Le cerveau passe-t-il en mode veille lorsque l’énergie métabolique est faible?

En utilisant un modèle informatisé pour étudier un motif cérébral d'électroencépholagramme (EEG) appelé «suppression de la pression», les chercheurs américains ont découvert un mécanisme fondamental du comportement du cerveau lorsque l'apport métabolique des cellules cérébrales est faible. C'est comme si la suppression en rafale était un type de mode veille intermittent, où une période d'activité intense est suivie d'une période d'inactivité qui dure jusqu'à ce qu'il y ait suffisamment d'énergie métabolique pour que les cellules redeviennent actives.
Les chercheurs du Massachusetts General Hospital (MGH) à Boston écrivent sur leur découverte le 7 février PNAS Première édition. Ils espèrent que cela aidera à améliorer la conception des anesthésiques et les moyens de protéger le cerveau.
La suppression en rafale est un schéma cérébral d'électroencéphalogramme (EEG) où les épisodes d'activité haute tension (les rafales) alternent avec des périodes d'activité fortement réduite qui durent 10 secondes ou plus.
La suppression de l'éclatement se produit dans un certain nombre de conditions, telles que l'hypothermie provoquée, un traitement médical dans lequel les médecins mettent le cerveau d'un patient dans un état de faible activité pour le protéger des traumatismes ou de la diminution du flux sanguin. Il a également été observé dans les cas d'anesthésie générale profonde, de coma, chez les bébés souffrant de troubles neurologiques graves, et pendant une courte période chez certains bébés nés prématurément.
Des études antérieures ont porté sur l'examen des modèles EEG de la suppression de la salve et de l'effet des stimuli externes sur le cerveau dans cet état. Mais aucun n'avait encore essayé d'expliquer le mécanisme cellulaire sous-jacent.
L'auteur principal Emery Brown, du Département d'anesthésie, de soins intensifs et de médecine de la douleur de l'HGM, a déclaré à la presse:
"Les états cérébraux apparemment sans rapport qui mènent à la suppression par éclatement - une anesthésie profonde, le coma, l'hypothermie et certains troubles cérébraux du développement - représentent tous un état métabolique déprimé."
"Nous pensons que nous avons identifié quelque chose de fondamental sur la neurochimie cérébrale, la neuroanatomie et la neurophysiologie qui pourraient nous aider à planifier de meilleurs traitements pour la protection du cerveau et à concevoir de futurs anesthésiques", a-t-il ajouté.
Dans leur étude, Brown et ses collègues proposent un "mécanisme unificateur" pour la suppression de la rafale qui tient compte de toutes les conditions dans lesquelles il est observé.
Pour étudier le mécanisme, ils ont créé un "modèle biophysique" informatisé prenant en compte ce que toutes les conditions (hypothermie, coma, etc.) avaient en commun: une réduction significative de l'état métabolique du cerveau.
Le cerveau fonctionne parce que les signaux passent d'une cellule à une autre. Pour que cela se produise, la chimie électrique doit être juste: il doit y avoir un équilibre entre les ions sodium à l'extérieur de la cellule et les ions potassium à l'intérieur de la cellule.
La balance est contrôlée par des "pompes à ions" alimentées par l'ATP, la molécule qui fournit l'énergie aux cellules.
Lorsqu'ils ont joué avec le modèle, les chercheurs ont découvert que lorsque l'approvisionnement en énergie était trop faible et qu'il n'y avait pas assez d'ATP, les cellules perdaient du potassium, ce qui arrêtait les signaux.
"Dans chaque état, le modèle suggère qu'une diminution du taux métabolique cérébral, associée aux propriétés stabilisantes des canaux potassiques dépendants de l'ATP, conduit aux époques caractéristiques de la suppression", écrivent-ils.
L'auteur principal, Dr ShiNung Ching, stagiaire postdoctoral au laboratoire de Brown, a déclaré:
"Il semble que la suppression de l'éclatement déplace le cerveau dans un état physiologique modifié pour permettre la régénération de l'ATP, qui est le substrat métabolique essentiel."
"Pendant la suppression, le cerveau essaie de récupérer suffisamment d'ATP pour redémarrer. Si le substrat ne se régénère pas assez rapidement, le système subira ces brèves périodes d'activité, puis s'arrêtera et devra ensuite se rétablir", a déclaré Ching.
Le modèle suggère que la durée de la suppression de la rafale dépend du temps nécessaire pour restaurer les niveaux d'ATP. Cela correspond à ce qui semble se produire lorsque quelqu'un est anesthésié: plus l'anesthésie est profonde, plus les périodes de suppression sont longues.
Brown a déclaré qu’en utilisant l’anesthésie générale pour provoquer le coma chez des patients présentant des lésions neurologiques graves afin que leur cerveau puisse guérir, ils les réduisent à un niveau de suppression par éclatement.
"Mais il y a beaucoup de questions concernant la profondeur de l'anesthésie qu'un patient devrait être - à quelle fréquence les bouffées devraient se produire - et combien de temps nous devrions maintenir cet état", a-t-il expliqué.
Le modèle pourrait les aider à en savoir plus sur ce qui semble être un moyen fondamental de préserver l'énergie dans le cerveau, et donc sur la meilleure façon d'utiliser la suppression par rafales pour guider le coma induit et suivre la récupération.
"C'est aussi un excellent exemple de la façon dont l'étude de l'anesthésie peut nous aider à apprendre quelque chose de très fondamental sur le cerveau", a-t-il ajouté.
Écrit par Catharine Paddock PhD

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