Influence du sexe sur l’autorégulation cérébrale
dynamique chez des individus actifs et en santé
Mémoire
Lawrence Labrecque
Maîtrise en kinésiologie - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Résumé
De plus en plus de données probantes dans la littérature démontrent des différences sexuelles dans la régulation du débit sanguin cérébral (DSC), notamment dans le DSC de repos et la réactivité vasculaire cérébrale au dioxyde de carbone. De plus, très peu d’études se sont intéressées aux différences sexuelles pour l’autorégulation cérébrale (AC), un déterminant crucial qui décrit la relation entre la pression artérielle moyenne (PAM) et le DSC [souvent évalué via la vitesse moyenne du sang dans l’artère cérébrale moyenne (MCAv)]. Toutes les études qui ont évalué l’influence du sexe sur l’AC pendant un passage de la position assise à debout (StS ou des répétitions de squats) ont été faite sur des population âgées ou par la mesure de l’AC statique (i.e. comparaison de variables en état stable). De plus, la plupart des mesures qui quantifient la réponse dynamique de l’AC ne sont pas reliées entre elles et la comparaison de diverses techniques d’analyses entre les études peut entraîner des interprétations variables. De ce fait, l’utilisation d’une approche multi-métrique pourrait contribuer à améliorer notre compréhension de l’AC. Conséquemment, le but de cette étude était d’évaluer l’influence du sexe sur l’AC dynamique chez une population jeune et en santé à l’aide d’une approche utilisant différents stress et mesures (StS, analyse de la fonction de transfert des oscillations spontanées et forcées de la PAM et de la MCAv). Nous avons aussi évalué la relation entre la prévalence d’hypotension orthostatique initiale et les différentes mesures de l’AC, dans le but de déterminer si l’effet potentiel du sexe dénote un impact fonctionnel. Nos résultats ont indiqué une capacité réduite des vaisseaux cérébraux des femmes à réagir à des changements importants et rapide de la pression artérielle. Cependant, ces changements ne semblent pas suffisant pour indiquer une altération fonctionnelle du système cérébrovasculaire féminin.
Abstract
Accumulating evidence supports the notion that there are sexual differences in the regulation of cerebral blood flow (CBF), notably for resting CBF and cerebrovascular reactivity to carbon dioxide. Plus, very few studies have attempted to assess sexual differences in cerebral autoregulation (CA), a crucial determinant relating mean arterial pressure (MAP) and CBF [evaluated via mean blood velocity in the middle cerebral artery [MCAv)]. All the studies examining sex influence on CA during either sit-to-stand (StS) or squat-stand maneuvers were done in older populations or by examining static CA (i.e. comparison of steady-state variables). Plus, most metrics quantifying the dynamic cerebral autoregulatory response have a limited ability to characterize each other and comparisons between studies using diverse analytical techniques can produce variable physiological interpretations. Therefore, the aim of this study was to examine the influence of sex on the dynamic cerebral autoregulatory capacity in a young and healthy population using a multiple assessment strategy and hemodynamic stressors (StS, transfer function analysis of spontaneous and forced MAP and MCAv oscillations). We also examined the degree to which dynamic cerebral autoregulatory capacity was related to the prevalence of initial orthostatic hypotension, in order to appreciate whether the potential impact of sex on dynamic cerebral autoregulatory denotes a functional outcome. Our results indicate a reduced ability of women’s cerebrovasculature to react to large and rapid changes in MAP. However, these subtle impairments did not appear sufficient enough to represent a functional impairment of the female cerebrovasculature.
Tables des matières
Résumé ... ii
Abstract ... iii
Tables des matières ... iv
Liste des figures ... vii
Liste des abréviations ... viii
Remerciements ... ix
Avant-propos ... xi
CHAPITRE 1 : Introduction générale ... 1
CHAPITRE 2 : Anatomie et principes généraux ... 2
Circulation antérieure ... 2
Circulation postérieure ... 5
Système vasculaire cérébral ... 5
Système veineux du cerveau ... 6
CHAPITRE 3 : Les déterminant du débit sanguin cérébral ... 7
Couplage neurovasculaire et métabolisme cérébral ... 8
Régulation chimique ... 9
Dioxyde de carbone ... 9
Dioxygène ... 10
Régulation par le système nerveux autonome ... 12
Structure du système nerveux autonome ... 12
Régulation du débit sanguin cérébral par le système nerveux sympathique .. 12
Facteurs systémiques ... 13
Débit cardiaque ... 13
Pression artérielle ... 14
Autorégulation cérébrale ... 14
Techniques pour évaluer l’autorégulation cérébrale dynamique ... 16
Passage de la position assise à debout. ... 17
Le ratio du changement relatif de la MCAv sur le changement relatif de la PAM
... 18
Initiation de la réponse régulatrice ... 18
Taux de régulation ... 19
Analyse de la fonction de transfert ... 19
La cohérence ... 23
Le gain ... 23
La phase ... 24
Mécanismes de l’autorégulation cérébrale ... 24
Théorie myogénique ... 25
Théorie métabolique ... 25
Théorie neurogénique ... 27
CHAPITRE 4 : Différences sexuelles et débit sanguin cérébral ... 28
Cycle hormonal féminin ... 28
Différences sexuelles du débit sanguin cérébral de repos ... 29
Différences sexuelles dans la réactivité au CO2 ... 31
Différences sexuelles dans l’autorégulation cérébrale ... 31
Passage de la position assise à debout ... 31
Analyse de la fonction de transfert des oscillations spontanées et forcées .... 32
CHAPITRE 5 : Problématique ... 33
Influence du sexe sur l’autorégulation cérébrale dynamique ... 33
Objectifs de l’étude ... 33
Hypothèses ... 33
CHAPITRE 6 : Article scientifique ... 34
Résumé ... 34
Abstract ... 35
Article scientifique : The cerebrovasculature of healthy young women has an
attenuated capacity to counter forced oscillations in mean arterial pressure
compared to men ... 36
Introduction ... 37
Results ... 46
Discussion ... 48
Conclusions ... 54
References ... 55
Tables and figures ... 58
CHAPITRE 7 : Discussion ... 66
Influence du sexe sur l’autorégulation cérébrale dynamique en réponse à un
passage de la position assise à debout ... 66
Influence du sexe sur l’autorégulation cérébrale dynamique en réponse à des
oscillations spontanées et forcées de la pression artérielle ... 67
Oscillations spontanées ... 67
Oscillations forcées ... 67
Implications fonctionnelles d’une capacité diminuée de l’autorégulation cérébrale
chez les jeunes femmes actives ... 68
Limites ... 69
Estimation du débit sanguin cérébral à l’aide du doppler transcrânien ... 69
Contrôle du cycle menstruel et prise de contraceptifs oraux ... 70
Monitoring de la pression partielle en CO2 en fin d’expiration lors du passage
de la position assise à debout ... 71
Monitoring de la pression partielle en CO2 en fin d’expiration lors des répétitions
de squats ... 71
Condition cardiorespiratoire des sujets recrutés ... 72
Généralisation à d’autres populations et contextes ... 72
CHAPITRE 8 : Perspectives ... 73
CHAPITRE 9 : Conclusion ... 74
Liste des figures
Figure 1. Vue postérieure des vaisseaux artériels et veineux du cou ... 3
Figure 2. Vue latérale des vaisseaux artériels du cou ... 4
Figure 3. Vue inférieure du cercle de Willis ... 6
Figure 4. Illustration de l'espace de Virchow-Robin ... 6
Figure 6. Influence des différents facteurs impliqués dans la régulation du DSC ... 7
Figure 7. Illustration du couplage neurovasculaire ... 8
Figure 8. Pourcentage de changement par rapport au repos dans le débit sanguin et la vitesse du sang dans différentes artères pendant des changements en état stable de la PaCO2 et la PaO2 ... 11
Figure 9. Graphique illustrant l'autorégulation cérébrale selon Lassen ou les évidences d’aujourd’hui ... 15
Figure 10. Indice de conductance cérébrovasculaire selon le temps en position debout suite à un StS ... 19
Figure 11. Représentation de la pression artérielle oscillant dans divers intervalles de temps ... 20
Figure 12. Principales étapes de l'analyse de la fonction de transfert ... 22
Figure 13. Analyse spectrale des changements hémodynamiques sous des conditions de repos et pendant des répétitions de squats ... 22
Figure 14. Cohérence, gain, phase et gain normalisé selon la fréquence ... 24
Figure 15. Cycle menstruel féminin ... 29
Liste des abréviations
AC : Autorégulation cérébrale
CO2 : Dioxyde de carbone
CVCi : Indice de conductance cérébrovasculaire
DC : Débit cardiaque
DSC : Débit sanguin cérébral
EDHF: « Endothelium-derived hyperpolarizing factor »
HH : Phase haute en hormones du cycle menstruel féminin
LBNP : Caisson à pression négative au niveau des membres inférieurs ou « Lower
body negative pressure »
LH : Phase basse en hormones du cycle menstruel féminin
MCA : Artère cérébrale moyenne
MCAv : Vitesse du sang dans l’artère cérébrale moyenne
nGain : Gain normalisé
NO : Oxyde nitrique
O2 : Dioxygène
PA : Pression artérielle
PaCO2 : Pression partielle artérielle en CO2
PAM : Pression artérielle moyenne
PCA : Artère cérébrale postérieure
PETCO2 : Pression partielle en CO2 en fin d’expiration
RoR : Taux de régulation cérébrovasculaire
SNA : Système nerveux autonome
StS : Passage de la position assise à debout
TFA : Analyse de la fonction de transfert
Remerciements
L’accomplissement d’un tel projet ne vient pas sans la collaboration ni le support de nos collègues et nos proches. Je souhaite par la présente souligner toute ma reconnaissance aux différentes personnes qui m’ont supportées de près ou de loin.
