– MorphoSynDiff

La morphologie des synapses neuronales est modifiée lors de changements de l'efficacité synaptique ou dans des situations pathologiques associés par exemple à des déficits cognitifs. Ceci est vrai pour les éléments pré et post-synaptique. Ces changements morphologiques influencent la transmission synaptique en régulant la diffusion de molécules (lipides, canaux, récepteurs, molécules d'adhésion …) sur la membrane plasmique. Ces changements de formes sont associés à des modifications du cytosquelette, lui-même modifié par l'activité synaptique. Le rôle de la forme cellulaire sur la diffusion et le tri moléculaire sont mal compris et les mécanismes structuraux qui sous-tendent les déformations de la membrane plasmique restent incomplètement décrits. Le but de ce projet est d'étudier le comportement des molécules qui diffusent à la surface de petites (50-200 nm) structures tubulaires tels les axones et les épines dendritiques, ainsi que les contraintes physiques responsables de la création et du maintien de ces structures. La principale innovation réside dans le caractère intégré de l'étude des aspects statiques et dynamiques de la membrane plasmique: diffusion latérale, structure membranaire et forme. Nous proposons de combiner diverses approches basées sur les dernières avancées de la microscopie électronique et optique appliquées aux membranes des neurones et aux membranes artificielles ainsi que la modélisation. Ce projet systémique intègre : 1) L'ultrastructure des synapses et leur cytosquelette en couplant congélation à haute pression et tomographie en microscopie électronique. En combinant des modifications expérimentales du cytosquelette et des modèles théoriques, les résultats obtenus permettront de déterminer comment l'actine contrôle la forme des synapses au niveau presynaptique (varicosités axonales) et postsynaptique (les épines dendritiques). 2) La diffusion latérale à haute résolution de molécules membranaires dans les épines et les varicosités axonales en relation avec leur forme. Nous proposons d'appliquer le suivi de particule unique en utilisant les « quantum dots » (QD) pour étudier simultanément la diffusion de molécules membranaires, et établir une cartographie de la surface du neurone. Il sera possible d'accéder à une haute résolution de l'ordre de 10-20 nm avec un dispositif expérimental simple. Les mesures morphologiques ainsi obtenues seront comparées à celles obtenues en microscopie électronique. Avec la modélisation théorique, cette approche va aider à comprendre 1) l'influence de l'organisation membranaire et la forme sur la diffusion latérale, et 2) le rôle de la forme des membranes dans le tri des molécules dans diverses régions de la membrane. 3) Diffusion et tri des molécules membranaires dans des nanotubes de lipid in vitro. Ce système présente deux intérêts: d'une part il n'existe actuellement aucune donnée expérimentale sur la diffusion sur la surface des nanotubes. D'autre part, ce système va permettre d'étudier le rôle passif de la courbure des structures tubulaires dans la redistribution des lipides et des protéines et la séquestration possible de ces molécules. 4) Aspects théoriques concernant le tri des molécules sur des surfaces courbes et instabilité morphologiques de la membrane plasmiques. Le but est ici de fournir un cadre théorique général pour comprendre comment des structures à fort rayon de courbure (épines, varicosités axonales) contribuent au tri et à la séquestration de grosses molécules membranaires (récepteurs, canaux) et des lipides. En utilisant la théorie des gels actifs que nous avons élaboré pour décrire le cytosquelette, combinée aux données structurales cette approche 1) permettra de prédire l'apparition d'instabilité périodique le long de l'axone et qui pourrait correspondre a des précurseurs de varicosités présynaptiques ; et 2) servira de base pour l'étude du couplage entre la diffusion des protéines membranaires et l'organisation du cytosquelette d'actine dans ces