Caractérisation électrophysiologique de la diversité neuronale dans la substantia nigra pars reticulata chez les souris contrôle et parkinsonienne

Electrophysiological characterization of neuronal diversity in the substantia nigra pars reticulata in control and parkinsonian mice

• Auteur / Autrice : Lorena Delgado Zabalza
• Direction : Jérôme Baufreton, Cristina Miguelez Palomo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 18/06/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Universidad del País Vasco. Facultad de ciencias
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Maladies Neurodégénératives
• Jury : Président / Présidente : Thomas Boraud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Baufreton, Cristina Miguelez Palomo, Thomas Boraud, Corinne Beurrier, Laurent Venance, Nagore Puente, Miguel Valencia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Corinne Beurrier, Laurent Venance

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrophysiologie

Maladie de Parkinson

GABA

Transmission nerveuse

Mots clés libres

Excitabilité neuronale

Transmission synaptique

GABA

Maladie de Parkinson

Dyskinésies L-DOPA-induites

Electrophysiologie

Neuronal excitability

Synaptic transmission

GABA

Parkinson’s disease

L-DOPA induced dyskinesia

Patch Clamp

Résumé

La substance noire réticulée (SNr) est la principale structure de sortie des ganglions de la base (BG), un réseau sous-cortical contrôlant l'élaboration des programmes moteurs ainsi que des fonctions d'apprentissage cognitives et associatives. L'identification de types de cellules distincts dans le BG a joué un rôle clé pour comprendre les propriétés et les fonctions de ce circuit. Des études récentes suggèrent que la SNr est composé de plusieurs types de cellules mais jusqu'à présent cette diversité neuronale n'a jamais été prise en compte concernant le fonctionnement normal et pathologique de ce noyau, notamment dans la maladie de Parkinson (MP). En combinant des approches immunohistochimiques et électrophysiologiques chez la lignée de souris PVCre::Ai9T, nous avons démontré que les neurones de la SNr exprimant la protéine parvalbumine (PV+) ont des propriétés anatomiques et électrophysiologiques différentes de celles des neurones ne l’exprimant pas (PV-). Notre analyse anatomique montre que les neurones PV+ et PV- sont présents à proportion égale dans la SNr, mais avec une distribution distincte, les neurones PV+ étant enrichis dans la partie latérale de la SNr alors que les neurones PV- sont présents dans la partie médiale de ce noyau. Nos enregistrements électrophysiologiques in vitro ont révélé que les neurones PV+ ont une activité électrique plus élevée que les cellules PV-. De plus, nos données indiquent que la perte de dopamine (DA) et le traitement à la L-DOPA induisent une réduction profonde de l'excitabilité des neurones PV+ de la SNr dans un modèle murin de MP (la souris 6-OHDA) sans modifier l'activité des neurones PV-.Il est bien connu que l'activité des neurones de la SNr est contrôlée par les afférences GABAergiques des neurones striataux (STR-SNr) de la voie directe (dSPN) et du globus pallidus (GP-SNr). Nous avons effectué une manipulation optogénétique de ces deux voies inhibitrices et montré que ces deux populations neuronales sont innervées de manière équivalente par le STR et le GP. Nos résultats ont également révélé que l'inhibition striatale était plus efficace que l’inhibition pallidale pour réduire l'activité des deux sous-types de neurones SNr. De plus, nous avons observé que les2synapses STR-SNr et GP-SNr affichent la même plasticité à court terme sur les neurones PV+ et PV- de la SNr. Enfin, nous avons montré que la transmission GABAergique est affectée de manière différentielle sur les cellules PV+ et PV- suite à une déplétion DAergique. D'une part, les neurones PV+ sont plus sensibles à l'inhibition striatale que les cellules PV- après une déplétion en DA. D’autre part, l’inhibition pallidale est réduite sur les neurones PV+ et augmentée sur les PV- après la perte de DA, suggérant un déséquilibre de l'inhibition pallidale entre ces deux populations SNr.Il est aussi connu que les niveaux extracellulaires de GABA sont élevés dans la SNr chez les modèles rongeurs de MP, ce qui suggère que les neurones de la SNr pourraient être inhibés de manière permanente par une inhibition dite tonique. Ainsi, Nous avons caractérisé la transmission extrasynaptique GABAergique dans la SNr des souris témoins et 6-OHDA. Nos enregistrements de patch-clamp ont révélés que les neurones PV- présentent une inhibition tonique plus importante que les cellules PV+ chez les souris témoins. La présence et l'implication des sous-unités δ et α5 dans les récepteurs GABAA extrasynaptiques ont également été étudiées, révélant une présence et un effet majeurs des sous-unités α5 sur les neurones PV. Cependant, contrairement à ce qui était attendu, la déplétion chronique en DA ne provoque aucun changement de l'inhibition tonique ni dans les cellules PV+ ni dans les neurones PV- de la SNr.Nos résultats mettent en évidence l'importance de différencier les populations cellulaires de la SNr pour une meilleure connaissance du fonctionnement des BG en situation physiologique et physiopathologique tel que dans la MP

