Plasticité de la transmission synaptique inhibitrice dans la moelle épinière chez le rat

par Céline Jean-Xavier

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Laurent Vinay.


  • Résumé

    La locomotion est générée par des réseaux de neurones, appelés Central Pattern Generator(CPG) par les anglo-saxons, localisés au niveau de la moelle épinière. Chez le rat, la maturation des CPG lombaires responsables de la motricité des membres postérieurs, intervient durant la période périnatale, au moment où les voies descendant du cerveau commencent à innerver l’élargissement lombaire. La maturation de la transmission synaptique de nature inhibitrice joue un rôle primordial dans le développement des alternances entre les mouvements des membres droit et gauche et entre les contractions des muscles fléchisseurs et extenseurs. Le GABA et la glycine, qui sont les principaux neurotransmetteurs inhibiteurs du SNC sont excitateurs à un stade immature et deviennent inhibiteurs durant le développement. La régulation de certains co-transporteurs spécifiques (KCC2 et NKCC1), qui déterminent la concentration intracellulaire en chlorure (Cl-), sous-tend cette maturation. Les travaux entrepris au cours de cette thèse ont eu pour but d’explorer le rôle de la modulation des systèmes inhibiteurs dans la plasticité fonctionnelle du réseau locomoteur spinal, à la fois au cours du développement et après lésions de la moelle épinière. Dans une première étude, nous avons caractérisé le décours temporel de l’évolution de la transmission inhibitrice sur une préparation in vitro de moelle épinière isolée prélevée sur des rats âgés de 0 à 7 jours (P0 à P7). L’utilisation de techniques d’électrophysiologie a révélé une hyperpolarisation au cours de cette période du potentiel d’équilibre des ions chlorure (ECl), ce qui traduit une réduction de la concentration intracellulaire de ces ions. L’étude immunhistochimique a démontré, au niveau des motoneurones, une augmentation de l’expression des transporteurs KCC2 qui expulsent le chlorure des cellules. Ces résultats nous ont permis de conclure que la maturation de l’inhibition post-synaptique s’achève au cours de la première semaine post-natale chez le rat. Nous avons ensuite étudié la contribution des influences supraspinales à cette maturation en réalisant une section totale de la moelle épinière à P0. Suite à cette lésion, le ECl des motoneurones en fin de première semaine postnatale était plus dépolarisé que chez les animaux contrôles du même âge, proche des valeurs enregistrées à P0-2. De plus, l’augmentation du marquage KCC2 normalement observée était absente après section, et les motoneurones enregistrés étaient moins sensibles aux manipulations expérimentales visant à tester la fonctionnalité des KCC2. Des sections de moelle épinière effectuées à des stades plus matures (P5 ou adulte) ont aussi entraîné une dépolarisation de ECl et une réduction du taux de KCC2, rendant les potentiels postsynaptiques inhibiteurs dépolarisant (dPPSI) lorsqu’ils sont enregistrés au potentiel de repos. La dernière série d'expériences a été consacrée à l’effet des dPPSI sur l’intégration synaptique, en associant les techniques d’électrophysiologie à la modélisation. Les résultats démontrent que les dPPSI peuvent soit inhiber soit faciliter des entrées excitatrices en fonction de 3 paramètres : (i) la valeur relative de ECl par rapport à VREST, (ii) le décalage temporel entre le PPSI et les autres entrées excitatrices et (iii) la localisation des synapses inhibitrices sur l’arborisation somato-dendritique. La plasticité de la transmission synaptique inhibitrice a longtemps été considérée aux niveaux du taux d’acides aminés inhibiteurs (GABA/glycine), de la densité de récepteurs… Le rôle excitateur du GABA et de la glycine et donc, l’importance de la régulation de la concentration intracellulaire en Cl-, étaient considérés comme des particularités du développement neuronal. Nos résultats suggèrent qu’au contraire, les dPPSI dans la moelle épinière ne sont pas des vestiges du développement foetal mais plutôt un mécanisme sophistiqué permettant de réguler les capacités intégratives du neurone et de mettre en forme les propriétés temporelles de l’activité du réseau. Enfin, ces travaux suggèrent que les transporteurs KCC2 pourraient être la cible d’une nouvelle voie de traitement de la spasticité.

  • Titre traduit

    Plasticity of the inhibitory synaptic transmission in the spinal cord in rat


  • Résumé

    Locomotion is generated by neuronal networks, referred as a Central Pattern Generator (CPG), located in the spinal cord. In rat, maturation of lumbar CPG involved in hind limbs locomotion occurs during the perinatal period. During this time window descending pathways arising from the brainstem start to reach the lumbar enlargement. Maturation of the inhibitory synaptic transmission plays an essential role in the development of alternations between the movement of the left and right limbs as well as between flexor and extensor muscles contractions. GABA and glycine, which are the major inhibitory neurotransmitters in the CNS, are instead excitatory at early stage of the development. Regulation of some specific co-transporters (KCC2 and NKCC1), which determine the intracellular chloride concentration, underlies this maturation. The aim of the studies performed during this thesis was to explore the role of inhibitory systemsmodulation in the functional plasticity of the spinal locomotors network, during development and after spinal cord injury. In a first study, we characterized the time course evolution of the inhibitory transmission on an in vitro spinal cord isolated from rats aged from postnatal day 0 to 7 (P0 to P7). By the means of electrophysiological recordings we show a hyperpolarization of the reversal equilibrium potential of chloride (ECl) during this period, reflecting a reduction in the intracellular chloride concentration. Immunohistochemistry of K-Cl cotransporters KCC2, which extrude Cl- out of the cell, revealed a developmental increase of staining in the area of lumbar motoneurons during this period. These results allowed us to conclude that the maturation of the post-synaptic inhibition ends during the first post-natal week in rats. Then we examined the influences of the descending pathways on the maturation of spinal cord inhibition by investigated the effects of a complete spinal cord transection made at P0. We report that ECl in cord-transected animals was moredepolarized than in control animals of the same age, close to ECl values recorded at P0-2. In addition, the developmental increase of KCC2 staining normally observed was absent after transection. Moreover, motoneurons recorded from cord-transected animals were less sensitive to the experimental manipulations aimed to test the functionality of the KCC2 system. Spinal cord transections made at more mature stage (P5 or adult) also result in a depolarization of ECl and in a reduction in KCC2 staining, making inhibitory post-synaptic potentials depolarizing (dIPSP) when recorded at resting membrane potential. The last series of experiments were devoted to the investigation of the effect of dIPSP on synaptic integration, combining electrophysioligical and modeling techniques. The results show that dIPSP can either inhibit or facilitate excitatory inputs depending on 3 factors: (i) the ECl relative to VREST, (ii) the relative timing between IPSP and the other excitatory inputs, and (iii) the location of inhibitory synapses on the somatodendritic tree. Plasticity of inhibitory synaptic transmission has long been considered in term of the amount of inhibitory amino acids (GABA/glycine) receptors density. . . Excitatory role of GABA and glycine and therefore, the importance of intracellular chloride concentration, were considered as specificity of neuronal development. Our results suggest that, dIPSP in the spinal cord are not relics of the past, but are instead a sophisticated mechanism for regulating the integrative capability of the neuron and shaping the temporal properties of network activities. Finally, this work suggests that KCC2 co-transporters could be the target for a new treatment of spasticity.

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  • Détails : 1 vol. (267 p.)
  • Annexes : Bibliogr., 418 réf.. Index

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  • Bibliothèque : Université d'Aix-Marseille (Marseille. Timone). Service commun de la documentation. Bibliothèque de médecine - odontologie.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T2008/AIX2/0689Ubis
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