Glutamatergic regulation of mitochondrial ion dynamics in astrocytes

Résumé grand public :Le cerveau se compose de cellules nerveuses appelées neurones et de cellules gliales dont font partie les astrocytes. Les neurones communiquent entre eux par signaux électriques et en libérant des molécules de signalisation comme le glutamate. Les astrocytes ont eux pour charge de capter le glucose depuis le sang circulant dans les vaisseaux sanguins, de le transformer et de le transmettre aux neurones pour qu'ils puissent l'utiliser comme source d'énergie. L'astrocyte peut ensuite utiliser ce glucose de deux façons différentes pour produire de l'énergie : la première s'opère dans des structures appelées mitochondries qui sont capables de produire plus de trente molécules riches en énergie (ATP) à partir d'une seule molécule de glucose ; la seconde possibilité appelée glycolyse peut produire deux molécules d'ATP et un dérivé du glucose appelé lactate. Une théorie couramment débattue propose que lorsque les astrocytes capturent le glutamate libéré par les neurones, ils libèrent en réponse du lactate qui servirait de base énergétique aux neurones. Cependant, ce mécanisme n'envisage pas une augmentation de l'activité des mitochondries des astrocytes, ce qui serait pourtant bien plus efficace pour produire de l'énergie.En utilisant la microscopie par fluorescence, nous avons pu mesurer les changements de concentrations ioniques dans les mitochondries d'astrocytes soumis à une stimulation glutamatergique. Nous avons démontré que les mitochondries des astrocytes manifestent des augmentations spontanées et transitoires de leur concentrations ioniques, dont la fréquence était diminuée au cours d'une stimulation avec du glutamate. Nous avons ensuite montré que la capture de glutamate augmentait la concentration en sodium et acidifiait les mitochondries des astrocytes. En approfondissant ces mécanismes, plusieurs éléments ont suggéré que l'acidification induite diminuerait le potentiel de synthèse d'énergie d'origine mitochondriale et la consommation d'oxygène dans les astrocytes. En résumé, l'ensemble de ces travaux suggère que la signalisation neuronale impliquant le glutamate dicte aux astrocytes de sacrifier temporairement l'efficacité de leur métabolisme énergétique, en diminuant l'activité de leurs mitochondries, afin d'augmenter la disponibilité des ressources énergétiques utiles aux neurones.Résumé :La remarquable efficacité du cerveau à compiler et propager des informations coûte au corps humain 20% de son budget énergétique total. Par conséquent, les mécanismes cellulaires responsables du métabolisme énergétique cérébral se sont adéquatement développés pour répondre aux besoins énergétiques du cerveau. Les dernières découvertes en neuroénergétique tendent à démontrer que le site principal de consommation d'énergie dans le cerveau est situé dans les processus astrocytaires qui entourent les synapses excitatrices. Un nombre croissant de preuves scientifiques a maintenant montré que le transport astrocytaire de glutamate est responsable d'un coût métabolique important qui est majoritairement pris en charge par une augmentation de l'activité glycolytique. Cependant, les astrocytes possèdent également un important métabolisme énergétique de type mitochondrial. Par conséquent, la localisation spatiale des mitochondries à proximité des transporteurs de glutamate suggère l'existence d'un mécanisme régulant le métabolisme énergétique astrocytaire, en particulier le métabolisme mitochondrial.Afin de fournir une explication à ce paradoxe énergétique, nous avons utilisé des techniques d'imagerie par fluorescence pour mesurer les modifications de concentrations ioniques spontanées et évoquées par une stimulation glutamatergique dans des astrocytes corticaux de souris. Nous avons montré que les mitochondries d'astrocytes au repos manifestaient des changements individuels, spontanés et sélectifs de leur potentiel électrique, de leur pH et de leur concentration en sodium. Nous avons trouvé que le glutamate diminuait la fréquence des augmentations spontanées de sodium en diminuant le niveau cellulaire d'ATP. Nous avons ensuite étudié la possibilité d'une régulation du métabolisme mitochondrial astrocytaire par le glutamate. Nous avons montré que le glutamate initie dans la population mitochondriale une augmentation rapide de la concentration en sodium due à l'augmentation cytosolique de sodium. Nous avons également montré que le relâchement neuronal de glutamate induit une acidification mitochondriale dans les astrocytes. Nos résultats ont indiqué que l'acidification induite par le glutamate induit une diminution de la production de radicaux libres et de la consommation d'oxygène par les astrocytes. Ces études ont montré que les mitochondries des astrocytes sont régulées individuellement et adaptent leur activité selon l'environnement intracellulaire. L'adaptation dynamique du métabolisme énergétique mitochondrial opéré par le glutamate permet d'augmenter la quantité d'oxygène disponible et amène au relâchement de lactate, tous deux bénéfiques pour les neurones.Abstract :The remarkable efficiency of the brain to compute and communicate information costs the body 20% of its total energy budget. Therefore, the cellular mechanisms responsible for brain energy metabolism developed adequately to face the energy needs. Recent advances in neuroenergetics tend to indicate that the main site of energy consumption in the brain is the astroglial process ensheating activated excitatory synapses. A large body of evidence has now shown that glutamate uptake by astrocytes surrounding synapses is responsible for a significant metabolic cost, whose metabolic response is apparently mainly glycolytic. However, astrocytes have also a significant mitochondrial oxidative metabolism. Therefore, the location of mitochondria close to glutamate transporters raises the question of the existence of mechanisms for tuning their energy metabolism, in particular their mitochondrial metabolism.To tackle these issues, we used real time imaging techniques to study mitochondrial ionic alterations occurring at resting state and during glutamatergic stimulation of mouse cortical astrocytes. We showed that mitochondria of intact resting astrocytes exhibited individual spontaneous and selective alterations of their electrical potential, pH and Na+ concentration. We found that glutamate decreased the frequency of mitochondrial Na+ transient activity by decreasing the cellular level of ATP. We then investigated a possible link between glutamatergic transmission and mitochondrial metabolism in astrocytes. We showed that glutamate triggered a rapid Na+ concentration increase in the mitochondrial population as a result of plasma-membrane Na+-dependent uptake. We then demonstrated that neuronally released glutamate also induced a mitochondrial acidification in astrocytes. Glutamate induced a pH-mediated and cytoprotective decrease of mitochondrial metabolism that diminished oxygen consumption. Taken together, these studies showed that astrocytes contain mitochondria that are individually regulated and sense the intracellular environment to modulate their own activity. The dynamic regulation of astrocyte mitochondrial energy output operated by glutamate allows increasing oxygen availability and lactate production both being beneficial for neurons.

