Neurones en contact avec le Liquide Cérébro-Spinal : des neuromodulateurs de l'activité motrice spinale chez les mammifères – MotoNeuroMod

L’étude est basée sur un ensemble de modèles de souris transgénique qui permet de cibler et de manipuler de manière sélective les neurones de contact du liquide cérébro-spinal grâce à la technologie Cre-Lox, une approche qui permet d’exprimer un ensemble de transcrit d’intérêt.
A ces modèles transgéniques sont associées des techniques d’enregistrement électrophysiologique au niveau cellulaire et du réseau que ce soit in vitro ou in vivo ainsi que de l’imagerie calcium qui permet de rendre compte de l’activité des Nc-LCS à l’échelle de la population ou de l’optogénétique pour les manipuler sélectivement. Pour les études anatomiques et de connectivité, nous développons des stratégies d’infection virale afin de tracer les neurones pré- et postsynaptiques des Nc-LCS et ainsi identifier le réseau dans lequel ils sont inséré. Enfin, pour démontrer la fonction des Nc-LCS au niveau comportemental et leur implication dans la régulation de l’activité motrice, nous développons des modèles de souris transgéniques permettant de manipuler in vivo l’activité de la population d’intérêt.

1) Propriétés cellulaires des Nc-LCS.
Mise en évidence de l’expression fonctionnelle de récepteurs ionotropiques synaptiques, métabotropiques et des principales conductances ioniques. Nous démontrons également que les canaux calcium sont modulés par l’activation des récepteurs métabotropique GABAergiques et cholinergiques. Il s’agira de poursuivre l’analyse des propriétés des Nc-LCS et notamment démontrer quelles sont les propriétés de la protrusion au contact du LCCS.
Nous avons initié l’étude in vitro des propriétés sensorielles du canal PKD2L1 et testé les effets de variation extrême du pH extracellulaire afin de reproduire les données publiées au niveau du tronc cérébral (acidification à pH 5 et alcalinisation à pH 8) ainsi que dans une gamme de pH plus physio-pathologique entre pH 7.2 et 7.6. Ces données sont en accord avec celles publiées par notre équipe pour les Nc-LCS bulbaux. Nous poursuivons cette analyse en testant l’effet de la variation d’autres modalités sensorielles.

2) Etude fonctionnelle de la connectivité des Nc-LCS
Au niveau anatomique nous avons mis en évidence que les Nc-LCs projetaient vers des interneurones cardinaux du réseau moteur spinal (interneurones moteurs et motoneurones de la colonne médiane). Nous poursuivons cette étude au niveau anatomique avec des approches de traçage viral et d’imagerie 3D (transparisation et microscopie à feuillet de lumière) pour caractériser la connectivité des Nc-LCS dans la moelle entière. Au niveau fonctionnel, nous combinons l’approche optogénétique de ChannelRhodopsin Assisted Circuit Mapping (CRACM) à l’électrophysiologie et la biologie moléculaire pour identifier les interneurones présents autour du canal central et synaptiquement connectés au Nc-LCS. Nos premiers résultats confirment les données obtenues au niveau anatomique et indiquent que les Nc-LCS projetteraient notamment vers les interneurones V2a (Chx10) du réseau moteur spinal. Il s’agira de finaliser dans les prochains mois cette étude pour identifier les différentes populations d’interneurones moteurs qui sont moduler par les Nc-LCS.
Enfin, nous avons mis en évidence que les Nc-LCS étaient interconnectés de manière ascendante. Toutefois nous ne connaissons pas à ce jour sur quel nombre de segments spinaux elle s’étend. Nous nous proposons de mener cette analyse en parallèle.

3) Développement d’une approche in vivo pour caractériser les propriétés des Nc-LCS
Pour étudier les Nc-LCS dans un environnement natif, nous collaborons avec le Dr Ian Duguid pour développer l’imagerie calcium de Nc-LCS à l’échelle de la population et des enregistrements électrophysiologiques avec la technique du patch-clamp d’un Nc-LCS in vivo. A ce stade, nous testons et optimisons la fixation et stabilisation de l’animal dans le poste expérimental ainsi que la préparation permettant l’accès au Nc-LCS dans des souris anesthésiées.

