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Moelle épinière et interfaces avec le Liquide Cérébro-Spinal

Le projet de recherche de notre équipe vise à caractériser au niveau morphologique et fonctionnel les propriétés d’une population neuronale unique présente autour du canal central (CC) et en contact avec le liquide cérébro-spinal (LCS) au niveau de la moelle épinière chez les mammifères. Ces neurones de contact avec le LCS (Nc-LCS) étaient connus depuis des décennies, sont présents chez tous les vertébrés mais leur rôle physiologique dans le système nerveux central (SNC) des mammifères demeure largement inconnu.

Notre but ultime est de déterminer comment cette population neuronale unique est fonctionnellement insérée autour du CC et dans les réseaux neuronaux de la moelle épinière et d’identifier leurs rôles physiologiques chez les mammifères.

Les Nc-LCR bulbo-spinaux sont présents sur toute la longueur de l’axe du CC, sont principalement GABAergiques et expriment sélectivement le sous-type Polycystine (également connu sous le nom de polycystin kidney disease 2-like 1, PKD2L1) de la famille des ’Transient Receptor Potential (TRP)’. Ce canal représente un marqueur spécifique de cette population neuronale puisque les neurones exprimant PKD2L1 au niveau de la moelle épinière sont les seuls neurones qui se projettent vers le CC. Les CSF-cNs possèdent une morphologie caractéristique et conservée avec une dendrite projetant vers le CC, et terminée dans sa lumière par une protubérance (ou ‘bud’) ciliée. Ce sont des cellules polarisées dont l’axone traverse le parenchyme. Cependant, les territoires innervés par les axones des Nc-LCS restent à identifier chez les mammifères.

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A l’aide d’enregistrements par la technique de patch-clamp dans des tranches de tronc cérébral et de moelle épinière, notre groupe a été parmi les premiers à caractériser les propriétés électrophysiologiques des Nc-LCS bulbo-spinaux chez la souris. Nous avons révélé que les Nc-LCS présentent, en configuration de cellules entière, une activité spontanée du canal PKD2L1 à l’échelle du courant unitaire. Ce canal aurait un rôle de chimio et/ou mécanorécepteur pour les Nc-LCS et serait capable de moduler leur excitabilité. De plus, les Nc-LCS expriment plusieurs récepteurs ionotropiques (nicotinique, AMPA/kainate, glycine et GABA) et sont insérés dans un réseau fonctionnel qu’il reste à caractériser. Enfin, plus récemment, chez les vertébrés inférieurs (poissons zèbres et lamproies), il a été mis en évidence que les Nc-LCS sont capables de détecter des variations dans le flux et la composition du LCS ainsi que dans le niveau de torsion de la moelle épinière (stimuli mécaniques) et, ainsi, d’agir comme neuromodulateur de l’activité motrice.

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D’autre part, les Nc-LCS se trouvent dans une région autour du CC spinal appelée "niche des cellules souches de la moelle épinière" (niche spinale) où des processus dynamiques et plastiques en relation avec la glio- et la neurogenèse ou la réparation de la moelle épinière ont été rapportés. Il est intéressant de noter que les Nc-LCS possèdent une maturation particulière qui semble stoppée dans un état de maturité intermédiaire plutôt bas (expression faible de NeuN avec le maintien de l’expression de marqueurs d’immaturité) même chez les animaux âgés d’un an. Ainsi, la maturité intermédiaire des Nc-LCS, leur localisation stratégique à l’interface entre LCS et parenchyme, ajoutées au fait qu’ils sont capables de détecter les signaux circulants, suggère un rôle dans l’organisation et la régulation de la niche spinale. Sur la base des études récentes, on considère les Nc-LCS spinaux comme une nouvelle population de neurones sensoriels multimodaux dans le SNC capables d’intégrer des messages du milieu extracellulaire et de moduler l’activité du SNC par le biais de réseaux neuronaux qui doivent être identifiés et caractérisés. Les Nc-LCS pourraient également interagir avec les cellules de la niche spinale et moduler leur activité ou leur réactivité, en particulier dans le cadre de processus inflammatoires ou de réparation de la moelle épinière à la suite de traumatismes. Pour répondre à cette question, notre équipe développe un large spectre de techniques complémentaires allant des enregistrements électrophysiologiques associés à l’imagerie calcium aux approches immunohistochimiques, biochimiques et moléculaires. Notre projet de recherche bénéficie largement du modèle de souris transgénique PKD2L1-Cre (système Cre-Lox) qui permet la visualisation sélective (EGFP, tdTomato), le ciblage (infection par virus AAV et de la rage), le monitorage (modèle GCaMP) et la manipulation (Optogénétique, DREADDs, délétion génétique) des Nc-LCS spinaux.

