Projet ANR-10-JCJC-1406 – Head direction : Les cellules "de la direction de la tête" du Présubiculum - propriétés cellulaires et connectivité synaptique
Programme : JCJC : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes :  Neurosciences (JCJC SVSE 4)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Madame Desdemona Fricker (INSTITUT NATIONAL DE LA SANTE ET DE LA RECHERCHE MEDICALE - DELEGATION PARIS VI)
Partenaires : Institut national de la santé et de la recherche médicale
Montant : 240000.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : Réseaux neuronaux : Cellules et circuits impliqués dans la signalisation de l’orientation.Le cortex présubiculaire fait partie d’un réseau neuronal codant l’information spatiale. Nous disséquons la neuro-anatomie et la physiologie de ce circuit - les courants intrinsèques et les patrons de décharge des neurones du présubiculum, ainsi que l’organisation des connexions synaptiques excitatrices et inhibitrices, qui assurent et conditionnent son rôle fonctionnel.
Neurones et réseaux codant l’information spatiale.Une meilleure compréhension des fonctions cognitives est un défi majeur en neuroscience. Le cortex parahippocampique et notamment le présubiculum codent pour l’information spatiale et en particulier l’orientation de la tête. Ce circuit est une des premières régions du cerveau affectées dans la maladie d’Alzheimer. Notre recherche vise à élucider le traitement de l’information par ce petit réseau neuronal. Une meilleure compréhension du fonctionnement du réseau pourra donner des outils pour un diagnostic précoce ou pour le traitement de la pathologie neurologique.Le présubiculum est une région corticale de transition, entre hippocampe et néocortex, et mon but sera d’identifier les éléments cellulaires et leur connectivité. La connaissance des courants ioniques, des patrons de décharge et de la morphologie des neurones sera la base pour comprendre le mode opératoire du circuit. L’architecture des connexions synaptiques excitatrices et inhibitrices entre différents neurones conditionne la fonction. C’est pourquoi nous nous attelons à caractériser l’anatomie du réseau, à découvrir son organisation possible en terme de couches et de colonnes verticales. Spécifiquement nous étudions le traitement des afférences dans le présubiculum, l’intégration synaptique et le boosting des inputs par le courant TTX-insensible. L’inhibition pourrait aider à préciser le signal de la direction de la tête, et nous examinerons l’impact de différentes sous-populations d’interneurones. 
Physiologie, anatomie et connectivité synaptique du cortex présubiculaire.Ce projet emploie plusieurs techniques récentes pour une exploration fonctionnelle de la neuroanatomie du cortex présubiculaire. Des enregistrements de cellule unique in vitro sont combinés avec la reconstruction anatomique des neurones. Une haute résolution temporelle et spatiale de stimulation est obtenue grâce à l’utilisation de nouvelles méthodes optiques. Le microcircuit présubiculaire des rongeurs est étudié in vitro sur tranche de cerveau. Les cellules sont visualisées sous le microscope, et les propriétés électriques sont étudiées à l’aide des enregistrements de patch clamp. En même temps, le remplissage intracellulaire avec la biocytine permet la révélation post hoc de l’arborisation dendritique et axonale en trois dimensions.  Les données concernant les patrons de décharge, les propriétés d’adaptation et l’expression de courants spécifiques et leur pharmacologie sont corrélées avec la forme des neurones, leur position dans le tissu et le type cellulaire.  La photolyse de molécules de glutamate encagées en combinaison avec des enregistrement en configuration cellule entière permet la cartographie des sites qui génèrent des entrées excitatrices et inhibitrices.  En une session de photostimulation on peut rapidement obtenir des données de connectivité de toute la région. Des doubles enregistrements sont utilisés pour confirmer les connections excitatrices et inhibitrices. Pour cibler des sous-populations spécifiques d’interneurones nous travaillons avec des souches de souris génétiquement modifiées. La distribution des sous-types d’interneurones est quantifiée après immunohistochimie.  Les afférences lointaines du présubiculum, qui apportent l’information pour le signal de la direction de la tête, sont identifiées par des techniques de traçage rétrograde.
