Effect of hypoxia on cerebral blood flow regulation during rest and exercise : role of cerebral oxygen delivery on performance

Adequate supply of oxygen to the brain is critical for maintaining normal brain function. Severe hypoxia, such as that experienced during high altitude ascent, presents a unique challenge to brain oxygen (O2) supply. During high-intensity exercise, hyperventilation-induced hypocapnia leads to cerebral vasoconstriction, followed by reductions in cerebral blood flow (CBF), oxygen delivery (DO2), and tissue oxygenation. This reduced O2 supply to the brain could potentially account for the reduced performance typically observed during exercise in severe hypoxic conditions. The aims of this thesis were to document the effect of acute and chronic exposure to hypoxia on CBF control, and to determine the role of cerebral DO2 and tissue oxygenation in limiting performance during exercise in severe hypoxia. We assessed CBF, arterial O2 content (CaO2), haemoglobin concentration ([Hb]), partial pressure of arterial O2 (PaO2), cerebrovascular CO2 reactivity, ventilatory response to CO2, cerebral autoregulation (CA), and estimated cerebral DO2 (CBF ⨉ CaO2) at sea level (SL), upon ascent to 5,260 m (ALT1), and following 16 days of acclimatisation to 5,260 m (ALT16). We found an increase in CBF despite an elevated cerebrovascular CO2 reactivity at ALT1, which coincided with a reduced CA. Meanwhile, PaO2 was greatly decreased despite increased ventilatory drive at ALT1, resulting in a concomitant decrease in CaO2. At ALT16, CBF decreased towards SL values, while cerebrovascular CO2 reactivity and ventilatory drive were further elevated. Acclimatisation increased PaO2, [Hb], and therefore CaO2 at ALT16, but these changes did not improve CA compared to ALT1. No differences were observed in cerebral DO2 across SL, ALT1, and ALT16. Our findings demonstrate that cerebral DO2 is maintained during both acute and chronic exposure to 5,260 m, due to the reciprocal changes in CBF and CaO2. We measured middle cerebral artery velocity (MCAv: index of CBF), cerebral DO2, ventilation (VE), and performance during incremental cycling to exhaustion and 15km time trial cycling in both normoxia and severe hypoxia (11% O2, normobaric), with and without added CO2 to the inspirate (CO2 breathing). We found MCAv was higher during exercise in severe hypoxia compared in normoxia, while cerebral tissue oxygenation and DO2 were reduced. CO2 breathing was effective in preventing the development of hyperventilation-induced hypocapnia during intense exercise in both normoxia and hypoxia. As a result, we were able to increase both MCAv and cerebral DO2 during exercise in hypoxia with our CO2 breathing setup. However, we concomitantly increased VE and PaO2 (and presumably respiratory work) due to the increased hypercapnic stimuli with CO2 breathing, which subsequently contributed to the cerebral DO2 increase during hypoxic exercise. While we effectively restored cerebral DO2 during exercise in hypoxia to normoxic values with CO2 breathing, we did not observe any improvement in cerebral tissue oxygenation or exercise performance. Accordingly, our findings do not support the role of reduced cerebral DO2 in limiting exercise performance in severe hypoxia. -- Un apport adéquat en oxygène au niveau du cerveau est primordial pour le maintien des fonctions cérébrales normales. L'hypoxie sévère, telle qu'expérimentée au cours d'ascensions en haute altitude, présente un défi unique pour l'apport cérébral en oxygène (O2). Lors d'exercices à haute intensité, l'hypocapnie induite par l'hyperventilation entraîne une vasoconstriction cérébrale suivie par une réduction du flux sanguin cérébral (CBF), de l'apport en oxygène (DO2), ainsi que de l'oxygénation tissulaire. Cette réduction de l'apport en O2 au cerveau pourrait potentiellement être responsable de la diminution de performance observée au cours d'exercices en condition d'hypoxie sévère. Les buts de cette thèse étaient de documenter l'effet de l'exposition aiguë et chronique à l'hypoxie sur le contrôle du CBF, ainsi que de déterminer le rôle du DO2 cérébral et de l'oxygénation tissulaire comme facteurs limitant la performance lors d'exercices en hypoxie sévère. Nous avons mesuré CBF, le contenu artériel en oxygène (CaO2), la concentration en hémoglobine ([Hb]), la pression partielle artérielle en O2 (PaO2), la réactivité cérébrovasculaire au CO2, la réponse ventilatoire au CO2, et l'autorégulation cérébrale sanguine (CA), et estimé DO2 cérébral (CBF x CaO2), au niveau de la mer (SL), au premier jour à 5.260 m (ALT1) et après seize jours d'acclimatation à 5.260 m (ALT16). Nous avons trouvé des augmentations du CBF et de la réactivité cérébrovasculaire au CO2 après une ascension à 5.260 m. Ces augmentations coïncidaient avec une réduction de l'autorégulation cérébrale. Simultanément, la PaO2 était grandement