Étude du contrôle des activités neuronales de réseaux par les astrocytes

Astroglial control of hippocampal neuronal networks

• Auteur / Autrice : Flora Vasile
• Direction : Nathalie Rouach-Holcman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences et troubles neuronaux
• Date : Soutenance le 27/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Recherche en Biologie (Paris ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Préat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Préat, Tommaso Fellin, Etienne Audinat, Micaela Galante
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tommaso Fellin, Etienne Audinat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (physiologie)

Astrocytes

Mots clés libres

Astrocytes

Réseaux neuronaux

Pannexines

IP3R

Astrocytes

Neuronal networks

Pannexin

IP3R

Résumé

Les astrocytes régulent l'activité neuronale à travers le contrôle de la libération de neurotransmetteurs, la régulation de la concentration extracellulaire d'ions et de l'activation des récepteurs et canaux neuronaux. Les astrocytes détectent l'activité neuronale à travers l'activation des nombreux récepteurs, canaux et transporteurs qu'ils expriment, qui se traduit par une signalisation calcique intracellulaire complexe. La communication intercellulaire astrocytaire médiée par les jonctions communicantes permet le contrôle simultané de populations de neurones, favorisant la synchronisation. Si la modulation des fonctions synaptiques est connue, la manière dont les astrocytes régulent les réseaux neuronaux est peu documentées. De plus, les mécanismes permettant l'augmentation de la concentration calcique menant à la libération de molécules neuroactives sont toujours débattus. La libération de gliotransmetteurs peut être médiée par les canaux formés par les connexines (Cx) et les pannexines (Px). Il a été montré que les Cxs modulent la transmission synaptique et la coordination neuronale; durant ma thèse, j'ai participé à une étude montrant que réciproquement, les niveaux de la protéine Cx30 et leur localisation périsynaptique sont contrôlés par l'activité neuronale, et que l'activation des canaux Cx30 est déclenchée par l'activité neuronale. D'autre part, notre connaissance des fonctions des Pxs dans le système nerveux central est encore vague. Dans le cadre d'une étude à laquelle j'ai participé, nous avons identifié Px1 comme étant un protagoniste majeur des troubles épileptiques. En utilisant des tissus cérébraux provenant de patients ayant subi une intervention chirurgicale, nous avons montré la participation de Px1 à l'induction et la maintenance des évènements ictaux en libérant de l'ATP, qui se lie ensuite aux récepteurs P2. Nous avons ensuite révélé que les inhibiteurs de Px1 méfloquine et probénecide ont un effet protecteur contre les crises épileptiques. Les Px1 ont été principalement étudiées indépendamment du type cellulaire dans lequel elles sont exprimées, nous avons donc examiné l'expression and l'activation de Px1, ainsi que ses fonctions dans le contrôle de l'activité neuronale in situ. J'ai démontré que l'expression de Px1 est régulée au cours du développement et que son activation est modulée par l'activité neuronale. De manière surprenante, et en contraste avec l'effet global de l'activation des canaux Px1 dans tous les types cellulaires, l'activation spécifique des canaux Px1 astrogliaux inhibent les réseaux neuronaux hippocampiques à travers un mécanisme peu conventionnel contrôlant l'activation des canaux HCN. La modulation de l'activité neuronale induite par la gliotransmission se produirait suite à une augmentation de la concentration intracellulaire de Ca2+, qui a été pendant longtemps attribuée à l'activation des récepteurs IP3R2 du réticulum endoplasmique. Des études contradictoires concernant les effets de la délétion de IP3R2 sur l'activité calcique et les fonctions neuronales ont remis en question l'impact physiologique de l'activité calcique astrocytaire sur la physiologie cérébrale. En chélatant le Ca2+ astroglial, j'ai démontré que les activités de type sharp wave-ripples (SPW-R) - une synchronisation neuronale physiologique qui se produit dans l'hippocampe pendant le sommeil lent - dépend du Ca2+ astrocytaire, confirmant sa pertinence physiologique. J"ai aussi mis en évidence l'expression de IP3R1 and IP3R2 dans les astrocytes, et sa régulation au cours du développement. L'ablation de IP3R2 altère l'activité SPW-R, suggérant une régulation de l'activité neuronale de réseau par les IP3Rs. Enfin, afin d'examiner la contribution de IP3R1 et IP3R2 au cours du développement et dans différents régimes d'activité, j'ai développé des outils moléculaires pour supprimer l'expression de IP3R1 et IP3R2 spécifiquement dans les astrocytes, ce qui permettra d'étudier les propriétés fonctionnelles des IP3Rs.

