Study of the role of alterations in the wake/sleep cycles in the progression of Parkinson's disease and multiple system atrophy
Etude du rôle des altérations des cycles éveil/sommeil dans la progression de la maladie de Parkinson et de l'atrophie multisystématisée
Résumé
Parkinson’s disease (PD) and Multiple System Atrophy are both synucleinopathies. These diseases are characterized by the loss of dopaminergic neurons of the substantia nigra pars compacta (SNc) and the presence of cytoplasmic inclusions. These inclusions are named Lewy Bodies (LB) in PD and glial cytoplasmic inclusions (GCI) in MSA and contain notably misfolded alpha-synuclein ( syn). In addition to movement disorders, PD and MSA patients exhibit a myriad of non-motor symptoms including sleep/wake alterations that may occur early in the course of the diseases and that are even considered as predictors of synucleinopathies. The aim of my thesis is thus to investigate the likelihood of a relationship between the progression of neurodegeneration, the progression of the syn pathology, and the occurrence of sleep/wake issues.First of all, as the degeneration of the dopamine system is a critical feature in synucleinopathies, we wanted to record sleep in conditions of dopamine depletion. Sleep in mice was recorded after the injection of reserpine and alpha-methyltyrosine. This first drug strongly reduces stores of monoamine neurotransmitters, including dopamine. The second drug inhibits the tyrosine hydroxylase and thus the synthesis of dopamine.While neurotoxin-based experimental models recapitulate both motor and non-motor symptoms of PD, their poor face validity concerning the neurodegenerative process makes them unsuitable for this project. We here take advantage of recently developed LB mouse and LB monkey models of parkinsonian degeneration. These models are well adapted to examine the potential occurrence of sleep/wake deficits as the pathology progresses slowly over time and is based on a-syn pathology. Wild-type mice were injected in the SNc with LB fractions (LB mice), containing pathological α syn. These fractions are extracted from the brain of PD patients and, once injected, lead to a progressive loss of DA neurons. Control mice were injected with sucrose. Mice were then implanted with a device recording both cortical neuronal activity (ElectroEncephaloGraphy, EEG) and contractions of the neck muscles (ElectroMyoGraphy, EMG). The device enables the discrimination of sleep/wake cycle stages: wake, non-rapid eye movement (NREM) sleep, and REM sleep. Non-human primates were injected in the striatum either with the same LB fractions injected to the mice (LB monkeys) or with sucrose. They were then implanted with a device recording EEG, EMG, and the electrical activity of the eye (ElectroOculoGraphy, EOG), enabling the discrimination of sleep/wake cycle stages: wake, NREM sleep (light and deep stages), and REM sleep.Regarding MSA, we used a transgenic mouse model overexpressing human -syn under a glial promotor (PLP-syn mice). This model has been proven to display autonomic dysfunctions, a key criterion to diagnose MSA, and a slow progression of the disease based on a-syn pathology. As for LB mice, PLP-syn mice and WT littermates were implanted with a device recording EEG and EMG to discriminate wake, NREM sleep, and REM sleep.Finally, as sleep has been proven to play a role in the clearance of metabolites, we investigate the role of sleep in the -syn pathology. Microdialysis experiments have thus been done to quantify -syn in the CSF of LB and sucrose-injected mice in control conditions or after sleep deprivation.This work is of particular relevance as understanding if sleep disorders may serve experimentally as a surrogate marker of neurodegeneration or pathology progression could provide an early way detection and lead to new therapeutic strategies to slow down its progression.
La maladie de Parkinson (MP) et l’atrophie multisystématisée (AMS) sont des synucléinopathies caractérisées par la perte des neurones dopaminergiques (DA) dans la substance noire pars compacta (SNc) et par la présence d’inclusions cytoplasmiques, appelés corps de Lewy (LB) et inclusions cytoplasmiques gliales (GCI) respectivement et constitués notamment d’alpha-synucléine (a-syn) mal conformée. En plus des troubles moteurs, les patients MP et AMS présentent de nombreux symptômes non-moteurs dont les altérations des cycles éveil/sommeil qui peuvent apparaitre de manière précoce et qui sont même considérées comme prédictifs du développement de synucléinopathies. Le but de ma thèse est donc d’étudier le possible lien entre la progression de la neurodégénérescence, la progression de la pathologie liée à l’a-syn et l’apparition d’altérations des cycles éveil/sommeil.Tout d’abord, comme la perte des neurones DA est une caractéristique des synucleinopathies, nous avons étudié le sommeil en condition de déplétion de la dopamine. Le sommeil des souris a été enregistré après injection de réserpine et d’alpha méthyltyrosine qui induisent respectivement la forte réduction des stocks de monoamines, incluant la dopamine, et l’inhibition de la tyrosine hydroxylase et donc la synthèse de la dopamine.Alors que les modèles basés sur l’injection de neurotoxines présentent à la fois les symptômes moteurs et non-moteurs de la MP, ils ne reproduisent pas le processus du développement de la neurodégénérescence requis pour ce projet. Nous avons donc utilisés des modèles la dégénérescence de la MP développés récemment appelés souris LB et singe LB. Ces modèles sont adaptés pour étudier de possibles altérations des cycles éveil/sommeil comme la pathologie progresse lentement et qu’elle est liée à l’a-¬syn. Les souris sauvages ont reçues une injection dans la SNc de fractions LB contenant de l’a-syn pathologique. L’injection de ces fractions, extraites du cerveau de patients MP, induisent une perte progressive des neurones DA. Les souris contrôles sont injectées avec du sucrose. Ensuite, un appareil permettant l’enregistrement de l’activité neuronale corticale (électroencéphalographie, EEG) et la contraction des muscles du cou (électromyographie, EMG) est implanté sur les souris pour discriminer les différents stades des cycles éveil/sommeil : éveil, sommeil avec mouvements oculaires non-rapides (sommeil NREM), et sommeil avec mouvements oculaires rapides (sommeil REM). Les primates non-humains ont été injectés dans le striatum avec des fractions LB (singes LB), ou du sucrose. Ils ont ensuite été appareillés pour l’enregistrement EEG, EMG, et pour l’enregistrement de l’activité électrique des yeux (électrooculographie, EOG) pour distinguer l’éveil, le sommeil NREM (sommeil lent et profond) et le sommeil REM.Concernant l’AMS, le modèle utilisé est une souris transgénique qui surexprime l’a-syn humaine sous le contrôle d’un promoteur glial (souris PLP). Ce modèle présente des troubles des fonctions autonomes, un critère clé dans le diagnostic de l’AMS. Là aussi la maladie progresse lentement et est liée à l’a-syn. Comme avec les souris LB, un appareil d’enregistrement est implanté aux souris PLP et aux souris contrôles pour enregistrer les phases d’éveil, de sommeil NREM et de sommeil REM.Enfin, comme le sommeil a un rôle dans l’élimination protéique, nous avons étudier son rôle dans la pathologie liée à l’a-syn. Des expériences de microdialyse ont été réalisées pour quantifier l’a-syn dans le LCR de souris LB et de souris contrôles en conditions normales ou après privation de sommeil.Le travail réalisé est particulièrement pertinent car comprendre si les altérations des cycles éveil/sommeil peuvent servir au niveau expérimental de marqueur de la progression de la pathologie pourrait permettre une détection précoce et amener à de nouvelles stratégies thérapeutiques pour ralentir sa progression.
Origine : Version validée par le jury (STAR)