Caractérisation de la réponse des corps pédonculés par imagerie cérébrale fonctionnelle in-vivo chez la Drosophile

par Pierre Pavot

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de Jean-René Martin.

Le président du jury était François Rouyer.

Le jury était composé de Jean-René Martin, François Rouyer, Jean-Maurice Dura, Steeve Hervé Thany, André Klarsfeld.

Les rapporteurs étaient Jean-Maurice Dura, Steeve Hervé Thany.


  • Résumé

    La mouche Drosophila melanogaster est un modèle de choix dans l’étude des grandes fonctions neurophysiologiques notamment en raison de la disponibilité d’une importante variété d’outils disponibles (approches génétiques, pharmacologiques et comportementales). Le cerveau de la mouche, malgré sa simplicité apparente, est capable de traiter des fonctions complexes d’intégration des différents paramètres environnementaux nécessaires à sa survie. Dans le cerveau drosophile, les corps pédonculés (CP) sont des structures impliquées dans de nombreuses fonctions neurophysiologiques de premier plan telles que l'apprentissage et la mémoire olfactive, la régulation de l’activité locomotrice, l'orientation spatiale, la régulation du sommeil ou encore la prise de décision. Il a été montré par des approches associant essentiellement observations comportementales et outils génétiques que la voie de signalisation de l'AMPc joue un rôle crucial dans la réalisation des fonctions diverses des CP. Les cellules de Kenyon (CK) qui sont les cellules intrinsèques des CP, reçoivent principalement des afférences du système olfactif par l’intermédiaire des neurones de projections (PN) en provenance des lobes antennaires et des afférences neuromodulatrices (dopaminergiques et octopaminergiques). Les synapses entres PN et CK se font sur un mode cholinergique grâce à des récepteurs canaux à l’acétylcholine de type nicotinique (nAchR). Nous avons utilisé une technique récente d’imagerie calcique par bioluminescence utilisant une protéine recombinante, la GFP-Aequorine. Cette technique nous a permis de suivre l’activité cellulaire calcique consécutive à l’application de nicotine, un agoniste des nAchR. Grâce à l’observation de ces réponses suite à une combinaison d’approches génétiques corroborée par des approches pharmacologiques, nous avons pu mettre en évidence une modulation complexe et régionalisée de la réponse calcique dans les CP par l’AMPc et d’autres différents partenaires tels que des canaux K+ et Ca2+. Dans un premier temps, nous avons démonté l’existence d’une modulation directe de l’intensité de la réponse par l’AMPc. Nous avons également montré, pour la première fois, que des réponses Ca2+ « spontanées » peuvent être directement inductibles par augmentation de l’AMPc. Nous avons mis en évidence l’existence d’un nouveau partenaire de la modulation de la réponse des CP indépendant de la PKA : les CNG (Cyclic Nucleotides Gated Channels) dont le rôle n’avait jusqu’ici jamais été démontré dans les corps pédonculés. Enfin nous avons pu observer une régionalisation de la régulation de l’activité Ca2+ des CP par l’AMPc. Dans un deuxième temps nous nous somme intéressé aux principales conductances calciques et potassiques. Nous avons mis en évidence que différents canaux calciques voltages dépendants (VGCC) sont impliqués de façon régionalisée et séquentielle dans la formation de la réponse calcique. Il a pu également être démontré que le signal est modulé de façon différentielle dans les calices et les lobes par l’AMPc à travers différents canaux potassiques. Enfin des protocoles originaux ont été développés, tels que la micro application de drogue ou l’électrostimulation permettant d’étudier la neuromodulation dans les CP, à réutiliser pour des travaux ultérieurs du laboratoire. Ce travail est une première étape dans la compréhension des voies de signalisations et des mécanismes intracellulaires impliqués dans l’apprentissage et la mémoire olfactive.

  • Titre traduit

    Characterization the Drosophila Mushroom-Bodies Response by Functional In-Vivo Brain Imaging


  • Résumé

    In Drosophila, the Mushroom-Bodies (MBs) are implicated in multiple functions, as olfactory learning and memory, locomotor activity, spatial orientation, sleep, decision making, and up to now but indirectly, in various addiction. Notably, the MBs, which express the nAchR, receive their main inputs from the cholinergic olfactory pathways, through the Projections Neurons (PNs). In this thesis we characterized, at the cellular and molecular levels, the nicotine effect on the Kenyon cells (KCs: the intrinsic neurons) of the Mushroom-Bodies. We used the in-Vivo brain imaging approach, based on the Ca2+-Sensitive bioluminescent probe (GFP-Aequorin), to characterize the nicotinic induced Ca2+-Response on the KCs of the MBs. More specifically we searched the role of different partners involved in the cAMP pathway, in order to understand their roles in the different components of the response and in its modulation. First using both genetics and pharmacological approaches to interfere with different components of the cAMP signaling pathway, we first show that the Ca2+-Response is proportional to the levels of cAMP. Second, we reveal that an acute change in cAMP levels is sufficient to trigger a Ca2+-Response. Third, genetic manipulation of protein kinase A (PKA), a direct effector of cAMP, suggests that cAMP also has a PKA-Independent effect through the cyclic nucleotide-Gated Ca2+-Channel (CNG). Finally, the disruption of calmodulin, one of the main regulators of the rutabaga adenylate cyclase (AC), yields different effects between the calyx/cell-Bodies and the lobes, suggesting a differential and regionalized regulation of ACSecond we exploited both genetic approaches to interfere with different types of Ca2+- and K+-Channels, first we show that the disruption of the VGCC, as cacophony, Dmcα1d and Dmcα1g lead to a striking decrease of the Ca2+-Response both in the CCB and the lobes. Moreover, for two of them, cacophony and Dmcα1d, the duration of the response is importantly increased. Second, the disruption of the fast inactivating K+-Currents, as shaker (sh), shaker-Like (shal) and slowpoke (slo) reveal that the knocked-Down of shal and slo lead to a striking decrease of the Ca2+-Response, while the knocked-Down of sh has only a mild effect. Interestingly, the stimulation of the adenylate cyclase (AC) by the forskolin with the various K+-Channels disruption show an antagonist effect of the cAMP in the CCB between sh (inhibitory) and slow (excitatory) while AC simulation mediate excitatory effects in the ML though both shal and sh. Finally, the knock-Down of the two slow inactivating K+-Currents as shaker w (shaw) and shaker b (shab) also yields to a strong decrease of the Ca2+-Response In conclusion, our results provide new insights into the complexity of the Ca2+-Response in the MBs and are a first step toward deciphering the roles of the VGCC and K+-Channels in the multiples roles of the MBs. Finaly we developed several original protocols to explore the role of the neuromodulation on the KC.This work constitutes an important step toward a better understanding of the pathway required in learning and memory.


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