Analyse électrophysiologique de la dynamique des réseaux des ganglions de la base en situation normale et Parkinsonienne par une approche de manipulation optogénétique sélective de circuit neuronal – OPTOMAP-Parkin

Notre projet de recherche tire pleinement parti de l'utilisation de méthodes récemment développées (manipulation optogénétique) et qui révolutionnent les Neuroscience car elles permettent d'évaluer les relations de cause à effet. De tels procédés dit 'optogénétiques' reposent sur l'utilisation de virus adéno-associé modifiés (AAV) qui permettent d'exprimer une protéine sensible à la lumière appelée opsins dans les neurones ciblés. Un grand avantage de cette stratégie est donc de pouvoir manipuler l'activité des neurones qui expriment ces opsines par la lumière. En effet, seules les cellules infectées par le virus répondront à la stimulation laser. Différents opsins sont utilisés en fonction de l'effet recherché: excitation ou l'inhibition. Nous utilisons la channelrhodopsin-2 (CHR2), un canal cationique non spécifique, pour dépolariser les neurones et, Archaerhodopsins-3 (Hsyn-eArch3.0 ou CaMKIIa-eArchT3.0), une pompe à proton, pour inhiber l'activité des neurones. Cette approche permet de manipuler l'activité des neurones avec une résolution temporelle de l'ordre de la milliseconde donc sans précédent dans l'histoire des Neurosciences.

Nos expériences préliminaires établissent le role fondamental d'une structure des ganglions de la base: le globus pallidus externe (GPe), dans l'expression et la production des oscillations pathologiques beta (voir illustration). Nos manipulations optogénétiques des neurones du GPe ont permis d'établir que ces neurones contrôlent la fréquence de décharges et le niveau de synchronisation dans tout les circuits des ganglions de la base. Ces résultats importants contredisent en partie les modèles classiques de l'organisation fonctionnelle des ganglions de la base et qui considèrent le GPe seulement comme un noyau de relais. Nos données préliminaires ont été présentés à plusieurs reprises au niveau local (journée de la synapse 2016, Bordeaux) et de congrès internationaux (réunion de Neuroscience allemand, Goettingen 2015).

La plupart des études antérieures ont cherché à comprendre les modifications neuronales corrélées avec la maladie de Parkinson et, comme tel , il était difficile d'appréhender si ces changements étaient la conséquence ou la cause de ces troubles. Dans notre projet de recherche, nous étudions l'importance des oscillations synchronisées dans les ganglions de la base et utilisons de nouvelles méthodes pour aller au-delà des relations de corrélation et définir les liens de cause à effet. Nos expériences futures chercheront à définir l'importance fonctionnelle des neurones Proto et Arky dans la génération et la maintenance des oscillations anormales de type beta et leurs conséquences sur le comportement du moteur. Nous allons donc fournir de nouvelles perspectives pour mieux contrôler ces événements neuronaux anormaux .

Un aspect central du projet 'Optomap-Parkin' est de comprendre le rôle de la synchronisation neuronale dans le comportement moteur. Le financement fourni par l'ANR nous a donné l'opportunité de développer un nouveau paradigme expérimental à savoir les enregistrements électrophysiologiques chez les animaux en tête fixe. Les premiers résultats obtenus avec cette méthode dite en tête fixe ont récemment été publiés ( Mallet et al 2016 Neuron , doi: . 10.1016 / j.neuron.2015.12.017 ). Nous allons maintenant concentrer nos efforts pour mettre en œuvre cette nouvelle méthode chez des rats entraînés à effectuer une tâche motrice de type appuie sur un levier et qui sera adapté pour répondre à nos questions d'intérêt.

Les ganglions de la base (GB) sont un ensemble de structures sous-corticales interconnectées de manière complexe et qui forment une boucle transmettant les informations entre le cortex et le thalamus. Les GB ont un rôle crucial dans la planification, l’initiation et l’exécution des actions que nous entreprenons quotidiennement, mais leurs modes de fonctionnement exact en relation avec ces comportements moteurs sont loin d’être connus. Leur dysfonctionnement entraine des maladies motrices graves qui affectent la capacité d’initier une action ou au contraire de supprimer un mouvement non désiré. Ces déficits sont identifiables dans des pathologies comme la maladie de Parkinson, la chorée de Huntington ou encore l’hémiballisme. La maladie de Parkinson est une maladie neurodégénérative dont la principale cause est la dégénération progressive des neurones dopaminergiques du mésencéphale. Son incidence est de 2 % chez l’adulte de plus de 60 ans ce qui en fait la deuxième maladie neurodégénérative la plus commune chez les personnes âgées après la maladie d’Alzheimer. La perte de ces neurones entraine la triade classique de symptôme moteur: akinésie/bradykinésie (absence/ralentissement de l’exécution d’un mouvement), rigidité musculaire (exagération du tonus musculaire), et tremblement au repos. Le traitement phare vise à compenser le déficit en dopamine en administrant un précurseur de la dopamine : la levodopa (L-DOPA). Dans les premières années de traitement, cette thérapie est particulièrement efficace pour combattre les symptômes moteurs. Hélas, avec le temps et l’augmentation de la perte dopaminergique, l’efficacité du traitement diminue significativement et entraine au contraire des effets secondaires majeurs. En effet, chaque prise de médicament est ainsi associée au développement du problème opposé : l’apparition de mouvements involontaires et anormaux extrêmement incommodants pour les patients. Ces dyskinésies induites par la L-DOPA sont très communes : 90 % des patients développent des dyskinésies dans les 9 ans qui suivent le début du traitement. Il n’existe pas, actuellement, de traitement curatif de la maladie de Parkinson et les dyskinésies sont souvent réfractaires à tout traitement.
Il est maintenant bien connu que ces deux états extrêmes de la maladie de Parkinson : akinésie vs. dyskinésie sont associés à des changements drastiques de l’expression d’oscillations neuronales qui tendent à se synchroniser de manière excessive dans les ganglions de la base dans des bandes de fréquence précises. En effet, les oscillations de type beta (15-30Hz) et gamma (40-80Hz) ont été directement corrélées au niveau d’akinésie et de dyskinésie respectivement, mais leur lien causal dans ces états pathologiques reste à être démontré. Dans ce projet de recherche, je propose de définir quels sont les circuits neuronaux qui sont responsables de la génération de ces oscillations neuronales. Mon objectif est aussi d’établir s’il existe un lien de causalité entre ces bandes de fréquence et les déficits moteurs que sont l’akinésie et les dyskinésies. Pour cela, je propose d’utiliser une approche pluridisciplinaire combinant des approches optogénétiques, électrophysiologiques et comportementales visant à caractériser l’origine et l’importance de la dynamique des réseaux dans les ganglions de la base. Ce projet audacieux et original permettra d’amener des connaissances nouvelles et fondamentales sur le mode de fonctionnement normal et pathologique des ganglions de la base. Il permettra aussi de mieux comprendre le mode d’action de stratégies thérapeutiques utilisées quotidiennement en clinique. Enfin, ce projet a pour objectif final l’identification de nouvelle cible ou approche thérapeutiques permettant une amélioration de la condition des patients parkinsoniens.