Jay Dean, PhD, est professeur de pharmacologie moléculaire et de physiologie à l'université de Floride du Sud (USF), où il étudie les effets de l'oxygène, du dioxyde de carbone et de la pression barométrique sur le système nerveux central des mammifères. Ses recherches ont permis de mieux comprendre les crises de toxicité de l'oxygène et les signes et symptômes avant-coureurs d'une crise. Dean et ses collègues ont continué à travailler sur la prévention de la toxicité de l'oxygène par la cétose et l'administration de suppléments.
Quel est votre parcours académique ?
J'ai fait mes études de premier cycle en biologie à la Central Michigan University et j'ai obtenu mon master en sciences biologiques à la Michigan Technological University. Au cours de mon master, j'ai travaillé sur le contrôle respiratoire comparatif des couleuvres d'eau du Nord, des serpents pugnaces de 90 cm de long qui aiment vous mordre. J'ai étudié les effets de la température et de la réinhalation du dioxyde de carbone sur leur ventilation et la régulation du pH sanguin.
Ensuite, j'ai passé mon doctorat à l'université d'État de l'Ohio pour continuer à travailler sur le contrôle comparatif de la respiration, mais j'ai atterri dans un laboratoire où j'ai étudié le contrôle neuronal de la température corporelle. C'est là que j'ai appris à connaître le système nerveux central et l'électrophysiologie pour étudier la signalisation des cellules cérébrales.
En tant que post-doctorant, je me suis replongé dans la respiration, qui m'a toujours intéressé. À l'université de Caroline du Nord à Chapel Hill, j'ai travaillé sur les chimiorécepteurs centraux du dioxyde de carbone, qui vous indiquent quand vous avez trop de dioxyde de carbone dans votre système. Cette accumulation est le principal stimulus de la respiration. J'ai étudié les neurones sensibles au dioxyde de carbone et leur localisation dans le tronc cérébral des mammifères.
En faisant ce travail, j'ai commencé à réfléchir à d'autres gaz et à la manière dont ils affectent le cerveau. J'ai lu que certains gaz comme l'azote ne nous affectent pas vraiment au niveau de la mer, mais qu'en le mettant dans une bouteille de plongée et en plongeant suffisamment profondément tout en le respirant, on s'inquiète de la narcose à l'azote. De même, l'oxygène nous convient généralement, mais si la pression partielle est suffisamment élevée, si vous augmentez la concentration fractionnelle (comme dans le nitrox) ou si vous optez pour de l'oxygène pur, vous devez vous inquiéter de la toxicité de l'oxygène pour le système nerveux central.
Après avoir terminé mon doctorat et mes travaux postdoctoraux, j'ai obtenu mon premier poste de professeur à Wright State et j'ai bénéficié d'une subvention de démarrage interne qui a permis de financer le développement de ma première chambre hyperbare. J'ai adapté les outils que j'utilisais pour étudier les effets du dioxyde de carbone sur les cellules cérébrales afin de les utiliser sous haute pression pour étudier la toxicité de l'oxygène. C'est ainsi que j'ai mis un pied dans la médecine sous-marine. En 2000, j'ai reçu un soutien financier de l'Office of Naval Research Undersea Medicine Program. Je suis arrivé à l'USF en 2006 et je continue à travailler pour l'ONR Undersea Medicine.
Sur quoi travaillez-vous actuellement ?
Je travaille sur les mécanismes et l'atténuation de la toxicité de l'oxygène pour le système nerveux central et j'essaie de trouver les réponses aux questions suivantes : Pourquoi le cerveau développe-t-il soudainement des crises lorsqu'il est exposé à une trop grande quantité d'oxygène sous pression ? Existe-t-il des moyens de retarder ces crises ? Existe-t-il des moyens de prédire que votre niveau d'exposition à l'oxygène vous amène au point où vous allez faire une crise ? Pouvons-nous identifier des marqueurs physiologiques qui nous préviendront avant le début de la crise ?
Le problème est l'énorme variabilité de la sensibilité à l'oxygène hyperbare en ce qui concerne le moment où les crises se produisent, d'un individu à l'autre et chez le même individu, d'un jour à l'autre. Nous n'en connaissons pas vraiment la raison.