À mon directeur, Patrice Brassard. Pour ton support dans les moments incertains, ta grande disponibilité, ta passion contagieuse, ton engouement pour les nouveaux projets, mais aussi ta confiance en moi, merci! Tu es définitivement le grand coupable pour ma continuation au doctorat.
À mon collègue, Kevan Rahimaly. Nous avons formé une équipe solide pour mener à terme ce projet chargé! Ces deux années n’auraient pas été les mêmes sans nos dîners pour décompresser, tes blagues au labo et ta compagnie à Chicago ou Oxford. Notre engagement mutuel pour compléter de ce projet de A à Z m’a grandement motivée.
À mes autres collègues de laboratoire, Sarah Imhoff et Audrey Drapeau. Sarah, tu es une source d’idées et de motivation sans bornes. Ta bonne humeur et ta rigueur persistantes m’auront démontrée une personne sur qui je veux prendre exemple. Merci pour tout ce que tu nous as appris, autant au plan pratique que théorique. Audrey, nous avons vite développé une amitié dès ton arrivée. Ta curiosité et nos intérêts communs me rendent d’autant plus heureuse de continuer mes études doctorales à tes côtés.
À mes parents, Danielle et Gilles. Sans vous, je ne me serais pas lancée en recherche alors que j’hésitais à la fin de mon baccalauréat. Merci de vous informer, de me supporter, d’être fières et de croire en moi. À toute ma famille, votre support et votre présence ont pris toute leur importance dans les derniers mois. Le départ de grand-maman, Céline et Michel m’aura rendue plus forte.
À mon copain, Richard. Merci pour ton amour, ta compréhension et ton humour. La vie est meilleure à tes côtés!
À mes amies, Rosalie, Raphaëlle, Noémie, Dominique et Anne-Sophie. Je vous remercie pour votre fidélité en nos rencontres et vos encouragements. Grâce à vous, j’arrive à me changer les idées!
À toutes les participantes au projet HIIT-Filles. Vous avez été tellement plaisantes à rencontrer. Je vous remercie pour votre patience pendant notre long protocole ainsi que votre engagement envers la science et notre équipe!
Avant-propos
L’article inséré dans ce mémoire a été rédigé en collaboration avec Patrice Brassard, Kevan Rahimaly, Sarah Imhoff, Myriam Paquette, Olivier Le Blanc, Simon Malenfant, Audrey Drapeau, Jonathan D. Smirl et Damian M. Bailey. L’article sera soumis sous peu pour publication. Cet article est issu de deux études effectuées chez des hommes (Projet Infra-Supra) et des femmes (HIIT-Filles). Pour ma part, j’ai coordonné le projet intitulé HIIT-Filles dans son ensemble et agit à toutes les étapes sauf l’élaboration du protocole. J’ai procédé au recrutement des participantes féminines, l’expérimentation, l’analyse des résultats et la rédaction. Pour le projet Infra-Supra, j’ai procédé à l’analyse des résultats.
Patrice Brassard, Ph. D., est professeur-chercheur au département de kinésiologie de l’Université Laval et chercheur au centre de recherche de l’Institut universitaire de cardiologie et de pneumologie de Québec (IUCPQ). Il a agi en tant que directeur de ma maîtrise et a participé à toutes les étapes des projets Infra-Supra et HIIT-Files, mais plus particulièrement à l’élaboration du protocole, l’analyse des résultats, la rédaction et la révision.
Kevan Rahimaly est étudiant à la maîtrise en kinésiologie et a aussi coordonné le projet HIIT-Filles. Il a procédé au recrutement des participantes féminines, à l’expérimentation et à la révision de l’article.
Sarah Imhoff est étudiante au doctorat en kinésiologie. Elle a participé à l’expérimentation pour HIIT-Filles de même qu’à la révision de l’article.
Myriam Paquette, étudiant au doctorat en kinésiologie, et Olivier Le Blanc ont coordonné le projet Infra-Supra. En lien avec cet article, ils ont participé au recrutement des participants masculins, l’expérimentation de même que la révision de l’article.
Simon Malenfant, Ph. D., a contribué dans le cadre du projet Infra-Supra. Il a procédé à l’expérimentation ainsi qu’à la révision de l’article.
Audrey Drapeau, étudiante à la maîtrise en kinésiologie a participé à l’expérimentation sur le projet HIIT-Filles de même qu’à la révision de l’article.
Finalement, Jonathan D. Smirl, Ph. D. et Damian M. Bailey, sont des spécialistes qui ont été consulté et ils ont participé à la révision critique de l’article.
CHAPITRE 1 : Introduction générale
Pour des raisons scientifiques, historiques voire même économiques, les femmes ont longtemps été exclues de la recherche en médecine ainsi qu’en physiologie. Le manque de connaissances de base sur la physiologie féminine, la tendance à répéter des études précédentes sur les hommes seulement de même que les coûts supplémentaires engendrés pour étudier les femmes sont des raisons qui expliquent cette exclusion (79). Heureusement, il semble que la littérature d’aujourd’hui comprenne davantage d’études sur les femmes et que leur exclusion ne soit plus vraiment pratiquée. Dans les essais cliniques cependant, l’étude directe des différences sexuelles n’est pas encore fréquente (33). Ce phénomène est aussi observé en physiologie vasculaire cérébrale. Grâce à une recherche rapide, on constate que les premières études sur les différences sexuelles du débit sanguin cérébral (DSC) remontent aux années 80 (31, 70). Considérant que les premiers rapport en lien avec le DSC ont été publiés avant les années 1900 (71), il existe un délai important avant que la littérature ne se soit intéressée aux différences entre les sexes.
Une notion importante dans la régulation du DSC est l’autorégulation cérébrale (AC). Cette thématique sera abordée en détail dans le cadre de ce mémoire, mais il faut savoir qu’elle décrit la relation étroite entre la pression artérielle (PA) et le DSC. Elle peut être évaluée à l’aide de plusieurs méthodes dans le but de s’assurer que la perfusion cérébrale puisse être maintenue dans différents contextes (ex. hypotension artérielle, exercice, etc.) (87). Dès les années 90, il s’est avéré que l’analyse de l’aspect oscillatoire de la PA et le DSC était une des meilleures façons d’en évaluer leur relation (10, 28). Selon des données récentes, il s’avère toutefois qu’une approche multi-métrique incluant différents types de mesures soit l’idéal. En effet, de plus en plus de résultats démontrent que les différentes mesures de l’AC ne sont pas toutes inter-reliées et fournissent des informations à plusieurs niveaux (79). De plus, les différentes méthodes d’analyses utilisées entre les diverses études peuvent mener à des interprétations variables.
