Microscopic Studies of Neurovascular Coupling During Epilepsy in the Mouse Brain

Les mecanismes liant l’activite neuronale au changement local du flot sanguin sont regroupes dans un ensemble nomme couplage neurovasculaire. Ce lien neurovasculaire, qui est a la base de plusieurs principes d’imagerie fonctionnelle du cerveau, est altere par l’epilepsie. Ces dernieres annees, des techniques d’imagerie tel l’IRMf, IOS et la NIRS ont ete utilisees pour l’etude de cette maladie, montrant une forte correlation entre l’activite epileptique et le signal mesure. Par contre, la plupart de ces travaux se sont concentres sur les changements d’hemoglobine, qui peuvent etre lies a des phenomenes non-lineaires et qui ne renseignent pas directement sur la quantification de l’oxygene delivre localement. Le but de cette these est d’investiguer l’utilisation de la microscopie avec de nouvelles sondes moleculaires permettant l’imagerie de l’oxygenation des tissus durant les evenements epileptiques dans le cortex sensori-moteur de la souris. Dans un premier temps, une methode de mesure de la pression partielle d’oxygene (PO2) en microscopie confocale du temps de vie de phosphorescence fut developpee. Ce systeme permet une mesure minimalement invasive du PO2 dans les tissus corticaux a haute frequences spatiale et temporelle lorsqu’il est utilise conjointement avec la sonde phosphorescente OxyphorG4. Les mesures realisees durant les crises epileptiques, induites avec l’agent 4-aminopyridine (4-AP), montrent des changements significatifs de l’oxygenation tissulaire. De plus, la distribution spatio-temporelle de la chute initiale de la reserve en oxygene, a proximite du point d’injection et le long des arterioles, a ete caracterise durant ces memes episodes epileptiques. Une correlation positive entre la variation du PO2 durant cette premiere phase et la duree de la crise epileptique a aussi ete mesuree. Cette mesure pourrait s’averer utile dans la localisation des foyers epileptique et dans la prediction de la duree des crises. La deuxieme etude presentee dans cette these se concentre sur le possible role joue par les astrocytes, qui sont un des acteurs importants dans le couplage neurovasculaire, dans la propagation des crises epileptiques. La concentration en ions calciques libres a la base axonale des astrocytes, conjointement avec le diametre des arterioles adjacentes a ete mesure in-vivo en simultane sur des souris durant les episodes epileptiques. Pour la mesure du calcium, la sonde fluorescente OregonGreen BAPTA-1 AM (OGB-1) a ete utilisee en imagerie du temps de demie-vie de fluorescence avec un microscope 2-photons. Les resultats montrent que l’augmentation de calcium induirait une vasodilatation a chaque ictus dans la region du foyer epileptique. Dans les regions plus eloignees, cette meme mesure correlerait plutot avec une vasoconstriction dans les premiers moments de la crise, suivi par une vasodilatation selon la duree de l’episode. De plus, une augmentation lente du niveau absolu de la concentration calcique a ete observee lors de longues sequences d’evenements. Cette tendance a la hausse semble induire a son tour une constriction des arterioles dans les regions adjacentes. Ces observations confirment le role des astrocytes dans le controle local de la microcirculation et suggerent un second role de modulation du niveau de la concentration calcique autour de leur base axonale. Puisqu’il n’a pas ete possible de mesurer le PO2 en profondeur dans le cerveau ou de pouvoir imager adequatement les reseaux de capillaires en microscopie confocale, et suivant le developpement d’une sonde sensible aux ions d’oxygene en microscopie 2-photons, il a donc ete possible, dans le cadre de la derniere etude de cette these, d’acquerir cette mesure en profondeur durant des episodes epileptiques. Des changements significatifs du PO2 dans les tissus et les vaisseaux ont pu etre observes. La distribution spatiale de la chute initiale de ce parametre autour des arterioles, des capillaires, des veinules et du tissu pres du foyer a pu etre caracterisee. Les resultats obtenus pourraient avoir des implications profondes dans notre comprehension des mecanismes de livraison de l’oxygene dans les tissus en profondeur et leur capacite a supporter le cortex adequatement dans les situations pathologiques. Le potentiel de la microscopie dans l’etude du couplage neurovasculaire et des changements lies a des pathologies a pu etre pleinement demontre par les travaux de cette these. ----------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.