Réseaux de neurones modèles : contrôle de la différenciation axonale par micropatterns

• Auteur / Autrice : Sophie Roth
• Direction : Catherine Villard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centrosomes

Neurones

Résumé

Les réseaux de neurones in vitro sont des systèmes simples et pertinents pour tenter d’aborder la complexité des traitements de l’information effectués par le cerveau. Ils sont d’autant plus intéressants lorsqu’une architecture évoquant l’organisation de réseaux in vivo peut être imposée. C’est pourquoi les substrats micro-patternés sont maintenant couramment utilisés pour forcer l’adhésion et le développement des cellules conformément à une topologie prédéfinie. Cependant, la création de microcircuits neuronaux requiert un contrôle précis du flux d’information entre les cellules, uniquement réalisable en induisant la polarité neuronale (i. E la différenciation axonale) dans une direction spécifique. Bien que des molécules de guidance soient découvertes chaque jour, elles sont difficilement utilisables pour créer des réseaux in vitro de neurones polarisés puisque les technologies de patterning sont difficilement compatibles avec le greffage de protéines. Dans cette thèse, notre but était de réaliser un contrôle total de la polarité neuronale par l’action combinée d’une adhésion non spécifique et de contraintes physiques fournies par des géométries de motifs sophistiquées. Nous reportons ici un succès à près de 90 \% du contrôle de la direction de la pousse de l’axone. Notre démarche s’est basée sur deux résultats de la littérature. D’une part, la localisation du centrosome détermine le point d’émergence de l’axone et d’autre part, l’application d’une tension mécanique extérieure est suffisante pour induire la formation de l’axone. Nous avons exploité ces deux résultats dans un seul motif. Celui-ci contraint la position du centrosome et empêche la pousse de l’axone dans les directions non désirées grâce à des lignes courbées spécifiques limitant la tension interne du neurite. Non seulement ces résultats offrent un outil important pour créer des réseaux de neurones modèles mais aussi ils questionnent la fonction du centrosome et les mécanismes d’adhésion et de transmission de force dans les neurites, trop longtemps négligés en faveur de l’analyse du cône de croissance.

In vitro neuronal networks are pertinent simple systems to approach brain computational complexity. They are even more useful when an architecture evoking the in vivo network organization can be enforced. This is why micro-patterned substrates are now widely used to force cell adhesion and growth according to a predefined topology. However, building fully controlled neuronal microcircuits requires precise supervision of the information flow between cells, which can only be achieved by inducing neuronal polarity (i. E. Axonal differentiation) in a specific direction. Although more polarity-regulating molecules are being discovered each day, they are hardly usable to create polarized networks in vitro as most patterning technologies are not compatible with protein grafting. In this PhD, our goal was to achieve full control of neural polarity by combined action of non-specific adhesion and physical constraints provided by sophisticated patterning geometries. We report here the mastering of axonal growth direction with a success close to 90\%. This result was based upon previous observations : the centrosome localization determines the axon emergence point and mechanical tension is sufficient to ensure axon formation. We coupled these results into a single pattern to constrain the centrosome position with suitable adhesive patterns and prevent axon growing on undesired positions with specific curved shapes that provide a limitation of neurite tension. These findings not only provide an important tool for creating neuronal model networks but also question the centrosome function and the mechanisms of adhesion and force transmission within neurites that have been so far neglected in favour of growth cone analysis.