Les différences sexuelles dans l’AC ont été très peu étudiées. Considérant ce fait ainsi que le manque d’informations sur les différences sexuelles dans la régulation du DSC, le but de ce travail sera d’évaluer l’AC chez des hommes et des femmes actifs et en santé. Bien sûr, une approche comportant différentes mesures sera utilisée. De plus, dans le but de déterminer si les changements potentiels représentent ou non une altération fonctionnelle, nous avons évalué la prévalence d’hypotension orthostatique initiale (IOH).
CHAPITRE 2 : Anatomie et principes généraux
Des artères extracrâniennes aux petits capillaires, l’anatomie vasculaire cérébrale est complexe. Les artères cérébrales plus larges se rétrécissent pour devenir des artérioles qui pénètrent à l’intérieur du cerveau. Ces artères possèdent 2 couches, soit une de cellules endothéliales et une autre de muscle vasculaire lisse. Cette dernière couche se comporte d’une paroi extérieure, l’adventice, constituée de fibroblastes, de collagène et de nerfs péri-vasculaires (29).
Circulation antérieure
La perfusion de la région antérieure du cerveau provient principalement de l’artère carotide commune. Cette dernière prend naissance au niveau de l’arc aortique à gauche et au niveau du tronc brachio-céphalique à droite (Figure 1) (57). L’artère carotide commune se divise ensuite en 2 branches qui sont les artères carotides externe et interne (Figures 1 et 2). La division de ces deux artères se fait au niveau du bulbe (ou bifurcation) qui se situe habituellement de 1 à 3 centimètres de la mâchoire (85). La première est généralement en position antéro-médiale alors que la seconde tend davantage à être en postérieur et en latéral. L’artère carotide externe progresse à l’extérieur du crâne pour irriguer le cuir chevelu, la peau et certains muscles de la tête et du visage (35). De son côté, l’artère carotide interne, qui fournit environ de 70 à 75% du DSC global (72), s’insère à l’intérieur du crâne pour se diviser en plusieurs artères cérébrales. Elle se divise principalement en 3 artères, soit la cérébrale antérieure, la cérébrale moyenne ainsi que la communicante postérieure. De ces trois divisions, l’artère cérébrale moyenne est la plus importante et celle qui est le plus souvent investiguée dans les études de DSC.
Circulation postérieure
Le sang qui se rend dans la région postérieure du cerveau provient pour sa part des artères vertébrales. La circulation postérieure représente environ 25% du DSC global (72). Les deux artères vertébrales prennent naissance dans les artères sous-clavières gauche et droite et cheminent dans les foramens transverses des vertèbres cervicales. À leur entrée dans le crâne, les deux artères se fusionnent pour former l’artère basilaire (Figure 3). Cette dernière se ramifie en plusieurs petits vaisseaux secondaires, les artères pontines, avant de se diviser à nouveau pour former les deux artères cérébrales postérieures (57).
Système vasculaire cérébral
Les artères cérébrales moyennes (MCA) et postérieures (PCA) sont fréquemment utilisées dans la littérature puisqu’elles sont des artères avec des fonction importantes. La première irrigue les cortex frontal et pariétal ainsi que le cortex cingulaire. Pour sa part, la PCA est la source primaire de sang de la région visuelle du cortex cérébral (78). Les MCAs et PCAs se joignent au sein du cortex cérébral grâce aux artères communicantes antérieures et postérieures pour former le cercle de Willis. La Figure 3 illustre bien l’anatomie élaborée des artères cérébrales. Cela permet ainsi au système vasculaire de compenser et maintenir l’apport sanguin si un ou plusieurs vaisseaux étaient bloqués (16). Toutefois, il est important de mentionner qu’il n’y a environ que 50% des individus qui présentent cette anatomie de façon plus ou moins exacte. En effet, grâce à des angiographies sous résonnance magnétique, des auteurs ont démontré que 74% des individus présentent une partie antérieure complète, 52% une partie postérieure complète et 42% un cercle de Willis complet(42). Les artères cérébrales principales (MCA et PCA) se ramifient par la suite en plusieurs branches à la surface du cerveau tout en diminuant de diamètre, avant de pénétrer dans le cortex pour aller irriguer des régions spécifiques. Les artérioles qui pénètrent le tissu cérébral passent par les espaces de Virchow-Robin (Figure 4). Ces derniers sont une continuité de l’espace sous-arachnoïdien (32).
Figure 3. Vue inférieure du cercle de Willis. Tirée de Cipolla 2010.
Système veineux du cerveau
Le cerveau est drainé par un système complexe et interconnecté de veines cérébrales et de sinus qui se déversent dans les veines jugulaires internes gauche et droite (16). Ces dernières se déversent dans leur veine brachio-céphalique respective et finalement dans la veine cave supérieure (Figure 1). Le système veineux cérébral comporte un réseau superficiel et un réseau profond. Le premier draine la surface corticale du cerveau. Le deuxième a pour sa part le rôle de drainer les parties plus profondes des matières blanche et grise (41).
CHAPITRE 3 : Les déterminant du débit sanguin cérébral
Le cerveau ne compte que pour environ 2% du poids corporel total alors qu’il reçoit de 15 à 20% du débit cardiaque, ce qui en fait un des organes les plus perfusés au repos. Cet organe vital est aussi confronté à différentes contraintes telles que le fait qu’il est situé au-dessus du cœur et à l’intérieur du crâne, une cavité osseuse rigide, en plus d’avoir une limite supérieure au débit sanguin qu’il peut recevoir (16). Qui plus est, le cerveau repose presqu’entièrement sur le métabolisme oxydatif du glucose. Cependant, il a une demande énergétique très élevé, sans toutefois avoir de réserve importante de son substrat principal. Il est donc nécessaire d’assurer un DSC constant sans lequel il pourrait y avoir perte de conscience (syncope), voir même des dommages irréversibles et même la mort (96) si la perfusion diminue trop longtemps ou dans une trop grande mesure.
Le DSC est régulé par une multitude de facteurs et conditions. Le dioxyde de carbone, le métabolisme cérébral, le système nerveux autonome ainsi que la PA sont les éléments principaux qui ont une influence sur le DSC (96). La régulation du DSC ne doit donc pas être considéré comme se limitant à ce qui se passe à l’intérieur du crâne, mais comme un processus qui intègre aussi les mécanismes périphériques des autres systèmes du corps humain. En somme, les déterminants du DSC se résument en cinq facteurs principaux qui sont : 1) le couplage neurovasculaire et le métabolisme cérébral ainsi que les déterminants 2) chimique, 3) systémiques, 4) neurogénique et 5) l’autorégulation cérébrale et la relation pression-débit. La Figure 5 résume les effets globaux de chacun de ces déterminants principaux sur le DSC.
Figure 5. Influence des différents facteurs impliqués dans la régulation du DSC. Tirée de Ainslie, 2009.
Couplage neurovasculaire et métabolisme cérébral
Afin de subvenir à ses besoins énergétiques malgré toutes les contraintes énumérées précédemment, la régulation locale du DSC est hautement précise. Comme le cerveau est un organe avec des fonctions vitales, il se doit d’avoir une régulation quasi-parfaite pour l’apport de nutriments et le transport des déchets métaboliques (67). Il parvient à cela grâce à une riche vascularisation et une régulation complexe du débit sanguin. Il existe un lien spatial et temporel serré entre l’activité neuronale et le débit sanguin. C’est ce qu’on appelle le couplage neurovasculaire (29, 67).
