Implication des cellules microgliales dans le développement des réseaux synaptiques du néocortex somatosensoriel

Microglia involvement in the development of synaptic networks in the somatosensory neocortex

• Auteur / Autrice : Coralie-Anne Mosser
• Direction : Etienne Audinat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 28/09/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Descartes (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Neurophysiologie et Nouvelles Microscopies / U1128
• Jury : Président / Présidente : Claire Legay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Audinat, Claire Legay, Pascal Legendre, Lauriane Ulmann, Richard Robitaille, Anne Roumier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Legendre, Lauriane Ulmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Synapses

Néocortex

Microglie

Mots clés libres

Cellules microgliales

Synapse thalamocorticale

Cortex somatosensoriel primaire

Développement postnatal

Interneurones inhibiteurs

Inhibition antérograde

Activation immunitaire maternelle

AMPA

NMDA

GABA

BDNF

Enregistrements électrophysiologiques

Optogénétique

Microglial cells

Thalamocortical synapse

Inhibitory interneurons

Primary somatosensory cortex

Postnatal development

Feedforward inhibition

Maternal immune activation

AMPA

NMDA

GABA

BDNF

Electrophysiological recordings

Optogenetics

Résumé

La microglie désigne l'ensemble des macrophages résidents du système nerveux central (SNC). Longtemps considérées comme étant actives uniquement en conditions pathologiques, les cellules microgliales sont pourtant essentielles à l'activité physiologique du SNC. En particulier, pendant la formation du SNC, elles régulent apoptose et survie neuronales, et interagissent directement avec les synapses en les éliminant, en promouvant leur formation ou en régulant leur activité. Toutefois, les mécanismes microgliaux impliqués dans la mise en place et la maturation fonctionnelle des circuits corticaux pendant le développement ne sont pas intégralement élucidés. Afin de mieux comprendre le rôle de la microglie dans le développement cortical, nous avons utilisé le système des champs de tonneaux du cortex somatosensoriel de la souris, et combiné des manipulations in vivo avec des approches électrophysiologiques, optogénétique, pharmacologique et histologique sur tranches de cerveaux de souris génétiquement modifiées. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés aux conséquences de l'arrivée de la microglie à proximité des zones de terminaison des fibres thalamiques (les centres des tonneaux) dans le cortex somatosensoriel au cours de la première semaine postnatale sur les propriétés fonctionnelles des synapses thalamocorticales et de l'inhibition disynaptique associée (inhibition antérograde ou feedforward). Nos résultats montrent qu'une déplétion de la microglie pendant la première semaine postnatale entraîne un retard de maturation fonctionnelle de la connexion thalamocorticale excitatrice monosynaptique et de l'inhibition feedforward disynaptique au niveau des cellules principales excitatrices de la couche 4 (CP) entre les 10ème et 12ème jours postnataux (P10-12). Nous avons ensuite testé si le facteur neurotrophique BDNF (brain-derived neurotrophic factor) pouvait être la molécule microgliale impliquée dans la maturation de ces synapses corticales en utilisant une approche transgénique (lignée CX3CR1+/CreERT2;BDNFlox/lox). Nos enregistrements indiquent que l'absence de BDNF microglial entraîne aussi un déficit de maturation fonctionnelle des connexions excitatrices monosynaptiques et inhibitrices disynaptiques thalamocorticales entre P10-12. Nous avons donc identifié un facteur microglial clé dans la maturation des synapses corticales, et nos enregistrements chez le jeune adulte suggèrent que la suppression de BDNF microglial pendant la première semaine postnatale altère la synapse thalamocorticale excitatrice sur le long terme. Dans une deuxième étude, nous avons examiné les conséquences de perturbations de la microglie au cours du développement embryonnaire sur la mise en place des réseaux corticaux. L'induction d'une activation immunitaire maternelle (MIA) par injection de lipopolysaccharide (LPS) bactérien ou la déplétion de la microglie aux stades embryonnaires modifie la répartition laminaire des interneurones inhibiteurs exprimant la parvalbumine (PV+) _cellules responsables de l'inhibition feedforward_ dans le cortex jusqu'à P20. Nos données fonctionnelles ont révélé que ces protocoles de MIA et de déplétion induisent une augmentation de l'inhibition périsomatique des CP à P20, ainsi qu'une exubérance horizontale de l'inhibition soutenue par les interneurones PV+. Cette inhibition exacerbée ne perdure pas et nos enregistrements chez l'adulte indiquent au contraire un affaiblissement des synapses inhibitrices entre les interneurones PV+ et les CP. Nous postulons donc que les cellules microgliales sont le chaînon manquant entre des stimulations immunitaires, telles qu'elles peuvent se produire durant une inflammation pendant la grossesse, et l'augmentation du risque de développer des pathologies neurodéveloppementales. Ainsi, nos résultats mettent en exergue le rôle crucial de la microglie dans le développement des réseaux neuronaux corticaux pendant la période périnatale.

