Déficits centraux auditifs dans les formes génétiques de surdité : l'exemple des gènes Cdhr23 et Pcdh15

Central auditory deficits in genetic forms of deafness : example of Cdhr23 and Pcdh15 genes

• Auteur / Autrice : Olivier Postal
• Direction : Boris Gourévitch, Nicolas Michalski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Soutenance le 14/09/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur. Département de l'Institut de l’audition – centre de l’Institut Pasteur (2019-….)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Tiret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tania Barkat Rinaldi, Volker Bormuth
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Régis Nouvian, Arnaud Noreña

Mots clés

Mots clés libres

Déficits auditifs centraux

Cadhérine 23

Protocadhérine

Interneurones à parvalbumine

Cortex auditif

Hyperexcitabilité

Central auditory deficits

Cadherin 23

Protocadherin 15

Parvalbumin interneurons

Auditory cortex

Hyperexcitability

Résumé

Au cours des trois dernières décennies, l’étude des formes héréditaires de surdité par une approche génétique a permis de mieux comprendre la physiologie de la cochlée, l’organe sensoriel de l’audition. Cependant, cette approche ne permet pas d’étudier aussi efficacement les dysfonctionnements du système auditif central affectant pourtant de nombreux patients. Ces déficits auditifs centraux sont mal connus et, dans certains cas, passent même inaperçus. Ceci est probablement dû à l’atteinte cochléaire qui prive le cerveau de tout ou partie des informations acoustiques qu’il reçoit normalement. Afin d’identifier les formes génétiques de surdités pouvant associer à la fois des déficits auditifs périphériques et centraux, mon laboratoire de thèse étudie la susceptibilité des souris aux crises audiogènes. Ce sont des épilepsies réflexes en réponse à un son de forte intensité, une manifestation typique de déficits centraux. En effet, plusieurs lignées de souris mutantes pour des gènes de surdité présentent une susceptibilité aux crises audiogènes. C’est notamment le cas des souris porteuses de mutation dans les gènes Cdhr23 et Pcdh15, sourdes à l’état bi-allélique mais susceptibles aux crises audiogènes à l’état mono-allélique sans perte auditive. Il a été suggéré que ces deux gènes de surdité jouent un rôle dans le développement des interneurones inhibiteurs corticaux exprimant la parvalbumine (PV). L’objectif de ma thèse était d’une part de développer des outils permettant d’identifier facilement la présence de troubles auditifs centraux dans les modèles murins de surdité d’origine génétique, et d’autre part d’approfondir les rôles de Cdhr23 et Pcdh15 dans le système auditif central grâce à des modèles murins d’inactivation conditionnelle dans l’encéphale. J’ai tout d’abord mis au point chez la souris une méthode de mesure non invasive des potentiels évoqués auditifs corticaux, et mis en évidence que les souris perçoivent différemment des sons aversifs aux caractéristiques acoustiques particulières, qui, chez l’humain, activent un large réseau de neurones bien au-delà de ceux nécessaires à l’audition. Ces résultats permettront à l’avenir d’étudier plus finement les déficits auditifs centraux. Dans un deuxième temps, j’ai montré, grâce à des techniques d’électrophysiologie in vivo et des études psychoacoustiques chez la souris, que l’inactivation conditionnelle de Cdhr23 et Pcdh15 modifiait certaines caractéristiques spectrales et temporelles des réponses neuronales à des sons sans en modifier significativement leur perception. De plus, j’ai pu préciser le rôle de ces deux gènes dans le développement des interneurones à PV. Alors qu’une précédente étude suggérait que Cdhr23 et Pcdh15 étaient exprimés dans des neuroblastes à destination du cortex auditif, mes résultats montrent qu’ils seraient exprimés dans l’ensemble du cortex et majoritairement dans la microglie (pour Cdhr23) et dans des progéniteurs d’oligodendrocytes (pour Pcdh15), deux populations fortement liées au développement et au fonctionnement des interneurones à PV. Cdhr23 est aussi exprimé dans des neurones sous-corticaux de régions auditives, motrices et multisensorielles. Le rôle de Cdhr23 et Pcdh15 dans le développement des interneurones à PV serait donc indirect et plus complexe qu’envisagé. Il faudra par la suite prendre en compte cette nouvelle avancée pour analyser précisément les conséquences fonctionnelles de leur inactivation dans le cerveau. Ainsi, mes résultats montrent que ces deux gènes de surdité ont un rôle intrinsèque dans le système nerveux central sans être restreints aux circuits auditifs et participent probablement à de nombreux mécanismes cellulaires dont la diversité doit encore être explorée afin de mieux caractériser les déficits centraux qui pourraient exister chez des patients porteurs de mutations CDHR23 ou PCDH15.

Over the past three decades, the study of hereditary forms of deafness has provided considerable insight into the molecular mechanisms of hearing, particularly those involved in the development and/or physiology of the auditory sensory organ, the cochlea. In contrast, the genetic approach has provided little information about the central auditory system although many people have central auditory dysfunctions. Central auditory deficits are poorly understood and can, in some cases, go unnoticed. This is likely as a result of cochlear damage depriving the brain of all or part of the acoustic information it would normally receive. To identify genetic forms of deafness that result in both peripheral and central hearing deficits, the Michalski research group uses the susceptibility of mice to audiogenic seizures, epileptic seizures triggered in response to loud sound, which are a manifestation of central deficits. Several strains of mice carrying mutations in deafness genes show susceptibility to audiogenic seizures in the bi-allelic state (if the deafness is not complete) or in the mono-allelic state. Through this strategy, two such genes, Cdhr23 and Pcdh15, have been identified to be involved in the establishment of cortical neurons expressing parvalbumin (PV) which serve as the primary cortical inhibitory neurons in the auditory cortex. The aim of my thesis was a) to develop tools to easily identify the presence of central auditory deficits in genetic models of deafness in mice and b) to further investigate the roles of cdhr23 and pcdh15 in the central auditory system through conditional inactivation of Cdhr23 and Pcdh15 in the mouse brain. First, I developed a non-invasive method to measure auditory cortical evoked potentials in mice and demonstrated that mice respond to certain aversive acoustic features differently to humans for which a large network of neurons (even outside the auditory system) is activated. These results will allow to study more precisely the central deficits associated with hearing impairments. Second, using in vivo electrophysiology and psychoacoustics following the conditional inactivation of Cdhr23 and Pcdh15, I could show that the spectral and temporal characteristics of neuronal responses to sounds were modified without significantly altering their perception by the mice. Furthermore, I was able to better characterise the role of these two genes in the development of PV interneurons. Although a previous study suggested that Cdhr23 and Pcdh15 were expressed in neuroblasts destined to migrate to the auditory cortex, my results show that in fact they are expressed extensively throughout the cortex with the majority in the microglia (for Cdhr23) and in oligodendrocyte progenitors (for Pcdhr15), both populations strongly associated with the development and function of PV interneurons. In addition, Cdhr23 was also found to be expressed in subcortical neuronal populations of the auditory, motor, and multisensory regions. These new advances in demonstrating the role of Cdhr23 and Pcdh15 to be more intricate and indirect than initially thought need to be considered for future investigations into the consequences of their inactivation in the brain. Thus, my results show that two deafness genes have an intrinsic role in the central nervous system without being restricted to auditory circuits and probably participate in many different cellular mechanisms that remain to be explored in order to better characterize the central deficits that might exist in patients carrying CDHR23 or PCDH15 mutations.