Abstract :
[en] This doctoral study characterizes, for simple geometries, the cardiac autonomous electrical activity induced by the mechanical deformations of the myocardium via the mechano-electric feedback within a thermo-electro-mechanical framework. The underlying fundamental mechanisms are highlighted and discussed in detail.
In a healthy heart, the mechano-electric feedback acts as a regulator able to damp mechanical perturbations undergone by the heart, by appropriately modulating electrical activity shortly after these perturbations. In this way, a new healthy electromechanical situation is recovered. However, under certain conditions, this feedback can be a generator of dramatic cardiac arrhythmias by inducing local electrical depolarizations resulting from abnormal cardiac muscle tissue deformations. These local perturbations can then propagate in the whole heart and, thus, lead to global cardiac dysfunctions.
The one- and two-dimensional models developed in this work to study the arrhythmogenic consequences of the mechano-electric feedback within a thermo-electro-mechanical framework account for three couplings: the excitation-contraction coupling, the mechano-electric feedback, and the thermo-electric coupling. The excitation-contraction coupling allows the mechanical contraction of cardiac muscle cells resulting from the electrical excitation of these cells, triggered by a propagating action potential initially generated by the sino-atrial node in a healthy heart. The mechano-electric feedback takes into account the influence of mechanical deformations on the electrical activity, both at the cell and the macroscopic level. The thermo-electric coupling then modulates certain electrical properties due to a temperature change.
The excitation-contraction coupling is modeled in a phenomenological way by combining the Aliev-Panfilov model and the Rogers-McCulloch model. The propagation of the electrical excitation through cardiac muscle tissue is modeled by using the monodomain approach. The mechano-electric feedback is taken into account by considering two different contributions, namely the physiological contribution (physiological feedback) and the geometric contribution (geometric feedback). The physiological feedback consists in the onset of stretch-activated currents due to the deformations of the cardiac muscle tissue via specific mechanosensitive channels. Regarding the geometric feedback, it simply reflects that the propagation of the depolarization waves is altered by the deformations of the geometry. The thermo-electric coupling is modeled via a dependence with respect to the temperature which is exponential for the gating kinetics of ion channels, exponential for the kinetics of the active tension development in cardiomyocytes, and linear for the ionic conductances.
This study shows that the mechano-electric feedback can be arrhythmogenic under specific conditions. In particular, this work clearly reveals that the size of the domain and the importance of stretch-activated currents are key factors in the behavior of the autonomous electrical activity induced by the mechano-electric feedback. This doctoral study also shows that temperature variations such as those undergone by the heart during therapeutic hypothermia or hyperthermia play a central role in the cardiac electromechanical behavior. Moreover, this work emphasizes the influence of the initial conditions on the electromechanical behavior of cardiac tissue. In the one-dimensional framework, an important result of this work is that the disappearance of the autonomous electrical activity induced by the deformations of the cardiac muscle can be associated with different types of bifurcation phenomena, depending on the values of the parameters. These bifurcations, which correspond in fact to different ways for the AEA to vanish, are emphasized and discussed in detail.
[fr] Cette étude doctorale caractérise, dans le cadre de géométries simples, l'activité électrique autonome cardiaque induite par les déformations mécaniques du myocarde au travers du feedback mécano-électrique dans un contexte thermo-électro-mécanique. Les mécanismes fondamentaux sous-jacents sont mis en évidence et discutés en détails.
Dans un coeur sain, le feedback mécano-électrique agit comme un régulateur capable d'amortir des perturbations mécaniques ressenties par le coeur, en modulant de manière appropriée l'activité électrique subséquente à ces perturbations. De cette façon, une nouvelle situation électromécanique saine est retrouvée. En revanche, dans certaines conditions particulières, ce feedback peut être à l'origine d'arythmies cardiaques importantes en induisant localement des dépolarisations électriques générées par des déformations anormales du tissu musculaire cardiaque. Ces perturbations locales peuvent alors se propager à l'ensemble du tissu et de ce fait, induire des dysfonctionnements cardiaques globaux.
Les modèles unidimensionnels et bidimensionnel développés dans ce travail afin d'étudier les conséquences arythmogènes du feedback mécano-électrique dans un cadre thermo-électro-mécanique prennent en compte trois couplages : le couplage excitation-contraction, le feedback mécano-électrique et le couplage thermo-électrique. Le couplage excitation-contraction permet la contraction mécanique des cellules musculaires cardiaques qui résulte de l'excitation électrique de ces dernières provoquée par le passage d'un potentiel d'action, initialement généré au sein du noeud sinusal dans un coeur sain. Le feedback mécano-électrique rend compte de l'influence des déformations mécaniques sur l'activité électrique tant au niveau cellulaire qu'au niveau macroscopique. Enfin, le couplage thermo-électrique module certaines propriétés électriques suite à un changement de température.
Le couplage excitation-contraction est modélisé de manière phénoménologique en combinant les modèles de Aliev-Panfilov et de Rogers-McCulloch. La propagation de l'excitation électrique au sein du tissu musculaire cardiaque est modélisée en utilisant l'approche monodomaine. Le feedback mécano-électrique est pris en compte en considérant deux contributions distinctes, à savoir la contribution physiologique (feedback physiologique) et la contribution géométrique (feedback géométrique). Le feedback physiologique consiste en l'apparition de courants induits par les déformations du tissu musculaire cardiaque au travers de canaux mécano-sensibles particuliers. Quant au feedback géométrique, il traduit simplement que la propagation des ondes de dépolarisation est altérée par les déformations de la géométrie qui les supporte. Le couplage thermo-électrique est modélisé via une dépendance vis-à-vis de la température qui est exponentielle pour la cinétique d'ouverture et de fermeture des canaux ioniques, exponentielle pour la cinétique relative au développement de la tension active au sein des cardiomyocytes et linéaire pour les conductances ioniques.
Cette étude montre que le feedback mécano-électrique peut dans certaines conditions particulières être arythmogène. En particulier, cette étude montre clairement que la taille du domaine ainsi que la présence plus ou moins importante des courants induits par les déformations sont des facteurs déterminants dans le comportement de l'activité électrique autonome induite par le feedback mécano-électrique. Ce travail montre aussi que des variations de température telles que celles subies par le coeur lors d'une hypothermie thérapeutique ou lors d'une hyperthermie jouent un rôle central sur le comportement électromécanique cardiaque. Par ailleurs, cette étude met également en évidence l'importance des conditions initiales d'excitation sur le comportement électromécanique du tissu musculaire cardiaque. Dans le contexte unidimensionnel, un résultat important de ce travail est que la disparition de l'activité électrique autonome induite par les déformations du muscle cardiaque peut être associée à différents types de phénomènes de bifurcation qui dépendent des valeurs des paramètres. Ces bifurcations, correspondant en fait à différents chemins que l'activité électrique autonome emprunte pour disparaître, sont mises en évidence et discutées en profondeur.
