Dynamiques temporelles et spatiales des signaux calciques cellulaires dans le noyau suprachiasmatique in vivo

Temporal and spatial dynamics of cellular calcium signals in the suprachiasmatic nucleus in vivo

• Auteur / Autrice : Lama El Cheikh Hussein
• Direction : Xavier Bonnefont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 09/12/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Génomique Fonctionnelle (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Michel Vignes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Bonnefont, Michel Vignes, Anne-Marie François-Bellan, Anne Duittoz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Marie François-Bellan, Anne Duittoz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules -- Interaction

Rythmes circadiens

Noyau suprachiasmatique

Mots clés libres

Noyau suprachiasmatique (NSC)

Horloge circadienne

Imagerie calcique in vivo

Communications intercellulaires

Réseaux neuronaux

Coordination

Suprachiasmatic nucleus (SCN )

Circadian Clock

In vivo calcium imaging

Intercellular communication

Neural networks

Coordination

Résumé

Les travaux de ma thèse montrent la possibilité d’observer, pour la première fois, l’activité des réseaux cellulaires au sein du Noyau Suprachiasmatiques (NSC) de l’hypothalamus au plus profond du cerveau de souris éveillées et non-contraintes, sans stress ni douleur. Nous utilisons ici un microscope de fluorescence miniaturisé au point de pouvoir être fixé directement sur la tête d'une souris, et ainsi permettre de procéder à des enregistrements optiques in vivo. Cette première approche d’imagerie cellulaire longitudinale des neurones horloges in vivo révèle des nouvelles caractéristiques du fonctionnement de l’horloge chez la souris adulte en conditions physiologique et perturbées simulant des situations de dérégulation circadienne.Nous avons étudié les différentes dynamiques calciques du NSC au niveau cellulaire. Les cellules du NSC au sein du réseau natif in vivo présentent des variations lentes du (Ca2+) cytosolique (ou « CCR » pour Circadian Calcium Rhythm), sur plusieurs cycles jour-nuit. Ces variations lentes sont coordonnées, persistent en condition de libre-cours et sont robustes faces aux perturbations environnementale (Jetlag) et génétique (Souris Cry-/-). De plus, ce travail met en évidence l’existence de transitoires calciques rapides au sein des NSC de la souris adulte. Les variations rapides du Ca2+ cytosolique sont, elles aussi, régulées de façon journalière, coordonnées au sein du même animal et robuste face aux perturbations. De façon très intéressante, les cellules présentent des transitoires synchrones et forment des clusters d’activité. Le clustering est une propriété émérgente du NSC et se produit tout au long du cycle jour-nuit. Un codage spatio-temporel calcique complexe au sein du NSC in vivo est donc possible.Le pacemaker circadien est doté d’une activité calcique cellulaire rapide imbriquée dans le « CCR » , révélant une coordination intercellulaire sur plusieurs échelles de temps dans le NSC in vivo.

The work of my thesis shows the possibility to visualize, for the first time, the activity of cellular networks within the Suprachiasmatic Nucleus (SCN) of the hypothalamus deep in the brain of awake and unrestrained mice, with no stress nor pain. We use a miniaturized fluorescence microscope that can be attached directly to the head of a mouse, thus allowing in vivo optical recordings. This first approach of longitudinal cellular imaging of clock neurons in vivo reveals new characteristics of clock functioning in adult mice under physiological and disturbed conditions simulating circadian disturbances.We have studied the different calcium dynamics in the SCN at the cellular level. SCN cells within the native network in vivo show slow variations of cytosolic (Ca2+) (or ''CCR'' for Circadian Calcium Rhythm) over several day-night cycles. These slow variations are coordinated, persistent under free-running conditions and are robust to environmental (Jetlag) and genetic (Cry-/- mice) perturbations. In addition, this work highlights the existence of fast calcium transients in the SCN of adult mice. The rapid variations of cytosolic Ca2+ are also regulated on a daily basis, coordinated within the same animal and robust to perturbations. Interestingly, cells show synchronous transients and form activity clusters. Clustering is an emergent property of the SCN and occurs throughout the day-night cycle. A complex spatio-temporal calcium coding within the SCN in vivo is therefore possible.The circadian pacemaker is endowed with a rapid cellular calcium activity nested in the CCR, revealing intercellular coordination on several time scales in the NSC in vivo.