La chaleur comme signature de l'activité métabolique

La chaleur comme signature de l’activité métabolique

Étude de l’activité optique intrinsèque

Parmi les méthodes optiques utilisées en neurosciences, il en existe une qui ne nécessite l’injection d’aucun agent externe et qui permet d’observer à la fois le comportement général du réseau tout en permettant une résolution spatiale adéquate: il s’agit de l’étude de l’activité optique intrinsèque [3-21]. Les méthodes intrinsèques sont basées sur l’étude du changement des propriétés du tissu lui-même, et non sur le changement des propriétés d’un indicateur. Les caractéristiques sur lesquelles repose l’étude de l’activité optique intrinsèque seront ici explicitées.

Principes généraux

Tous les tissus biologiques sont transparents à la lumière jusqu’à un certain degré. Les changements physiologiques internes modifient la façon dont la lumière est diffusée à travers le tissu. Ainsi, en mesurant la différence de quantité de lumière transmise et/ou réfléchie dans le temps, on obtient une représentation des changements physiologiques dans le tissu. La fluctuation du signal se trouve ainsi plus importante que le signal absolu lui-même, bien que celui-ci puisse aussi donner de l’information sur les caractéristiques et propriétés du tissu. Cette mesure nous donne donc indirectement une représentation de l’activité métabolique dans le système.
La figure 8 présente la méthode. Une source lumineuse est dirigée sur le tissu à l’étude. La stabilité de la source lumineuse est ici plus importante que le type de lumière utilisée. La lumière traversant ou étant réfléchie par le spécimen est alors recueillie. Celle-ci était d’abord récoltée par des photodiodes [22], mais cette tâche est maintenant accomplie par des caméras CCD, permettant ainsi une meilleure vue sur l’ensemble du système à l’étude. La résolution spatiale du système permet donc de mettre en relief le comportement d’une zone spécifique du tissu par rapport au comportement général sur tout le tissu. Le signal ainsi obtenu est enregistré dans un ordinateur, sur lequel les données peuvent ensuite être traitées. Certaines des techniques d’optimisation du signal que nous avons mises en place, tel qu’on le verra plus loin, peuvent aussi être utilisées avec cette méthode optique.
Figure 8. Schéma du montage pour des études sur la variation d’activité optique intrinsèque en transmission et/ou en réflexion.

Changements physiologiques

Les changements physiologiques entraînant les variations d’activité optique intrinsèque ne sont pas connus avec certitude. Par contre, les hypothèses sur le sujet sont fondées sur des principes solides. Plusieurs réfèrent à la variation de l’activité optique intrinsèque comme une conséquence du gonflement cellulaire. Celui-ci étant un aspect critique dans plusieurs syndromes sévères, tels que la dépression progressive (« spreading dépression » ), un phénomène physiologique retrouvé lors de crises d’épilepsie, et l’empoisonnement à certaines toxines. En fait, le gonflement cellulaire est bien connu. Ce sont plutôt les mécanismes sous-tendant cette expansion qui sont méconnus. Certains soupçonnent la glie, les neurones, l’effet des mitochondries ou des variations internes d’osmolarité [8].

Applications

Les études de l’activité optique intrinsèque s’appliquent à des domaines variés. Elles permettent la cartographie du réseau fonctionnel cortical sous certaines conditions [12]. La modification du comportement du réseau par des agents pharmacologiques peut aussi être observée [11, 18, 23]. Il s’agit aussi d’une méthode rapide et efficace d’étudier la plasticité [9]. Un domaine important d’application pour ce type d’étude est celui des dépressions progressives, impliquées dans les foyers épileptiques ainsi que dans la progression des crises [7, 11, 23]. Comme cet aspect de l’étude des changements physiologiques par une méthode non-invasive sera d’intérêt lors du présent projet de recherche, il est intéressant de présenter les résultats de quelques études.

Résultats

Les études de Basarsky et al. [23] mettent à l’avant plan certaines techniques pour induire des dépressions progressives lors d’études d’activité optique intrinsèque in vitro dans l’hippocampe de rat. La dépression progressive est caractérisée par la propagation lente d’une onde de dépolarisation, entraînant ainsi une dépression transitoire de la transmission synaptique [23]. Mentionnons ici que l’utilisation de ouabaïne permet l’induction d’une dépression allant du CAl au gyrus denté. La ouabaïne permet de bloquer les pompes Na+, K+ ATPases [24], entraînant ainsi un gonflement des cellules. La figure 9 présente les résultats, tirés de Basarsky et al. [23], d’une étude sur le comportement en transmission optique dans le temps sur une section d’une tranche d’hippocampe subissant une dépression progressive. À noter sur cette même figure qu’un enregistrement du potentiel de champs dans le CAl a été effectué afin de valider l’induction de la dépression progressive par la perfusion avec de la ouabaïne. On peut voir sur le signal électrique une dépolarisation lente suivie d’une certaine repolarisation. La transmission du signal optique est quant à elle augmentée pour ensuite subir une diminution progressive. À noter que les changements optiques et électriques ne sont pas synchronisés de façon parfaite dans le temps, mais une corrélation peut tout de même être établie. Cela représente bien l’avantage d’utiliser des techniques de mesure ayant une certaine complémentarité. La figure 9.C présente le comportement pour une zone précise de la tranche. On peut aussi observer le comportement général en transmission optique (figure 9.A)
La possibilité d’observer à la fois le comportement temporel en une zone donnée et la propagation à l’échelle de la tranche se veut un avantage de la technique. Tel que mentionné précédemment, cela est beaucoup plus difficile à réaliser pour des mesures électriques. La facilité de déploiement de la technique lui procure un avantage certain sur les techniques extrinsèques, c’est-à-dire celles nécessitant l’injection de marqueurs. Il importe toutefois de mentionner que la mesure effectuée représente un indice indirect de l’activité métabolique dans la tranche, ce qui vient amplifier notre intérêt pour l’enregistrement des signaux thermiques comme signature de l’activité métabolique. Comme nous le verrons plus loin, certaines mesures thermiques ayant un lien indirect avec l’activité métabolique ont aussi été effectuées durant nos études. C’est en se basant sur la méthode utilisée pour l’étude des variations d’activité optique intrinsèque qu’il a été pensé de mettre sur pied cette technique basée sur des mesures thermiques (voir section 5.2.2).

