doctorat est d'appliquer la connectivité fonctionnelle dans une variété de modèles animaux, à l'aide de plusieurs techniques d'imagerie optique. Le cerveau, même au repos, montre une activité métabolique élevée : la corrélation des fluctuations spontanées lentes permet d'identifier des régions cérébrales distantes mais connectées; d'où le terme connectivité fonctionnelle. Les changements dans l'activité spontanée peuvent donner un aperçu des processus neuronaux qui comprennent la majorité de l'activité métabolique du cerveau, et constituent en conséquent une vaste source de changements reliés aux maladies. L'hémodynamique du cerveau peut être modifiée grâce à des affections neurovasculaires et avoir un effet sur l'activité au repos. Cette thèse vise la compréhension des changements de connectivité fonctionnelle induits par des maladies, à l'aide de l'imagerie optique fonctionnelle. Les techniques d'imagerie explorées dans les deux premières contributions de cette thèse sont l'Imagerie Optique Intrinsèque et l'Imagerie par Granularité Laser. Ensemble, elles peuvent estimer les changements de consommation d'oxygène, étroitement liés à l'activité neuronale. Ces techniques possèdent des résolutions temporelles et spatiales adéquates et bien adaptées pour imager la convexité du cortex cérébral. Dans le dernier article, une modalité d'imagerie en profondeur, la Tomographie Photoacoustique a été utilisée chez le rat nouveau-né. La Tomographie par Cohérence Optique et la Tomographie Laminaire Optique font également partie de la gamme des techniques d'imagerie développées et appliquées dans d'autres collaborations. La première partie des résultats mesure les changements de connectivité fonctionnelle dans un modèle d'activité épileptiforme aiguë chez le rongeur. Il y a des augmentations ainsi que des diminutions entre les corrélations homologues, avec une faible dépendance aux crises épileptiques. Ces changements suggèrent un découplage potentiel entre les paramètres hémodynamiques dans les réseaux au repos, en soulignant l'importance d'investiguer les réseaux épileptiques à l'aide de plusieurs mesures hémodynamiques indépendantes. La deuxième partie des travaux étudie un nouveau modèle de rigidité artérielle chez la souris : la calcification unilatérale de la carotide droite. L'analyse de connectivité basé sur les régions d'intérêt montre une tendance décroissante de corrélation homologue dans les cortex moteur et cingulum. L'analyse de graphes montre une randomisation des réseaux corticaux, ce qui suggère une perte de connectivité; plus spécifiquement, dans le cortex moteur ipsilateral à la carotide

Abstract

The aim of this thesis is to apply functional connectivity in a variety of animal models, using several optical imaging modalities. Even at rest, the brain shows high metabolic activity: the correlation in slow spontaneous fluctuations identifies remotely connected areas of the brain; hence the term “functional connectivity”. Ongoing changes in spontaneous activity may provide insight into the neural processing that takes most of the brain metabolic activity, and so may provide a vast source of disease related changes. Brain hemodynamics may be modified during disease and affect resting-state activity. The thesis aims to better understand these changes in functional connectivity due to disease, using functional optical imaging. The optical imaging techniques explored in the first two contributions of this thesis are Optical Imaging of Intrinsic Signals and Laser Speckle Contrast Imaging, together they can estimate the metabolic rate of oxygen consumption, that closely parallels neural activity. They both have adequate spatial and temporal resolution and are well adapted to image the convexity of the mouse cortex. In the last article, a depth-sensitive modality called photoacoustic tomography was used in the newborn rat. Optical coherence tomography and laminar optical tomography were also part of the array of imaging techniques developed and applied in other collaborations. The first article of this work shows the changes in functional connectivity in an acute murine model of epileptiform activity. Homologous correlations are both increased and decreased with a small dependence on seizure duration. These changes suggest a potential decoupling between the hemodynamic parameters in resting-state networks, underlining the importance to investigate epileptic networks with several independent hemodynamic measures. The second study examines a novel murine model of arterial stiffness: the unilateral calcification of the right carotid. Seed-based connectivity analysis showed a decreasing trend of homologous correlation in the motor and cingulate cortices. Graph analyses showed a randomization of the cortex functional networks, suggesting a loss of connectivity, more specifically in the motor cortex ipsilateral to the treated carotid; however these changes are not reflected in differentiated metabolic estimates. Confounds remain due to the fact that carotid rigidification gives rise to neural decline in the hippocampus as well as unilateral alteration of vascular pulsatility; however