Structure-fonction des patrons d'activité séquentiels des réseaux corticaux au cours du développement postnatal chez le rongeur, Structure-function of sequential activity patterns of cortical networks durind postnatal development in rodent

Camille Allene

Description

Sous la direction de Rosa Cossart
Thèse soutenue le 03 décembre 2010: Aix Marseille 2
Une des caractéristiques remarquables des structures cérébrales en développement est leur propension à exprimer des patrons d’activité neuronale corrélée spontanés (Pour revue : Blankenship and Feller, 2010). Au cours de la première semaine de vie postnatale chez le rongeur, se succèdent des patrons aux caractéristiques spatio-temporelles différentes, portés par des mécanismes cellulaires différents. On identifie donc différents stades de développement d’activité neuronale corrélée constituant une séquence. Notre hypothèse est que cette séquence ne reflète pas uniquement la maturation séquentielle des propriétés intrinsèques et synaptiques des neurones individuels, mais qu’elle participe directement aux processus de maturation. Nous avons testé cette hypothèse au cours de cette thèse, à partir de l’étude de la séquence des patrons d’activité neuronale corrélée de l’hippocampe et du néocortex pendant la première semaine de vie postnatale chezle rongeur. Pour suivre en parallèle la maturation des réseaux et des neurones individuels qui le composent, nous avons suivi la dynamique des activités de réseau en imagerie calcium biphoton et réalisé en parallèle des enregistrement sélectrophysiologiques de neurones ciblés. Nous avons montré que les SPAs, premier patron d’activité neuronale corrélée à s’exprimer au sein de l’hippocampe en développement (Crepel et al., 2007), s’expriment également au sein du néocortex immature avec des caractéristiques spatio-temporelles et des mécanismes similaires à ceux rapportés dans l’hippocampe. Ceci suggère une implication générale des SPAs dans la maturation des réseaux. Nous avons montré en parallèle que les ENOs, oscillations calciques dominant l’activité du néocortex au cours des premiers jours suivant la naissance (Adelsberger et al., 2005; Garaschuk et al., 2000) sont exprimées en même temps que les SPAs. Les ENOs se caractérisent par leur sensibilité à la concentration extracellulaire de glutamate et leur renforcement en condition d’anoxie modérée, suggérant que cette forme d’activité pourrait en réalité être l’expression de conditions pathologiques. Nous avons enfin montré que la séquence de mise enplace des patrons d’activité neuronale corrélée du néocortex se terminait avec l’apparition des GDPs, décrits pour la première fois ici au sein du néocortex et portés par la transmission GABAergique, dépolarisante à ce stade dudéveloppement (Ben Ari et al., 1989; Crepel et al., 2007; Garaschuk et al., 1998). Se basant sur les similarités apparentes de ces patrons d’activités, les ENOs du néocortex étaient considérées comme les homologues néocorticaux des GDPs del’hippocampe. Nous avons montré ici que ENOs et GDPs sont deux patrons d’activité distincts, caractérisés par des mécanismes et des dynamiques spatio-temporelles différents. Nous avons ensuite étudié le devenir et les propriétés morpho-physiologiques des cellules impliquées dans les SPAs en fonction de la maturation du réseau hippocampique. Dans ce but, nous avons mis au point un protocole d’imagerie calciumchronique sur tranches organotypiques d’hippocampe, afin de suivre la même population de neurones jour après jour. Nous avons montré que la majorité des cellules SPAs intégraient le réseau synaptique sous-tendant la genèse des GDPs en quelques jours. Parallèlement, nous avons montré que les interneurones GABAergiques impliqués dans les SPAs présentaient des caractéristiques morpho-physiologiques spécifiques telles qu’un patron de décharge de potentiels d’action immature, une fréquence élevée de courants miniatures postsynaptiques de grande amplitude et la présence de filopodessomatiques, qui les distinguent des interneurones impliqués dans les GDPs.Ces résultats apportent des preuves directes de l’existence d’une corrélation entre la maturation du réseau et celle des neurones individuels qui le constituent et montrent en particulier comment de profonds changements développementaux concernant les propriétés morpho-physiologiques des interneurones GABAergiques annoncent l’émergence des GDPs.1
-Activité de réseau
-Développement
-Hippocampe
-Interneurone
-Néocortex
Developing cerebral structures generate spontaneous synchronous neuronal activity patterns which are sequencially express during the first postnatal week in rodent. Does this sequence of activity pattens participate in process of neuronal network maturation ? We follow the dynamic of network activity using biphoton calcium imaging and electrophysiological recordings of targeted neurons. We describe the sequence of activity pattern in developing neocortex the we show that the first activity pattern of this sequence, the SPA, common to hippocampus and neocortex, has specific morpho-physiological properties, different from the ones of the next activity pattern : the GDPs. Moreover, the majority of SPA cells integrate the synaptic network of GDPs in few days. These results bring direct evidences that sequential activity patterns during development participate in the neuronal network maturation
Source: http://www.theses.fr/2010AIX22120/document

