Le rôle de la signalisation cholinergique striatale dans le contrôle du comportement

Úloha cholinergní signalizace ve striatu v řízení chování

The role of striatal cholinergic signalling in the control of behaviour

• Auteur / Autrice : Alice Abbondanza
• Direction : Véronique Bernard, Jan Jakubik, Helena Janickova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 12/06/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Univerzita Karlova (Prague)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Neurosciences Paris-Seine (2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Jiří Novotný
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zdenka Bendova, Peter Vanhoutte
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Camilla Bellone, Jan Svoboda

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corps strié

Récepteurs nicotiniques

Neurotransmetteurs -- Récepteurs

Système cholinergique

Mots clés libres

Comportement

Striatum

Interneurones

Récepteurs cholinergiques

Récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine exprimant bêta-2

Behaviour

Striatum

Interneurons

Cholinergic receptors

Beta2-Expressing nicotinic acetylcholine receptors

Résumé

La transmission cholinergique régule de nombreux domaines comportementaux, allant de l'activité motrice à la cognition. L’action de l'acétylcholine est médiée par les récepteurs muscariniques et nicotiniques de l'acétylcholine (mAChR et nAChR, respectivement). Alors que les mAChR sont des récepteurs métabotropiques à réponse lente, les nAChR sont des canaux ioniques, assurant une neurotransmission rapide. Un nombre croissant de travaux suggèrent un rôle important des nAChR en tant que modulateurs des fonctions comportementales. Cependant, étant donné la diversité des sous-types de nAChR (dépendant de leur composition en sous-unités) et leur expression par diverses populations neuronales au sein de différentes régions cérébrales, leur contribution au contrôle comportemental s’avère être très complexe. Afin de mieux comprendre cette contribution, il est nécessaire de cibler les nAChR exprimés au sein de régions particulières mais aussi par des populations neuronales précises avec un effet défini sur les microcircuits locaux. L'objectif de la présente thèse était d'utiliser différentes stratégies génétiques pour induire une délétion régionale et cellule spécifique des nAChR contenant β2 dans le cerveau de souris, afin de caractériser le rôle fonctionnel de ces récepteurs. Nous avons concentré nos travaux sur deux zones du cerveau, le striatum et le cortex préfrontal (PFC). Dans le striatum, nous avons identifié des neurones striataux exprimant l'une des sous-unités nicotiniques les plus courantes, la sous-unité β2, en utilisant l’hybridation in situ à double fluorescente. De manière surprenante, les interneurones cholinergiques striataux ont été identifiés comme la population neuronale avec la plus forte expression de la sous-unité nicotinique β2. Pour étudier la signification fonctionnelle des nAChR contenant β2 dans les neurones striataux, nous avons induit en première approche une délétion locale de β2 par injection d'un vecteur AAV exprimant la recombinase Cre dans le striatum dorsal de souris Beta2-flox/flox. Ensuite, nous avons testé des souris avec la délétion dans plusieurs tâches comportementales. Nous avons constaté que l'absence de β2 dans le striatum entraînait des altérations dans plusieurs domaines comportementaux, notamment une augmentation du comportement anxieux, une diminution de la sociabilité, un déficit de l'apprentissage de la discrimination et une sensibilité accrue à l'amphétamine. Les changements de comportement étaient également associés à une expression accrue de c-Fos chez les animaux traités à la solution saline et aux amphétamines. En plus de l'approche Cre/loxP, nous avons utilisé l'édition de gènes médiée par CRISPR/Cas9 pour supprimer sélectivement la sous-unité β2 dans les interneurones exprimant le neuropeptide Y (NPY) dans le PFC. Cette suppression a entraîné une sociabilité accrue chez les souris mutées qui avait été précédemment décrite pour les souris knock-out β2-globales et associées au PFC. Nous concluons que même la suppression sélective des nAChR exprimés par une population spécifique et rare de neurones entraîne des altérations comportementales. De plus, l'effet comportemental de la suppression des nAChR ne dépend pas seulement du sous-type de récepteur, mais également de la région du cerveau et du type de neurones qui ont été affectés par la suppression.

