Projet ANR-13-BSV4-0011 – AREAL : Étude des mécanismes moléculaires, cellulaires et physiologiques à la base de la mise en place des aires cérébrales et des circuits corticaux.
Programme : Blanc - SVSE 4 - Neurosciences (Blanc SVSE 4)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame Michèle STUDER (Institut de Biologie Valrose/INSERM)
Partenaires : Institut de Biologie de Valrose; Institut des Maladies Neurodégénératives
Montant : 505440.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Comment construire un cerveauÉtude des mécanismes moléculaires, cellulaires et physiologiques à la base de la mise en place des aires cérébrales et des circuits corticaux chez la souris.
Comprendre les mécanismes fondamentaux à la base du fonctionnement du cortex cérébralLe cortex des mammifères est organisé en domaines fonctionnels ou «aires« cérébrales. Chaque aire néocorticale est composée de six couches cellulaires, chacune constituée de sous-types neuronaux ayant des propriétés moléculaires et cellulaires qui leur sont propres. La division en aires et en couches se fait à partir d’un tissu initialement indifférencié, dans lequel l’expression de certains facteurs joue un rôle primordial dans l’organisation finale du cortex et de son fonctionnement. Le projet consiste à déchiffrer les mécanismes développementaux responsables de la mise en place des aires et des couches corticales et de leur circuiterie à l’intérieur du cortex.Nous cherchons à mettre en évidence l'importance de certaines molécules dans la différentiation des neurones en réseaux fonctionnels et interdépendants à l'aide de manipulations génétiques et moléculaires et en caractérisant les réseaux corticaux par des techniques sophistiquées. Cette approche interdisciplinaire nous aidera à élucider les mécanismes responsables de la spécificité des neurones et de leur maturation en fonction de l'aire. Enfin, nous caractérisons les propriétés structurales et dynamiques de la micro-circuiterie corticale dans nos modèles génétiques et manipulons les propriétés intrinsèques des neurones afin d'établir leur rôle éventuel dans cette mise en place. Ce projet aide donc à élucider la façon dont des facteurs génétiques participent à des processus adaptatifs vers la construction de circuits matures fonctionnels.
Une approche interdisciplinaire pour déchiffrer le fonctionnement du cortex cérébral.L'objectif majeur de ce projet est d'identifier les mécanismes moléculaires et cellulaires impliqués dans la différenciation des neurones et la construction de circuits neuronaux fonctionnels. Notre proposition est du domaine des neurosciences mais comprend deux approches disciplinaires distinctes et complémentaires : la neurobiologie moléculaire et la neurophysiologie fonctionnelle. Nous combinons des manipulations moléculaires avec la caractérisation fonctionnelle des circuits corticaux utilisant la génétique de la souris et des approches histologiques et électrophysiologiques sophistiquées.
Résumé de la soumission : Le cortex des mammifères est organisé tangentiellement en domaines fonctionnels ou "aires" se distinguant les unes des autres par leur cytoarchitecture, leurs afférences, efférences et patrons d'expression génique. Chaque aire néocorticale est par ailleurs composée de 6 couches cellulaires, chacune constituée de sous-types neuronaux ayant des morphologies, connectivité locale, programmes développementaux et expression de gènes qui leur sont propres. La division en aires et en couches se fait à partir d'un neuroépithélium dont les centres d'organisation néocorticaux sécrètent des gradients de signaux extracellulaires qui modulent l'expression de facteurs de transcription spécifiques dans les progéniteurs; on connait mal comment la division en aires, une fois établie au niveau des progéniteurs, est maintenue au cours du développement au niveau des neurones et si la différentiation de certaines pyramidales et circuits corticaux est spécifique à certaines aires fonctionnellement distinctes. On connait mal aussi les mécanismes développementaux responsables de la mise en place des éléments cytoarchitecturaux, de la circuiterie et des couches néocorticales, ainsi que les facteurs responsables de la taille et de la position des aires corticales.Parmi les différents facteurs de transcription exprimés en gradient dans les cellules progénitrices et responsables de la mise en place d'une proto-carte néocorticale, le récepteur nucléaire COUP-TFI a la propriété originale d'être exprimé aussi à l'état post-mitotique. La répression de son expression entraine de sévères anomalies dans la taille et le positionnement des aires motrices et somatosensorielles, la connectivité sous-corticale, la migration cellulaire, la différentiation neuronale, la croissance axonale et pour finir le comportement sensori-moteur. Mais