Mesure de la consommation cérébrale d'oxygène par IRM du ¹⁷O : développements méthodologiques et étude de la réponse fonctionnelle chez le rongeur

The brain is a complex organ with its own energy metabolism, about which many questions remain. To produce energy, cells rely on a process of glycolysis, which may be continued in their mitochondria with a second process of cellular respiration. Despite the superior efficiency of cellular respiration, compared with glycolysis alone, in producing energy, brain cells may preferentially use glycolysis during an activity presenting a high energy need. To better understand this phenomenon, numerous studies have measured the neurometabolic and neurovascular response to functional stimulation. However, the results of these studies have been controversial, as they do not reveal the extent to which oxidative metabolism is recruited during brain activation. In this context, we implemented an ¹⁷O MRI method to map CMRO₂ in the rat brain during electrostimulation induced brain activation. This work enabled us to measure a significant 12% increase in CMRO₂ in the activated somatosensory cortex, in line with certain measurements reported in the literature.Le cerveau est un organe complexe avec un métabolisme énergétique qui lui est propre, à propos duquel de nombreuses questions subsistent. Pour produire de l'énergie, les cellules ont recours à un processus de glycolyse, qui peut se poursuivre dans leurs mitochondries avec un second processus de respiration cellulaire. Malgré l'efficacité supérieure de la respiration cellulaire, par rapport à la glycolyse seule, pour produire de l'énergie, les cellules cérébrales pourraient utiliser préférentiellement la glycolyse lors d'une activité présentant un besoin énergétique important. Afin de mieux comprendre ce phénomène, de nombreuses études se sont attelées à mesurer la réponse neurométabolique et neurovasculaire à une stimulation fonctionnelle. Ces travaux ont cependant apporté des résultats controversés, ne permettant pas de savoir à quel point le métabolisme oxydatif est recruté lors d'une activation cérébrale. Dans ce cadre, nous avons implémenté la méthode d'IRM du ¹⁷O pour cartographier CMRO₂ dans le cerveau du rat lors d'une activation cérébrale induite par électrostimulation. Ces travaux ont permis de mesurer une augmentation significative de CMRO₂ de 12 % dans le cortex somatosensorielle activé en accord avec certaines mesures rapportées dans la littérature

Mesure de la consommation cérébrale d'oxygène par IRM du ¹⁷O : développements méthodologiques et étude de la réponse fonctionnelle chez le rongeur

The brain is a complex organ with its own energy metabolism, about which many questions remain. To produce energy, cells rely on a process of glycolysis, which may be continued in their mitochondria with a second process of cellular respiration. Despite the superior efficiency of cellular respiration, compared with glycolysis alone, in producing energy, brain cells may preferentially use glycolysis during an activity presenting a high energy need. To better understand this phenomenon, numerous studies have measured the neurometabolic and neurovascular response to functional stimulation. However, the results of these studies have been controversial, as they do not reveal the extent to which oxidative metabolism is recruited during brain activation. In this context, we implemented an ¹⁷O MRI method to map CMRO₂ in the rat brain during electrostimulation induced brain activation. This work enabled us to measure a significant 12% increase in CMRO₂ in the activated somatosensory cortex, in line with certain measurements reported in the literature.Le cerveau est un organe complexe avec un métabolisme énergétique qui lui est propre, à propos duquel de nombreuses questions subsistent. Pour produire de l'énergie, les cellules ont recours à un processus de glycolyse, qui peut se poursuivre dans leurs mitochondries avec un second processus de respiration cellulaire. Malgré l'efficacité supérieure de la respiration cellulaire, par rapport à la glycolyse seule, pour produire de l'énergie, les cellules cérébrales pourraient utiliser préférentiellement la glycolyse lors d'une activité présentant un besoin énergétique important. Afin de mieux comprendre ce phénomène, de nombreuses études se sont attelées à mesurer la réponse neurométabolique et neurovasculaire à une stimulation fonctionnelle. Ces travaux ont cependant apporté des résultats controversés, ne permettant pas de savoir à quel point le métabolisme oxydatif est recruté lors d'une activation cérébrale. Dans ce cadre, nous avons implémenté la méthode d'IRM du ¹⁷O pour cartographier CMRO₂ dans le cerveau du rat lors d'une activation cérébrale induite par électrostimulation. Ces travaux ont permis de mesurer une augmentation significative de CMRO₂ de 12 % dans le cortex somatosensorielle activé en accord avec certaines mesures rapportées dans la littérature

Zero echo time 17^{17}O-MRI reveals decreased cerebral metabolic rate of oxygen consumption in a murine model of amyloidosis

International audienceThe cerebral metabolic rate of oxygen consumption (CMRO$_2$) is a key metric to investigate the mechanisms involved in neurodegeneration in animal models and evaluate potential new therapies. CMRO$_2$ can be measured by direct $^{17}$O magnetic resonance imaging ($^{17}$O-MRI) of H$_2$$^{17}$O signal changes during inhalation of $^{17}$O-labeled oxygen gas. In this study, we built a simple gas distribution system and used 3D zero echo time (ZTE-)MRI at 11.7 T to measure CMRO$_2$ in the APP$_{swe}$/PS1$_{dE9}$ mouse model of amyloidosis. We found that CMRO$_2$ was significantly lower in the APP$_{swe}$/PS1$_{dE9}$ brain than in wild-type at 12–14 months. We also estimated cerebral blood flow (CBF) from the post-inhalation washout curve and found no difference between groups. These results suggest that the lower CMRO$_2$ observed in APP$_{swe}$/PS1$_{dE9}$ is likely due to metabolism impairment rather than to reduced blood flow. Analysis of the $^{17}$O-MRI data using different quantification models (linear and 3-phase model) showed that the choice of the model does not affect group comparison results. However, the simplified linear model significantly underestimated the absolute CMRO$_2$ values compared to a 3-phase model. This may become of importance when combining several metabolic fluxes measurements to study neuro-metabolic coupling