Les neurones de contact du liquide cérébro-spinal représentent une population neuronale unique et conservée chez tous les vertébrés. On leur prête des propriétés de neurones sensoriels intrinsèques du système nerveux central (SNC) et ils représenteraient ainsi un nouveau système intéroceptif permettant au SNC de se ‘sentir’ lui-même afin d’adapter son activité. La meilleure compréhension des propriétés et fonctions des Nc-LCS permettra d’en définir le rôle comme modulateur de l’activité motrice, mais pas seulement. Sous réserve de démontrer leur conservation chez l’homme, cette population neuronale pourrait représenter une cible potentielle, notamment via le LCS, pour développer de nouvelles approches thérapeutiques.

La locomotion est cruciale pour la survie des mammifères car elle répond à des besoins fondamentaux tels que l'exploration pour trouver de nouveaux habitats, localiser des sources de nourriture et un partenaire ou échapper aux prédateurs. Elle est initiée par des commandes corticales descendantes qui déclenchent le mouvement en activant séquentiellement les réseaux moteurs spinaux et les motoneurones pour générer la contraction des muscles des membres et du tronc. Une fois amorcée, la locomotion repose sur l'activité de centre générateur de rythme (CGP), situés dans la moelle épinière. À son tour, l'activité CPG est modulée par les centres supraspinaux ainsi que par des interneurones spinaux locaux et les boucles de rétroaction sensorielle provenant de la périphérie pour informer sur le mouvement, en assurer la bonne exécution et son adaptation pour ajuster les trajectoires ou la posture incorrecte des membres. L'organisation et les propriétés précises des neurones au sein du CPG ne sont pas encore totalement comprises et on pense que son activité recrute différents sous-ensembles de neurones en fonction de l'activité de l’animal, du feedback sensoriel de la périphérie et de neuromodulateurs activant ou inhibant les neurones au sein du CPG. Les neurones de contact du liquide cérébrospinal (Nc-LCS), une population neuronale unique conservée chez tous les vertébrés et présente autour du canal central de la moelle épinière, représenteraient l'un de ces systèmes neuromodulateurs moteurs. Chez les vertébrés inférieurs, il a été démontré qu'ils réagissent à des signaux chimiques dans le LCS et à des stimuli mécaniques tels que la torsion de la moelle épinière. Il a récemment été démontré qu'ils sont capables de moduler le comportement locomoteur. Chez les mammifères, cette fonction n'a pas été démontrée pour le Nc-LCS. Cependant, sur la base de leurs caractéristiques fonctionnelles et anatomiques similaires à celles de leur homologue chez les vertébrés inférieurs ainsi que de leur position stratégique entre le LCR et le parenchyme, nous émettons l'hypothèse qu'ils jouent un rôle central dans la physiologie de la moelle épinière et qu'ils modulent notamment l'activité motrice.
Notre objectif principal est donc d'élucider, chez les mammifères, les propriétés sensorielles des Nc-LCS, leur connectivité fonctionnelle au sein du réseau moteur spinal et de démontrer qu'ils contribuent à façonner le comportement moteur. Pour atteindre cet objectif, nous avons formé un consortium de recherche unique de 3 partenaires ayant une expertise spécifique et complémentaire pour mener une analyse à travers les échelles, depuis le niveau cellulaire et le réseau jusqu'à l'animal intact. Nous déploierons des techniques de pointe en utilisant un modèle unique de souris transgénique permettant la manipulation sélective des Nc-LCS.
Cette étude permettra une avancée majeure dans la compréhension de la fonction physiologique des Nc-LCS chez les mammifères et nous émettons l'hypothèse qu'ils jouent un rôle crucial dans la physiologie de la moelle épinière en modulant l'activité motrice. Cette étude ouvrira de nouvelles voies de recherche pour caractériser plus généralement leur rôle dans la régulation de l'activité du SNC et pour confirmer le rôle du LCS dans l'homéostasie du SNC.