Études thermiques

Bien que l’intérêt pour l’étude de la chaleur libérée par des organismes biologiques existe depuis bon nombre d’années [25-28], les études thermiques en biologie suscitent encore une certaine prudence dans le milieu scientifique. Certaines revues scientifiques très spécialisées existent sur le sujet, tels que le Journal of Thermal Biology et ACTA THERMOGRAPHICA [29]. Malgré tout, les données quantitatives quant à la chaleur libérée par l’activité cellulaire dans le cerveau sont peu nombreuses. Il nous importait donc, pour la présente étude, d’effectuer une revue de la littérature scientifique sur le sujet. Cela nous a permis de poser des bases théoriques à certaines de nos hypothèses. Ainsi, dans la présente section, les propriétés physiques et le comportement thermique du cerveau seront mis à l’avant-plan. À la lumière de ce que nous avons recueilli et traité, il semble que la chaleur libérée par un système biologique pourrait être utilisée comme signature de l’activité métabolique cellulaire. La mesure de la chaleur, à laquelle font aussi allusion les termes calorimétrie et thermographie, est donc d’un intérêt certain pour l’étude des systèmes biologiques. On verra aussi que le comportement en transmission thermique, une mesure démontrant des similarités et une complémentarité aux mesures d’activité optique intrinsèque, d’un tissu peut s’avérer d’un intérêt marqué.

Propriétés physiques du cerveau

Afin de bien cerner les ordres de grandeur en jeu lors d’études neurobiologiques, il importe de déterminer la valeur de certaines propriétés physiques inhérentes au tissu à l’étude. Comme il est question ici d’études thermiques, il est important de définir les valeurs de conductivité thermique, de chaleur spécifique et de densité du milieu à l’étude. La connaissance de ces valeurs permettra de déduire certaines propriétés thermiques du milieu, tel que le temps de réponse thermique, la variation de température et la diffusivité, et de mieux caractériser le comportement thermique du tissu. Les tableaux suivants présentent les valeurs de chacune de ces propriétés physiques pour le cerveau et l’eau. Ces valeurs proviennent du livre Physical Properties ofTissue [30], tirant celles-ci à partir de résultats de diverses études distinctes.

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Table des matières

1. Introduction
2. Méthodes de mesure non-invasives en neuroscience et biologie
2.1. Méthodes électrophysiologiques
2.1.1. Enregistrement à l’échelle cellulaire
2.1.2. Enregistrement du comportement moyen
2.2. Étude de l’activité optique intrinsèque
2.2.1. Principes généraux
2.2.2. Changements physiologiques
2.2.3. Applications
2.2.4. Résultats
2.3. Études thermiques
2.3.1. Propriétés physiques du cerveau
2.3.2. Vitesse de conduction et constante de temps thermique
2.4. Variations de température dans le cerveau
2.4.2. Premières études thermiques
2.4.3. Imagerie infrarouge appliqué à l’imagerie du cerveau
2.4.4. Bolomètres et dispositif de thermographie par contact
3. Développement du dispositif de thermographie par contact
3.1. Spécificités neurobiologiques
3.2. Spécificités physiques
3.3. Modélisation 3D
3.4. Production du capteur et mise en place de procédures
3.4.1. Choix de l’adhésif et vérification de l’étanchéité
3.4.2. Collage de la cuve sur le capteur bolométrique
3.5. Comportement initial du capteur en présence de liquide
3.6. Dépôt d’une couche mince supplémentaire
3.6.1. Dépôt de SiÛ2 par évaporation
3.6.2. Dépôt de polyimide par rotation (« spinning »)
3.6.3. Dépôt d’une couche de TeflonAF
3.7. Interface d’utilisation: acquisition et traitement des données
4. Caractérisation du dispositif
4.1. Méthode
4.2. Résultats
4.3. Analyse
4.3.1. Analyse et traitement du signal
4.4. Considérations pratiques
5. Applications du dispositif en neurobiologie
5.1. Matériel et méthode
5.1.1. Electrophysiologie
5.1.2. Solutions
5.1.3. Tranches
5.1.4. Imagerie thermique
5.2. Applications
5.2.1. La chaleur comme signature de l’activité métabolique
5.2.2. Étude des changements physiologiques dans un tissu biologique
6. Ouverture et conclusion
Références et bibliographie
Annexe 1
Protocole de collage et d’alignement de la cuve sur le capteur
Annexe 2
Fonctionnement du logicel