les cascades moléculaires intervenant dans l'action de COUP-TFI restent indéfinies. De même que les corrélats fonctionnels d'une altération des aires corticales. Par exemple, les circuits neuronaux immatures expriment des patrons d'activité impliqués dans l'affinement de la connectivité précise entre les neurones, donnant au circuit adulte ses propriétés computationnelles tout en respectant un équilibre fonctionnel entre excitation et inhibition. On ignore dans quelle mesure ces patrons d'activité et ces règles de connectivité sont préservés ou altérés en cas de différentiation anormale de certains des sous-types cellulaires qui composent ces circuits.A l'aide de manipulations génétiques et moléculaires et en caractérisant les réseaux corticaux par des techniques sophistiquées d'histologie et d'électrophysiologie, nous chercherons à identifier et  mettre en évidence l'importance de certaines molécules dans la différentiation des neurones en réseaux fonctionnels et interdépendants. Cette approche interdisciplinaire nous aidera à élucider la formation des aires cérébrales et leur maintien, entre progéniteurs et autres pyramidales post-mitotiques, ainsi que l'implication éventuelle d'autres sources de signalisation que celle de FGF issue de la partie la plus rostrale aux phases précoces de la formation des aires cérébrales. Nous étudierons également les mécanismes cellulaires et moléculaires responsables de la spécificité des pyramides et de leur maturation en fonction de l'aire, en particulier pour les neurones de projection de la couche V. Enfin, nous caractériserons les propriétés structurales et dynamiques de la microcircuiterie corticale dans nos modèles génétiques à la formation perturbée des aires cérébrales, et manipulerons les propriétés intrinsèques des neurones afin d'établir leur rôle éventuel dans cette mise en place.Ce projet aidera à élucider la façon dont des facteurs génétiques tels que COUP-TFI participent à des processus adaptatifs tels que l'affinement activité-dépendant des réseaux en développement vers la construction de circuits matures fonctionnels, aux propriétés computationnelles et auto-organisatrices.
Résultats : Les premiers résultats marquant du projet sont la démonstration que le néocortex est plus plastique qu'on ne pensait. Il avait été suggéré précédemment que son organisation en aires fonctionnels et en couches laminaires était déterminée au niveau des progéniteurs (un stade développemental très précoce). Nous montrons que cette organisation peut encore être modifiée à un stade de développement plus tardif, au niveau des neurones en différentiation. Nous avons également constaté que les codes moléculaires mis en place pendant le développement et impliqués dans la formation des premières classes de neurones sont réutilisés après la naissance pour permettre une spécification fine de sous-classes de neurones corticaux, ceci grâce à un mécanisme epigénétique contrôlé par Lmo4 et qui se met en place après la naissance (voir illustration ci-dessous). Nous avons enfin trouvé que l’activité neuronale de type endogène qui se met en place avant l’arrivée des afférences sensorielles est impliqué dans la mise en place des premières aires corticales et de leur composition en couches et en types cellulaires spécifiques.
Perspectives : Ce projet permet une meilleure compréhension des mécanismes à la base du fonctionnement du cortex cérébral, ce qui permettra de contribuer à la compréhension de l'étiologie des troubles neurologiques graves chez l'homme. Les progrès récents de la génétique humaine ont révélé des liens importants entre les réseaux qui contrôlent l'activité de gènes exprimés tôt pendant le développement du cortex et certains troubles neurologiques, tels que le retard mental et l’autisme. Nous étudions un gène qui a récemment été trouvé altéré chez des enfants avec des déficiences cognitives graves. Ainsi, notre ligne de souris transgénique qui reproduit l’absence du gène représente un excellent modèle animal pour la recherche in vivo et permettra de dénouer les liens entre les mutations génétiques et des phénotypes observés chez les patients, et plus généralement les individus avec des malformations corticales.
Publications et brevets : Nous avons publié un article dans la revue internationale Nature Communications sur la plasticité neuronale pendant la mise en place des aires et des couches corticales, et un article sur e-Life sur le mécanisme épigénétique permettant l’expression de certains gènes pendant la formation de la couche V du cortex. Ces travaux ont été présentés dans plusieurs conférences internationales et nationales. Nous avons aussi déposé un brevet sur la reprogrammation neuronale de neurones de type calleux en neurones de type sous-cortical dans le cortex de la souris (N° EP15306775).