Neuro-chemical analysis of cortical spreading depolarizations after severe traumatic brain injury : a continuum from a physiologic response to a metabolic crisis?

Les traumatismes crâniens (TC) représentent la première cause de décès ou de handicap avant l'âge de 45 ans, avec une incidence en Europe de 235/100 000 habitants. Chez les patients survivant à un TC, les séquelles sont fréquentes allant de l'état végétatif chronique au syndrome post-concussionnel compliquant principalement la réinsertion socio professionnelle et familiale des victimes. Cependant la nature des lésions cérébrales provoquées par un TC est encore mal connue et les thérapies susceptibles d'empêcher la progression des lésions neurologiques sont très limitées. Un TC provoque d'abord des lésions directement dues à l'impact (lésions primaires). D'autres mécanismes secondaires vont avoir lieu dès les premières minutes suivant le TC et peuvent évoluer sur plusieurs jours. Elles sont susceptibles d'être atténuées par une thérapeutique appropriée et sont donc l'objet de la plupart des efforts de recherche actuels. Néanmoins, notre connaissance de ces phénomènes d'agression primaires et secondaires, est incomplète et ne permet pas d'expliquer correctement l'évolution des TC. Les dépolarisations corticales envahissantes (DCE) ou cortical spreading depolarizations””sont un des évènements délétères contribuant aux lésions secondaires consécutives au TC. Les DCE sont des vagues de dépolarisation massive associées à un mauvais pronostic. Elles sont caractérisées par une dépression de l'activité electrocorticographique et une dépolarisation des neurones corticaux et des astrocytes qui se propagent sur le cortex. Les DCE s'accompagnent d'une augmentation des besoins métaboliques visant à restituer au tissu son état d'homéostasie neurochimique et de polarisation cellulaire. Les conséquences des DCE sur le métabolisme cérébral sont encore mal connues aussi bien sur un tissu sain qu'après agression cérébrale. Il existe des arguments pour penser que l'incidence, le nombre et la durée des DCE sont associés à un moins bon pronostic chez l'homme après agression cérébrale. Cependant, les mécanismes par lesquels ces DCE auraient une toxicité directe reposent encore sur des arguments le plus souvent indirects et sont mal compris. L'objectif principal de ce travail de thèse a été de caractériser les conséquences neurochimiques et micro-vasculaires des DCE afin de mieux comprendre leur physiopathologie dans un cortex sain ou agressé par un TC sévère“Traumatic brain injury” (TBI) encompasses a heterogeneous group of physio-pathological phenomenon. Prognosis, clinical course evaluation and treatment of brain trauma remain challenging. Brain damage results from both the initial physical insult (primary injury), and also continues to occur in the ensuing hours to days because of secondary brain aggressions. Among secondary injuries following TBI, Cortical Spreading Depolarizations (CSD) have emerged since the mid-90s. CSD are waves of depolarization propagating along the cortex at a speed of 1-5 mm/min that induced a massive energetic demand to repolarize the cells. CSD are participating to prognosis because their occurrence and duration are related to outcome in different acute brain injuries (TBI, sub-arachnoid hemorrhage and ischemic stroke). During my thesis, our main goal was to determine whether the CSD reinforced neuronal death following brain trauma that can explain the poor prognosis. In a first study we delineated brain regions where neuronal death occurs following lateral fluid percussion injury (LFPI) in order to record CSDs in this area. Then, as we wanted to assess the energetic balance of this tissue during CSD using biosensors, we had primarily to check for the biosensor reliability to oxygen (O2) and temperature (To). As oxygen and temperature were different from bench (in vitro) to bedside (in vivo) monitoring, we developed algorithms to compute offline the in vivo values obtained for glucose, lactate or glutamate brain concentrations respecting the local O2 concentrations and To measured in the cortex. Finally, using the biosensors, we described the dynamic real time metabolic changes occurring after CSDs in 3 conditions: A healthy cortex, an injured cortex after LFPI, and when CSD occurred in cluster after LFPI. Although the normal brain displayed a hyper-glycolytic state following CSD (transient low glucose concentrations + prolonged elevated lactate concentrations), TBI tissue exhibited a different pattern that could be metabolic crisis (very low glucose concentrations + normal to low lactateconcentrations