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Monitoring du flux sanguin cérébral

Le système PSI pour le monitoring du flux sanguin cérébral

La combinaison unique d’une haute résolution spatiale, d’un grand champ de vision et d’une haute fréquence d’images fait du PeriCam PSI l’instrument idéal pour obtenir des images de grande qualité du cerveau et surveiller les changements rapides.

Les changements du flux sanguin cérébral (FSC) sont caractéristiques de bon nombre de troubles neurologiques et sont dès lors au cœur de nombreuses études dans le domaine des neurosciences. Ces études impliquent l’utilisation d’outils pour examiner ces changements, de préférence selon des méthodes non invasives en temps réel. Le système PeriCam PSI est un imageur de perfusion sanguine utilisant la technologie de l’analyse du contraste speckle laser (LASCA). La technologie LASCA offre des moyens innovants pour l’étude de la microcirculation. Elle permet de visualiser la perfusion sanguine tissulaire en temps réel, et combine réponse dynamique et résolution spatiale. Elle n’influe pas sur la perfusion dans la mesure où elle ne nécessite aucun contact direct avec le tissu ni aucun produit de contraste ou élément traceur. Par ailleurs, afin d’étendre sa fonctionnalité, un logiciel d’application dédié, PIMSoft, a été développé. La PSI a largement été utilisée pour monitorer le FSC et ses modifications dans divers modèles murins afin de décrire une pathologie et de contrôler l’efficacité du traitement.

Cerveau de souris. PeriCam PSI HR (haute résolution) Images fournies par le Dr Offenhauser, Charité, Berlin, Allemagne.

Présentation

Le système PeriCam PSI a prouvé son utilité dans de nombreux domaines de la recherche sur le flux sanguin
cérébral, parmi lesquels l’analyse des lésions cérébrales ischémiques. Des AVC ischémiques et hémorragiques peuvent être induits, et le système PeriCam PSI permet de déterminer leur ampleur ainsi que de suivre l’évolution du processus dynamique après les AVC. De la même manière, le système PeriCam PSI peut être utilisé pour effectuer des analyses dans des modèles d’hypoperfusion cérébrale chronique et de lésions traumatiques du cerveau.

Un autre domaine est l’étude des changements hémodynamiques cérébraux, pour laquelle le système PeriCam PSI, grâce à sa combinaison unique de haute résolution spatiale, de grand champ de vision et de haute fréquence d’images, constitue un outil idéal pour analyser les modifications rapides du FSC. Cette technique est parfaitement adaptée à la visualisation des vagues de changement de perfusion qui surviennent dans le cas d’une dépression corticale envahissante, et le mode d’imagerie différentielle a été conçu dans cette optique. Plus récemment, cette technique a également prouvé son utilité dans le cadre du couplage neurovasculaire.

La PSI pour la caractérisation des lésions cérébrales ischémiques

Grâce à ses fonctionnalités uniques, la PSI convient à l’étude des lésions cérébrales ischémiques dans plusieurs modèles, notamment l’AVC, l’hypoperfusion cérébrale chronique et les lésions cérébrales traumatiques.

Vaste champ de vision : la visualisation de l’ensemble de la zone cérébrale permet de vérifier et de caractériser les lésions ischémiques
Résolution spatiale élevée : définit avec précision l’emplacement de la lésion. L’insertion de régions d’intérêt (ROI) permet de mesurer la zone atteinte et de suivre le rétablissement de la lésion.
Fonction de reprise de l’enregistrement : simplifie l’acquisition et l’analyse de données pour les études longitudinales en capturant des mesures répétées d’un même sujet dans un fichier unique, ce qui permet de comparer facilement des ROI identiques au fil du temps.

AVC

o Modèle d’occlusion de l’artère cérébrale moyenne (OACM) – Un filament est inséré dans l’artère afin d’obstruer le flux sanguin durant une période déterminée (généralement entre 30 et 120 minutes) avant de le retirer pour permettre une reperfusion entraînant un AVC ischémique 1-9.

Images de la perfusion cérébrale d’un souris avant, pendant après OACM, avec quantification des changements de perfusion sanguine des côtés ipsilatéral et controlatéral chez l’animal traité et non traité.
Images fournies par Dandan Sun et Iqbal H. Bhuiyan, Département de neurologie et Pittsburgh Institute For Neurodegenerative Diseases, Université de Pittsburgh. Figure reproduite avec l’autorisation de Nature Communications, initialement publiée dans : Zhang, J., Bhuiyan, M.I.H., Zhang, T. et al. Modulation of brain cation-Cl− cotransport via the SPAK kinase inhibitor ZT-1a. Nat Commun 11, 78 (2020). DOI : 10.1038/s41467-019-13851-6

o Modèle d’hémorragie sous-arachnoïdienne (HSA) – Un filament est inséré pour perforer l’artère cérébrale antérieure, entraînant un AVC 10-13.

