Plasticité electro-morpho-transcriptomique des réseaux spinaux dans un contexte de perception sensorielle atypique. – EMTSens

Pour mieux comprendre la façon dont les neurones de la moelle épinière traitent les informations tactiles et les dérèglements de ce traitement en conditions pathologiques, nous travaillons avec des modèles animaux (souris).

Dans le cadre de cette étude, nous utilisons 2 modèles pathologiques présentant à la fois des anomalies de la perception sensorielle et des troubles du comportement émotionnel et social. Le premier est un modèle de douleur chronique, caractérisé par une hypersensibilité de la patte de la souris aux stimulations mécaniques, mais également par une anxiété accrue et une moindre sociabilité des animaux. Le second modèle est un modèle de troubles du spectre de l'autisme (TSA), caractérisé principalement par des déficits sociaux et une anxiété réduite, mais également par une moindre réactivité aux faibles stimulations tactiles. Chacun de ces modèles présente une forte valeur translationnelle, permettant de poser des hypothèses sur les pathologies humaines apparentées, et d'envisager de nouvelles pistes thérapeutiques sur la base des résultats obtenus.

Au cours de ce projet, nous avons focalisé notre étude sur les neurones inhibiteurs de la moelle épinière, qui jouent un rôle central dans le traitement des informations tactiles. Afin de faciliter le repérage spécifique de ces neurones , tous les animaux utilisés dans ce projet expriment un marqueur fluorescent colorant en vert les neurones inhibiteurs.

Dans chacun de ces deux modèles, nous réalisons des enregistrements "in vitro" des neurones de la moelle épinière en utilisant la technique du patch-seq. Cette technique permet de caractériser, pour chacun des neurones enregistrés , les propriétés électriques (propriété de codage et de transmission des informations) du neurone, la forme et la complexité de ses prolongements, et l'expression de son matériel génétique.

Au delà de la complexité pratique de la réalisation de ces enregistrements, la masse des informations recueillies (jusqu'à 10000 paramètres différents enregistrés pour un seul neurone, plusieurs centaines de neurones enregistrés) nécessite le développement de nouveaux outils mathématiques et informatiques spécialisés pour le traitement, la hiérarchisation et l'établissement de corrélations entre toutes ces données.

L'analyse bioinformatique permet enfin de faire émerger des cibles moléculaires pour corriger, par des méthodes génétiques ou pharmacologiques, les dysfonctionnements des réseaux de la moelle épinière observés en conditions pathologiques, et restaurer ainsi une sensibilité tactile normale, et possiblement compenser les déficits sociaux et anxieux associés.

Au cours de ce projet,

1) nous avons validé chacun des deux modèles expérimentaux utilisés et caractérisé leurs déficits sensoriels (tactiles), et socio-cognitifs. Cette étape était un préalable nécessaire car les animaux ayant servi pour le projet étaient tous porteurs d'un gène spécifique permettant d'identifier spécifiquement les neurones inhibiteurs, dont la présence est susceptible d'interfèrer avec le comportement des animaux. Nous avons montré que la présence de gène n'empêche pas le développement des déficits tactiles et socio-émotionels caractéristiques de chacun des modèles

1) nous avons adapté la technique de pach-seq aux neurones inhibiteurs de la moelle épinière et démontré que cette technique permettait d’accéder avec une grande fidélité aux propriétés électriques (fonctionnelles), morphologiques et moléculaires de ces neurones.

2) nous avons montré que les neurones inhibiteurs de la moelle épinière peuvent être regroupés en différentes populations présentant des caractéristiques fonctionnelles et moléculaires spécifiques, établissant ainsi un lien entre la caractérisation moléculaire et la caractérisation fonctionnelle de ces neurones.

3) parmi ces populations, nous avons montré que seules certaines présentent des altérations importantes en contexte pathologique, alors que les autres populations ne semblent pas affectées. Ces altérations peuvent se manifester aussi bien au niveau des propriétés électriques qu'au niveau des propriétés

4) dans les 2 modèles étudiés, les neurones exprimant le marqueur Parvalbumine font l'objet d'une importante plasticité fonctionnelle, avec une hypo-excitabilité en réponse à de fortes stimulations de ces derniers, Chez les animaux TSA, une hyperexcitabilité en réponse à de faibles stimulations peut également être observée. De façon intéressante, ces altérations fonctionnelles ne s'observent pas dans les populations de neurones inhibiteurs n'exprimant pas le marqueur Parvalbumine.