Nous avons demandé si la respiration d'un rongeur s'accélérait avant qu'il ne fasse une crise. S'agissait-il d'un marqueur physiologique d'alerte précoce ? Nous avons donc réalisé des expériences et observé que la respiration des rongeurs s'accélérait entre 8 et 15 minutes avant une crise d'épilepsie. (Remarque : le comité institutionnel de protection et d'utilisation des animaux de l'USF (accrédité par l'Association for Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care International) et le bureau de médecine du ministère américain de la défense approuvent toutes les utilisations d'animaux).
Depuis, nous avons étudié d'autres aspects. Nous avons constaté une augmentation de la résistance électrodermale, ou résistance de la peau, qui précède la crise de plusieurs minutes. Le rythme cardiaque a tendance à ralentir au début de la plongée, ce qui précède la crise de plusieurs minutes chez un animal non anesthésié. Un autre marqueur semble être une baisse de la température corporelle, bien que le jury ne se soit pas encore prononcé sur ce point. Ce qui est clair, c'est que plusieurs de ces changements physiologiques précèdent et annoncent des crises imminentes.
Nous avons également réussi à retarder les crises chez les rats en utilisant un ester cétonique exogène mis au point par mon collègue Dominic D'Agostino, PhD. En l'espace de 30 minutes, leur profil sanguin donnait l'impression qu'ils avaient suivi un régime cétogène pendant une semaine. Le remplacement de la principale source d'énergie habituelle de l'organisme (le glucose) par des corps cétoniques semble avoir plusieurs effets neuroprotecteurs. Par exemple, il diminue la production de radicaux libres lors de l'exposition à l'oxygène hyperbare. Ce processus a retardé les crises d'épilepsie de 300 à 600 %, ce qui a permis au rongeur de plonger plus longtemps et en toute sécurité. Le régime cétogène affecte la consommation et l'utilisation de l'oxygène par le cerveau et a plusieurs autres effets qui, ensemble, retardent l'apparition des crises d'épilepsie.
Où vos recherches vous ont-elles mené ?
Une question fondamentale restée sans réponse et qui nous a empêchés de cibler les cellules critiques pour la genèse des crises est de savoir d'où proviennent les crises de toxicité de l'oxygène. Quelles sont les parties du cerveau concernées ? Les recherches indiquent que les crises semblent prendre naissance dans de multiples sites sous-corticaux du cerveau.
En 2019, nous avons émis l'hypothèse que les changements cardiorespiratoires anormaux qui précèdent les crises suggèrent l'existence de "zones de déclenchement de l'ox-tox" dans les centres de contrôle cardiorespiratoire du tronc cérébral. Ces zones de déclenchement ox-tox sont stimulées par un grand apport d'oxygène hyperbare et commencent à générer des signaux dépolarisants. D'autres noyaux déclencheurs d'ox-tox commencent à s'activer, puis amplifient et relaient les signaux. Le niveau d'activation détermine la taille et la complexité de la crise. Les modèles animaux de toxicité de l'oxygène montrent que les crises sont assez complexes. Elles peuvent être subtiles ou spectaculaires, selon le degré d'activation du cerveau.
Nous utilisons actuellement la radiotélémétrie pour déterminer les parties du cerveau qui sont activées pendant la genèse des crises, c'est-à-dire que nous implantons un émetteur avec des fils intégrés pour mesurer l'activité cérébrale dans différentes régions et l'activité des muscles respiratoires. Nous avons adapté le processus afin de pouvoir implanter des électrodes en profondeur dans le cerveau, là où nous pensons que se trouvent les noyaux déclencheurs de l'ox-tox, ainsi que sur le cortex moteur, qui s'active lorsque la crise se manifeste.
Nos premières études montrent que ces zones de déclenchement de l'ox-tox du tronc cérébral semblent s'activer quelques minutes ou dizaines de minutes avant l'apparition d'une activité épileptique dans le cortex moteur ou de convulsions physiques. Ces modules de radiotélémétrie implantés nous permettent d'étudier des animaux non attachés, se comportant librement et non anesthésiés. C'est une technique puissante.