Microglial cells are a population of specialized macrophages residing in the CNS only. They have long been studied solely under pathological contexts and were thought to be active only upon homeostatic disturbance following a brain lesion. However, over the last decade, they have been increasingly recognized to be essential players in the physiological functioning of the CNS. Specifically, during the CNS formation, microglia has been shown to regulate apoptosis and neuronal survival. They are also able to directly interact with synapses, by eliminating supernumerary and inappropriate connections, by promoting synapse formation or by regulating their activity. However, mechanisms by which microglia influence wiring and functional maturation of cortical are not fully understood. To better assess the role of microglia in cortical development, we used the barrel field as a model of neuronal development and we combined in vivo manipulations together with electrophysiology, optogenetics, pharmacologic and histologic approaches on brain slices of genetically-engineered mice. We first explored the consequences of microglia entry near the terminals of thalamic afferents (center of the barrels) in the primary somatosensory cortex during the first postnatal week on functional properties of thalamocortical synapses and associated disynaptic feedforward inhibition. By selectively depleting microglia at early postnatal days by intracerebral injections of clodronate-encapsulated liposomes, we show that microglia absence during the first postnatal week delays the functional maturation of both monosynaptic thalamocortical synapse and feedforward inhibition of layer 4 principal cells of the barrel cortex (PC) up to the 10th and 12th postnatal days (P10-12). To identify the mechanism underlying this process, we used the CX3CR1+/CreERT2; BDNFlox/lox mouse line allowing the conditional deletion of microglial BDNF during the first postnatal week. Our recordings indicate that the absence of microglial BDNF, as well as early microglia depletion, leads to a deficit in the functional maturation of both monosynaptic excitatory and disynaptic inhibitory thalamocortical connexions between P10-12. We therefore identified a microglial key factor in the maturation of cortical synapses. Our recordings in the young adult suggest that early microglial BDNF deletion has a long-term effect on thalamocortical excitatory synapses. In a second study, we investigated the consequences of microglia dysfunction during embryonic development on cortical networks wiring. Maternal immune activation (MIA) triggered by bacterial lipopolysaccharide (LPS) injection modifies the laminar repartition of parvalbumin-expressing inhibitory interneurons (PV+), key actors in neuropsychiatric disease, in the cortex until P20. Our functional data revealed that these MIA and depletion protocols lead to an increase of layer 4 PC perisomatic inhibition at P20, as well as a horizontal exuberance of cortical inhibition supported by PV+ interneurons. This increased inhibition does not last within development as suggested by our recordings in the adult. On the opposite, it seems that MIA and early microglia depletion result in weaker inhibitory synapses at P60. To conclude, we postulate that microglial cells are the missing link between maternal immune challenge and à higher risk of having neurodevelopmental pathologies like autism or schizophrenia. Our results highlight the crucial role of microglial cells in neuronal network development during perinatal period.