Functional Connectivity of the Rodent Brain Using Optical Imaging

RESUME L'objectif de cette these de doctorat est d’appliquer la connectivite fonctionnelle dans une variete de modeles animaux, a l’aide de plusieurs techniques d’imagerie optique. Le cerveau, meme au repos, montre une activite metabolique elevee : la correlation des fluctuations spontanees lentes permet d’identifier des regions cerebrales distantes mais connectees; d’ou le terme connectivite fonctionnelle. Les changements dans l’activite spontanee peuvent donner un apercu des processus neuronaux qui comprennent la majorite de l’activite metabolique du cerveau, et constituent en consequent une vaste source de changements relies aux maladies. L’hemodynamique du cerveau peut etre modifiee grâce a des affections neurovasculaires et avoir un effet sur l’activite au repos. Cette these vise la comprehension des changements de connectivite fonctionnelle induits par des maladies, a l’aide de l’imagerie optique fonctionnelle. Les techniques d’imagerie explorees dans les deux premieres contributions de cette these sont l’Imagerie Optique Intrinseque et l’Imagerie par Granularite Laser. Ensemble, elles peuvent estimer les changements de consommation d'oxygene, etroitement lies a l’activite neuronale. Ces techniques possedent des resolutions temporelles et spatiales adequates et bien adaptees pour imager la convexite du cortex cerebral. Dans le dernier article, une modalite d’imagerie en profondeur, la Tomographie Photoacoustique a ete utilisee chez le rat nouveau-ne. La Tomographie par Coherence Optique et la Tomographie Laminaire Optique font egalement partie de la gamme des techniques d’imagerie developpees et appliquees dans d’autres collaborations. La premiere partie des resultats mesure les changements de connectivite fonctionnelle dans un modele d’activite epileptiforme aigue chez le rongeur. Il y a des augmentations ainsi que des diminutions entre les correlations homologues, avec une faible dependance aux crises epileptiques. Ces changements suggerent un decouplage potentiel entre les parametres hemodynamiques dans les reseaux au repos, en soulignant l’importance d’investiguer les reseaux epileptiques a l’aide de plusieurs mesures hemodynamiques independantes. La deuxieme partie des travaux etudie un nouveau modele de rigidite arterielle chez la souris : la calcification unilaterale de la carotide droite. L’analyse de connectivite base sur les regions d’interet montre une tendance decroissante de correlation homologue dans les cortex moteur et cingulum. L’analyse de graphes montre une randomisation des reseaux corticaux, ce qui suggere une perte de connectivite; plus specifiquement, dans le cortex moteur ipsilateral a 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