Brain Research, volume 1727 (2020) 146566


Images de la perfusion d’un cerveau de souris avant et après une une lésion par HSA. Le même animal a été suivi pendant une semaine après la lésion afin de suivre son rétablissement. Images acquises avec PSI HR.
Hypoperfusion cérébrale chronique

o Modèle d’occlusion bilatérale des artères carotides communes (OBACC) – Les artères carotides communes sont doublement ligaturées de manière ferme à l’aide de sutures ou de microbobines pour créer des régions ischémiques dans les deux hémisphères 14-20.

Images de la perfusion de cerveaux de souris avant et après OBACC, avec quantification des changements de perfusion sanguine chez les animaux traités et non traités. Les animaux ont été suivis pendant un mois après l’apparition des lésions.
Images fournies par le Dr Nasrul Hoda Georgia, Regents University, Université de Géorgie, et Charlie Norwood VA Medical Center, Augusta, GA.
Figure reproduite avec l’autorisation de Translational Stroke Research et initialement publiée dans : Khan, M.B., Hoda, M.N., Vaibhav, K. et al. Remote Ischemic Postconditioning: Harnessing Endogenous Protection in a Murine Model of Vascular Cognitive Impairment. Transl. Stroke Res. 6, 69–77 (2015). https://doi.org/10.1007/s12975-014-0374-6.
Lésions cérébrales traumatiques

o Modèle d’impact cortical contrôlé (ICC) – Un dispositif de contusion est utilisé pour provoquer une lésion au niveau du cortex sensorimoteur 21-23.
o Modèle de lâcher de poids/d’accélération d’impact – Un poids est lâché sur le crâne non protégé pour provoquer une lésion cérébrale.

Images de la perfusion d’un cerveau de souris avant et après une lésion cérébrale traumatique. Le même animal a été suivi pendant 3 jours après la lésion.
Images fournies par le Dr Han Liu, Département de neurochirurgie, Premier hôpital affilié à l’Université de médecine de Chongqing, Chongqing 400016, RP de Chine
H. Liu et al./Brain Research 1700 (2018) 118–125

La PSI pour la caractérisation des modifications hémodynamiques du cerveau

Grâce à ses caractéristiques uniques et à sa capacité à visualiser les changements de la perfusion dans l’espace et dans le temps, la PSI permet d’étudier les petites modifications dynamiques du FSC en réponse à une stimulation. Les réponses anormales constituent des signes précoces de dysfonctionnement cognitif.

La fréquence d’images et la résolution spatiale élevées permettent de capturer les changements dynamiques de la microvascularisation cérébrale dans de petites structures résultant de stimuli externes.
L’imagerie différentielle permet de mieux visualiser les modifications plus subtiles du FSC.

Couplage neurovasculaire (CNV)

Mécanisme homéostatique essentiel qui garantit un ajustement adéquat du FSC en fonction des augmentations de la demande en en oxygène et en nutriments des neurones activés, produisant une hyperémie fonctionnelle. Le CNV joue un rôle majeur dans le maintien de l’intégrité de la fonction cognitive. La PSI permet d’enregistrer les modifications hémodynamiques survenant dans le cortex somatosensoriel en réaction à une stimulation électrique du nerf sciatique 24 ou des vibrisses 25-28. Un dysfonctionnement du CNV contribue au déclin cognitif lié à l’âge.

Images de la perfusion d’un cerveau de souris, représentées en images absolues et différentielles, durant la stimulation des vibrisses droites (haut) et gauches (bas) pendant 30 secondes. Données graphiques PIMSoft de ROI du cortex en tonneau pendant la stimulation, laquelle est censée entraîner une augmentation de la perfusion. Un dysfonctionnement cognitif se traduit par une réduction des augmentations de la perfusion en réaction à la stimulation.
Images fournies par le Dr Stefano Tarantini et le Dr Zoltan Ungvari de l’University of Oklahoma Health Science Center, Oklahoma City, OK.

Dépression corticale envahissante (DCE)

Vagues de perte soudaine et quasi-totale de gradients ioniques transmembranaires des neurones, responsables d’œdème cytotoxique et qui se propagent à une vitesse d’environ 3 mm/min dans la matière grise cérébrale, entraînant une ischémie diffuse. La DCE joue un rôle central dans la neurodégénérescence consécutive à une lésion cérébrale aiguë. La PSI permet d’enregistrer les changements hémodynamiques dus à une piqûre ou à une application locale d’une solution de potassium fortement concentrée 29-32.

Vagues de perte soudaine et quasi-totale de gradients ioniques transmembranaires des neurones, responsables d’œdème cytotoxique et qui se propagent à une vitesse d’environ 3 mm/min dans la matière grise cérébrale, entraînant une ischémie diffuse. La DCE joue un rôle central dans la neurodégénérescence consécutive à une lésion cérébrale aiguë. La PSI permet d’enregistrer les changements hémodynamiques dus à une piqûre ou à une application locale d’une solution de potassium fortement concentrée 29-32.

Imagerie de dépression envahissante dans le cerveau d’une souris par PeriCam PSI HR. La perfusion absolue (ligne supérieure) peut être visualisée et quantifiée (graphique) ; au moyen du mode d’imagerie différentielle (ligne inférieure), développé spécifiquement, la variation de la perfusion causée par la vague de DE peut être suivie de manière spectaculaire. Images fournies par Charité, Berlin, Allemagne.

References

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