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On le sait désormais : chez l'homme aussi, c'est le cerveau qui meurt en dernier...

Que se passe-t-il dans le cerveau de personnes en train de mourir ? Des travaux de scientifiques allemands publiés dans la revue "Annals of Neurology" montrent que lorsque le coeur a cessé de battre, les neurones se mettent en économie d'énergie, et pendant 2 à 5 minutes le cerveau ne subit aucune lésion encore irréversible. Puis vient l'embrasement final.

Le cerveau humain est très sensible à la privation d'oxygène. Des lésions étendues et irréversibles se produisent environ 10 minutes après un arrêt cardiaque (et donc circulatoire). Pour la première fois, des chercheurs de la Charité - Universitätsmedizin Berlin et de l'Université de Cincinnati ont pu étudier ces événements chez l'homme. Les résultats de cette recherche, publiés dans les Annals of Neurology, peuvent ainsi éclairer les stratégies de traitement futurs en cas d’arrêt cardiaque et d’accident vasculaire cérébral.

"Tsunami cérébral" : des études déjà menées sur des animaux

La privation d'oxygène entraîne des lésions cérébrales. Depuis des années, les chercheurs étudient les processus sous-jacents chez les animaux(1) : en l'espace de 20 à 40 secondes, le cerveau entre en «mode économie d'énergie»: il devient électriquement inactif et toute communication interneuronale cesse. En quelques minutes, les réserves de carburant du cerveau se sont épuisées, ce qui maintient la répartition inégale des ions entre l'intérieur et l'extérieur des cellules nerveuses et les gradients ioniques commencent à se décomposer. Cette décomposition prend la forme d'une vague massive d'énergie électrochimique libérant sous forme de chaleur, appelée "dépolarisation par extension". Cette perte d'énergie se propage à travers le cortex et d'autres zones du cerveau, déclenchant des cascades physiopathologiques qui empoisonnent progressivement les cellules nerveuses.

Une onde réversible jusqu'à un certain moment

Il est important de noter que cette onde reste réversible jusqu'à un certain moment: les cellules nerveuses se rétablissent complètement si la circulation est rétablie avant que ce point ne soit atteint. Cependant, si la circulation reste perturbée, les cellules meurent. Jusqu'à présent, les enregistrements d'activité cérébrale électrique obtenus de sujets humains avaient une applicabilité limitée et les experts étaient divisés quant à la transférabilité des résultats de la recherche sur les animaux.

Des travaux novateurs sur la dépolarisation en phase terminale du cerveau humain

Il est généralement impossible de prendre les mesures appropriées dans les minutes qui suivent immédiatement un accident vasculaire cérébral ou un arrêt cardiaque. Sous la direction du professeur Jens Dreier du Centre de recherche sur les accidents vasculaires cérébraux de la Charité et en collaboration avec le professeur Jed Hartings de la clinique Mayfield de Cincinnati, les chercheurs ont pu étudier de tels cas pour la première fois.
Leur recherche a été facilitée par une configuration très spécifique. Les techniques spécialisées de neuromonitoring, qui permettent la détection précoce et le traitement ultérieur de complications cliniques, deviennent de plus en plus courantes dans les soins neurocritiques modernes. En particulier, l'électrocorticographie et les méthodes invasives de surveillance de l'oxygène deviennent de plus en plus importantes.
Contrairement à l'électroencéphalographie conventionnelle, l'électrocorticographie va au-delà du processus d'enregistrement de l'activité épileptique, permettant aux cliniciens d'enregistrer une dépolarisation en expansion avec une précision jamais vue auparavant. Au cours des dernières années, plusieurs études cliniques internationales ont été en mesure de confirmer que, dans de nombreux cas graves de lésions cérébrales aiguës, des dépolarisations se développent dès que l'état du patient s'aggrave. Lorsque cela se produit, le traitement doit cibler les causes sous-jacentes de ce phénomène, afin de limiter sa survenue.

Dans le cadre de leur étude d'observation, les chercheurs ont utilisé une technologie de pointe de neuromonitoring. L'analyse scientifique des données de surveillance et de l'évolution clinique de chaque patient a montré que l'événement appelé «dépolarisation en phase terminale» se produit également chez l'homme, commençant quelques minutes après un arrêt circulatoire.
La méthode
Pour mener l'étude, les chercheurs ont étudié l'activité cérébrale de 9 patients mourants(2), patients confrontés à un accident cérébral, ayant fait part de leur souhait de ne pas être réanimés. Grâce à des électrodes implantés directement dans leur cerveau, ces médecins ont pu analyser finement ce qui se passait dans cet organe à l'approche de la mort et constater qu'il pouvait fonctionner cinq minutes de plus que les autres organes du corps, une fois le coeur arrêté et la tension à zéro (ndlr : ceci voudrait-il dire que la conscience peut continuer d'être active quelques minutes après que le corps s'est éteint ?).

