Dépression Corticale Envahissante : nouveau mécanisme d'initiation par hyperactivité des neurones GABAergiques, et stratégie pharmacologique pour la réduire

Cortical Spreading Depression : a new mechanism of induction by GABAergic neurons hyperactivity, and pharmacological strategy to reduce it

• Auteur / Autrice : Sarah Zerimech
• Direction : Massimo Mantegazza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 16/05/2019
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de pharmacologie moléculaire et cellulaire (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Institut de pharmacologie moléculaire et cellulaire
• Jury : Président / Présidente : Michèle Studer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michèle Studer, Federica Bertaso, Patrick Delmas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Federica Bertaso, Patrick Delmas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (physiologie)

Migraine

Excitation (physiologie)

Récepteurs GABA

Mots clés libres

Nav1.1

Neurones GABAergiques

DCE

Excitabilité

Aura

Migraine

Nav1.1

GABAergic neurons

CSD

Excitability

Aura

Migraine

Résumé

La Dépression Corticale Envahissante (Cortical Spreading Depression) est une vague de dépolarisation neuronale qui se propage lentement à travers le cortex cérébral. Elle génère une phase rapide d’hyperactivité neuronale suivie d’une phase plus lente de silence électrique des cellules du cortex. Il est possible d’induire expérimentalement la DCE sur différents modèles animaux, in vivo ou sur tranches de néocortex, par application locale de Glutamate, d’Acétylcholine ou d’une solution hautement concentrée en potassium, ou par stimulation électrique. La DCE est largement étudiée comme mécanisme physio-pathologique de la migraine avec aura, mais aussi de l’ischémie. Les études sur la DCE expérimentale ont montré l’implication de nombreuses substances biologiques dans la génération et la propagation de cette vague, comprenant le Potassium, le Calcium, le Glutamate et d’autres neurotransmetteurs. L’approche pharmacologique permet de placer d’acteurs dans ce phénomène électrique, les canaux dépendant du potentiel, les récepteurs ionotropes du glutamate (NMDA et AMPA-kainate), les astroctyes et les pompes et échangeurs Na-K. Il existe une forme monogénique de Migraine avec Aura, la Migraine Hémiplégique Familiale, où la crise de migraine est associée à des troubles moteurs d’intensité variable, qui a permis d’identifier des mutations génétiques, donc des dysfonctions à niveau moléculaire. A ce jour trois types principaux, donc trois gènes mutés, de cette MHF sont décrits et étudiés. L’étude des modèles de souris de MHF 1 (mutation gain de fonction du Cav2.1) et de MHF 2 (mutation perte de fonction de Na-K-ATPase), confirme l’implication primordiale du Glutamate et du Potassium dans l’initiation de la DCE. Le type 3 de MHF est du à des mutations du Nav1.1, un canal sodique dépendant du potentiel, majoritairement exprimé dans les neurones GABAergiques où ils sont très importants pour leur excitabilité. Notre laboratoire a montré sur neurones transfectés en culture qu’il s’agissait d’une mutation gain de fonction, entrainant une augmentation de l’excitabilité des neurones. Cependant, le lien entre cette mutation, l’hyperexcitabilité corticale et la facilitation de la DCE – déjà observée dans les autres modèles de FHM – ou le phénotype de Migraine FHM reste inconnu. Notre hypothèse de travail, et la base de mon sujet de thèse, est que l’augmentation de l’activité des canaux Nav1.1 ou des neurones GABAergiques, déclencherait une hyperexcitabilité corticale et une DCE. Pour éprouver cette hypothèse, mes travaux de thèse ont nécessité une approche expérimentale ex vivo, sur tranches de néocortex de souris sauvages et transgéniques, associée à de l’électrophysiologie extracellulaire, imagerie IOS, pharmacologie et/ou optogénétique. L’activation des canaux Nav1.1 par une toxine activatrice sélective, ou la stimulation optogénétique des neurones GABAergiques, est capable d’induire une DCE, confirmant notre hypothèse initiale et ajoutant un nouveau modèle d’induction. Mes travaux de thèse ont permis d’identifier et de caractériser ce nouveau modèle de DCE où l’hyperexcitabilité des neurones GABAergiques conduit à une accumulation initiale de potassium dans le milieu extracellulaire, qui dépolarise et active de plus en plus de neurones excitateurs Glutamatergiques. Ceci entraine une libération soutenue de potassium jusqu’à atteindre un seuil critique pour le déclenchement de la DCE. Dans un second temps, mes travaux de thèse se sont orientés vers une modulation pharmacologique de l’activité de réseau, avec pour objectif de trouver un nouvel élément permettant de diminuer la susceptibilité à la DCE. Pour cela, par la même approche expérimentale, j’ai utilisé un agent cholinergique, le Carbachol, connu et utilisé pour moduler l’activité de réseau.