L’unité neurovasculaire est composée de trois éléments anatomiques qui sont le muscle lisse vasculaire, le neurone et l’astrocyte, une cellule gliale (Figure 6). Résumé simplement, le couplage neurovasculaire correspond aux changements de débit sanguin dans les artères à la suite d’un changement de l’activité neuronale médié par les astrocytes (67). En effet, une activité neuronale augmentée entraîne rapidement une augmentation de l’utilisation de l’O2, de l’absorption du glucose, du métabolisme et donc du DSC local. Le couplage
neurovasculaire chez l’humain est assez robuste puisqu’il a été démontré qu’il se maintient dans différentes conditions (administration d’un antagoniste des canaux calcique, exercice), bien qu’il soit altéré pour certaines pathologies telles que l’hypertension artérielle, la maladie d’Alzheimer et les accidents vasculaires cérébraux (29, 67). Le couplage entre le DSC et le métabolisme cérébral est médié par plusieurs molécules impliquées dans les interactions électriques et biochimiques entre les neurones, les astrocytes, le muscle lisse vasculaire ainsi que l’endothélium (11).
Régulation chimique
Dioxyde de carbone
La perfusion cérébrale est hautement sensible aux variations en dioxyde de carbone (CO2).
La normocapnie définit le niveau de la pression partielle artérielle en CO2 (PaCO2) dans des
conditions de repos. Une augmentation de la PaCO2 au-dessus de la normocapnie,
l’hypercapnie, fait diminuer les résistances cérébrovasculaires, ce qui entraîne une augmentation du DSC. À l’inverse, une diminution de la PaCO2 (hypocapnie) entraîne une
augmentation des résistances cérébrovasculaires et donc diminution du DSC (95). Cela a pour objectif principal de stabiliser les centres de contrôle autonome respiratoire et cardiovasculaire qui se situent dans des régions sensibles au pH environnant (95). Ainsi, l’augmentation du DSC permet d’atténuer l’augmentation du CO2 dans les tissus alors que
la diminution du DSC en limite sa baisse. La Figure 7 (haut) démontre bien l’effet de la PaCO2 sur le débit sanguin ou la vitesse du sang dans différentes artères. Généralement,
on mesure la PaCO2 ou la pression partielle de CO2 en fin d’expiration (PETCO2). Il a toutefois
été démontré que la PETCO2 ne reflète pas parfaitement la PaCO2 dans différents contextes
(95). Il semble que la PETCO2 sous-estime la PaCO2 au repos et la surestime à l’exercice
(69) ainsi qu’en hypercapnie (65). Il en demeure tout de moins que la PETCO2 reste une
variable intéressante pour sa facilité d’utilisation et son aspect non-invasif comparativement à la mesure de la PaCO2. Il suffit de demeurer conscient que la PETCO2 doit être interprétée
avec attention dans des situations où l’on fait de l’hypercapnie (65).
La réactivité vasculaire cérébrale au CO2 est une fonction homéostatique vitale qui permet
de réguler et ajuster le pH central. Elle reflète l’habileté des vaisseaux cérébraux à se dilater ou se resserrer en réponse à des changements de PaCO2 (4). Elle est généralement
exprimée en pourcentage de changement du DSC par millimètre de mercure de changement de la PaCO2 ou de la PETCO2 (65). Willie et al. rapportent qu’elle se traduit en
une augmentation de 3 à 6% ou une diminution de 1 à 3% du DSC par millimètre de mercure de changement en CO2 au-dessus ou en-dessous de la PaCO2 de repos, respectivement
(96). Généralement, le DSC est estimé par la vitesse du sang dans la MCA (MCAv) à l’aide d’un Doppler transcrânien. Des études rapportent une relation exponentielle entre la MCAv et le changement de la PETCO2 (31, 73) et la réactivité serait plus grande en hypercapnie.
mécanisme de protection pour prévenir une ischémie cérébrale lors d’une diminution transitoire de la PaCO2 (4).
Les vaisseaux du cerveau sont sensibles au CO2 à tous les niveaux (des artères du cou
jusqu’aux capillaires), mais à des degrés variables (95). On a longtemps cru que la majorité de la réactivité au CO2 se déroulait dans les petites artérioles cérébrales et les capillaires
(4), alors que les plus grands vaisseaux servaient à la distribution et au stockage du sang. La disposition anatomique des artérioles et des capillaires dans l’espace sous-arachnoïdien fait en sorte que ces plus petits vaisseaux sont exposés aux conditions métaboliques locales (96). Cependant, une étude a récemment démontré des résultats qui pourraient nous faire repenser le fait que la majorité des résistances vasculaires cérébrales sont au niveau des petites artères. En effet, Willie et al. ont démontré que la réactivité cérébrale globale est supérieure dans les artères du cou. Dans cette même étude, ils ont aussi démontré que les artères vertébrales ont une réactivité supérieure aux artères carotides internes ainsi que cérébrales moyennes et postérieures (95). En revanche, on comparait des mesures de vélocité pour les artères intracrâniennes (via le Doppler transcrânien) et de débit (Doppler carotidien) pour les artères extracrâniennes, ce qui pourrait expliquer en partie les différences. La réactivité des plus gros vaisseaux du cou pourraient être vue comme une défense de première ligne pour maintenir le DSC constant (96).
D’autres facteurs influencent aussi la réactivité au CO2. Par exemple, Cummings et al. ont
démontré que la réactivité en hypercapnie est moindre tôt le matin comparativement à en soirée (22). Cela était d’autant plus associé à la réponse ventilatoire augmentée ainsi qu’à la diminution de l’oxygénation cérébrale. Ainslie et al. ont obtenu des résultats semblables (6). Il a aussi été démontré que la MCAv est corrélée à la variation circadienne de la température corporelle (19). Il existe donc une variation circadienne dans la réactivité au CO2. Cela démontre la complexité de la régulation du DSC par le CO2.
Dioxygène
Le dioxygène (O2) est un gaz artériel qui influence aussi la régulation du DSC mais dans
une moindre mesure que le CO2. On observe surtout une influence de la pression partielle
artérielle en O2 lorsqu’elle atteint des valeurs hypoxiques extrêmes (< 50 mmHg). De plus,
la réponse du DSC à une exposition hypoxique dépend grandement de la PaCO2 initiale (7).
L’hypercapnie augmente la sensibilité des vaisseaux cérébraux à l’hypoxie alors que l’hypocapnie la diminue (52). Les études qui s’intéressent aux environnements hypoxiques
se confondent dans la réponse hyperventilatoire à l’hypoxie. En effet, une faible pression partielle en O2 cause l’hyperventilation, ce qui entraîne une diminution de la PaCO2
(hypocapnie) et donc une vasoconstriction (96). La plupart des études se font donc dans un environnement hypoxique, mais isocapnique, c’est-à-dire avec une PaCO2 qui est
maintenue constante. Willie et al. ont procédé à une étude où ils se sont intéressés à la vélocité du sang dans la MCA et la PCA ainsi qu’au débit sanguin dans les artères carotides internes et vertébrales lors de différents degrés d’hypoxie et d’hyperoxie en isocapnie (95). Les débits (artères extracrâniennes) et les vitesses (artères intracrâniennes) étaient tous augmentés en hypoxie (Figure 7, bas). Cela est causé par la vasodilatation des vaisseaux lorsque la pression artérielle en O2 diminue. L’apport en O2 était augmenté dans l’artère
vertébrale et sa réactivité était aussi plus grande comparativement aux trois autres vaisseaux étudiés. De son côté, l’hyperoxie n’a fait que diminuer le débit sanguin dans les artères extracrâniennes, mais n’a pas eu d’effet sur la vitesse du sang de la MCA et la PCA. Bien que cela demeure incertain, les mécanismes via lesquels l’hypoxie entraîne la vasodilatation des vaisseaux cérébraux passeraient par la sécrétion d’oxyde nitrique (NO) et d’adénosine (11, 96).