Résumé de la soumission : L’hippocampe et le cortex adjacent jouent un rôle important dans le traitement de l’information spatiale, chez le rongeur aussi bien que chez l’homme. Dans le présent projet seront étudiées les propriétés biophysiques, patrons d’activité  et la connectivité synaptique de cellules pyramidales dans le contexte de leur rôle fonctionnel, dans une région peu connue de l’hippocampe : le présubiculum. Les neurones du présubiculum sont des cellules dites « de la direction de la tête », qui déchargent en maintenant leur fréquence de décharge, tant que la tête de l’animal est orientée dans une direction spécifique. De cette manière ces cellules jouent le rôle d’une boussole et contribuent ainsi à l’orientation spatiale et aux comportements d'orientation et de navigation. J’ai découvert dans ces cellules un courant entrant voltage-dépendant, supprimé par la substitution complète des ions sodiques dans le milieu externe, mais qui n’est pas bloqué par l’antagoniste des canaux sodiques, la tetrodotoxine (TTX). Avec mon équipe, je souhaite identifier le corrélat moléculaire de ce courant sodique insensible à la TTX et étudier les conséquences fonctionnelles de son expression probablement dendritique. Pour cela, je me propose d’examiner comment ce courant sodique à inactivation lente contribue à une absence d’accommodation de la fréquence de décharge en réponse à une dépolarisation maintenue, de concert avec d’autres courants intrinsèques. Une accommodation faible est assez atypique au sein des cellules pyramidales corticales,  mais c’est une propriété clé pour les cellules qui signalent la direction de la tête et qui doivent justement maintenir leur fréquence de décharge pendant que la tête de l’animal est tournée dans une même direction. Un autre volet de ce projet sera l’étude des connexions synaptiques locales et des afférences aux cellules pyramidales dans la couche V du présubiculum, qui utilisera un système de photolyse du glutamate (uncaging). Par une stimulation optique selon une grille recouvrant la région du présubiculum, j’examinerai la localisation des cellules afférentes excitatrices,  et  l’organisation en couches et en colonnes du microcircuit présubiculaire. J’étudierai la plasticité synaptique à court terme au niveau d’une connexion unique : des synapses facilitatrices pourraient aider à maintenir une fréquence de décharge continue dans les cellules de la direction de la tête. Concernant les connexions inhibitrices,  je testerai l’hypothèse qu’elles assurent une inhibition croisée à travers des colonnes, améliorant la séparation entre cellules qui signalent différentes directions de la tête. Le financement ANR « jeune chercheur » me permettra d’acquérir le matériel nécessaire pour mener à bien cette recherche, avec notamment un puissant laser UV et une mise à niveau d’un poste de patch-clamp. Ce projet représente une nouvelle direction de recherche au sein du laboratoire que j’ai commencée à développer et que je souhaite poursuivre avec un chercheur postdoctorant et en constituant une équipe indépendante.
Résultats : Le premier but de ce projet concerne l’étude anatomo-fonctionelle du présubiculum. Nous avons pu établir une classification des neurones principaux par un algorithme mathématique (cluster analysis), qui utilise des données morphologiques et électrophysiologiques depuis des enregistrements de patch clamp in vitro. Les différents types cellulaires du présubiculum ressemblent à ceux dans d’autres régions corticales. Leur disposition cyto-architecturale ressemble plus au cortex entorhinal voisin que à la disposition dispersée des neurones du subiculum. Des groupes de neurones avec des propriétés électriques et morphologiques similaires sont reparties dans les couches profondes, intermédiaires et superficielles du présubiculum. Les deux résultats caractéristiques pour le cortex présubiculaire sont les suivants : i) dans la couche IV, qui est aussi nommée ‘lamina dissecans’ et qui contient une population peu dense de neurones, se trouvent de grandes cellules pyramidales qui déchargent en bouffées de potentiels d’action; ii) les neurones qui déchargent de façon réguliere, localisées dans les couches superficielles et profondes, ne montrent que très peu d’adaptation de leur fréquence de décharge au cours du temps, compatible avec une signalisation soutenue de la direction de la tête.
Nous montrons qu’un courant sodique TTX résistant, décrit auparavant, pourrait jouer un rôle important pour l’intégration dendritique.  Ce courant s’active suite à une application locale de glutamate et il amplifie le signal excitateur jusqu’au déclenchement de bouffées de potentiels d’action. L’activité GABAergique semble dominer l’activité du réseau présubiculaire et nous poursuivons la caractérisation des connexions synaptiques.
Perspectives : Le présubiculum intègre les informations depuis le cortex visuel et le thalamus. Les techniques de l’optogénétique permettront la cartographie fonctionnelle par stimulation lumineuse de terminaisons en provenance de régions spécifiques et exprimant des canaux ioniques sensibles à la lumière.  La connectivité sous-cellulaire pourra être examinée à l’aide d’une stimulation à deux photons ou d’une stimulation holographique.  Nous pourrons ainsi comprendre l’architecture du réseau présubiculaire et son fonctionnement pour l’encodage de l’information spatiale.  Cette connaissance du fonctionnement physiologique de la région parahippocampique et du sens de l’orientation est cruciale aussi pour la recherche sur les maladies neurodègénératives qui débutent justement dans cette région du cerveau.
Publications et brevets : 1) Fricker, D., Simonnet, J., Bendels, M., Eugène, E., Cohen, I. and Miles, R. (2011) Direct activation of glutamate receptors by local photolysis of caged glutamate in presubicular pyramidal cells and interneurons. Göttingen Meeting of the German Neuroscience Society. T7-11A.  Expériences de calibration de la photostimulation par lumière laser. La photolyse de glutamate évoque des PPSE ressemblant avec la plus grande amplitude près du soma. 
2) Simonnet, J., Bendels, M., Eugène, E., Cohen, I., Miles, R. and Fricker, D. (2011) Morphological and electrophysiological properties of rat presubicular neurons. Canaux Ioniques, 22ème Colloque. Un courant sodique resistant à la TTX peut amplifier et booster des PPSEs evoqués par photolyse de glutamate. 
3) Simonnet, J., Eugène, E., Cohen, I., Miles, R. and Fricker, D. (2012) EJN. Cellular neuroanatomy of rat presubiculum. Une première description de la cytoarchitecture de cette région corticale de transition. Nous avons découvert des neurones pyramidales dans la couche IV (‘lamina dissecans’) qui déchargent en bouffées de potentiels d’actions.