A l’aide de modèles expérimentaux complémentaires allant des tranches aiguës de moelle épinière au modèle in vivo en passant par l’hémisection et la préparation de moelle épinière ‘en bloc’, nos activités de recherche se développent autour de trois axes majeurs :

Quelles sont les propriétés physiologiques des Nc-LCS spinaux le long du canal central ?

Les Nc-LCS sont présents tout au long du CC, mais peu d’information n’est disponible quant à leurs propriétés (phénotype, activité, modulation) pas plus que sur d’éventuelles différences selon le segment de la moelle épinière considéré. En particulier, le canal PKD2L1, qui est fortement exprimé et a des conséquences fonctionnelles importantes sur l’activité des Nc-LCS, n’est actif qu’au niveau du courant unitaire. Nous analysons quels sont les mécanismes moléculaires qui pourraient sous-tendre cette activité particulière, dans quelles circonstances elle peut être modulée et quelles en seraient les conséquences sur la physiologie des Nc-LCS.

La caractérisation du ou des réseaux neuronaux dans lesquels sont insérés les Nc-LCS spinaux afin d’en démontrer le rôle physiologique au niveau de la moelle épinière.

Les Nc-LCS spinaux semblent insérés dans un réseau neuronal fonctionnel, mais ni les territoires qu’ils innervent ni leurs partenaires pré-synaptiques n’ont été identifiés à ce jour. En développant des modèles de souris transgénique associés à des approches de pointe de traçage viral combinés à des enregistrements électrophysiologiques et le profilage moléculaire, nous caractérisons, au niveau morphologique et fonctionnel, les réseaux neuronaux dans lesquels sont insérés les Nc-LCS le long de l’axe CC. Cette identification du réseau des Nc-LCS représente un prérequis pour mieux comprendre le rôle de cette population neuronale unique dans l’activité des réseaux neuronaux spinaux et ouvrira de nouvelles pistes de recherche pour évaluer in vivo leur rôle en tant que neurones sensoriels intrinsèques au SNC.

Les Nc-LCS interagissent-ils avec les cellules de la niche spinale et participent-ils aux processus de réparation à la suite de traumatismes de la moelle épinière ?

La région autour du CC est connue pour ses propriétés régénératrices et il a été démontré qu’elle participe aux processus de réparation de la moelle épinière. D’autre part, les Nc-LCS sont dans une position stratégique entre LCS et parenchyme où ils pourraient jouer un rôle de neurones sensoriels. On peut donc se demander si cette population neuronale unique interagit avec les cellules de la niche spinale, si elle participe à son organisation et si, suite à une lésion ou une inflammation de la moelle épinière, elle participe aux processus de réparation ? Pour répondre à cette question, nous développons des modèles de délétion génétique ciblée des Nc-LCS ainsi que des modèles de lésion spinale pour en déterminer le rôle.

Collaborateurs

Dr Zampieri : cartographie anatomique, par transgénèse et infection virale ciblée, du réseau neuronal dans lequel sont insérés les Nc-LCS et tests comportementaux pour en déterminer la fonction.

Dr Hugnot : profil moléculaire des Nc-LCS et mise en evidence d’interactions avec les cellules de la niche spinale.

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