réduite, malgré l'augmentation de la ventilation (VE), résultant en une diminution de la CaO2. Après seize jours d'acclimatation à 5.260 m, le CBF revenait autour des valeurs observées au niveau de la mer, alors que la réactivité cérébrovasculaire au CO2 et la VE augmentaient par rapport à ALT1. L'acclimatation augmentait la PaO2, la concentration en hémoglobine, et donc la CaO2, mais n'améliorait pas l'autorégulation cérébrale, comparé à ALT1. Aucune différence n'était observée au niveau du DO2 cérébral entre SL, ALT1 et ALT16. Nos résultats montrent que le DO2 cérébral est maintenu constant lors d'expositions aiguë et chronique à 5.260m, ce qui s'explique par la réciprocité des variations du CBF et de la CaO2. Nous avons mesuré la vitesse d'écoulement du sang dans l'artère cérébrale moyenne (MCAv : un indice du CBF), le DO2 cérébral, la VE et la performance lors d'exercice incrémentaux jusqu'à épuisement sur cycloergomètre, ainsi que des contre-la-montres de 15 km en normoxie et en hypoxie sévère (11% O2, normobarique) ; avec ajout ou non de CO2 dans le mélange gazeux inspiré. Nous avons trouvé que MCAv était plus haute pendant l'exercice hypoxique, comparé à la normoxie alors que le DO2 cérébral était réduit. L'ajout de CO2 dans le gaz inspiré était efficace pour prévenir l'hypocapnie induite par l'hyperventilation, qui se développe à l'exercice intense, à la fois en normoxie et en hypoxie. Nous avons pu augmenter MCAv et le DO2 cérébral pendant l'exercice hypoxique, grâce à l'ajout de CO2. Cependant, nous avons augmenté la VE et la PaO2 (et probablement le travail respiratoire) à cause de l'augmentation du stimulus hypercapnique. Alors que nous avons, grâce à l'ajout de CO2, efficacement restauré le DO2 cérébral au cours de l'exercice en hypoxie à des valeurs obtenues en normoxie, nous n'avons observé aucune amélioration dans l'oxygénation du tissu cérébral ou de la performance. En conséquence, nos résultats ne soutiennent pas le rôle d'un DO2 cérébral réduit comme facteur limitant de la performance en hypoxie sévère.

The impact of information on decision-making in palliative care

Résumé Ce travail vise à clarifier les résultats contradictoires de la littérature concernant les besoins des patients d'être informés et de participer à la prise de décision. La littérature insiste sur le contenu de l'information comme base de la prise de décision, bien qu'il existe des preuves que d'autres contenus sont importants pour les patients. La thèse essaie en outre d'identifier des possibilités de mieux répondre aux préférences d'information et de participation des patients. Les travaux ont porté en particulier sur les soins palliatifs. Une analyse de la littérature donne un aperçu sur les soins palliatifs, sur l'information des patients et sur leur participation à la prise de décisions thérapeutiques. Cette analyse résume les résultats d'études précédentes et propose un: modèle théorique d'information, de prise de décision et de relation entre ces deux domaines. Dans le cadre de ce travail, deux études empiriques ont utilisé des questionnaires écrits adressés à des personnes privées et à des professionnels de la santé, couvrant la Suisse et le Royaume Uni, pour identifier d'éventuelles différences entre ces deux pays. Les enquêtes ont été focalisées sur des patients souffrant de cancer du poumon. Les instruments utilisés pour ces études proviennent de la littérature afin de les rendre comparables. Le taux de réponse aux questionnaires était de 30-40%. La majorité des participants aux enquêtes estime que les patients devraient: - collaborer à la prise de décision quant à leur traitement - recevoir autant d'information que possible, positive aussi bien que négative - recevoir toutes les informations mentionnées dans le questionnaire (concernant la maladie, le diagnostic et les traitements), tenant compte de la diversité des priorités des patients - être soutenus par des professionnels de la santé, leur famille, leurs amis et/ou les personnes souffrant de la même maladie En plus, les participants aux enquêtes ont identifié divers contenus de l'information aux patients souffrant d'une maladie grave. Ces contenus comprennent entre autres: - L'aide à la prise de décision concernant le traitement - la possibilité de maintenir le contrôle de la situation - la construction d'une relation entre le patient et le soignant - l'encouragement à faire des projets d'avenir - l'influence de l'état émotionnel - l'aide à la compréhension de la maladie et de son impact - les sources potentielles d'états confusionnels et d'états anxieux La plupart des contenus proposés sont positifs. Les résultats suggèrent la coexistence possible de différents contenus à un moment donné ainsi que leur changement au cours du temps. Un modèle est ensuite développé et commenté pour présenter le diagnostic d'une maladie grave. Ce modèle est basé sur la littérature et intègre les