Dysfonctionnements prénataux de l'inhibition liée au chlorure dans les motoneurones lombaires du modèle de souris ALS SOD1G93A

Prenatal dysfunctions of chloride-related inhibition in lumbar motoneurons of the SOD1G93A ALS

• Auteur / Autrice : Hongmei Zhu
• Direction : Pascal Branchereau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 10/02/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Neurosciences Cognitives et Intégratives d’Aquitaine (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Muriel Darnaudéry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Darnaudéry, Christophe Porcher, Daniel Zytnicki, Pascal Legendre, Sabine Lévi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Porcher, Daniel Zytnicki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Patch-clamp, Technique du

Modèles animaux

Influences prénatales

Transmission nerveuse

Neurones moteurs

Sclérose latérale amyotrophique

Homéostasie

Mots clés libres

Homéostasie chlorure

Intégration synaptique

Kcc2

Inhibition

Transmission synaptique GABAergic/glycinergique

Sclérose latérale amyotrophique

Motoneurone spinal

Modèle souris SOD1G93A

Simulation

Patch-clamp

Stade prénatal

GABAergic/glycinergique

GABA/glycine

Chloride homeostasis

Synaptic integration

Kcc2

Inhibition

Spinal motoneurons

Amyotrophic lateral sclerosis

SOD1G93A mouse model

Simulation

Patch-clamp

Prenatal stage

GABAergic/glycinergic synaptic transmission

GABA/glycine

Résumé

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative fatale de l’adulte caractérisée par la dégénérescence des motoneurones (MNs) et ayant une étiologie multifactorielle. La plupart des études sur la SLA se sont focalisées aux stades symptomatiques selon l’hypothèse que la pathogénicité apparaît lorsque la maladie devient symptomatique. Cependant, un nombre grandissant d’évidences indique que la pathogénicité se développerait bien avant les symptômes. Mon travail de thèse de Doctorat a été basé sur l’hypothèse selon laquelle la SLA – familiale et sporadique – découlerait de déficits présents dès le développement précoce. La première partie de ma thèse a consisté à analyser les courants post-synaptiques GABA/glycine (IPSCs) au niveau des MNs embryonnaire (E) E17,5, localisés dans la colonne motrice ventro-laterale, chez la souris SOD1G93A (SOD) modèle de la SLA, en parallèle à l’analyse de l’homéostasie chlorure. Nos résultats ont montré que les IPSCs sont moins fréquents chez les animaux SOD en accord avec une réduction des terminaisons synaptiques VIAAT autour des MNs. Les MNs SODs avaient un ECI 10 mV plus positif que les MNs sauvages (WT) de la même portée. Ce déficit était lié à une réduction du co-transporteur chlorure KCC2. Les IPSCs évoqués et spontanés présentaient une relaxation plus longue chez les MNs SOD, en corrélation à une [Cl-]i plus élevée. La modélisation a montré que cet excès de relaxation permettait de compenser la moindre efficacité de l’inhibition GABA/glycine liée au ECI dépolarisé. De manière intéressante, les simulations ont révélé la nature excitatrice des potentiels dépolarisants post-synaptiques GABA/glycine (dGPSPs) survenant à basse fréquence (<50Hz) sur les MNs SOD mais pas sur les MNs WT. A plus haute fréquence, les dGPSPs basculaient vers une inhibition du MN liée à une sommation de composantes « shuntantes ». La seconde partie de ma thèse a donc focalisé sur les effets de dGPSPs évoqués électriquement at différentes fréquences (7,5 - 100 Hz) sur de vrais MNs E17,5 au niveau desquels un ECl dépolarisant (sous le seuil du PA) était imposé. Le but était d’examiner si l’effet excitateur pouvait être lié aux changements morphologiques des MNs E17,5 décrits précédemment. Les résultats ont montré que certains MNs étaient bien excités par les dGPSPs basse fréquence et inhibés à plus forte fréquence (MNs bi-effet) alors que d’autres MNs étaient inhibés quelles que soient les fréquences (MNs inhibés). L’effet double était plus souvent détecté au niveau des MNs SOD. Les MNs WT ont été classés en deux groupes en fonction de leur résistance d’entrée (Rin), les MNs bi-effet ayant une Rin élevée et les MNs inhibés une Rin basse. Les données morphométriques ont mis en avant un arbre dendritique réduit pour les MNs WT bi-effet (Rin élevée) et un arbre dendritique étendu pour les MNs inhibés (Rin basse). Ce n’était pas le cas des MNs SOD excités ou inhibés indépendamment de leur morphologie. En accord avec les simulations montrant qu’une baisse de la densité des courants inhibiteurs sur le soma du MN favorise l’excitation des dGPSPs, nous avons trouvé moins de