Development of an Awake Behaving model for Laser Doppler Flowmetry in Mice

Bien que le cerveau ne constitue que 2% de la masse du corps chez les humains, il présente l’activité métabolique la plus élevée dans le corps, et en conséquence, constitue un organe hautement vascularisé. En fait, l’approvisionnement en sang dans le cerveau est strictement modulé au niveau régional par un mécanisme fondamental nommé couplage neurovasculaire (CNV), qui associe les besoins métaboliques locaux au flux sanguin cérébral [1, 2]. Notre compréhension du CNV sous des conditions physiologiques et pathologiques a été améliorée par un large éventail d’études menées chez les rongeurs. Néanmoins, ces études ont été réalisées soit sous anesthésie, soit chez la souris éveillée et immobilisée, afin d’éviter le mouvement de la tête pendant l'acquisition de l'image. Les anesthésiques, ainsi que le stress induit par la contention, peuvent altérer l'hémodynamique cérébrale, ce qui pourrait entraver les résultats obtenus. Par conséquent, il est essentiel de contrôler ces facteurs lors de recherches futures menées au sujet de la réponse neurovasculaire. Au cours de l’étude présente, nous avons développé un nouveau dispositif pour l'imagerie optique éveillée, où la tête de la souris est immobilisée, mais son corps est libre de marcher, courir ou se reposer sur une roue inclinée. En outre, nous avons testé plusieurs protocoles d'habituation, selon lesquels la souris a été progressivement entraînée pour tolérer l’immobilisation de tête, afin de minimiser le stress ressenti lors des sessions d'imagerie. Enfin, nous avons, pour la première fois, cherché à valider l'efficacité de ces protocoles d'habituation dans la réduction du stress, en mesurant l'évolution des taux plasmatiques de corticostérone tout au long de notre étude. Nous avons noté que les souris s'étaient rapidement adaptées à la course sur la roue et que les signes visibles de stress (luttes, vocalisations et urination) étaient nettement réduits suite à deux sessions d'habituation. Néanmoins, les taux de corticostérone n'ont pas été significativement réduits chez les souris habituées, par rapport aux souris naïves qui ont été retenues sur la roue sans entraînement préalable (p> 0,05). Ce projet met en évidence la nécessité d'une mesure quantitative du stress, car une réduction des comportements observables tels que l'agitation ou la lutte peut être indicative non pas d'un niveau de stress plus faible, mais plutôt d'un désespoir comportemental. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si la fixation de la tête lors de l'imagerie optique chez la souris peut être obtenue avec des niveaux de stress plus faibles, et si le stress induit par la contrainte effectuée avec notre dispositif est associé à des changements de la réponse hémodynamique. Whilst the brain only constitutes 2% of total body weight in humans, it exhibits the highest metabolic activity in the body, and as such is a highly vascularized organ.  In fact, regional blood supply within the brain is strictly modulated through a fundamental process termed neurovascular coupling (NVC), which couples local metabolic needs with cerebral blood flow [1, 2]. A wide array of optical imaging studies in rodents has enhanced our understanding of NVC under physiological and pathological conditions. Nevertheless, these studies have been performed either under anesthesia, or in the awake mouse using restraint to prevent head-motion during image acquisition. Both anesthetics and restraint-induced stress have been clearly shown to alter cerebral hemodynamics, thereby potentially interfering with the obtained results [3, 4]. Hence, it is essential to control for these factors during future research which investigates the neurovascular response. In the present study, we have developed a new apparatus for awake optical imaging, where the mouse is head-restraint whilst allowed to walk, run or rest on an inclined wheel. In addition, we have tested several habituation protocols, according to which the mouse was gradually trained to tolerate head-restraint, in order to minimize the stress experienced during imaging sessions. Lastly, we have, for the first time, sought to validate the efficiency of these habituation protocols in reducing stress, by measuring the evolution of plasma corticosterone levels throughout the study.  We noted that the mice had quickly adapted to running on the wheel, and that the overt signs of stress (struggling, vocalizations and urination) were clearly reduced within two habituation sessions. Nevertheless, corticosterone levels were not significantly reduced in habituated mice, relative to naïve mice that were restrained on the wheel without prior training (p > 0.05).  This project highlights the necessity for a quantitative measure of stress, as a reduction in observable behaviors such as agitation or struggling may be indicative not of lower stress, but rather, of behavioral despair. Further research is needed to determine whether head-fixation during optical imaging in mice can be achieved with lower stress levels, and if restraint-induced stress using our apparatus is associated with changes in the hemodynamic response.

Keyphrases: Stress, Débit sanguin cérébral, Couplage neurovasculaire, Imagerie optique, Anesthésie, Corticostérone, Souris, Anesthesia, Cerebral blood flow, Corticosterone, Mice, Neurovascular coupling, Optical imaging, Stress