EZ-IO intraosseous device implementation in a pre-hospital emergency service : a prospective study and review of the literature

Introduction : La prise en charge des patients critiques nécessite dans la majorité des situations l'obtention rapide d'un accès vasculaire, afin d'administrer des médicaments, des solutés de remplissage, ou des produits sanguins. La mise en place d'un accès vasculaire peut s'avérer difficile chez ces patients. En cas d'échec de pose d'une voie veineuse périphérique, des abords vasculaires alternatifs existent. Il s'agit essentiellement de la pose d'une voie veineuse centrale, la réalisation d'une dénudation veineuse, ou la pose d'une voie intra-osseuse. Depuis le développement de dispositifs d'insertion « semi-automatique » à la fin des années 90, la voie intra-osseuse, traditionnellement réservée aux cas pédiatriques, est de plus en plus fréquemment utilisée chez les patients adultes. Le Service des Urgences du CHUV a introduit en 2009 les dispositifs d'insertion d'aiguilles intra-osseuses de type EZ-IO® (perceuse électrique), en salle de réanimation des urgences vitales (déchoquage), ainsi qu'au sein du secteur préhospitalier pour les interventions du SMUR de Lausanne et de l'hélicoptère REGA de la base de Lausanne. Par cette étude, nous voulions mettre en évidence les aspects épidémiologiques des patients ayant dû être perfusés par cet abord dans un contexte préhospitalier, ainsi que les circonstances cliniques ayant justifié un tel usage, le taux de succès, les éventuelles complications, les médicaments perfusés et la mortalité des patients ayant bénéficié de ce dispositif. Méthode: Chaque patient ayant bénéficié de la mise en place d'une voie intra-osseuse par EZ-IO® du 1er janvier 2009 au 31 décembre 2011 a été inclus. Les données récoltées étaient l'âge, le sexe, l'indication à la mise en place de l'intra-osseuse, la localisation, le taux de succès, les médicaments et fluides administrés, les complications, la mortalité à 48 heures et à la sortie de l'hôpital. Tous les articles mentionnant l'utilisation de ΙΈΖ-ΙΟ® dans des situations cliniques ont également été analysés par une revue de littérature structurée exhaustive, afin de comparer nos résultats avec les données de la littérature. Résultats : Cinquante-huit patients, représentant 60 intra-osseuses EZ-IO®, ont été inclus. Leur âge moyen (47 ans), le taux de succès (90%), les indications, la localisation de l'aiguille (98% au niveau du tibia proximal) et le taux de complications (0%) correspondent aux valeurs trouvées dans la littérature. Le taux de survie de nos patients est de 38% à 48 heures et de 29% à la sortie de l'hôpital. De nombreux médicaments ou solutés de perfusion ont été administrés; l'adrénaline restant le médicament le plus fréquemment administré par cette voie. Dans 7 cas, les patients ont bénéficié d'une induction d'anesthésie par voie intra-osseuse. La revue de littérature a permis de compiler 30 études distinctes, représentant un total de 1603 accès vasculaires de type EZ-IO®. Conclusion : La voie intra-osseuse s'avère fiable et rapide pour obtenir un accès vasculaire, avec un taux de complications très faible et permet l'administration d'un grand nombre de substances. D'autres études sont nécessaires pour évaluer l'impact de la voie intra osseuse, notamment en termes de mortalité, de complications tardives, ainsi que d'analyse coût/bénéfice de ce matériel.

Étude et implémentation d'un modèle de conscience d'agent

La thèse essaie de montrer comment il est possible d'offrir une implémentation fonctionnelle d'un agent doté d'une conscience (psychologique). Une première étape étudie les différentes approches, définitions et théories de la conscience proposées par la littérature. Cette étude dégage plus particulièrement un modèle psychologique qui offre une modélisation des fonctionnalités de la conscience, de ses éléments constitutifs et des relations entre ces éléments. Cet effort de formalisation permet d'identifier les corrélations computionnelles du modèle ouvrant ainsi la voie à une implémentation fonctionnelle de la conscience. Une seconde étape réuni les outils et méthodes informatiques existants en vue de procéder à une telle implémentation. En particulier, celle-ci repose sur un modèle de communication permettant d'élaborer une machine virtuelle basée sur des processus concurrents synchronisés. La troisième étape consiste à implémenter les corrélations computationnelles dont l'une est une fonction de délibération qui, après une analyse itérative de son état et de son environnement (machine à état), aboutit à la sélection d'une action. Une deuxième fonction est la formation de contextes, autrement dit l'apprentissage d'automatismes, consistant à compiler la délibération. Cette compilation s'opère grâce à un processus concurrent reflétant le processus de délibération, dotant ainsi l'agent de la capacité d'observer son propre fonctionnement. La thèse se conclut en proposant quelques axes de recherches et d'applications futures susceptibles de prolonger le travail.