Cortical Spreading Depression is a wave of neuronal depolarization that spread slowly across cerebral cortex. It generates a rapid phase of neuronal hyperactivity, followed by a slower phase of electrical silence of cortical cells. It is possible to experimentally induce CSD on several animal models, in vivo or on neocortical slices, by focal application of Glutamate, Acetylcholine or highly concentrated KCl solution, or by electrical stimulation.CSD is widely studied as the pathophysiological mechanism of migraine with aura, but also ischemia. Studies of experimental CSD have shown involvement of numerous biological substances in the wave generation and propagation, including Potassium, Calcium, Glutamate, and other neurotransmitters. The pharmacological approach allows to identify actors of this electrical phenomenon: voltage gated channel, ionotropic glutamate receptors (NMDA & AMPRA-kainate), astrocytes and Na-K pumps.Familial Hemiplegic Migraine is a monogenic form of migraine with aura; the migraine attack is associated with variable motor disorders. Genetic mutations have been described leading to molecular dysfunctions. Nowadays three main forms of this pathology caused by three mutated genes, have been described and studied. FHM type 1 (Cav2.1 gain of function) and FH% type 2 (NaK ATPase pump loss of function) mouse models studies confirmed the important involvement of Glutamate and Potassium in CSD initiation.Type 3 of FHM is caused by Nav1.1 mutations, a voltage gated sodium channel that is widely expressed in GABAergic neurons in which they are essential for excitability. Our team showed on transfected neurons in culture that he mutation is a gain of function, leading to an increased neuronal excitability. However, the link between the mutation, cortical hyperexcitability and CSD facilitation or FHM phenotype, remains unknown.Our work hypothesis and the base of my research project, is that the increasing Nav1.1 channel or GABAergic neurons’ activity, triggers a cortical hyperexcitability and CSD. To confirm this hypothesis, my work required a ex vivo experimental approach, on acute neocortical slices of wild-type and transgenic mice, associated with extracellular electrophysiology, IOS imaging, pharmacology and/or optogenetics. Nav1.1 channel activation by a selective activator (spider toxin), or GABAergic neurons stimulation by optogenetics, can trigger CSD, validating our initial hypothesis and identify a new model of CSD.My work allow us to highlight and characterised a new model of CSD by GABAergic neuron hyperexcitability leading to an initial build up of extracellular potassium, that depolarizes and activates more and more excitatory neurons. This leads to a sustained potassium release until a critical threshold of CSD triggering.In a second time, my thesis work explored a pharmacologic modulation of network excitability, to find new elements that could decrease the CSD susceptibility. To do so, with the same experimental approach, I used a cholinergic agonist, Carbachol, known for modulation the network activity. The results showed that even if Carbachol increases network excitability, it inhibits CSD induction, likely through the muscarinic pathway.In conclusion, during my thesis I identified a new mechanism of CSD induction, and a une inhibitory pathway of CSD by cholinergic modulation.