Astrocytes are instrumental regulators of brain physiology, as they directly and dynamically regulate neuronal activity through control of neurotransmitter release, local extracellular ion concentration, and receptor and channel functions. Astroglial control of neural functions is spatiotemporally tailored in an activity-dependent fashion, as they sense neuron-derived molecular cues through activation of the repertoire of receptors, channels and transporters they express, which translates into complex intracellular Ca2+ signalling. These Ca2+ signals in turn trigger gliotransmitters release, which influences neuronal functions. Notably, astroglial interconnection through gap junctions allows the concerted control of neuronal populations, promoting neuronal coordination. While astroglial modulation of synaptic functions is well documented, how astrocytes synchronise neuronal networks is still ill-defined. Moreover, the mechanism involved in the fluctuations of intracellular Ca2+ leading to gliotransmitter release, and subsequent shaping of neuronal and network functions, remains unsettled. Release of neuroactive molecules may occur through channels formed by connexins (Cx) and pannexins (Px). On one hand, Cxs were shown to modulate synaptic transmission and neuronal coordination; I contributed to show that conversely, Cx30 protein levels and perisynaptic localisation are controlled by neuronal activity, and to reveal for the first time that Cx30 hemichannel activation is triggered by neuronal activity. On the other hand, the functional relevance of Pxs in the CNS is unclear. In a study I contributed to, we identified Px1 as a major protagonist in epilepsy. Using post-operative brain tissue resected from epileptic patients, Px1 was demonstrated to participate to the induction and maintenance of ictal-like events by releasing ATP, which itself binds P2 receptors. The probenecid and mefloquine Px1 inhibitors, currently used as drugs for gout and malaria treatment respectively, were then observed to have an anti-seizure effect, establishing Px1 as a target for treatment of epileptic disorders. Px1 has been mostly studied in neurons, or regardless of the cell type; we therefore next examined astroglial Px1 expression, activation and function in the control of neuronal activity in situ. I demonstrated that astroglial Px1 expression is developmentally regulated and that its activation is activity-dependent. Surprisingly, in contrast to the overall effect of Px1 activation in all cell types, specific activation of astroglial Px1 channels inhibits hippocampal network activity, via an unconventional mechanism controlling activation of HCN channels. Traditionally, the modulation of neuronal activity mediated by gliotransmission is thought to occur in astrocytes as a result of intracellular Ca2+ increase, which was for a long time largely believed to originate from IP3R2-activation-triggered release from the endoplasmic reticulum. Divergent reports on the effect of IP3R2 ablation on astroglial Ca2+ activity and neural functions have seeded doubt about the physiological impact of astroglial Ca2+ on brain physiology altogether. By chelating astroglial Ca2+, I showed that the integrity of sharp wave-ripple (SPW-R) activity - a physiological hippocampal coordinated neuronal activity occurring during slow-wave sleep - is dependent on astroglial Ca2+, ascertaining its physiological relevance. I next revealed that IP3R1 and IP3R2 are actually both expressed in astrocytes, in a developmentally regulated manner. Ablating IP3R2 altered SPW-R activity, providing evidence for IP3R-dependent modulation of neuronal network activity. Lastly, to examine the developmental and activity-dependent contribution of IP3R1 and IP3R2, I developed molecular tools to delete IP3R1 and IP3R2 in astrocytes, which will be useful assets in the study of functional properties of IP3Rs during development and in different regimes of activity.