terminaisons synaptiques VIAAT sur le soma et dendrites proximales des MNs SOD, et une fréquence réduite des dGPSPs spontanés. Dans leur ensemble, les données de ma thèse soulignent une altération précoce de l’homéostasie chlorure et de l’innervation GABA/glycine des MNs SOD1G93A. Avant la naissance, une population dominante de MNs avec Rin basse émerge chez les animaux WT. Ces MNs qui sont inhibés par les dGPSPs pourraient correspondre aux futures MNs vulnérables (rapides, FF). Ces MNs ne sont pas inhibés chez les animaux SOD. Le dysfonctionnement de l’inhibition pourrait être attribué à deux facteurs distincts : la morphologie et la densité des synapses inhibitrices péri-somatiques. Parmi ces facteurs, le deuxième joue un rôle majeur en contrôlant la capacité des neurones GABA/glycine à façonner la sortie motrice spinale.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal and adult-onset neurodegenerative disease characterized by a progressive degeneration of motoneurons (MNs) with complex multifactorial aetiology. Most ALS studies have focused on symptomatic stages based on the hypothesis that ALS pathogenesis occurs when the disease becomes symptomatic. However, growing evidence indicates that ALS pathogenesis might start long before symptom onset. My PhD thesis work was based on the hypothesis that ALS - familial and sporadic - stems from deficits taking place during early development. With the aim of identifying early changes underpinning ALS neurodegeneration, the first part of my thesis analysed the GABAergic/glycinergic inhibitory postsynaptic currents (IPSCs) to embryonic (E) E17.5 MNs located in the ventro-lateral motor column from SOD1G93A (SOD) mice, in parallel with the analyse of chloride homeostasis. Our results showed that IPSCs are less frequent in SOD animals in accordance with a reduction of synaptic VIAAT-positive terminals in the close proximity of MN somata. SOD MNs exhibited an ECI 10 mV more depolarized than wild type (WT) MNs. This deficit in GABA/glycine inhibition was due to a reduction of the neuronal chloride transporter KCC2. SOD spontaneous IPSCs and evoked GABAAR-currents exhibited a slower decay correlated to elevated [Cl-]i. Using computer modelling approach, we revealed that the slower relaxation of synaptic inhibitory events acts as a compensatory mechanism to strengthen or increase the efficacy of GABA/glycine inhibition when ECI is more depolarized. Interestingly, simulations revealed an excitatory effect of low frequency (<50Hz) depolarizing GABA/glycine post-synaptic potentials (dGPSPs) in SOD-like MNs but not in WT-like littermates. At high frequency, dGPSPs switched to inhibitory effect resulting from the summation of the shunting components. The second part of my PhD thesis focussed on the effect of electrically evoked-dGPSPs, at different frequencies (7.5 to 100 Hz), on real lumbar E17.5 MNs in which a depolarized ECI (below spike threshold) was imposed. The aim was to examine whether the excitatory effect could be linked to morphological changes previously described in E17.5 SOD MNs. Results showed that some MNs were excited by low frequency dGPSPs and inhibited by high frequency dGPSPs (Dual MNs) and others were inhibited at all frequencies (Inhibited MNs). Dual effect was more often detected in SOD MNs. WT MNs were classified into two clusters according to their input resistance (Rin), Dual MNs being specific to high Rin and Inhibited MNs to low Rin. Morphometric data pointed out a reduced dendritic tree in high Rin WT Dual MNs and a large dendritic tree in low Rin Inhibited MNs. This was not the case in SOD MNs that were excited or inhibited whatever their morphology and Rin. In agreement with simulation showing that a less density of inhibitory current on MNs soma favours excitatory dGPSPs, we found less synaptic VIAAT terminals on the soma and proximal dendrites of SOD MNs, compared to littermate WT MNs, as well as a lower frequency of spontaneous dGPSPs. Altogether, my thesis data emphasize a prenatal defect in the CI- homeostasis and GABA/glycine innervation in the SOD1G93A ALS MNs. Before birth, a dominant population of MNs with low Rin emerges in WT animals. These MNs that are inhibited by dGPSPs could represent future ALS vulnerable fast MNs (putative FF). Interestingly, those MNs are not inhibited in SOD animals. The inhibitory dysfunction could be attributed to two distinct factors: morphology and perisomatic inhibitory synapse density. Of these two factors, the latter plays a major role by controlling capability of GABAergic/glycinergic neurons for shaping spinal motor output.