Functional brain imaging techniques : bridging the gap between microscopic and mesoscopic vascular measurements
| Autor: | Aydin, Ali-Kemal |
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| Přispěvatelé: | Institut de la Vision, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Paris Cité, Serge Charpak, STAR, ABES |
| Jazyk: | angličtina |
| Rok vydání: | 2021 |
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| Zdroj: | Neuroscience. Université Paris Cité, 2021. English. ⟨NNT : 2021UNIP5103⟩ |
| Popis: | BOLD-fMRI is the preferred technique to study brain activity in humans. Recently, functional ultrasound (fUS) was introduced as a novel technique to record blood volume changes while overcoming the poor spatiotemporal resolution of BOLD-fMRI. BOLD-fMRI and fUS both report signals related to changes in blood flow to determine activated brain areas, although through different physical mechanisms. Indeed, neuronal activation systematically triggers an increase in blood flow, through a cascade of cellular and molecular reactions named neurovascular coupling. Thus, the interpretation of vascular-based functional imaging techniques requires a thorough understanding of neurovascular coupling to recover the spatiotemporal dynamics of neuronal activation from blood flow changes. During my PhD, I linked microscopic measurements of neuronal and vascular responses to odor to the mesoscopic signal detected with functional ultrasound imaging in the mouse. My first project evaluates the correspondence between neuronal activation in the olfactory bulb measured with two-photon microscopy and the fUS output in the same co-registered 100x100x200 µm volume, through a variety of odorant stimuli. This study also allowed me to model the neurovascular coupling, between neuronal activation and the increase of red blood cell velocity in nearby capillaries. I showed that, at high stimulus strength, neurovascular coupling is no longer linear with the appearance of a delayed vascular component independent of neural activity. To achieve these results, I developed 'Iliski', an analysis software that is provided in a GitHub repository and is described in detail in a second article. The second part of my thesis focuses on a long-lasting controversy in the BOLD-fMRI field: do neuronally activated areas generate a local transient decrease in brain oxygenation that can be measured inside vessels before the increase in oxygenated blood flow? It has been hypothesized that this oxygen decrease would be spatially more specific than the oxygen increase, and allow a more precise interpretation of the BOLD-fMRI output. Previous studies reported this "initial dip" in oxygenation, but it was mainly measured in acute animal preparations, where neurovascular coupling is impaired by anesthesia and the invasiveness of the preparation. Here we report that the initial dip cannot be seen in chronic animals, whether anesthetized or awake. Overall, this corpus of work helps to better interpret functional imaging techniques based on blood flow changes by shedding light on the microscopic mechanisms underlying the mesoscopic signals. L'IRM fonctionnelle BOLD est aujourd'hui la technique de prédilection pour étudier l'activité cérébrale chez l'être humain. Récemment, l'échographie fonctionnelle ultrasonore (fUS) a été décrite comme une nouvelle technique d'imagerie fonctionnelle pouvant supplanter l'imagerie BOLD. Ces deux approches ne mesurent pas directement l'activité neuronale mais l'augmentation réflexe du flux sanguin qui en résulte et que l'on appelle l'hyperémie fonctionnelle. Ce réflexe vasculaire met en jeu le couplage neurovasculaire, un ensemble complexe de voies de signalisation et de types cellulaires. L'imagerie fUS ou IRMf-BOLD nécessite une très bonne compréhension de la dynamique spatio-temporelle de l'hyperémie fonctionnelle pour correctement construire les cartes d'activation cérébrale. Pendant ma thèse, j'ai voulu mieux comprendre la relation entre les variations microscopiques du flux sanguin déclenchées par une activation sensorielle et les variations mésoscopiques mesurées par ces techniques. Dans mon premier projet, j'ai étudié le lien entre l'activation neuronale déclenchée par un stimulus odorant dans le bulbe olfactif de la souris et mesurée en microscopie biphotonique, avec les réponses vasculaires mesurées en fUS dans le même volume cérébral, un voxel de 100x100x200 µm. J'ai ensuite modélisé une fonction de transfert permettant de prédire l'hyperémie fonctionnelle à partir d'activation neuronale. Cela m'a permis de montrer qu'à de hautes concentrations d'odeur, l'hyperémie fonctionnelle n'est plus linéaire et qu'apparaît une deuxième composante vasculaire indépendante de l'activité neuronale. Pour ce travail théorique, j'ai développé 'Iliski', un logiciel d'analyse qui est disponible sur GitHub et est décrit dans un second article. La deuxième partie de ma thèse s'est concentrée sur une controverse du domaine de l'IRMf-BOLD : peut-on mesurer une diminution rapide et localisée de l'oxygénation vasculaire au cours d'une activation neuronale proche ? Hypothétiquement, cette diminution, connue sous l'appellation « initial dip », serait spatialement plus spécifique que l'hyperémie fonctionnelle, ce qui permettrait d'améliorer les cartes d'activations d'IRMf-BOLD. Cette diminution a été rapportée précédemment à une échelle microscopique mais uniquement chez des modèles animaux préparés de façon aiguë, c'est-à-dire au cours de chirurgies invasives qui impacte l'hyperémie fonctionnelle. Ici, je montre que la diminution n'est pas détectable chez les animaux préparés de manière chronique, qu'ils soient anesthésiés ou éveillés. Mes résultats soulignent qu'une meilleure compréhension des données microscopiques permet d'améliorer l'interprétation des signaux détectés avec les techniques mésoscopique d'imagerie fonctionnelle cérébrale. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
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