Transport axonal du BDNF: Mécanismes et neuropathophysiologie – BATMAN

1) Afin d’étudier les mécanismes moléculaires et cellulaires régulant le transport actif du BDNF à la synapse, les neurones de cortex et de striatum sont ensemencés sur un dispositif microfluidique monté sur des puces à électrodes afin de reconstituer un réseau neuronal in vitro dans lequel chaque compartiment peut être manipulé spécifiquement. Plusieurs types de chambres micro-fluidiques sont développés afin de répondre aux différentes questions. Les conséquences sur le transport de BDNF et sur la connectivité synaptique sont analysées simultanément par vidéo-microscopie confocale et enregistrements electrophysiologiques.

2) L’évolution du transport et du relargage du BDNF par l’axone cortico-striatal est analysé au cours du développement axonal et est correlé à l’établissement de la synapse ainsi qu’à l’efficacité de la transmission.

3) Des patrons de stimulation électriques spécifiques peuvent être appliqués afin d’établir un modèle mathématique du transport axonal du BDNF vers la synapse active, dans un contexte physiologique et après manipulations pharmacologiques et génétiques.

4) La modulation du transport de BDNF par l’activité neuronale et les acteurs moléculaires identifiés sur le système microfluidique seront ensuite analysés in vivo. Les conséquences sur le remodelage axonal dans le circuit cortico-frontal en condition normale et pathologique (modèles murins hdhQ111, hdhS421A, hdhS421D) seront également caractérisées après manipulation des différents acteurs moléculaires identifiés précédemment.

1/ Pour réaliser ce projet, plusieurs outils biologiques et techniques ont été développés:
- différents dispositifs microfluidiques permettant de reconstituer des réseaux cortico-striatal fonctionnels et d’étudier/manipuler les différents compartiments (corps cellulaires cortex ou striatum, dendrites, axones, contacts synaptiques, split axonal pour manipulation pré ou post synaptique, etc…)
- un dispositif de microélectrodes associé aux chambres microfluidique permettant de manipuler l’activité électrique pré ou postsynaptique et d’enregistrer les réponses synaptiques tout en analysant le transport axonal par vidéo-microscopie
- des plasmides BDNF avec différents marqueurs fluorescents et comportant des mutations pour l’étude du BDNF mature versus non mature

2/ Certains systèmes microfluidiques développés au cours de ce projet sont toujours en cours de caractérisation et feront l’objet d’une demande de brevet

3/ Les analyses morphologiques, fonctionnelles et de live imaging montrent que le transport axonal de BDNF varie en fonction du développement de l’axone et est conditionné par l’établissement de synapses fonctionnelles et actives. L’analyse électrophysiologique et la manipulation électrique des éléments pré et postsynaptiques sont en cours.

La principale perspective du projet est d’établir un nouveau concept de régulation de la plasticité synaptique par le BDNF et sa contribution dans la genèse de troubles cognitifs

Aucune production scientifique à ce jour. Certains systèmes microfluidiques feront l’objet d’un dépôt de brevet.

Autrefois considéré comme un organe figé et vieillissant, le cerveau adulte est en fait incroyablement plastique. Le remodelage dynamique de ses connections axonales est la condition sine qua none au développement d’une réponse adaptée aux différents stimuli environnementaux. Quels sont les facteurs contrôlant le recablage de la circuiterie axonale dans le cerveau adulte ? Comment sont régulés ces processus et pourquoi sont-ils efficaces ?

Bien que faisant l’objet d’intenses études dans la communauté neuroscientifique, les mécanismes contrôlant le raffinement de la circuiterie neuronale et la plasticité synaptique ne sont pas bien compris. Récemment, il est apparu que le BDNF (Brain-Derived Neurotrophic Factor), neutrophine la plus abondante dans le cerveau adulte, jouait un rôle capital dans les phénomènes de plasticité synaptique, de remodelage axonal et de pousse dendritique. Ces processus cellulaires forment un ensemble indispensable au bon fonctionnement de fonctions cognitives complexes, de mémorisation à long-terme ainsi que pour l’adaptation comportementale aux changements environnementaux. Cependant, plusieurs questions, notamment au niveau de la régulation de ces phénomènes, restent toujours sans réponse. Comment l’activité neuronale dirige le transport et la libération de BDNF vers une circuiterie axonale active afin de la renforcer ? Récemment, le laboratoire hôte (F. Saudou, Directeur) a proposé un niveau de régulation extrêmement intéressant et prometteur : la protéine huntingtine (htt) contrôle et dirige le transport de BDNF dans les neurones. Des voies de signalisation sensibles à l’activité neuronale pourraient alors reconnaître des patrons spécifiques d’activité et les traduire en signal « feu vert/feu rouge» pour le transport htt-dépendant de BDNF. Mais alors pourquoi ce message est-il spécifique au BDNF ? La présence d’un complexe de régulation spécifique associé aux vésicules de BDNF pourrait détecter l’activité neuronale et produire une réponse rapide et adaptée. Si le transport du BDNF mature est régulé par l’activité neuronale, il n’en est pas de même concernant sa forme précurseur. En effet, le pro-BDNF (forme immature du BDNF) est transportée de façon constitutive le long des axones. Pourquoi et comment ces deux formes d’une même protéine sont-elles différentiées ? De plus, si le rôle fonctionnel du BDNF a été étudié en profondeur dans le système nerveux périphérique et dans l’hippocampe, son rôle dans la circuiterie fronto-striatale est très peu connu. Le cortex préfrontal est une sous-structure corticale contrôlant les réponses comportementales complexes telles que la cognition, la planification de tâches, la flexibilité comportementale et la mémoire de travail. Le rôle du BDNF qui a été observé dans les autres structures cérébrales s’applique-t-il à la circuiterie fronto-striatale ? Quels sont alors les mécanismes en jeu ? Enfin, dans le cas de la maladie de Huntington, lorsque la protéine htt est mutée, le transport de BDNF dans le cortex devient déficient. Quelles sont les conséquences dans la voie fronto-striatale dans ce contexte ? Cette déficience de transport peut-elle être responsable des symptômes cognitifs et psychiatriques observes chez les patients atteints de la maladie de Huntington ?

Cette proposition de projet a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes régulant les fonctions du BDNF dans la circuiterie fronto-striatale. Plus précisément, il s’agit ici de déterminer comment la huntingtin décode l’activité neuronale en « feu vert » pour initier le transport de BDNF vers la synapse activée. Il s’agira également de déterminer les fonctions de ce transport régule par l’activité neuronale dans le remodelage de la voie fronto-striatale. Enfin, le projet a également pour but de déterminer si un transport déficient de BDNF peut engendrer une déconnection de la voie et être à l’origine de des symptômes cognitifs et psychiatriques rencontrés dans la maladie de Huntington.