The substantia nigra pars reticulate (SNr) is the main output structure of the basal ganglia (BG), a subcortical network controlling the elaboration of motor programs as well as cognitive and associative learning functions. The identification of distinct cell-types within the BG has played a key role for understanding the properties and functions of this circuit. Recent studies suggest that the SNr is composed of several cell types but until now this neuronal diversity has never been taken into consideration regarding normal and pathological functioning of this nucleus, particularly in Parkinson’s disease (PD). By combining immunohistochemical and electrophysiological approaches in the PVCre::Ai9T mouse line, we have demonstrated that SNr neurons expressing the protein parvalbumin (PV+) exhibit different anatomical and electrophysiological properties than non PV-expressing (PV-) neurons. Our anatomical analysis reveal that PV+ and PV- neurons are present in equal proportion in the SNr, but with a distinct distribution, PV+ being enriched in the lateral part of the SNr, while PV- are found in the medial portion of the nucleus. In vitro electrophysiological recordings from identified PV+ and PV- neurons in the SNr also revealed that PV+ neurons fired at relatively higher rates than PV- cells. Additionally, our data revealed that DA loss and subsequent L-DOPA treatment induce a profound reduction of the excitability of PV+ SNr neurons in a 6-OHDA mouse model of PD while activity of PV- remains unchanged by these treatments.It is well known that the activity of SNr neurons is controlled by GABAergic inputs from striatal dSPN and the GP. We performed optogenetic manipulation of STR-SNr and GP-SNr inputs in order to determine whether PV+ and PV- SNr neurons received equivalent inputs from these two nuclei. We tested the impact of STR-SNr or GP-SNr activation on the activity of SNr neurons in cell-attached configuration and then switched to whole-cell voltage-clamp to characterize short-term plasticity of these synapses. Our results show that both PV+ and PV- SNr neurons are innervated by the STR and the GP. They also revealed that inhibition from dSPN was more powerful to silence activity of both subtypes of SNr neurons. Indeed, we observed that both STR-SNr and GP-SNr synapses displayed short-term depression in PV+ and PV- SNr neurons. DA loss affected GABA transmission in a different manner in PV+ and PV- SNr cells. On one hand, PV+ neurons were more sensible to striatal synaptic inhibition than PV- cells after DA depletion. On the other hand, PV-GP inputs were reduced on PV+ neurons and increased in PV- cells after DA loss suggesting a disequilibrium in pallidal inhibition between these two SNr populations.Furthermore, considering that rodent models of PD have shown elevated extracellular levels of GABA in the SNr which can exert a tonic extrasynaptic inhibition on SNr neurons, we decided to characterize GABAergic extrasynaptic transmission in the SNr of control and 6-OHDA lesioned mice. We studied GABAA mediated tonic inhibition by performing whole-cell patch-clamp recordings of PV+ and PV- SNr neurons in acute slices. We observed that PV- SNr neurons displayed larger GABAA receptor-mediated tonic currents than PV+ cells in the SNr of control mice. The presence and involvement of δ and/or α5 extrasynaptic subunits in GABAA receptors mediating this type of transmission was also studied, revealing a major presence and effect of α5-subunits on PV- neurons probably mediating the tonic currents observed in these neurons. However, contrary to expected, chronic DA-depletion did not trigger any increase in tonic inhibition neither in PV+ cells nor in PV- SNr neurons.All these findings highlight the importance of differentiating cell populations in the SNr to a better knowledge of the BG circuit in normal and pathological states such as in PD.