Figure 7. Pourcentage de changement par rapport au repos dans le débit sanguin (Q ; ICA, VA) et
la vitesse du sang (CBV ; MCA, PCA) pendant des changements en état stable de la PaCO2 (haut)
Régulation par le système nerveux autonome
Structure du système nerveux autonome
Le système nerveux central se divise en 2 parties : les systèmes nerveux somatique et autonome. Le muscle squelettique est innervé par le système nerveux somatique. Tous les autres organes du corps sont innervés par le système nerveux autonome (SNA). Ce dernier se divise lui aussi en deux parties qui sont les systèmes nerveux sympathique et parasympathique. Le système nerveux sympathique a, à quelques exceptions près, une activité excitatrice et est activé en situation de stress, alors que le système nerveux parasympathique a plutôt un effet de freinage. Les deux systèmes fonctionnent dans la plupart des organes de façon réciproque. Lorsqu’un des deux doit s’activer, l’autre diminue son activité. Des neurotransmetteurs sont associés à chacune des parties du SNA. C’est principalement l’acétylcholine pour le système parasympathique et la noradrénaline pour le système sympathique. Notons que certaines terminaisons du système sympathique libèrent aussi de l’acétylcholine. Chacun des neurotransmetteurs peut avoir différents types de récepteurs qui ont chacun des rôles et des affinités variables (93).
Les artères cérébrales sont pourvues de nerfs péri-vasculaires qui proviennent du système nerveux périphérique. Plus précisément, leur innervation sympathique extrinsèque provient du ganglion cervical supérieur alors que l’innervation parasympathique provient des ganglions otique et sphéno-palatin. (16) Il y a aussi une innervation sympathique intrinsèque (provenant du cerveau lui-même) qui prend moins d’importance dans la régulation du DSC (16), mais qui est associée à de la vasodilatation (97). La norépinephrine est le principal neurotransmetteur pour l’activité sympathique alors que ce sont l’acétylcholine, le peptide vasoactif intestinal et le NO pour l’activité parasympathique.
Régulation du débit sanguin cérébral par le système nerveux sympathique
L’étude de l’effet du SNA sur le DSC est compromise par plusieurs facteurs. En effet, il ne peut être considéré indépendamment des facteurs comme la PA ou le débit cardiaque qui sont eux aussi influencés par le SNA, les stress physiologiques et les substances pharmacologiques pour bloquer l’activité sympathique utilisées dans les études (13). Malgré tout, la revue de littérature récemment effectuée par Brassard & Ainslie rapporte que la plupart des études révèlent une augmentation du DSC lorsqu’il y a un blocage pharmacologique des récepteurs adrénergiques ou une ganglionectomie (i.e. un retrait de
l’activité sympathique). Cela suggère donc le rôle d’un potentiel tonus sympathique afin de prévenir les hausses trop prononcées de PA (13). En support à cette affirmation, Cassaglia et al. avaient démontré une augmentation de l’activité sympathique du ganglion cervical supérieur chez des agneaux anesthésiés lors d’une hypertension induite de façon pharmacologique ou mécanique (15). En somme, il est important de se rappeler que beaucoup d’éléments font en sortent que l’implication du SNA dans la régulation du DSC demeure contradictoire. Plusieurs facteurs comme la redondance de certains mécanismes, la distribution hétérogène de l’innervation sympathique, la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique, les différences entre les espèces (pour les études animales), la durée et l’intensité des stimulations, l’asymétrie et l’influence de la pression de perfusion, la sympatholyse (atténuation de la vasoconstriction par le relâchement de métabolites), les différences régionales ainsi que le métabolisme cérébral rendent son étude compliquée (3).
Facteurs systémiques
Débit cardiaque
Entre 15 et 20% du DSC provient du débit cardiaque (DC) au repos (16). Il est donc tout à fait logique que ces deux entités physiologiques soient reliées. Il existe effectivement une relation linéaire entre un DC qui augmente et le DSC évalué par la MCAv au repos (via l’administration d’albumine qui augmente le volume sanguin) et à l’exercice (59). Cependant, il semble que la pente de la relation entre les deux variables soit diminuée de 55% à l’exercice. Selon Ogoh et al., cela pourrait refléter une vasoconstriction médiée par le système nerveux sympathique afin d’éviter une trop grande augmentation de la MCAv ainsi qu’une redistribution du DC aux muscles actifs afin de soutenir l’effort. Il existe aussi une relation linéaire entre les 2 composantes lorsque le DC diminue graduellement lors d’un protocole de caisson à pression négative au niveau du membre inférieur (14). Cette technique permet de faire diminuer graduellement la PA. Globalement, une étude ayant rassemblé plusieurs travaux rapporte que le DSC diminue d’environ 10% pour 30% de diminution du DC (54). Apparemment, ces changements n’étaient pas influencés par une variation de la PA ou du CO2, à l’exception de deux études où il y a eu une diminution
significative du CO2. Ogoh et al. ont aussi rapporté que des variations du DC ne modifiaient
pas l’AC ou la PaCO2. Ainsi, le DC aurait un impact direct sur le DSC en plus d’avoir un
Pression artérielle
La PA est le principal déterminant du DSC. On utilise généralement la pression artérielle moyenne (PAM), qui reflète mieux la PA au cours d’un cycle cardiaque puisque la diastole cardiaque est prolongée par rapport à la systole. C’est cette pression qui représente la perfusion des tissus sur une moyenne établie pour tout le cycle cardiaque. La formule qui décrit la PAM est [ ( PAS + 2PAD ) / 3 ] (93). Pour le système vasculaire cérébral, la pression de perfusion cérébrale est aussi une variable importante. Elle correspond en quelque sorte à la différence entre la pression intra-artérielle et la pression veineuse (16). La pression de perfusion cérébrale est définie par différence entre la PAM et la pression intracrânienne qui est généralement estimée à 10 mmHg (96). C’est cette différence de pression qui entraîne des ajustements au niveau des vaisseaux. Dans une position couchée, la PAM estime la pression de perfusion cérébrale. Toutefois, le stress orthostatique engendré par la position debout entraîne une multitude d’ajustements. Notamment, une partie du sang veineux sortant du crâne est redistribué au plexus veineux vertébral puisque les veines jugulaires internes se rétrécissent en position debout (30). De façon très générale, s’il y a une diminution de la PAM, les artères cérébrales vont se dilater pour augmenter le débit sanguin afin d’éviter une hypoperfusion. À l’inverse, si la PAM augmente, les artères vont se contracter dans le but de limiter le débit. Nous verrons toutefois dans la prochaine section que ce principe ne s’applique pas pour tous les intervalles de PA. Le DSC entretien un lien étroit avec la PA, et c’est l’autorégulation cérébrale qui décrit cette relation dynamique.
Autorégulation cérébrale
L’autorégulation cérébrale (AC) se définit comme la capacité de l’arbre vasculaire cérébral à maintenir la perfusion à un niveau relativement constant malgré des changements de PA. En d’autres mots, l’AC décrit le lien important entre les variations de PA et l’ajustement du DSC en réponse à ces changements. Il existe deux façons de considérer l’AC. La première est l’AC statique qui se définit comme un ajustement réflexe des vaisseaux sanguins cérébraux à des changements en état stable de la PA. Ainsi, les chercheurs qui s’intéressent à l’AC statique doivent mesurer la PA et le DSC dans une condition contrôle pendant un certain temps et dans une autre condition (après la stabilisation des variables) par la suite. Lors d’un protocole de table basculante par exemple, il faudrait mesurer les variables en position horizontale pour ensuite les mesurer en position verticale une fois la stabilisation des variables atteinte. Pour sa part, l’AC dynamique correspond à la régulation des
résistances cérébrovasculaires pour s’ajuster à des changements dynamiques, et non constants, de la PA (88). Dans ce contexte, on pourrait par exemple s’intéresser à l’évolution des deux variables lors d’un passage de la position assise à debout ou lors de répétitions de squats. L’AC statique et dynamique sont des façons expérimentales, et non physiologiques, de considérer la relation entre le DSC et la PA (96). Une AC efficace est essentielle afin de tamponner des variations importantes de PA et d’éviter que le cerveau ne soit soumis à une hypoperfusion ou une hyperperfusion. Dès 1959, Lassen s’est intéressé à l’intervalle de pressions artérielles pour lesquelles l’AC serait efficace afin de maintenir un DSC constant. Il affirmait à la suite de sa revue que l’AC permettait de maintenir un DSC constant pour des pressions de perfusion de 50 à 150 mmHg (Figure 8 à gauche) (49).
Figure 8. Graphique illustrant l'autorégulation cérébrale selon Lassen (gauche) ou les évidences d’aujourd’hui (droite). Tirée de Willie, 2014.