Sujets

• Développement
• Hippocampe
• Interneurone
• Néocortex

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 30
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

UNIVERSITE DE LA MEDITERRANEE
AIX-MARSEILLE II
Faculté des Sciences de Luminy
Ecole Doctorale des Sciences de la Vie et de la Santé
THESE DE DOCTORAT
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE AIX-MARSEILLE II
Spécialité : Neurosciences
Présentée et soutenue publiquement par
Camille Allene
Le 3 décembre 2010
Titre :
Structure-fonction des patrons d'activité séquentiels des réseaux corticaux au cours du
développement postnatal chez le rongeur.
Jury :
Dr. Lydia KERKERIAN-LE GOFF, président
Dr. Pascal LEGENDRE, rapporteur
Pr. Urs GERBER, rapporteur
Dr. Frédéric CHAVANE, examinateur
Pr. Enrico CHERUBINI, examinateur
Dr. Rosa COSSART, directeur de thèse Résumé :
Une des caractéristiques remarquables des structures cérébrales en développement est leur propension à exprimer des
patrons d’activité neuronale corrélée spontanés (Pour revue : Blankenship and Feller, 2010). Au cours de la première
semaine de vie postnatale chez le rongeur, se succèdent des patrons aux caractéristiques spatio-temporelles différentes,
portés par des mécanismes cellulaires différents. On identifie donc différents stades de développement d’activité neuronale
corrélée constituant une séquence. Notre hypothèse est que cette séquence ne reflète pas uniquement la maturation
séquentielle des propriétés intrinsèques et synaptiques des neurones individuels, mais qu’elle participe directement aux
processus de maturation. Nous avons testé cette hypothèse au cours de cette thèse, à partir de l’étude de la séquence des
patrons d’activité neuronale corrélée de l’hippocampe et du néocortex pendant la première semaine de vie postnatale chez
le rongeur. Pour suivre en parallèle la maturation des réseaux et des neurones individuels qui le composent, nous avons
suivi la dynamique des activités de réseau en imagerie calcium biphoton et réalisé en parallèle des enregistrements
électrophysiologiques de neurones ciblés.
Nous avons montré que les SPAs, premier patron d’activité neuronale corrélée à s’exprimer au sein de l’hippocampe en
développement (Crepel et al., 2007), s’expriment également au sein du néocortex immature avec des caractéristiques
spatio-temporelles et des mécanismes similaires à ceux rapportés dans l’hippocampe. Ceci suggère une implication générale
des SPAs dans la maturation des réseaux. Nous avons montré en parallèle que les ENOs, oscillations calciques dominant
l’activité du néocortex au cours des premiers jours suivant la naissance (Adelsberger et al., 2005;Garaschuk et al., 2000)
sont exprimées en même temps que les SPAs. Les ENOs se caractérisent par leur sensibilité à la concentration
extracellulaire de glutamate et leur renforcement en condition d’anoxie modérée, suggérant que cette forme d’activité
pourrait en réalité être l’expression de conditions pathologiques. Nous avons enfin montré que la séquence de mise en
place des patrons d’activité neuronale corrélée du néocortex se terminait avec l’apparition des GDPs, décrits pour la
première fois ici au sein du néocortex et portés par la transmission GABAergique, dépolarisante à ce stade du
développement (Ben Ari et al., 1989;Crepel et al., 2007;Garaschuk et al., 1998). Se basant sur les similarités apparentes de
ces patrons d’activités, les ENOs du néocortex étaient considérées comme les homologues néocorticaux des GDPs de
l’hippocampe. Nous avons montré ici que ENOs et GDPs sont deux patrons d’activité distincts, caractérisés par des
mécanismes et des dynamiques spatio-temporelles différents.
Nous avons ensuite étudié le devenir et les propriétés morpho-physiologiques des cellules impliquées dans les SPAs en
fonction de la maturation du réseau hippocampique. Dans ce but, nous avons mis au point un protocole d’imagerie calcium
chronique sur tranches organotypiques d’hippocampe, afin de suivre la même population de neurones jour après jour. Nous
avons montré que la majorité des cellules SPAs intégraient le réseau synaptique sous-tendant la genèse des GDPs en
quelques jours. Parallèlement, nous avons montré que les interneurones GABAergiques impliqués dans les SPAs
présentaient des caractéristiques morpho-physiologiques spécifiques telles qu’un patron de décharge de potentiels d’action
immature, une fréquence élevée de courants miniatures postsynaptiques de grande amplitude et la présence de filopodes
somatiques, qui les distinguent des interneurones impliqués dans les GDPs.
Ces résultats apportent des preuves directes de l’existence d’une corrélation entre la maturation du réseau et celle des
neurones individuels qui le constituent et montrent en particulier comment de profonds changements développementaux
concernant les propriétés morpho-physiologiques des interneurones GABAergiques annoncent l’émergence des GDPs.