Cholinergní přenos reguluje celou řadu behaviorálních domén, od motorické aktivity po kognici. Cholinergní signalizace je zprostředkována muskarinovými a nikotinovými acetylcholinovými receptory (mAChR a nAChR). Zatímco mAChR jsou pomalu reagující metabotropní receptory, nAChR jsou iontové kanály zprostředkovávající rychlou neurotransmisi. Existuje rostoucí množství důkazů potvrzujících roli nAChR jako důležitých modulátorů behaviorálních funkcí. Protože se však nAChR skládají z mnoha podtypů, v závislosti na jejich podjednotkovém složení, a protože jsou exprimovány různými populacemi neuronů v různých oblastech mozku, jejich příspěvek ke kontrole chování je velmi komplexní. K jeho dešifrování je nutné selektivně cílit na nAChR exprimované nejen v konkrétních oblastech, ale i konkrétními neurony s definovaným účinkem na lokální nervové okruhy. Cílem této práce bylo použít různé genetické strategie k vytvoření delece β2-obsahujících nAChR v konkrétních oblastech myšího mozku a typech neuronů , aby bylo možné charakterizovat funkční význam těchto receptorů. Naši práci jsme zaměřili na dvě oblasti mozku, striatum a prefrontální kůru (PFC). Ve striatu jsme identifikovali neurony exprimující jednu z nejběžnějších nikotinových podjednotek, β2 podjednotku, pomocí dvojitě fluorescenční hybridizace in situ. Překvapivě byly striatální cholinergní interneurony identifikovány jako neuronální populace s nejvyšší expresí β2 nikotinové podjednotky. Abychom prozkoumali funkční význam β2 nAChR v neuronech striata, použili jsme jako první přístup lokální deleci injekcí AAV vektoru exprimujícího Cre rekombinázu. AAV vektor jsme injikovali do dorzálního striata myší Beta2-flox/flox a pomocí Cre/loxP rekombinace jsme indukovali deleci 5. exonu genu pro β2 podjednotku. Poté jsme testovali myši s touto delecí v několika behaviorálních úlohách. Zjistili jsme, že nepřítomnost β2 podjednotky ve striatu vedla ke změnám v několika behaviorálních doménách, včetně zvýšení úzkostného chování, snížení sociálního chování, deficitu v diskriminačním učení a zvýšené citlivosti na amfetamin. Změny chování byly také spojeny se zvýšenou expresí transkripčního faktoru c-Fos u zvířat, která obdržela injekci jak fyziologického roztoku, tak i amfetaminu. Kromě přístupu Cre/loxP jsme použili také techniku CRISPR/Cas9 k selektivnímu odstranění podjednotky β2 v interneuronech exprimujících neuropeptid Y (NPY) v PFC. Tato specifická delece vedla ke zvýšení sociálního chování u mutovaných myší, která byla dříve popsána pro β2-globální knock-out myši a spojena s nikotinovou signalizací v PFC. Došli jsme k závěru, že i selektivní delece nAChR exprimovaných specifickou a vzácnou populací neuronů vede ke změnám chování. Navíc behaviorální účinek delece nAChR není závislý pouze na podtypu receptoru, ale také na oblasti mozku a typu neuronů, které byly delecí ovlivněny.

Cholinergic transmission regulates many behavioural domains, ranging from motor activity to cognition. Acetylcholine signalling is mediated by muscarinic and nicotinic acetylcholine receptors (mAChRs and nAChRs, respectively). While mAChRs are slow responding metabotropic receptors, nAChRs are ion channels, mediating fast neurotransmission. There is a growing body of evidence suggesting a role of nAChRs as important modulators of behavioural functions. However, as nAChRs consist of many subtypes, depending on their composition in subunits, and as they are expressed by various neuronal populations in different brain regions, their contribution to behavioural control is very complex. To decipher their contribution, it is necessary to selectively target nAChRs expressed not only in particular regions but also by particular neurons with a defined effect on local microcircuits. The goal of the present thesis was to use different genetic strategies to induce regional- and cell-specific deletion of β2-containing nAChRs in the mouse brain, in order to characterize the functional role of these receptors. We focused our work in two brain areas, the striatum and the prefrontal cortex (PFC). In the striatum, we identified the striatal neurons that express one of the most common nicotinic subunits, the β2 subunit, using double-fluorescent in situ hybridization. Surprisingly, striatal cholinergic interneurons were identified as the neuronal population with the highest expression of β2 nicotinic subunits. To investigate the functional significance of β2-containing nAChRs in striatal neurons, we induced as a first approach, a local deletion of β2 by injection of an AAV vector expressing Cre recombinase in the dorsal striatum of Beta2-flox/flox mice. Then, we tested mice with the deletion in several behavioural tasks. We found that the absence of β2 in the striatum, led to alterations in several behavioural domains, including an increase in anxiety-like behaviour, a decrease in sociability, a deficit in discrimination learning and increased sensitivity to amphetamine. The behavioural changes were also associated with increased c-Fos expression in both saline- and amphetamine-treated animals. In addition to the Cre/loxP approach, we used CRISPR/Cas9-mediated gene editing to selectively delete β2 subunits in neuropeptide Y (NPY)-expressing interneurons in the PFC. This deletion resulted in increased sociability in the mutated mice that had been previously described for β2-global knock out mice and associated with the PFC. We conclude that even selective deletion of nAChRs expressed by specific and rare population of neurons leads to behavioural alterations. In addition, the behavioural effect of nAChRs' deletion is not only dependent on the receptor subtype but also on the brain region and the type of neurons that were affected by the deletion.