Aujourd’hui, on affirme cependant ces valeurs avec beaucoup moins de certitude. En effet, cette courbe d’AC présentée dans la revue de Lassen a été bâtie à l’aide de résultats provenant de différentes études avec des populations pathologiques et des méthodes variables pour induire l’hypotension ou l’hypertension. En revanche, peu d’études se sont intéressées à décrire la relation intra-sujet entre la PA et le DSC (58). Une des grandes limites réside dans le fait que le baroréflexe artériel (qui agit en environ 7 secondes) limite les valeurs possiblement atteintes par différents stress. Ainsi, il faut utiliser des stress rapides, des substances pharmacologiques ou des manipulations du volume sanguin afin d’obtenir des variations de PA appréciables. Or, ces deux dernières techniques influencent
elles-mêmes le DSC indépendamment de la PA (96). Des études récentes indiquent que le DSC demeurerait constant sur un plus petit intervalle de pression que ne l’avait affirmé Lassen. En effet, la fenêtre de PA pour laquelle un DSC est maintenu constant serait beaucoup moins grande (Figure 8 à droite). De plus, il devient évident que l’AC dynamique est plus efficace pour tamponner une augmentation de PA plutôt d’une diminution ce celle-ci. Cela a été démontré alors que la PA était modulée avec des agents pharmacologiques (90), des répétitions de squats (12, 62) ainsi que dans le cadre d’une revue de littérature s’intéressant à l’AC statique (58). C’est ce qu’on appelle le phénomène d’hystérésis.
Techniques pour évaluer l’autorégulation cérébrale dynamique
Pour mesurer l’AC, il est d’abord important de faire la mesure de plusieurs variables en continu. Il est essentiel d’avoir la mesure de la PAM. Cette dernière peut se mesurer en continu de manière invasive (à l’aide d’une canule dans une artère avec un capteur de pression) ou non-invasive à l’aide d’un photopléthysmographe au doigt. Bien entendu, la mesure du DSC est aussi primordiale. Très souvent, on estime le DSC par la MCAv à l’aide d’un Doppler transcrânien. La fréquence cardiaque mesurée avec un électrocardiogramme est aussi importante, surtout pour l’analyse de la fonction de transfert dans le but de calculer les variables sur un cycle cardiaque entier (18). Finalement, l’indice de conductance cérébrovasculaire (CVCi : MCAv/PAM) est une autre calcul simple qui peut être utilisé (60). Le CVCi est en quelque sorte un indice de la vasodilatation des artères cérébrales.
Il existe plusieurs façons de faire varier la PA pour évaluer l’AC. Le dégonflement de brassard aux cuisses en est un exemple. La technique consiste à gonfler des brassards autour des deux cuisses à une pression supra-systolique autour de 180-200mmHg. Cette pression est généralement maintenue pendant 5 minutes avant d’être subitement relâchée. Le relâchement des brassards entraîne un déplacement important du volume sanguin vers les jambes, ce qui entraîne une hypotension prononcée et transitoire. Les désavantages de cette technique résident dans le fait qu’elle n’est pas reproductible (57) et qu’elle n’est pas similaire aux stress de la vie de tous les jours. Le caisson à pression négative ou « lower body negative pressure » (LBNP) est une autre technique utilisée. Cette technique consiste à insérer les participants dans un caisson étanche jusqu’aux hanches et d’en diminuer la pression à l’intérieur du caisson. Cela provoque un déplacement du sang vers le bas du corps créant ainsi une diminution du volume sanguin central. La technique permet donc d’étudier les effets de l’hypovolémie centrale sur les différents systèmes du corps. Il a
d’ailleurs été démontré qu’elle peut se comparer à un protocole de retrait sanguin simulant une hémorragie (36, 40). Le LBNP est aussi intéressant à utiliser puisqu’il permet de contrôler le degré de l’hypovolémie, soit en l’induisant graduellement (mmHg/min) ou par palier. En plus, elle est relativement simple, reproductible, non invasive et sécuritaire (21). Cependant, le caisson LBNP n’engendre pas un stress d’origine gravitationnel et fonctionnel en plus d’être plus difficile à intégrer dans un protocole. Deux autres techniques simples et facile à intégrer au sein d’un protocole sont aussi utilisées, soit le passage de la position assise à debout et la répétition de squats.
Passage de la position assise à debout.
Lors d’un stress orthostatique comme le changement de la position assise à debout (StS), 500 à 700 mL de sang se redirige vers le réservoir veineux des membres inférieurs, entraînant une diminution rapide et importante du volume sanguin central (68, 75). Conséquemment, il s’en suit une diminution de la pré-charge ventriculaire ce qui entraîne une diminution du volume d’éjection et ultimement une diminution du DC ainsi que de la PA. Afin d’éviter que cette diminution de PA entraîne une hypoperfusion cérébrale trop importante, le corps est pourvu de mécanismes pour s’ajuster à ce stress physiologique transitoire. Le principal acteur dans cette régulation est le système nerveux sympathique, notamment via les barorécepteurs de l’arc aortique et des sinus carotidiens (68). Une diminution de la PA réduit la pression exercée sur les parois artérielles. Les barorécepteur perçoivent cette diminution de la charge appliquée par le sang sur la paroi des vaisseaux sanguins (93). Ils envoient alors une commande aux centres de contrôle cardiovasculaires de l’encéphale qui ordonnent l’enclenchement d’une réponse compensatoire. Cela a pour effet d’augmenter la fréquence cardiaque, la contractilité myocardique ainsi qu’enclencher une vasoconstriction des vaisseaux en périphérie (68). Cependant, il existe une fenêtre avant que le baroréflexe n’aille son influence qui donne le temps au DSC de diminuer. Comme le cerveau a un emplacement au-dessus du cœur qui le désavantage (61), il est plus vulnérable aux changements de PA et de DC. Même si le corps humain possède différents mécanismes afin d’assurer la perfusion jusqu’aux capillaires cérébraux, il en demeure tout de moins qu’on assiste généralement à une diminution transitoire du DSC lors d’un StS ou d’autres techniques (25, 26, 80, 99). Cela nous permet d’évaluer la réponse du DSC en réponse à une diminution de la PA et potentiellement identifier des déficiences. Les mesures les plus simples et répandues pour évaluer l’AC lors d’un StS sont 1) la réduction
de la MCAv et de la PAM jusqu’au nadir; 2) le ratio du changement relatif de la MCAv sur le changement relatif de PAM [[DMCAv(%) / DPAM(%)]; 3) l’initiation de la réponse régulatrice et 3) le taux de régulation cérébrovasculaire (RoR).
La réduction de la MCAv et de la PAM au nadir
La réduction de la MCAv et de la PAM consiste à identifier les valeurs minimales atteintes lors de la diminution des deux variables lors du changement de position. Elle permet d’identifier l’amplitude du stress cardio- et cérébrovasculaire induit par le StS.
Le ratio du changement relatif de la MCAv sur le changement relatif de la PAM
Pour calculer ce ratio, il faut calculer la diminution relative de chaque variable en divisant la réduction par la valeur en position de repos. Un ratio est ensuite calculé. Il est simple à calculer et indique l’amplitude de diminution de la MCAv pour une diminution de PAM. Il caractérise la relation entre les deux variables alors qu’elles diminuent. Par exemple, pour un [DMCAv(%)/DPAM(%)] de 0,6, cela signifie qu’il y a un changement de 0,6% de la MCAv pour chaque changement de 1% de PAM. Dans ce cas, une valeur de 0 indiquerait une capacité parfaite PAM diminue).
Initiation de la réponse régulatrice
Pour évaluer le délai avant l’initiation de la réponse régulatrice, il faut avoir un tracé du CVCi en continu lors du StS. L’initiation de la réponse régulatrice correspond à l’intervalle de temps avant que le CVCi n’augmente (Figure 9). Cette mesure est un indice de la latence avant que ne réagissent les artères cérébrales à la diminution de PAM (50). On la détermine visuellement à l’aide de plusieurs observateurs.
