Microscopic Studies of Neurovascular Coupling During Epilepsy in the Mouse Brain

Les mécanismes liant l'activité neuronale au changement local du flot sanguin sont regroupés dans un ensemble nommé couplage neurovasculaire. Ce lien neurovasculaire, qui est à la base de plusieurs principes d'imagerie fonctionnelle du cerveau, est altéré par l'épilepsie. Ces dernières années, des techniques d'imagerie tel l'IRMf, IOS et la NIRS ont été utilisées pour l'étude de cette maladie, montrant une forte corrélation entre l'activité épileptique et le signal mesuré. Par contre, la plupart de ces travaux se sont concentrés sur les changements d'hémoglobine, qui peuvent être liés à des phénomènes non-linéaires et qui ne renseignent pas directement sur la quantification de l'oxygène délivré localement. Le but de cette thèse est d'investiguer l'utilisation de la microscopie avec de nouvelles sondes moléculaires permettant l'imagerie de l'oxygénation des tissus durant les évènements épileptiques dans le cortex sensori-moteur de la souris. Dans un premier temps, une méthode de mesure de la pression partielle d'oxygène (PO2) en microscopie confocale du temps de vie de phosphorescence fut développée. Ce système permet une mesure minimalement invasive du PO2 dans les tissus corticaux à haute fréquences spatiale et temporelle lorsqu'il est utilisé conjointement avec la sonde phosphorescente OxyphorG4. Les mesures réalisées durant les crises épileptiques, induites avec l'agent 4-aminopyridine (4-AP), montrent des changements significatifs de l'oxygénation tissulaire. De plus, la distribution spatio-temporelle de la chute initiale de la réserve en oxygène, à proximité du point d'injection et le long des artérioles, a été caractérisé durant ces mêmes épisodes épileptiques. Une corrélation positive entre la variation du PO2 durant cette première phase et la durée de la crise épileptique a aussi été mesurée. Cette mesure pourrait s'avérer utile dans la localisation des foyers épileptique et dans la prédiction de la durée des crises. La deuxième étude présentée dans cette thèse se concentre sur le possible rôle joué par les astrocytes, qui sont un des acteurs importants dans le couplage neurovasculaire, dans la propagation des crises épileptiques. La concentration en ions calciques libres à la base axonale des astrocytes, conjointement avec le diamètre des artérioles adjacentes a été mesuré in-vivo en simultané sur des souris durant les épisodes épileptiques. Pour la mesure du calcium, la sonde fluorescente OregonGreen BAPTA-1 AM (OGB-1) a été utilisée en imagerie du temps de demie-vie de fluorescence avec un microscope 2-photons. Les résultats montrent que l'augmentation de calcium induirait une vasodilatation à chaque ictus dans la région du foyer épileptique. Dans les régions plus éloignées, cette même mesure corrèlerait plutôt avec une vasoconstriction dans les premiers moments de la crise, suivi par une vasodilatation selon la durée de l'épisode. De plus, une augmentation lente du niveau absolu de la concentration calcique a été observée lors de longues séquences d'évènements. Cette tendance à la hausse semble induire à son tour une constriction des artérioles dans les régions adjacentes. Ces observations confirment le rôle des astrocytes dans le contrôle local de la microcirculation et suggèrent un second rôle de modulation du niveau de la concentration calcique autour de leur base axonale. Puisqu'il n'a pas été possible de mesurer le PO2 en profondeur dans le cerveau ou de pouvoir imager adéquatement les réseaux de capillaires en microscopie confocale, et suivant le développement d'une sonde sensible aux ions d'oxygène en microscopie 2-photons, il a donc été possible, dans le cadre de la dernière étude de cette thèse, d'acquérir cette mesure en profondeur durant des épisodes épileptiques. Des changements significatifs du PO2 dans les tissus et les vaisseaux ont pu être observés. La distribution spatiale de la chute initiale de ce paramètre autour des artérioles, des capillaires, des veinules et du tissu près du foyer a pu être caractérisée. Les résultats obtenus pourraient avoir des implications profondes dans notre compréhension des mécanismes de livraison de l'oxygène dans les tissus en profondeur et leur capacité à supporter le cortex adéquatement dans les situations pathologiques. Le potentiel de la microscopie dans l'étude du couplage neurovasculaire et des changements liés à des pathologies a pu être pleinement démontré par les travaux de cette thèse.

Abstract

Neurovascular coupling (NVC) is the mechanism that links a transient neural activity to the corresponding increase of cerebral blood flow (CBF). It underlies the local increase in blood flow during neural activity, forms the basis of functional brain imaging and is altered in epilepsy. For the last decades, functional imaging using BOLD fMRI, IOS and fNIRS and others have been applied to epilepsy, and yielded good correlation between epileptic activity and the measured signal. However, most previous work on epilepsy focused on the measurement of hemoglobin changes which sometimes leads to non-linear phenomena and does not quantify oxygen delivery in tissue. The aim of this thesis is to study oxygen delivery using microscopy with new oxygen sensitive molecular probes during epileptic events in the mouse somatosensory cortex. First, a confocal phosphorescence lifetime microscopy system for measuring brain oxygen partial pressure (PO2) was developed. This system enabled minimally invasive measurements of oxygen partial pressure in cerebral tissue with high spatial and temporal resolution using a dendritic phosphorescent probe, Oxyphor G4. Significant changes of PO2 in tissue were found at the epileptic focus and in remote areas during 4-aminopyridine (4-AP) induced epilepsy. The spatio-temporal distribution of the “initial dip” in PO2 near the injection site and along nearby arterioles was characterized by investigating epileptic events. A positive correlation between the percent change in the PO2 signal during the “initial dip” and the duration of seizure-like activity was revealed in this work, which may help localize the epileptic focus and predict the length of seizures. Because astrocytic calcium signalling is involved in neurovascular coupling, the second study investigated the role of this pathway in epilepsy. The free calcium concentration in astrocytic endfeet and diameter of adjacent arterioles were simultaneously monitored with the calcium-sensitive indicator OGB-1 by two-photon fluorescence lifetime measurements following 4-AP injection. Our results revealed that, increases in calcium concentration induced vasodilation for each ictal event in the focus. In the remote area, increases in calcium concentration correlated with vasoconstriction at the onset of seizure and vasodilation during the later part of the seizures. Furthermore, a slow increase in absolute calcium concentration following multiple seizures was observed, which in turn, caused a trend of arteriolar constriction both at the epileptic focus and remote areas. These observations confirmed the role of astrocytes in the control of local microcirculation and suggest a modulating role for baseline absolute calcium concentration in astrocytic endfeet. Since the confocal phosphorescence microscopy system was not able to measure PO2 deep in the cortex or resolve capillaries, two-photon phosphorescence microscopy was then used in the last project to study the PO2 delivery during epilepsy in deep tissue and vessels. Significant changes of PO2 in tissue and vasculature were observed during epileptic events. The spatial landscape of “initial dip” in PO2 signals around arterioles, veins and tissue near the injection site was characterized. These results may have profound implications for evaluating microvascular oxygen delivery capacity to support cerebral tissue in disease. The results of this thesis confirmed the potential of using microscopy to study neurovascular coupling during epilepsy.