5) de façon surprenance, les mécanismes à l'origine des altérations des propriétés des neurones parvalbumine semblent différer dans chacun des deux modèles pathologiques testés. Nous avons identifié un nombre restreint de cibles moléculaires pouvant expliquer ces différences d'excitabilité, et pouvant être manipulées par des te.niques génétiques ou pharmacologiques.

Ce travail ouvre d'importantes perspectives au regard du développement de nouveaux traitements des déficits tactiles émotionnels et anxieux fréquemment associés dans de nombreux contextes pathologiques.

A court terme, nous vérifierons que la manipulation des cibles moléculaires identifiées permet de restaurer un fonctionnement normal des neurones inhibiteurs in vitro

A moyen , nous vérifierons que la manipulation de ces cibles permet de restaurer une réponse normale aux stimulations tactiles et d'atténuer les déficits anxieux, sociaux et émotionnels associés à ces déficits.

A long terme, nous envisageons de développer des méthodes permettant de cibler spécifiquement les neurones à Parvalbumine de la moelle épinière chez l'homme pour restaurer leur fonctionnement normal, préalable indispensable à la mise en place de nouvelles stratégies thérapeutiques.

Notre corps traite en permanence un large éventail d'informations sensorielles qui nous permettent d'interagir avec notre environnement. Parmi celles-ci, les informations somatosensorielles sont impliquées dans de nombreuses fonctions cruciales, allant de la détection de stimuli potentiellement dangereux aux interactions sociales au sein d'un groupe. Les informations somatosensorielles sont perçues à la périphérie du corps par des neurones sensoriels spécialisés (mécanorécepteurs) qui 'étendent à la fois une branche périphérique, innervant la peau et/ou les viscères, et une branche centrale, innervant la corne dorsale de la moelle épinière. Au sein de la moelle épinière, les informations sensorielles sont traitées par des réseaux d'interneurones spécialisés avant d'être relayées vers le cerveau où s'élabore une représentation mentale de ces stimuli. Les circuits de la moelle épinière représentent donc le premier niveau où les informations sensorielles sont traitées dans le parcours qui les mène des neurones sensoriels périphériques aux aires corticales.
Au sein de la moelle épinière, des travaux récents ont souligné le rôle de la zone de réception des mécanorécepteurs à bas seuil (LTMR-RZ) dans la modulation de la transmission sensorielle. Plus précisément, il a été démontré que les altérations du fonctionnement des circuits dans cette zone spécifique de la corne dorsale jouent un rôle central dans de nombreux troubles neurologiques, tels que la douleur chronique et les troubles du spectre autistique (TSA). Il est intéressant de noter qu’une sensation douloureuse exacerbée est fréquemment rapportée par les patients atteints de TSA, tandis que la douleur chronique s’accompagen souvent du développement de troubles cognitifs et sociaux, ce qui suggère que des mécanismes neurophysiologiques communs pourraient sous-tendre ces pathologies. La compréhension du traitement de l'information au sein de ces réseaux pourrait donc ouvrir la voie au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques dans un large éventail de pathologies liées aux troubles sensoriels.
Nous avons démontré l'importance des interneurones inhibiteurs dans la régulation de l'intégration des informations somatosensorielles. En combinant la caractérisation électrophysiologique et morphologique avec le profilage transcriptomique unicellulaire des neurones inhibiteurs, ainsi que des méthodes informatiques innovantes, nous visons à caractériser les principales populations de neurones inhibiteurs impliqués dans le traitement des informations tactiles et à évaluer les mécanismes qui sous-tendent leur plasticité moléculaire et fonctionnelle dans des situations pathologiques liées à un traitement atypique de l'information.
Afin d'atteindre les objectifs du projet, notre travail comprendra trois blocs de travail complémentaires. Nous utiliserons une approche combinatoire basée sur des données transcriptomiques, électrophysiologiques, morphologiques et informatiques pour élaborer un panorama complet de la diversité des interneurones inhibiteurs spinaux engagés dans le traitement de l'information sensorielle. Nous sonderons ensuite les altérations des caractéristiques électrophysiologiques, morphologiques et moléculaires de ces interneurones inhibiteurs dans les situations où le traitement de l'information est atypique (par exemple, la douleur chronique et les TSA). Enfin, sur la base de ces résultats, nous concevrons des expériences de correction pour restaurer un traitement normal du toucher dans la moelle épinière et évaluerons les répercussions de ces manipulations sur les troubles émotionnels, sociaux et cognitifs.