Figure 9. Indice de conductance cérébrovasculaire (CVCi) selon le temps en position debout suite à un StS. L’initiation de la régulation se détermine au temps à lequel le CVCi se met à augmenter
Taux de régulation
Le taux de régulation cérébrovasculaire (RoR) débute lorsque le CVCi commence à augmenter (i.e. initiation de la réponse régulatrice). Un intervalle de temps de 2,5 secondes à partir de ce point déterminé individuellement est souvent considéré pour le calcul du RoR ( (1). Le RoR consiste à calculer la pente de changement du CVCi sur le changement de PAM [(DCVCi/Dt)/(DPAM)] où le DPAM correspond à la PAM au repos en position assise moins la PAM moyenne pendant l’intervalle de temps considéré.
Analyse de la fonction de transfert
Plusieurs méthodes ont été explorées pour tenter de décrire et caractériser la relation entre la PA et le DSC. La PA oscille en permanence au fil des minutes, des heures et même des journées (Figure 10). À cela s’ajoute, les variations spontanées et non-rythmiques causées notamment par la toux ou l’activité physique (88). Le calcul des variations de la PA dans le domaine temps n’est donc pas nécessairement idéal pour évaluer l’AC dynamique puisqu’elle varie constamment à différentes échelles. La PA est encore trop souvent considérée dans le domaine temporel alors qu’elle présente une composante oscillatoire importante (88).
Figure 10. Représentation de la pression artérielle oscillant dans divers intervalles de temps. Tirée de « By ProfBondi (Own work) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) »
L’analyse de la fonction de transfert (TFA) offre une solution à cela en décomposant la PA et le DSC dans leur composantes oscillatoires variées sans perte d’information. Il faut rappeler qu’une mesure de fréquence indique le nombre de fois qu’un phénomène périodique (oscillation) survient par seconde et elle se mesure en Hertz (Hz). Plus la fréquence est élevée, plus le nombre d’oscillations par seconde est élevé. Ainsi, une fréquence de 1 Hz implique 1 oscillation par seconde et une fréquence de 0,10 Hz, 1 oscillation par 10 secondes ou 6 oscillations par minute. Globalement, la TFA consiste à comparer un signal entrant (la PA) qui est transmis avec plus ou moins d’interférences à un signal sortant (le DSC). L’analyse de ces deux signaux permet de caractériser l’AC, en vérifiant avec quelles modifications le signal de la PA a été transmis au DSC. Tout d’abord, ces deux signaux sont soumis à une transformation de Fourier pour obtenir des spectres de fréquences (colonne centrale de la Figure 11). Cela indique la proportion des différentes fréquences contenues dans un signal. La Figure 12 (17) représente des tracés de PAM et de DSC qui oscillent (2 premières lignes) ainsi que leur spectre de fréquence respectif. Par exemple, lorsque les variables mesurées oscillent à une fréquence donnée, on retrouve un pic dans le spectre de fréquence. Ces spectres sont par la suite utilisés pour obtenir des estimés de la réponse de la cohérence, du gain et de la phase (Figure 11 colonne de droite). Tout d’abord, la TFA peut être utilisée pour l’analyse des oscillations spontanées, soit les oscillations normales de la PA au repos. Cependant, les oscillations spontanées sont de faible amplitude et associées à un manque de linéarité entre la PA et le DSC à cause du bruit et d’autres variables (77). Comme la TFA assume que la relation entre les deux variables étudiées est linéaire, son utilisation sur les oscillations spontanées devient
problématique. Pour contrevenir à ce problème, plusieurs méthodes ont été proposées afin de moduler la PA et augmenter la linéarité de la relation PA-DSC. La répétition de squats (90°) – position debout est une de ces méthodes permettant de moduler la PA à une fréquence voulue (77). En effet, la réponse physiologique aux répétitions de squats permet de faire osciller la PA. En position de squat la pompe musculaire fait augmenter le retour veineux, ce qui fait augmenter le volume télé-diastolique et ultimement, le volume d’éjection. Conséquemment, la PA et de DSC augmentent (9). En position debout, on observe le même phénomène cardio- et cérébrovasculaire que lors du passage de la position assise à debout expliqué précédemment. L’utilisation de squats à une fréquence prédéterminée permet d’améliorer significativement la cohérence (c.à-d. la linéarité entre deux variable) en faisant osciller la PA à une fréquence voulue. Cela amplifie en quelque sorte le signal (17). Il a d’ailleurs été démontré que la méthode des squats répétés est optimale pour créer des oscillations forcées de la PA et améliorer l’interprétation de la TFA (77). La cohérence (voir section suivante) lors d’une manœuvre de squats est donc élevée. On utilise généralement des fréquences à 0,05 Hz et 0,1 Hz puisqu’elles se situent dans l’intervalle de fréquence où l’AC a la plus grande influence sur le DSC, mais aussi parce qu’elles sont fréquemment utilisées dans la littérature. Une fois l’analyse faite, il en ressort 4 mesures importantes qui sont la cohérence, le gain, le gain normalisé ainsi que la phase.
Figure 11. Principales étapes de l'analyse de la fonction de transfert. Dans le domaine-temps, les valeurs moyennes de pression artérielle (BP) et de vélocité du débit sanguin cérébral (CBFV) sont obtenues pour chaque cycle cardiaque et l'algorithme d'analyse spectrale (FFT : Transformation de Fourier) est utilisé pour obtenir des estimés de spectres dans le domaine fréquence. Les spectres automatiques et croisés sont ensuite utilisés pour obtenir des estimés de la cohérence, de l’amplitude (gain) et de la phase. Traduite et tirée de Claassen, 2009.
Figure 12. Analyse spectrale des changements hémodynamiques sous des conditions de repos et pendant des répétitions de squats. Les données d’un sujet représentatif démontrent la variabilité dans la pression artérielle (BP) et le débit sanguin cérébral (CBFV – haut) et les résultats de l’analyse spectrale de ces données (bas). PSD : Densité de puissance de spectre. A : condition de repos (oscillations spontanées). B : oscillations induites par des répétitions de squats à 0,025 Hz. C : oscillations induites à 0,05 Hz. D : oscillations induites à 0,1 Hz. Tirée et traduite de Claassen, 2008.
La cohérence
La cohérence est similaire à un coefficient de corrélation et correspond à la fraction de la PA qui est linéairement reliée à la MCAv. Elle permet d’expliquer la variance du signal sortant qui est expliquée par celle du signal entrant à chaque fréquence (18). Elle est importante puisqu’elle indique si les composantes d’un système sont linéairement reliées (100). Cela est capital dans la mesure où un changement à une fréquence particulière dans le signal entrant sera transformé en un changement dans le signal sortant. Une cohérence trop faible peut s’expliquer par différentes raisons telles que la présence de bruit, l’absence de relation entre les signaux, le fait que le signal entrant ne soit pas linéairement relié au signal sortant ou que le signal sortant soit dû à plus d’un signal entrant (i.e. pas seulement la PA) (100). Pour cette raison, on n’utilise généralement pas les données qui ont une cohérence inférieure à 0,5. Une cohérence ayant la valeur de 1,0 indiquerait donc une corrélation parfaite entre les deux signaux, alors qu’une valeur de 0 indiquerait qu’il n’y a aucune corrélation (100). Ainsi, comme la TFA assume que les changements entre la PA et le DSC sont linéaires, il est souhaitable que la cohérence soit élevée. À de basses fréquences (< 0,07 Hz), la cohérence est généralement basse, mais elle est haute à des fréquences élevées (> 0,20 Hz). Pour des fréquences intermédiaires entre 0,07 et 0,20 Hz, la cohérence augmente graduellement avec l’augmentation de la fréquence. C’est ce qu’on observe sur la Figure 13 en haut à gauche. Comme on l’a vu, l’utilisation de squats permet d’obtenir une cohérence élevée.
