Thèse Année : 2024

Contributions to the study of the role of vigilance levels and cerebral metabolic states on the occurrence of absence epileptic seizures in the GAERS rat

Contributions à l’étude du rôle des niveaux de vigilance et des états métaboliques cérébraux dans la survenue de crises d’épilepsie absence chez le rat GAERS

Réda El Mahzoum

Résumé

Cerebral function relies on fine coordination between neuronal activity and its underlying metabolic regulation. Tracking cerebral metabolism is a major challenge in neuroscience today, and one that can only be met by technological developments based on the latest advances in biology and physics. My thesis work focuses on the development of these technologies and their application in a model of absence epilepsy, in order to better understand the link between metabolism, behavior and the onset of absence seizures.Absence epilepsy is a generalized epilepsy characterized by sudden, brief loss of consciousness associated with high neuronal activity. It mainly affects children and adolescents, due to a significant number of remissions after puberty. Predicting the occurrence of an absence seizure would not only help prevent seizures, but also provide a better understanding of the mechanisms that trigger them.The first part of my work focused on studying the interaction between two behavioral states corresponding to opposite metabolic states, activity and rest, and the occurrence of seizures. To this end, I collected electro-oculograms (EOG), neck electromyograms (EMG) and head acceleration to identify these two behavioral states over a long period (5-7 days). In parallel, I performed electroencephalographic (EEG) recordings to determine seizure occurrence in the Genetic Absence Epileptic Rat of Strasbourg (GAERS) model.Analysis of these data shows that there is an increased probability of seizure occurrence specifically during the transition between periods of activity and rest. Furthermore, in epileptic rats, activity phases last longer than in control rats. This result suggests that the circuits controlling these transitions, by acting on the level of excitability of neuronal networks, could be a determining factor in the seizure triggering process.The second part of my work consisted in initiating the development of acousto-optics on rat brain as a future approach for monitoring metabolism deep in the tissue. In principle, acousto-optics enables non-invasive imaging of oxygen saturation, a variable in metabolism, across the entire depth of the tissue. It is based on the tagging of photons by an ultrasound beam focused on a single point. It is then possible to identify and quantify the marked photons that have passed through the focal point.The key steps in this technological development were to identify the parameters that have the greatest influence on the quality of acousto-optical images, and to assess the sensitivity of tissue absorbance measurements. I was able to carry out this assessment on simplified systems such as optical phantoms, extracted brains and brains held in the cranial cavity. The next step will be to make the first acousto-optical recordings in vivo.In the course of my thesis, I was therefore able to explore how epileptic absence seizures are distributed according to the level of behavioral activity of the GAERS rat, with temporal information that opens the door to the broad field of seizure prediction. I have also participated in the development of a promising technique which, by establishing precise spatiotemporal links between cerebral metabolism and pathological neuronal activities such as epileptic seizures, will enable us to further investigate the link between cerebral metabolism and cognitive activity.
Le fonctionnement cérébral repose sur une coordination fine entre l'activité neuronale et la régulation métabolique qui la sous-tend. Parvenir à suivre le métabolisme cérébral est aujourd'hui un défi majeur des Neurosciences qui, pour être relevé, doit exploiter les développements technologiques issus des avancées les plus récentes en biologie et en physique. Mes travaux de thèse portent sur le développement de ces technologies et sur leur application dans un modèle d'épilepsie absence afin de mieux comprendre le lien entre métabolisme, comportement et apparition des crises d'épilepsie absence. L'épilepsie d'absence est une épilepsie généralisée caractérisée par des pertes de conscience soudaines, brèves et associées à une forte activité neuronale. Elle touche surtout les enfants et les adolescents, en raison d'un nombre significatif de rémissions après la puberté. Prédire la probabilité de survenue d'une crise d'absence permettrait non seulement de prévenir les crises, mais aussi de mieux comprendre les mécanismes qui les déclenchent. La première partie de mon travail a porté sur l'étude de l'interaction entre deux états comportementaux correspondant à des états métaboliques opposés, l'activité et le repos, et la survenue de crises. Pour cela, j'ai recueilli les électro-oculogrammes (EOG), électromyogrammes du cou (EMG) et accélération de la tête afin d'identifier ces deux états comportementaux sur une longue période (5-7 jours). En parallèle, j'ai réalisé des enregistrements électroencéphalographiques (EEG) afin de déterminer l'occurrence des crises chez le modèle Genetic Absence Epileptic Rat of Strasbourg (GAERS). L'analyse de ces données montre qu'il existe une probabilité accrue de survenue des crises spécifiquement lors de la transition entre les périodes d'activité et de repos. De plus, chez les rats épileptiques, les phases d'activité durent plus longtemps que chez les rats contrôles. Ce résultat suggère que les circuits contrôlant ces transitions, en agissant sur le niveau d'excitabilité des réseaux neuronaux, pourraient être un facteur déterminant dans le processus de déclenchement des crises.La seconde partie de mon travail a consisté à initier le développement de l'acousto-optique sur cerveau de rat en tant qu'approche d'avenir pour le suivi du métabolisme au cœur des tissus. L'acousto-optique permet en principe une imagerie non-invasive de la saturation en oxygène, qui est une variable du métabolisme, et cela sur toute la profondeur du tissu. Elle repose sur le marquage de photons par un faisceau d'ultrasons focalisé en un point. Il est alors possible d'identifier et quantifier les photons marqués qui sont passés par le point de focalisation.Les étapes clés de ce développement technologique ont été l'identification des paramètres qui ont le plus d'influence sur la qualité des images acousto-optiques et d'évaluer la sensibilité des mesures d'absorbance du tissu. J'ai pu réaliser cette estimation sur des systèmes simplifiés tels que des fantômes optiques, des cerveaux extraits et des cerveaux maintenus dans la boîte crânienne. L'étape suivante sera de réaliser les premiers enregistrements acousto-optiques in vivo.Au cours de ma thèse, j'ai donc pu explorer la manière dont les crises d'épilepsies absences se répartissent selon le niveau d'activité comportementale du rat GAERS, avec une information temporelle qui ouvre la porte au large domaine de la prédiction des crises. J'ai aussi participé au développement d'une technique prometteuse qui, en établissant des liens spatiotemporels précis entre le métabolisme cérébral et des activités neuronales pathologiques comme les crises d'épilepsie permettra d'approfondir la question du lien entre métabolisme cérébral et activité cognitive.
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  • HAL Id : tel-04889369 , version 1

Citer

Réda El Mahzoum. Contributions à l’étude du rôle des niveaux de vigilance et des états métaboliques cérébraux dans la survenue de crises d’épilepsie absence chez le rat GAERS. Neurosciences. Sorbonne Université, 2024. Français. ⟨NNT : 2024SORUS396⟩. ⟨tel-04889369⟩
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