1Table des matières

Liste des abréviations………………………………………………………………………………..4
Liste des illustrations……..………………………………………………………………………….5

Introduction générale………………………………………………………………………………..6

Chapitre I. La maturation des microcircuits glutamatergiques est à la fois fortement prédéterminée
génétiquement et dépendante de l’activité.....................................................................................10
I.1. Une forte prédétermination génétique de leur genèse et migration …………...........................10
I.2. Une mise en place organisée et prédéterminée de leur connectivité…………………................11
I.3. Une mise en place progressive des propriétés électrophysiologiques………..............................12
I.4. Une maturation synaptique prolongée et complexe………………………………………………13

Chapitre II. La maturation des interneurones gabaergiques joue un rôle crucial dans la mise en place
des réseaux corticaux au cours du développement……………......................................................16
II.1. Les interneurones, une population pionnière des réseaux en développement…………………..16
II.2. Les interneurones, une population aisément recrutée dans les activités de réseau
précoces………………………………………………………………………………………………..18
II.3. Une maturation postsynaptique précoce de certains groupes d’interneurones……...……….…18
II.4. Une caractéristique spécifique des interneurones immatures : leur dépolarisation par la
transmission GABAergique……………………………………………………………………………20

Chapitre III. Les patrons d’activité neuronale corrélée des structures du système nerveux en
développement partagent des principes d’organisation et de maturation
communs…………………………………………………………………………………………........22
III.1. Une organisation séquentielle des patrons d’activité neuronale spontanés au cours du
développement………………………………………………………………………………………...24
III.1.1 Organisation séquentielle des patrons d’activité neuronale corrélée de la rétine en
développement……………………………………………………………………….. ………………24
III.1.2 Organisation séquentielle des patrons d’activité neuronale corrélée de l’hippocampe en
développement………………………………………………………………..……………………….25
III.1.3 Organisation séquentielle des patrons d’activité neuronale corrélée du néocortex en
développement…………………………………………………………………...……………………28
III.1.4 Organisation séquentielle des patrons d’activité neuronale corrélée de la moelle épinière en
développement………………………………………………………………….................................31
III.2. Les activités électriques du développement sont spontanées et
propagées………………………………………………………………………………………………32
III.3. Les mécanismes sous-jacents aux activités du développement……………...............................33
III.3.1. Les jonctions gap aux stades précoces du développement…………………………………….34
III.3.2 La transmission synaptique succède les jonctions gap…………………….34
III.4. Une topologie de réseau similaire entre les différentes structures cérébrales………………….34

Chapitre IV. Les rôles des activités neuronales au cours du développement………………………36
IV.1. Le rôle de l’activité dans la prolifération neuronale…………………………………….............37
IV.2. Le rôle de l’activité dans la migration neuronale………………………………………..............37
IV.3. Le rôle de l’activité dans le guidage axonal……………………………………………...............39
IV.4. Le rôle de l’activité dans la cro