résultats des études empiriques réalisées dans le cadre de ce travail. Ce travail analyse également les sources préférées d'information et de soutien, facteurs qui peuvent influencer ou faire obstacle aux préférences d'information et de participation. Les deux groupes de participants considèrent les médecins spécialistes comme la meilleure source d'information. En ce qui concerne le soutien, les points de vue divergent entre les personnes privées et les professionnels de la santé: généralement, les rôles de soutien semblent peu définis parmi les professionnels. Les barrières à l'information adéquate du patient apparaissent fréquemment liées aux caractéristiques des professionnels et aux problèmes d'organisation. Des progrès dans ce domaine contribueraient à améliorer les soins fournis aux patients. Finalement, les limites des études empiriques sont discutées. Celles-ci comprennent, entre autres, la représentativité restreinte des participants et les objections de certains groupes de participants à quelques détails des questionnaires. Summary The present thesis follows a call from the current body of literature to better understand patient needs for information and for participation in decision-making, as previous research findings had been contradictory. Information so far seems to have been considered essentially as a means to making treatment decisions, despite certain evidence that it may have a number of other values to patients. Furthermore, the thesis aims to identify ways to optimise meeting patient preferences for information and participation in treatment decisions. The current field of interest is palliative care. An extensive literature review depicts the background of current concepts of palliative care, patient information and patient involvement into treatment decisions. It also draws together results from previous studies and develops a theoretical model of information, decision-making, and the relationship between them. This is followed by two empirical studies collecting data from members of the general public and health care professionals by means of postal questionnaires. The professional study covers both Switzerland and the United Kingdom in order to identify possible differences between countries. Both studies focus on newly diagnosed lung cancer patients. The instruments used were taken from the literature to make them comparable. The response rate in both surveys was 30-40%, as expected -sufficient to allow stastical tests to be performed. A third study, addressed to lung cancer patients themselves, turned out to require too much time within the frame available. A majority of both study populations thought that patients should: - have a collaborative role in treatment-related decision-making -receive as much information as possible, good or bad - receive all types of information mentioned in the questionnaire (about illness, tests, and treatment), although priorities varied across the study populations - be supported by health professionals, family members, friends and/or others with the same illness Furthermore they identified various 'meanings' information may have to patients with a serious illness. These included: - being an aid in treatment-related decision-making - allowing control to be maintained over the situation - helping the patient-professional relationship to be constructed - allowing plans to be made - being positive for the patient's emotional state - helping the illness and its impact to be understood - being a source of anxiety - being a potential source of confusion to the patient Meanings were mostly positive. It was suggested that different meanings could co-exist at a given time and that they might change over time. A model of coping with the disclosure of a serious diagnosis is then developped. This model is based on existing models of coping with threatening events, as takeñ from the literature [ref. 77, 78], and integrates findings from the empirical studies. The thesis then analyses the remaining aspects apparent from the two surveys. These range from the identification of preferred information and support providers to factors influencing or impeding information and participation preferences. Specialist doctors were identified by both study populations as the best information providers whilst with regard to support provision views differed between the general public and health professionals. A need for better definition of supportive roles among health care workers seemed apparent. Barriers to information provision often seem related to health professional characteristics or organisational difficulties, and improvements in the latter field could well help optimising patient care. Finally, limitations of the studies are discussed, including questions of representativness of certain results and difficulties with or objections against questionnaire details by some groups of respondents.