Functional brain imaging techniques ˸ bridging the gap between microscopic and mesoscopic vascular measurements

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