Développement d’une méthode de mesure et d’analyse du transport intraneuronal dans le cerveau de larve de poissons-zèbre par suivi de nanocristaux non-linéaires en microscopie de second-harmonique : application à l’étude d’anomalies de transport chez des poissons portant une mutation retrouvée dans des neuropathies humaines.

Development of a method for measuring and analyzing intraneuronal transport in the brain of zebrafish larvae by tracking the second-order nonlinear response of nanocrystals by two-photon excitation microscopy : application to the study of transport ab

• Auteur / Autrice : Fériel Terras
• Direction : François Treussart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 13/10/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Lumière, matière et interfaces (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-...)
• Jury : Président / Présidente : Rachel Méallet-Renault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lydia Danglot, Cédric Bouzigues, Claire Wyart, François Marquier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lydia Danglot, Cédric Bouzigues

Mots clés

Mots clés contrôlés

Processus à plusieurs photons

Nanocristaux

Danio rerio

Réseaux neuronaux (physiologie)

Mots clés libres

Transport intraneuronal

Poisson-Zèbre

Nanocristaux nonlinéaires

Microscopie multiphotonique

Algorithme de suivi

Intraneuronal transport

Zebrafish

Nonlinear nanocrystals

Mutliphoton microscopy

Tracking algorithm

Résumé

Le transport moléculaire dans les neurones joue un rôle essentiel dans leur développement et la maintenance de leurs fonctions, en raison notamment de leurs longues arborescences. Les conséquences d’anomalies du transport axonal ont été associées de longue date à la maladie d’Alzheimer telle que le gonflement des axones consécutif à l’accumulation des organelles transportés, mais il y a peu d’outils permettant l’étude fine sur le long terme de ce transport en culture et encore moins in vivo.L’équipe dans laquelle cette thèse a été réalisée a développé une méthode de mesure du transport intraneuronal en culture de neurone de souris reposant sur le suivi d’endosomes ayant internalisé spontanément des nanodiamants fluorescents. Elle a également démontré la grande sensibilité de cette méthode à détecter des facteurs de risques génétiques de maladies neuropsychiatriques.L’objectif de ma thèse a été d’étendre cette méthode de mesure au circuit neuronal intègre du cerveau de larves de poisson zèbre. Pour ce faire j’ai utilisé des nanocristaux (NCs) à réponse optique non-linéaires, pouvant être excité dans une fenêtre de transparence des tissus, à une longueur d’onde ≈1 µm, et générant un signal de second harmonique (SHG). Nous avons utilisé le microscope multiphoton de la plateforme Emerg’In (INRAE, Jouy-en-Josas) qui est installée au sein d’une pisciculture et dispose de scanners galvanométriques résonants et de détecteurs hybrides, ce qui nous a permis de maintenir une cadence de 20 champs par seconde malgré la nécessité de balayer le faisceau laser, contrairement aux études en culture, menées en champ large.Nous avons mis au point un nouveau protocole de mesure, depuis l’injection des NC jusqu’à l’extraction des paramètres de transport à partir des données vidéos. Pour cela, j’ai optimisé et automatisé les analyses des données en développant deux programmes écrits en Python : l’un permettant de reconstruire automatiquement les trajectoires des NCs de manière la plus fidèle possible et l’autre permettant de segmenter les trajectoires en phases de mouvement et de pauses afin d’en extraire des paramètres de transport.J’ai appliqué ces nouveaux outils à l’étude, sur un modèle transgénique de poisson zèbre, de l’impact fonctionnel d’une mutation présente dans des neuropathies dont une paraplégie spastique héréditaire et la maladie de Charcot-Marie-Tooth périphérique. Chez des patients atteints par l’une de ces maladies, plusieurs mutations ont été identifiées sur le gène KIF5A codant pour la chaine lourde du moteur moléculaire kinésine 1 qui assure des déplacements antérogrades (du corps cellulaire vers la périphérie). Nous avons mesuré le transport d’endosomes dans les axones de neurones du cerveau de larve de poissons zèbres transgéniques portant une mutation sur kif5a, et avons observé des modifications subtiles de ce transport. Pour cela, plus de 500 trajectoires d’endosomes (acquises à une profondeur de ≈100 µm sous la surface de la tête) ont été analysées, issues de 40 larves.En guise de contrôle, nous avons également étudié le transport endosomal dans des mutants privés des moteurs dynéines, les seuls à assurer le transport rétrograde, et avons observé que le transport bidirectionnel était totalement arrêté dans les mutants.La méthodologie mise en place peut servir à cribler des anomalies fonctionnelles résultant de facteurs génétiques de troubles neurologiques ou neurodégénératifs.

Molecular transport in neurons plays an essential role in their development and the maintenance of their functions, due in particular to their long branches. The consequences of axonal transport abnormalities have long been associated with Alzheimer's disease, such as the swelling of axons caused by the accumulation of transported organelles. However, there are few tools allowing the detailed long-term study of this transport in culture and even less in vivo.The team in which this work was conducted has developed a method for measuring intraneuronal transport in mouse cultured neurons based on the tracking of endosomes having spontaneously internalized fluorescent nanodiamonds. This technique was able to detect genetic risk factors of neuropsychiatric diseases, proving its high sensitivity.The objective of my thesis was to extend this measurement method to the neuronal circuit of the zebrafish larvae’s brain. For this purpose, I have used nanocrystals (NCs) with non-linear optical response, which can be excited in a tissue transparency window at a wavelength ≈1 µm, and generate a second harmonic signal. We have used the multiphoton microscope of the Emerg'In facility (INRAE, Jouy-en-Josas), which is installed next to a fish farming and has resonant galvanometric scanners and hybrid detectors, which allowed us to maintain a frame rate of 20 fps despite the need to scan the laser beam, unlike in culture studies conducted in wide field.We have developed a new measurement protocol, from the injection of the NC to the extraction of transport parameters from the videos data. To do this, I have optimized and automated the data analysis by developing two programs written in Python: one that automatically reconstructs the trajectories of the NCs as faithfully as possible and the other that segments the trajectories into motion and pause phases in order to extract transport parameters.I have applied these new tools to study, in a transgenic zebrafish model, the functional impact of a mutation present in neuropathies including hereditary spastic paraplegia and peripheral Charcot-Marie-Tooth disease. In patients suffering from one of these diseases, several mutations have been identified in the KIF5A gene coding for the heavy chain of the kinesin 1 molecular motor which ensures anterograde movements (from the cell body to the periphery). We have measured endosome transport in axons of neurons in the brain of transgenic zebrafish larvae bearing a mutation on kif5a, and we observed subtle changes in this transport. More than 500 endosome trajectories (acquired at a depth of ≈100 µm below the surface of the head) were analyzed from 40 larvae.As a control, we also studied endosomal transport in mutants deprived of dynein motors, the only ones to ensure retrograde transport, and observed that bi-directional transport was totally stopped in the mutants.This methodology can be used to screen for functional abnormalities resulting from genetic factors of neurological or neurodegenerative disorders.