Le gain
Si deux signaux sont linéairement reliés (i.e. cohérence élevée), le gain décrit le degré de transmission du signal entrant au signal sortant. En d’autres mots, il décrit l’amplitude de changement de la MCAv pour un changement donné de la PAM. Ainsi, un gain de 1,0 indique que le signal entrant (la PA) est parfaitement transmis au signal sortant (le DSC), ce qui se traduit en une absence d’AC dans ce contexte. À l’inverse, un gain nul indique que les variations du signal entrant ne sont pas transmises au signal sortant, se traduisant ici par une autorégulation parfaite (90). Le gain est élevé pour des fréquences élevés, représentant les caractéristiques d’un filtre passe-haut de la relation PA-DSC (Figure 13 en haut à droite) (100). Le gain normalisé (nGain) permet de comparer des mesures prises entre différentes condition en étant calculé avec un DSC relatif au lieu d’absolu (Figure 13 en bas à droite).
La phase
Pour sa part, la phase est la différence temporelle entre les ondulations des deux signaux (88). Elle quantifie à quel point le signal sortant (DSC) précède ou suit le signal entrant. Elle est exprimée en degrés ou en radians. Dans le cas de la relation PA-DSC, le DSC a un phase qui précède la PA dans les basse fréquences (100). De plus, la phase diminue avec les augmentations de fréquences (Figure 13 en bas à gauche). Une notion importante associée à la phase est le concept de la phase qui mène. Cela réfère au fait que les vaisseaux cérébraux sont en mesure de répondre à de lentes oscillations de la PA avant que les changements n’apparaissent dans la circulation systémique (10).
Figure 13. Cohérence, gain, phase et gain normalisé selon la fréquence. Tirée de Tzeng, 2014.
Mécanismes de l’autorégulation cérébrale
Afin que le DSC soit ajusté, il doit nécessairement y avoir un ajustement des résistances cérébrovasculaires pour qu’ait lieu l’AC. Cependant, vu le grand nombre de mécanismes potentiels, il existe peu de consensus quant aux mécanismes qui sous-tendent l’AC ainsi que leur emplacement (52), d’autant plus qu’ils pourraient varier si la pression augmente ou diminue (16). Bien qu’il n’y ait que très peu d’études, il existe certaines hypothèses dont les réponses myogénique, endothéliale et neurogénique.
Théorie myogénique
La réponse myogénique est une propriété intrinsèque du muscle lisse vasculaire pour répondre à des changements de la pression intravasculaire ou de la charge mécanique appliquée sur les parois vasculaires. Elle est une propriété de tous les lits vasculaires du corps, mais est proéminente dans les artères cérébrales. Des plus grandes artères jusqu’aux petites artérioles, une augmentation dans la PA entraîne une constriction du muscle lisse alors qu’une diminution de la PA mène à une dilatation de ce dernier. C’est ce qu’on appelle l’effet Bayliss (16). Les fonctions principales de la réponse myogénique sont d’assurer une hémodynamie normale, de maintenir les résistances vasculaires, de protéger les petites artérioles et les capillaires et de maintenir la perfusion des tissus si la PA diminue. La réponse myogénique comprend deux phénomènes, le tonus myogénique et la réactivité myogénique. Le tonus myogénique se définit comme un état de constriction partielle à une PA constante alors que la réactivité myogénique correspond à l’ajustement du tonus en réponse à un changement de la PA. Il existe aussi un mécanisme de dilatation forcée qui survient lorsqu’il y a des augmentations excessives de PA. La dilatation forcée implique une augmentation marquée du diamètre artériel ainsi qu’une perte de tonus vasculaire (16). La réponse myogénique (réactivité myogénique) s’initie surtout grâce au calcium intracellulaire. Une augmentation de la PA entraîne la dépolarisation des cellules du muscle lisse vasculaire, permettant l’entrée de calcium dans les cellules. L’augmentation du calcium intracellulaire active la phosphorylation des chaînes légères de myosine et la contraction se fait. Les stimulus primaires ou les senseurs potentiels de PA qui pourraient mener à cette cascade d’activation sont encore mal compris. On pense notamment que la pression murale, les canaux chloriques ainsi que d’autres mécanismes pourraient être impliqués (16). Certaines études ont tenté d’évaluer l’effet du blocage des canaux calciques (i.e. blocage du mécanisme de la réponse myogénique) sur l’AC. On a ainsi démontré que cette manipulation pharmacologique a entraîné une AC altérée lors d’un protocole de LBNP oscillatoire puisqu’ils ont observé des changements de MCAv presque deux fois plus important pour un même changement de PAM (82, 89).
Théorie métabolique
L’endothélium est un type de tissus contenant des cellules hautement spécialisées dans les vaisseaux cérébraux, mais aussi en périphérie. Il est impliqué dans plusieurs processus tels que la régulation des réponses inflammatoire et immunitaire, la thrombose, l’adhésion et
l’angiogenèse (16). Son importance se démontre notamment dans le fait que plusieurs désordres cérébrovasculaires comme la maladie d’Alzheimer sont causées par une dysfonction endothéliale (16). L’endothélium peut produire plusieurs substances qui ont une influence sur le tonus vasculaire et donc la régulation du DSC.
La théorie métabolique soutient qu’une variation du DSC local entraînerait le relâchement de facteurs chimiques ayant des propriétés vasoactives (64). Plusieurs substances pourraient être le ou les médiateurs entre le DSC et la PA. On retrouve notamment le CO2,
les ions H+, Ca2+ et K+, l’adénosine ainsi que des nucléotides (64). Jusqu’à maintenant, il
existe quelques données probantes, notamment pour l’adénosine et le NO. Des auteurs ont démontré le rôle de l’adénosine vasodilatateur chez des souris (47). Pour sa part, le NO est une des substances qui a le plus d’effets sur les vaisseaux cérébraux (16). Au repos, le NO inhibe le tonus de repos dans toutes les artères, des artérioles aux gros vaisseaux. Il est produit par la NO-synthase en réponse à un stimuli qui fait augmenter la concentration intracellulaire de calcium (ex. acétylcholine, stress de cisaillement), entraînant la vasodilatation (86). Le NO peut être dérivé de différents types de cellules. En effet, il peut provenir des cellules endothéliales, des nerfs autonomes ainsi que des neurones. Le NO provenant des cellules endothéliales entraîne la vasodilatation, une diminution des résistances vasculaires, une diminution de la PA, l’inhibition de l’agrégation des plaquettes et leur adhésion, l’inhibition de l’adhésion et la migration des leucocytes ainsi que la réduction de la prolifération du muscle lisse (86). Le NO provenant des nerfs périphériques efférents qui innervent les vaisseaux sanguins, le tractus gastro-intestinal, le pénis et la trachée entraîne aussi la vasodilatation, une augmentation du débit sanguin, la relaxation du muscle lisse et l’érection (86). Au niveau du système nerveux central, le NO agit comme un neurotransmetteur pour la régulation de la plasticité synaptique, le cycle de veille-éveil et la sécrétion d’hormone (86).
Le NO participe à la régulation du DSC. Le relâchement de NO par l’endothélium joue un rôle important dans l’augmentation du DS (86). L’administration d’un inhibiteur de la NO-synthase a fait augmenter la PAM ainsi que diminuer le DSC, ce qui indique que la production de NO est impliquée dans le maintien du DSC au repos (38). Des résultats tendent aussi à démontrer que les individus plus âgés ont un DSC qui dépend davantage d’une libération de NO basale intacte que les plus jeunes (39, 86). De plus, il demeure incertain à savoir si le NO a un rôle à jouer dans l’AC ou si son effet est variable lors de changements de gaz artériels (O2, CO2) (96).
D’autres substances telles que l’«endothelium-derived hyperpolarizing factor» (EDHF), les espèces oxygénées réactives et la prostacycline semblent aussi avoir un rôle du côté de la théorie métabolique (11). L’EDHF est un mécanisme de vasodilatation résiduel qui persiste si la NOS ou les cyclooxygénases sont inhibées. La prostacycline fait partie d’une cascade complexe qui se comporte de différents agents vasoactifs (16).
Théorie neurogénique
Plus récemment dans la littérature, on discute de plus en plus le rôle du système nerveux sympathique dans l’AC. En effet, on pense que l’innervation sympathique extrinsèque et intrinsèque pourrait avoir un rôle grâce à certaines études faites chez les animaux et les hommes. Cette thématique a été abordée dans la section « Régulation par le système nerveux autonome » (pages 13-14).
