Bases Physiologiques de l’Imagerie Cérébrale Fonctionnelle Société Française de Résonance Magnétique en Biologie & Médecine Bases Physiologiques de l’Imagerie Cérébrale Fonctionnelle Prof. Luc Pellerin Département de Physiologie Université de Lausanne CR Figley and PW Stroman (2011) Eur J Neurosci 33:577-88 Luc.Pellerin@unil.ch 2 Octobre 2013

Objectifs Exposer les principes de couplage neurovasculaire et neurométabolique sur lesquels reposent certaines des techniques d’imagerie cérébrale fonctionnelle les plus utilisées (i.e. TEP et IRMf) Décrire les mécanismes cellulaires et moléculaires proposés pour expliquer les couplages neurovasculaire et neurométabolique

Références B Cauli and E Hamel (2010) Revisiting the role of neurons in neurovascular coupling. Front Neuroenergetics 2:9. C Lecrux and E Hamel (2011) The neurovascular unit in brain function and disease. Acta Physiol 203:47-59. D Kleinfeld, P Blinder, PJ Drew, JD Driscoll, A Muller, PS Tsai and AY Shih (2011) A guide to delineate the logic of neurovascular signaling in the brain. Front Neuroenergetics 3:1. P Kowianski, G Lietzau, A Steliga, M Waskow and J Morys (2013) The astrocytic contribution to neurovascular coupling – Still more questions than answers ? Neurosci Res 75:171-183. GC Petzold and VN Murthy (2011) Role of astrocytes in neurovascular coupling. Neuron 71:782-797. JL Stobart and CM Anderson (2013) Multifunctional role of astrocytes as gatekeepers of neuronal energy supply. Front Cell Neurosci 7:38. CR Figley and PW Stroman (2011) The role(s) of astrocytes and astrocyte activity in neurometabolism, neurovascular coupling, and the production of functional neuroimaging signals. Eur J Neurosci 33:577-588.

Liens entre Activité Neuronale, Altérations Métaboliques et Hémodynamiques, et Imagerie Cérébrale Fonctionelle Bonvento, Sibson and Pellerin TINS 25:369-374, 2002

Deux phénomènes de couplage Couplage Neurovasculaire « Modification du flux sanguin cérébral local suite à une variation de l’activité neuronale » Couplage Neurométabolique « Modification de la consommation locale de substrats énergétiques (e.g. glucose, O2) suite à une variation de l’activité neuronale »

Couplage neurovasculaire Historique Mécanismes impliqués dans la régulation du débit sanguin local

Lien entre activité cérébrale et circulation sanguine Angelo Mosso (1888) Lien entre activité cérébrale et circulation sanguine MI Posner and ME Raichle (1994) Sci Amer Library : New York 53-81

Mécanisme de couplage entre activité cérébrale et débit sanguin Roy et Sherrington (1890): Mécanisme de couplage entre activité cérébrale et débit sanguin « We conclude then that the chemical products of cerebral metabolism contained in the lymph which bathes the walls of the arterioles of the brain can cause variations of the calibre of the cerebral vessels: that in this re-action the brain possesses an intrinsic mechanism by which its vascular supply can be varied locally in correspondence with local variations of functional activity. » In: Journal of Physiology (London) 11:85-108 (1890)

Deux hypothèses concurrentes d’explication du mécanisme de couplage neurovasculaire 1. Médiateurs locaux Augmentation de l’activité neuronale entraîne la libération de substances vasoactives issus du métabolisme Prostaglandines CO NO Adénosine EETs H+ K+ 2. Régulation nerveuse Acétylcholine Somatostatine VIP, etc...

Unité neurovasculaire JA Filosa and JA Idding (2013) Am J Physiol 305:H609-H619 GC Petzold and VN Murthy (2011) Neuron 71:782-97

Eléments cellulaires contribuant au couplage neurovasculaire B Cauli and E Hamel (2010) Front Neuroenergetics 2:9

Astrocyte: un lien naturel entre synapse et vaisseau De F. Pfrieger and C. Steinmetz, La recherche, 2003 (361)

PGE2 Mécanisme de couplage neurovasculaire impliquant les astrocytes R Parri and V Crunelli ( 2003) Nat Neurosci 6:5-6

Régulation du débit sanguin par le biais de substances vasoactives produites par les astrocytes JL Stobart and CM Anderson (2013) Front Cell Neurosci 7:38 PG Haydon and G Carmignoto (2006) Physiol Rev 86:1009-31

Modulation complexe du débit sanguin par l’activité neuronale au sein de l’unité neurovasculaire GC Petzold and VN Murthy (2011) Neuron 71:782-97 G Carmignoto and M Gomez-Gonzalo (2010) Brain Res Rev 63:138-48

Couplage neurométabolique Historique Mécanismes impliqués dans la régulation de la consommation de glucose

Métabolisme énergétique cérébral Le dogme central Le glucose est le principal substrat énergétique utilisé par le cerveau adulte L’oxidation complète du glucose fournit toute l’énergie nécessaire pour les besoins cérébraux Les dépenses énergétiques dans le système nerveux central sont dûes principalement à l’activité neuronale (~80-95%) alors que la glie ne participe que faiblement (~ 5-20%) L’utilisation du glucose est étroitement liée à l’activité synaptique

Métabolisme énergétique cérébral L’utilisation du glucose est étroitement liée à l’activité synaptique Couplage Neurométabolique

Principe de l’utilisation du 2-désoxyglucose pour révéler l’activité neuronale par autoradigraphie C Kennedy et al (1976) PNAS 73:4230-34

Mécanisme présumé du couplage entre activité neuronale et métabolisme énergétique K+ Vm Vasodilatateurs Na+ ATP Glucose O2 Na+ Ca2+ Substrats énergétiques Na+ K+ ATP Capillaire Neuropile

Rôle de la névroglie dans la distribution de substrats énergétiques provenant de la circulation aux neurones « The development of a felted sheath of neuroglia fibers in the ground-substance immediately surrounding the blood vessels of the Brain seems therefore … to allow the free passage of lymph and metabolic products which enter into the fluid and general metabolism of the nerve cells. » W.L. Andriezen (1893) In: On a system of fibre-like cells surrounding the blood vessels of the brain of man and mammals, and its physiological significance. Int. Monatsschr. Anat. Physiol. 10:532-540, 1893

Astrocyte: interface entre approvisionnement et consommation de substrats énergétiques F. Pfrieger and C. Steinmetz, La recherche, 2003 (361)

Hypothèse de la navette lactate Astrocyte-Neurone NBCe1 HCO3- Na+ Glutamatergic synapse K+ Vm pH Energy EAAT Astrocyte Energy Glucose Capillary K+ Na+, K+-ATPase EAAT Na+ Modifié de Magistretti et al, Science 283:496-7, 1999

Conclusion Trends Neurosci (2001) 24: 71-72