Phénotypage automatisé du comportement social chez la souris : applications aux troubles du spectre autistique

Automated phenotyping of social behaviour in mice : applications to autism spectrum disorders

• Auteur / Autrice : Oscar Bauer
• Direction : Elodie Ey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences et troubles neuronaux
• Date : Soutenance le 29/11/2021
• 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 : Unité de Génétique humaine et fonctions cognitives (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Partenaire de recherche : Institut Pasteur
• Jury : Président / Présidente : Thomas Bourgeron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Bourgeron, Raphaël Marée, Sylvie Granon, Barbara König, Xavier Montagutelli, Gilles Gheusi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raphaël Marée, Sylvie Granon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Troubles du spectre de l'autisme

Maladies neurologiques

Souris de laboratoire

Apprentissage non supervisé (intelligence artificielle)

Comportement social des animaux

Mots clés libres

Comportement social des souris

Apprentissage automatique non supervisé

Modèles de souris

Troubles neuropsychiatriques

Classification comportementale automatisée

Troubles du spectre autistique

Mouse social behaviour

Unsupervised machine learning

Mouse models

Neuropsychiatric disorders

Automated behavioural classification

Autism spectrum disorders

Résumé

Les troubles du spectre autistique sont des troubles du développement neurologique affectant plus de 1% de la population mondiale. Parmi ceux-ci, plus de 1% des personnes avec autisme et retard mental portent une mutation du gène codant pour la protéine d'échafaudage postsynaptique Shank3. Des modèles murins de ces troubles ont été étudiés via une mutation par inactivation (KO) du gène homologue. Des affections comportementales ont été observées chez des animaux KO homozygotes, mais peu d'effets ont été rapportés sur les individus hétérozygotes, dans des souches largement utilisées comme C57BL/6J. Néanmoins, il est essentiel de comprendre l'impact de l'haploinsuffisance de Shank3, car les patients sont hétérozygotes et la compréhension de ces mécanismes ouvrira la voie à des stratégies pharmaceutiques visant une augmentation de l'expression de Shank3. Dans cette optique, nous avons d'abord analysé le comportement de 12 souches de souris issues du Collaborative Cross, un panel d'une centaine de souches consanguines issues du croisement contrôlé de huit souches fondatrices. Cette première étape a permis de saisir une partie de la diversité comportementale présente chez les souris et de sélectionner des fonds génétiques d'intérêt pour leurs capacités sociales ou leurs niveaux d'activité. Dans un deuxième temps, nous avons généré des souris mutantes hétérozygotes Shank3 sur fonds génétiques mixtes en croisant des souris C57BL/6J.Shank3+/- avec les souches CC sélectionnées. Nous avons analysé leur comportement par rapport à celui de leurs congénères non-mutants. Nous avons utilisé Live Mouse Tracker, un système de suivi de souris en groupe sociaux, pour enregistrer et étudier le comportement solitaire et social de ces souris. Nous avons développé un nouvel algorithme de classification de comportements non supervisé appelé SUCCUBE, afin de découvrir de nouvelles catégories d'événements comportementaux et d'étendre notre investigation des affections comportementales potentielles. Basé sur une analyse en composantes indépendantes suivie d'un partitionnement basé sur un modèle de mélange de gaussiennes, ce classificateur non supervisé est notamment le premier à permettre la cooccurrence d'événements comportementaux différents sur un même point de temps. Nous compilons tout d'abord de larges descriptions du comportement des souches du Collaborative Cross, en termes d'activité locomotrice, d'exploration, de comportement stéréotypé, de thigmotaxie, de néophobie et d'intérêt social. Une telle description peut être bénéfique pour le développement ultérieur d'autres modèles de souris. Nous rapportons enfin la découverte de trois comportements nouvellement découverts, affectés dans leurs proportions de production, par l'haploinsuffisance en Shank3, dans un fond mixte entre mâles C57BL/6j et femelles CC002. Ces mutants hétérozygotes ont passé significativement moins de temps à tourner en accélération, à faire face à un congénère ou orienté dans la même direction qu'un congénère. De telles découvertes ouvrent la voie à des essais pharmaceutiques visant à rétablir le comportement affecté de ces modèles mutants plus près des niveaux de ceux non-mutants. Cela permet également de démontrer le potentiel de la classification comportementale non supervisée pour étudier le comportement de modèles animaux de troubles neurologiques.

Autism spectrum disorders are neurodevelopmental disorders affecting more than 1% of the global population. Among that, more than 1% of people with autism and intellectual disabilities carry a mutation in the gene coding for the postsynaptic scaffolding protein Shank3. Mouse models of such disorders have been studied through knock-out mutation on the homologous gene. Behavioural affections were found in homozygous knocked-out animals, but few effects have been reported on the heterozygous individuals, in widely used laboratory mouse strains such as C57BL/6J. Still, understanding the impact of Shank3 haploinsufficiency is crucial, because human patients are heterozygous, and it will open the way to pharmaceutical strategies targeting an increase in Shank3 expression. In this optic, we first analysed the behaviour of 12 mouse strains from the Collaborative Cross, a panel of a hundred inbred strains emerging from the controlled breeding of eight founder strains. This first step was used to grab some of the behavioural diversity present in mice and to select genetic backgrounds of interest for their social abilities or activity levels. In a second time, we generated Shank3 heterozygous mutant mice on those mixed genetic backgrounds by crossing C57BL/6J.Shank3+/- mice with the selected CC strains. We analysed their behaviour as compared to their wild-type littermates. We used Live Mouse Tracker, a system to track mice in social group, to record and investigate the solitary and social behaviour of those mice. We developed a new unsupervised behavioural classification algorithm called SUCCUBE, in order to discover new behavioural event categories and extend our investigation of potential behavioural affections. Based on independent component analysis followed by Gaussian mixture model based clustering, this unsupervised classifier is notably the first one to allow co-occurrences of different behavioural event on a same time point. We here first compile wide descriptions of Collaborative Cross strain behaviour, in term of locomotor activity, exploration, stereotyped behaviour, thigmotaxis, neophobia and social interest. Such description can be beneficial to further development of other mouse models. We finally report the finding of three newly discovered behaviours, affected in their proportions of production, by Shank3 haploinsufficiency, in a mixed background between C57BL/6J males and CC002 females. Those heterozygous mutant spent significantly less time rotating in acceleration, facing a conspecific or oriented in the same direction than a conspecific. Such findings open the way to pharmaceutical trials aiming to restore the affected behaviour of such mutant models closer to the levels of wild-type ones. This also makes the demonstration of the potential of unsupervised behavioural classification to investigate the behaviour of animal models of neurological troubles.