Rôle de l'activité spontanée embryonnaire dans le développement des compartiments du striatum

par Hugues Cartonnet

Projet de thèse en Biologie cellulaire et développement

Sous la direction de Sonia Garel.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de École doctorale Complexité du vivant , en partenariat avec Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure (laboratoire) , Développement et plasticité du cerveau (equipe de recherche) et de École normale supérieure (Paris ; 1985-....) (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-09-2022 .


  • Résumé

    Le fonctionnement du cerveau repose sur des circuits complexes qui sont assemblés par des programmes développementaux embryonnaires et affinés par l'activité neuronale émergente. Le striatum, large noyau des ganglions de la base impliqué dans les comportements moteurs, est formé de deux compartiments entrelacés qui se séparent à la fin de l'embryogenèse et sont appelés striosomes et matrice. Ces deux compartiments sont caractérisés par des marqueurs moléculaires, des patrons de connexions d'entrée et de sortie, et des implications différentes dans les troubles psychomoteurs liés aux maladies de Parkinson ou de Huntington. La compartimentation striosome-matrice se fait via l'agrégation en striosomes des neurones striataux nés tôt, ou neurones à projections épineuses (SPN), au sein des SPN nés plus tard et qui forment la matrice. Ce processus de compartimentation a été proposé comme reposant sur l'adhésion sélective et des vagues de migration successives, mais les mécanismes sous-jacents régissant l'agrégation striosome-matrice restent largement inconnus. Dans le projet de thèse proposé, nous étudierons les rôles de l'activité neuronale spontanée embryonnaire dans la compartimentation du striatum. En effet, alors que l'on pensait que la formation des compartiments reposait sur des programmes génétiques, l'activité neuronale précoce apparaît comme un régulateur important de formation des circuits et a été rapportée dans le striatum embryonnaire. Nos travaux en cours révèlent que la ségrégation striosome-matrice est considérablement altérée en limitant l'activité neuronale embryonnaire dans les SPN. Ces résultats mettent en évidence un nouveau rôle de l'activité neuronale précoce dans la construction d'une structure cérébrale majeure et soulèvent en outre les questions des mécanismes sous-jacents. Dans ce but, nous combinerons la manipulation génétique in vivo chez la souris, l'imagerie ex vivo et des analyses transcriptomiques. Tout d'abord, en utilisant des lignées génétiques de souris, nous modulerons l'activité neuronale constitutive ou transitoire dans les SPN nés tôt ou tard. En combinant l'imagerie calcique en temps réelle, l'immunomarquage et la reconstruction 3D du cerveau entier transparisé (iDisco+) nous caractériserons la cinétique spatiale de i) l'activité neuronale dans les compartiments précoces du striatum et ii) les défauts de formation striosome-matrice après modulation de l'activité des SPN. En outre, nous examinerons par séquençage de cellule unique des neurones striataux en développement les changements transcriptomiques induits par modulation de l'activité. Nous nous concentrerons sur les gènes potentiellement impliqués dans la différenciation, l'adhésion ou la migration cellulaire. En parallèle, nous analyserons si l'activité et l'agrégation précoce des SPN en striosome est modulée par les afférences du striatum à l'aide de lignées de souris spécifiques. La réalisation de ce projet permettra de mettre en lumière un nouveau rôle de l'activité prénatale dans la construction d'une structure cérébrale majeure un processus précoce que l'on pensait jusqu'à présent uniquement régulé par des programmes génétiques, avec des implications clés pour notre compréhension du câblage cérébral dans la santé et la maladie.

  • Titre traduit

    Roles of embryonic spontaneous neuronal activity in striatum compartmentalization


  • Résumé

    Brain functioning relies on complex circuits that are assembled by fetal developmental programs and further refined by emerging neuronal activity. The striatum, a large basal ganglia nucleus involved in motor-related behaviors, comprises two inter-twined compartments which segregate at the end of embryogenesis and are called striosomes and matrix. These two compartments are characterized by molecular markers, patterns of input and output connections, and different involvements in psychomotor disturbances related to Parkinson's or Huntington's diseases. Striosome-matrix formation drives the segregation of early-born striatal neurons, or Spiny Projections Neurons (SPNs), that aggregate in striosomes, from later-born SPNs that lie in the matrix. This compartmentalization process has been proposed to rely on selective adhesion and successive migration waves, but the underlying mechanisms governing striosome-matrix aggregation remain largely unknown. In the proposed project, we will investigate the roles of embryonic spontaneous neuronal activity in striatum compartmentalization. Indeed, while compartment formation has been thought to rely on genetic programs, spontaneous neuronal activity patterns emerge as an important regulator of circuit wiring and have been observed in the embryonic striatum. Our ongoing work reveals that striosome-matrix segregation is drastically impaired by limiting embryonic neuronal activity in SPNs. These results highlight a novel role of early neuronal activity in the construction of a major brain structure and furthermore raise the questions of the underlying mechanisms. To this aim, we will combine in vivo mouse genetic manipulation, ex vivo imaging and transcriptomic analyses. First, by using genetic mouse lines, we will modulate constitutively or transiently neuronal activity in early-born and/or later-born SPNs. By combining calcium and timelapse imaging, immunolabelling, and transparized whole brain 3D reconstruction (iDisco+) we will characterize the spatial kinetics of i) neuronal activity in early striatal compartments and ii) the defects in striosome-matrix formation following modulation of SPN activity. In addition, we will examine by single-cell sequencing on striatal developing neurons the transcriptomic changes induce by modulation of activity. We will focus on genes potentially involved modified in differentiation, adhesion or migration. In parallel, we will test if striosome SPN early activity and aggregation is modulated by incoming inputs to the striatum using specific cre mouse lines. Achieving this project will shed light on a novel role of prenatal activity in the construction of a major brain structure, an early process previously thought to be solely regulated by genetic programs, with key implications for our understanding of brain wiring in health and disease.