A partir des relevés obtenus chez les 9 patients, les scientifiques ont pu détecter un bref regain d'énergie dans les neurones juste avant leur mort, se traduisant par une activité électrique soudaine et intense. D'après les chercheurs, elle serait provoquée par une vague de "dépolarisation", perte graduelle du potentiel électrochimique, phénomène pendant lequel les cellules cérébrales puisent une dernière fois dans leur réserve d'énergie en s'éteignant. Avant la dépolarisation, les neurones se placent en mode de veille pour économiser l'énergie qui reste, résistant ainsi plusieurs minutes en puisant dans ces réserves. Puis, petit à petit, les neurones "craquent" et se dépolarisent en larguant leur stock de glutamate, neurotransmetteur excitateur du cerveau, ce qui enclenche alors la réaction en chaîne se propageant à tous les neurones.
Par l'analyse des données, l'équipe a déterminé que la mort effective du cerveau commençait à partir de cette décharge, ce "tsunami cérébral" qui envahit alors tout le cortex.


Propagation de la dépolarisation terminale (SD) pendant la mort dans le cerveau humain
Propagation de la dépolarisation terminale (SD) pendant la mort dans le cerveau humain

Semblable à la dépolarisation (SD) dans les enregistrements sous-duraux, les  enregistrements du SD avec les électrodes placées en profondeur montrent une composante initiale et une composante de courant continu négatif (DC) initiale et tardive.
Semblable à la dépolarisation (SD) dans les enregistrements sous-duraux, les  enregistrements du SD avec les électrodes placées en profondeur montrent une composante initiale et une composante de courant continu négatif (DC) initiale et tardive.
(A) La tomographie calculée du patient 5 affiche le réseau d'électrodes intra-parenchymateuses dans l'hémisphère frontal gauche en l'absence de lésions.
(B) La composante tardive, appelée potentiel négatif ultralent (NUP), est similaire aux décalages DC négatifs de la SD prolongée, mais fait spécifiquement référence à une composante du potentiel négatif générée par le recrutement progressif de neurones dans la mort cellulaire à la suite de SD (D terminal Sà l’électrode 3 du patient 5).
NB : AC=courant alternatif; ECoG=électrocorticographie.


Vers l'amélioration future de procédés de diagnostic, de conduite à tenir et de traitement ?

Grâce à la neuroimagerie, les travaux de l'équipe allemande montrent la puissance de cette recherche, pouvant mener à l'amélioration future de procédés de diagnostic et de traitement. "Nous avons pu montrer que la dépolarisation en phase terminale était semblable chez l'homme et chez l'animal. Malheureusement, la communauté des chercheurs ignore ce processus essentiel de lésion du système nerveux central depuis des décennies, le tout en raison de l'hypothèse erronée qu'elle ne se produit pas chez l'homme",  a expliqué le professeur Dreier. Les raisons en sont principalement de nature méthodologique.
Rétablir la circulation aussi rapidement que possible a été jusqu’à présent l’unique objectif du traitement chez les patients victimes d’un AVC ou d’un arrêt cardiaque. "La connaissance des processus impliqués dans la propagation de la dépolarisation est fondamentale pour le développement de stratégies de traitement supplémentaires visant à prolonger la survie des cellules nerveuses lorsque la perfusion cérébrale est interrompue", ajoute Jens P. Dreier. "Cela découle naturellement du principe adopté par Max Planck selon lequel la compréhension doit précéder l'application; notre compréhension peut nous donner de l'espoir pour l'avenir."
 
Christophe Jacquemin

  • te
  • "Terminal spreading depolarization and electrical silence in death of human cerebral cortex", par Jens P. Dreier & al ; Annals of neurology, volume 83, Issue 2 fevrier 2018, page 295 à 290
    (1ere publication : 13 janvier 2018).
    Abstract :

    Objective
    Restoring the circulation is the primary goal in emergency treatment of cerebral ischemia. However, better understanding of how the brain responds to energy depletion could help predict the time available for resuscitation until irreversible damage and advance development of interventions that prolong this span. Experimentally, injury to central neurons begins only with anoxic depolarization. This potentially reversible, spreading wave typically starts 2 to 5 minutes after the onset of severe ischemia, marking the onset of a toxic intraneuronal change that eventually results in irreversible injury.

    Methods
    To investigate this in the human brain, we performed recordings with either subdural electrode strips (n = 4) or intraparenchymal electrode arrays (n = 5) in patients with devastating brain injury that resulted in activation of a Do Not Resuscitate–Comfort Care order followed by terminal extubation.

    Results
    Withdrawal of life?sustaining therapies produced a decline in brain tissue partial pressure of oxygen (ptiO2) and circulatory arrest. Silencing of spontaneous electrical activity developed simultaneously across regional electrode arrays in 8 patients. This silencing, termed “nonspreading depression,” developed during the steep falling phase of ptiO2 (intraparenchymal sensor, n = 6) at 11 (interquartile range [IQR] = 7–14) mmHg. Terminal spreading depolarizations started to propagate between electrodes 3.9 (IQR = 2.6–6.3) minutes after onset of the final drop in perfusion and 13 to 266 seconds after nonspreading depression. In 1 patient, terminal spreading depolarization induced the initial electrocerebral silence in a spreading depression pattern; circulatory arrest developed thereafter.

    Interpretation
    These results provide fundamental insight into the neurobiology of dying and have important implications for survivable cerebral ischemic insults.


     
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