Etude des réseaux neuronaux du cortex somatosensoriel au cours de l'épileptogenèse dans un modèle d'épilepsie génétique

par Guillaume Jarre

Thèse de doctorat en Neurosciences neurobiologie

Sous la direction de Philippe Kahane et de Isabelle Guillemain.

Soutenue le 31-10-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de Chimie et Sciences du Vivant , en partenariat avec Institut des neurosciences de Grenoble (laboratoire) .

Le président du jury était Rémy Sadoul.

Le jury était composé de Isabelle Guillemain, Laurent Bourdieu, Olivier Raineteau.

Les rapporteurs étaient Rosa Cossart, Alfonso Represa.


  • Résumé

    Le cerveau est composé de réseaux de neurones interconnectés dont la mise en place au cours du développement cérébral est hautement régulée par des processus cellulaires, moléculaires et fonctionnels. Un dysfonctionnement de ces processus peut perturber l’établissement de ces réseaux et conduire à des pathologies neurologiques. L’épilepsie absence est une pathologie génétiquement déterminée qui apparait au cours de l’enfance. Les crises d’absences sont caractérisées par une altération de la conscience et par la présence de décharges de pointe-ondes (DPO) sur l’électroencéphalogramme initiées au sein d’un zone restreinte du cortex. Cependant, on sait peu de choses sur les mécanismes conduisant à la mise en place des décharges épileptiques récurrentes au cours de l’enfance (i.e. l’épileptogenèse). Nous avons fait l’hypothèse que des anomalies du processus de maturation cérébrale sont à l’origine de l’apparition des DPO.J’ai vérifié cette hypothèse chez un modèle génétique d’épilepsie absence, le rat GAERS. Dans un premier temps, j’ai étudié l’épileptogenèse du GAERS grâce à l’enregistrement in vivo du potentiel de champs local et de l’activité intracellulaire des neurones pyramidaux au niveau du site d’initiation des DPO, le cortex somatosensoriel (SoCX). Nous avons mis en évidence que les DPO se développent progressivement après la fin d’une période de maturation hautement sensible et malléable du SoCx (i.e. période critique). La maturation des décharges épileptiques consiste en une augmentation de leur fréquence, de leur durée et en l’évolution du motif de décharge jusqu’à l’âge adulte, période à laquelle ces paramètres atteignent une relative stabilité. De plus, ces changements sont associés à une altération graduelle des propriétés intrinsèques des neurones pyramidaux qui s’accompagne d’une augmentation progressive de la force de l’activité synaptique locale et d’une propension accrue des neurones du SoCx à générer des oscillations synchrones.Nous avons ensuite recherché les raisons de cette prédisposition anormale des neurones du SoCx à se synchroniser chez le GAERS. Dans ce but, nous avons cherché à mettre en évidence des anomalies de la maturation corticale au niveau de la structure et de l’organisation fonctionnelle du SoCx avant l’apparition des DPO. En combinant l’IRM, des marquages immunohistochimiques et le traçage rétrograde monosynaptique des connexions longue distance par le virus de la rage modifié, nous avons pu montrer qu’aucune anomalie globale du cerveau et du SoCx n’est présente chez le GAERS avant l’apparition des DPO. Afin de déterminer la présence d’anomalies fonctionnelles nous avons utilisé l’imagerie calcique biphoton et enregistré in vivo la dynamique de l’activité spontanée du réseau de neurones des couches 2-3 du SoCx. Chez le GAERS, nous avons mis en évidence que ces neurones sont plus actifs et dévoilent une organisation fonctionnelle différente de celle des animaux contrôles. Enfin, pour comprendre comment cette organisation fonctionnelle anormale est médiée, nous avons étudié la structure dendritique et synaptique du SoCx en combinant la microscopie électronique et la reconstruction morphologique de neurones. Nous avons mis en évidence un élargissement des épines dendritiques associé à un allongement de la densité post-synaptique au sein du SoCx chez le GAERS.L’ensemble de ces résultats démontrent la nature progressive du développement de l’épilepsie absence ainsi que l’existence d’anomalies de la maturation corticale qui affectent la structure et la fonction du réseau neuronal, avant l’apparition des crises épileptiques. Ces altérations constituent une prédisposition à l’établissement et l’évolution des DPO et sont une cible thérapeutique potentielle qui pourrait permettre de bloquer la mise en place des crises d’absences.

  • Titre traduit

    Investigate neuronal networks of the somatosensory cortex during epileptogenesis in a genetic model of epilepsy


  • Résumé

    The brain is organized into several interconnected neuronal networks whose formation is highly regulated by cellular, molecular and functional processes. The dysfunction of these processes during brain development could disrupt neuronal circuit establishment and lead to neurological pathologies. Absence epilepsy is a genetically determined disease with a childhood onset. Absence seizures are characterized by an impairment of the consciousness associated on the electroencephalogram with spike and wave discharges (SWD). However, little is known about the mechanisms leading to the establishment of recurrent epileptic discharges (i.e. epileptogenesis). We hypothesized that SWD onset originates from an abnormal brain maturation.During my PhD, I examined this hypothesis in a recognized genetic model of absence epilepsy, the GAERS rat. First, I studied the epileptogenic process by recording in vivo the local field potential and the intracellular activities of pyramidal neurons in the initiating area of SWD, the somatosensory cortex (SoCx), at different post natal days in GAERS. We showed that SWD progressively developed after the end of a highly sensitive and plastic maturation period of the SoCx (i.e critical period). Afterward, epileptic discharges maturation consists in an increase of their duration, their number and in an evolution of the pattern reaching a relative stability at adulthood. Moreover, these changes are associated with a gradual abnormal alteration of the intrinsic properties of pyramidal neurons which is accompanied with a progressive increase in the strength of the local synaptic activity and a growing propensity of SoCx neurons to generate synchronized oscillations.Then, we explored the reasons for this abnormal susceptibility of SoCx neurons to be more synchronized in GAERS. We sought to bring to light anomalies of SoCx maturation at the structural and functional organization level prior to SWD onset in GAERS. Combining MRI, immunohistochemistry labeling and rabies-mediated retrograde monosynaptic tracing to reveal long-range connectivity, we showed that, prior to SWD onset, no brain and SoCx architecture abnormalities could be observed in GAERS. Then, using two photon calcium imaging we recorded in vivo the spontaneous activity of SoCx layers 2-3 neurons to evidence their functional organization. We found that these neurons were more active and unveiled a different functional organization in GAERS compared to control animals. Finally, to understand how is mediated this abnormal functional organization, we studied the dendritic and synaptic fine structure of SoCx neurons by combining electron microscopy and morphological neuron reconstruction. We highlighted an enlargement of the dendritic spines as well as an increase of the post-synaptic density length in the GAERS SoCx.Taken together, these findings showed the progressive nature of absence epilepsy development and the presence of abnormalities in the cortical maturation which affect the structure and the functional of the neuronal network the prior to SWD. These alterations constitute a breeding ground for the establishment and evolution of SWD. Future studies will aim at interfering with the epileptogenesis process should target these early alterations to stop seizure development.



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