Magnetic resonance microscopy of Aplysia neurons : studying neurotransmitter-modulated transport and response to stress
Microscopie par résonance magnétique des neurones d’aplysie : étude du transport actif en présence de neurotransmetteurs, et de la réponse au stress
Résumé
Recent progress in magnetic resonance imaging (MRI) has opened the way for micron-scale resolution, and thus for imaging biological cells. In this thesis work, we performed magnetic resonance microscopy (MRM) on the nervous system of Aplysia californica, a model particularly suited due to its simplicity and to its very large neuronal cell bodies, in the aim of studying cellular-scale processes with various MR contrasts. Experiments were performed on a 17.2 Tesla horizontal magnet, at resolutions down to 25 µm isotropic. Initial work consisted in conceiving and building radiofrequency microcoils adapted to the size of single neurons and ganglia. The first major part of the project consisted in using the manganese ion (Mn2+) as neural tract tracer in the buccal ganglia of Aplysia. Manganese is an MR contrast agent that enters neurons via voltage-gated calcium channels. We performed the mapping of axonal projections from motor neurons into the peripheral nerves of the buccal ganglia. We also confirmed the existence of active Mn2+ transport inside the neural network upon activation with the neurotransmitter dopamine. In the second major part of the project, we tested the potential of two diffusion MRI sequences for microscopy. On the one hand, we explored a very original mechanism for diffusion weighting, DESIRE (Diffusion Enhancement of SIgnal and REsolution), particularly suited for small samples. The two-dimensional DESIRE sequence was implemented and successfully tested on phantoms. The measured enhancement was consistent with theoretical predictions. Using this sequence to produce diffusion weighted images with an unprecedented contrast in biological tissue remains a challenge. On the other hand, a more “standard” sequence was implemented to measure the apparent diffusion coefficient (ADC) in nervous tissue with MRM. This sequence was a three-dimensional DP-FISP (Diffusion Prepared Fast Imaging with Steady-state free Precession), which met criteria for high resolution in a short acquisition time, with minimal artifacts. Using this sequence, we studied the changes in water ADC at different scales in the nervous system, triggered by cellular challenges. The challenges were hypotonic shock or exposure to ouabain. ADC measurements were performed on single isolated neuronal bodies and on ganglia tissue, before and after challenge. Both types of stress produced an ADC increase inside the cell and an ADC decrease at tissue level. The results favor the hypothesis that the increase in membrane surface area associated with cell swelling is responsible for the decrease of water ADC in tissue, typically measured in ischemia or other conditions associated with cell swelling.
Les progrès technologiques récents en imagerie par résonance magnétique (IRM) ont ouvert la voie à une résolution spatiale de l’ordre de quelques microns, et donc à l’imagerie de cellules biologiques. Dans le cadre de ce projet, nous avons réalisé des expériences de microscopie IRM sur le système nerveux de l’aplysie (Aplysia californica), particulièrement adapté de par sa simplicité et de par la très grande taille de ses neurones, en vue d’étudier des processus à échelle cellulaire avec divers contrastes IRM. Les expériences d’imagerie ont été effectuées sur un aimant horizontal 17.2 Tesla, à des résolutions spatiales jusqu’à 25 µm isotrope. Le travail initial a consisté en la conception et fabrication de micro-antennes radiofréquences adaptées à la taille de neurones uniques et de ganglions. La première partie du projet a porté sur l’utilisation de l’ion manganèse (Mn2+) comme traceur de réseaux neuronaux dans le ganglion buccal de l’aplysie. Le manganèse (Mn) est un agent de contraste IRM qui pénètre dans les neurones par les canaux de calcium. La cartographie des projections axonales des neurones moteurs du ganglion dans chacun des nerfs périphériques a été établie. Il a également été démontré l’existence d’un transport actif du Mn2+ au sein du réseau neuronal activé par le neurotransmetteur dopamine. Dans un second temps, on s’est intéressé à deux méthodes de mesure de diffusion par IRM, à échelle microscopique. D’une part, un mécanisme de pondération en diffusion, DESIRE (Diffusion Enhancement of SIgnal and REsolution), original et particulièrement adapté à des échantillons petits, a été exploré. La séquence DESIRE a été implémentée en deux dimensions et testée avec succès sur fantôme. Le rehaussement mesuré était en accord avec les prévisions théoriques. Le grand défi à venir sera d’utiliser cette séquence pour acquérir des images de tissu biologique pondérées en diffusion avec un contraste unique. D’autre part, une séquence plus « classique » a été implémentée pour mesurer le coefficient de diffusion apparent (ADC) dans le tissu nerveux. Il s’agit d’une DP-FISP (Diffusion Prepared Fast Imaging with Steady-state free Precession) en trois dimensions, qui répond aux critères de résolution spatiale et de rapidité, avec un minimum d’artefacts. Cette séquence a permis d’étudier l’évolution de l’ADC de l’eau à différentes échelles du tissu nerveux en réponse à un stress cellulaire. Les deux sollicitations retenues étaient un choc hypotonique ou l’ajout d’ouabaïne. Des mesures d’ADC ont été effectuées sur des corps neuronaux isolés et sur du tissu de ganglion, avant et après sollicitation. Les deux types de stress ont entraîné une augmentation de l’ADC dans la cellule et une diminution globale de l’ADC dans le tissu. Ces résultats soutiennent l’hypothèse que la diffusion ralentie de l’eau habituellement observée dans un tissu ischémié (ou dans d’autres conditions associées à un gonflement cellulaire) est due à l’augmentation de surface membranaire.
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