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.
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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.