Retarder les crises d'épilepsie est un autre objectif actuel. Nous utilisons des composés pour inhiber l'oxyde nitrique synthase, qui s'est avéré bénéfique pour retarder les crises. La question est de savoir si cela peut se traduire par quelque chose que la Food and Drug Administration américaine peut approuver. Le Saint-Graal est de trouver une substance qui fonctionne chez l'animal et qui peut ensuite être approuvée pour un usage humain.
Pourquoi mener des recherches physiologiques sur des rats plutôt que sur des humains ?
La recherche sur les animaux est essentielle. Tout ce que nous savons en médecine, y compris en médecine sous-marine, commence par la recherche animale, en particulier sur les mammifères. J'ai toujours été intéressée par les questions fondamentales, dont beaucoup peuvent trouver une réponse chez l'animal, mais pas chez l'homme. Il n'y a pas beaucoup de recherche fondamentale dans la communauté médicale sous-marine, et notre objectif est d'appliquer nos travaux à des animaux plus grands et à des plongeurs humains. La recherche animale joue un rôle important dans cette chaîne d'événements, et c'est ce que j'ai été heureux de faire tout au long de ma carrière.
Que faites-vous lorsque vous n'êtes pas au laboratoire ?
Mon principal hobby est d'étudier l'histoire de la médecine aéronautique pendant la Seconde Guerre mondiale. Je dis aux gens que je travaille en profondeur sous pression hyperbare et à haute teneur en oxygène pendant la journée, et que je monte en altitude la nuit pour étudier l'hypoxie, la décompression et la haute altitude.
Fred Hitchcock était un physiologiste de renom qui dirigeait le laboratoire de médecine aéronautique de l'université de l'État de l'Ohio pendant la Seconde Guerre mondiale et qui a étudié la décompression explosive à haute altitude. Il venait de mourir lorsque j'ai commencé mes études supérieures à l'Ohio State. Après avoir passé mes examens de qualification, j'ai emménagé dans ce qui s'est avéré être le bureau de Fred Hitchcock en tant que professeur émérite. Comme il n'avait pas de famille, toutes ses affaires étaient encore là. Un jour, en ouvrant un placard, j'ai découvert une énorme boîte remplie de films, de diapositives, de négatifs et d'autres documents. Plus tard, j'ai occupé mon premier poste de professeur à Wright State, qui se trouve à côté du WPAFB, et j'ai commencé à passer mes vendredis dans les archives à examiner les rapports déclassifiés du laboratoire d'aéro-médecine de l'USAAF.
Une histoire intéressante liée à la plongée et datant de la Seconde Guerre mondiale que j'ai découverte est le développement de l'utilisation de l'équipement d'oxygène de l'aviation pour la plongée sous-marine en cas d'urgence liée à l'amerrissage. Pendant la guerre, les aviateurs américains se noyaient avant de pouvoir s'échapper en toute sécurité d'un avion amerri en mer. Le laboratoire aéro-médical de l'armée de l'air américaine à Wright Field a testé si les pilotes pouvaient utiliser leur masque à oxygène d'aviation et leur bouteille d'oxygène de promenade comme équipement de plongée pour permettre une évacuation en toute sécurité de leur avion submergé, et cela a fonctionné !
J'ai ensuite commencé à parcourir le pays pour parler de la médecine aéronautique. La communauté médicale aérospatiale a été enthousiasmée par la perspective historique. Je viens de donner une conférence à Reno, dans le Nevada, lors de la réunion conjointe de l'Aerospace Medical Association et de l'Undersea and Hyperbaric Medical Society. Je faisais partie d'un groupe de discussion sur la conquête des environnements à barrière de pression, et j'ai parlé des recherches effectuées pendant la Seconde Guerre mondiale.
Les personnes qui ont travaillé dans le domaine de la médecine sous-marine et qui continuent à travailler dans le domaine de la recherche en haute altitude, et vice-versa, se recoupent largement.
© Alert Diver - Q1 2023