Etude optique et computationnelle de la fonction des canaux ioniques neuronaux

Studying Ca2+ channel function at sub-micron spatial resolution

• Auteur / Autrice : Luiza Filipis
• Direction : Marco Canepari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Fourcade
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eirini Papagiakoumou, Cécile Delacour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Dieudonné, Massimo Mantegazza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie en biologie

Canaux ioniques

Mots clés libres

Canaux

Imagerie

Calcium

Neuron

Channels

Imaging

Calcium

Neuron

Résumé

La physiologie des canaux ioniques est un sujet d’intérêt majeur dans les neurosciences modernes puisque le fonctionnement de ces molécules est la base biophysique du comportement électrique et chimique des neurones. Les canaux ioniques sont des protéines membranaires diverses qui permettent le passage sélectif des ions à travers la couche lipidique des cellules. Ils sont impliqués dans une variété de processus physiologiques fondamentaux, à partir de l’intégration des signaux électriques, la génération et la propagation de potentiel d’action jusqu’à la croissance cellulaire et même à l’apoptose, tandis que leur dysfonctionnement est la cause de plusieurs maladies. Les canaux ioniques ont été largement étudiés à l’aide de méthodes basés sur les électrodes, en particulier la technique du patch-clamp, mais ces approches sont limitées pour étudier les canaux natifs pendant l’activité physiologique in situ. En particulier, les électrodes fournissent des informations spatiales limitées alors qu’il est reconnu que la contribution des canaux dans tous les différents processus est fonction non seulement de leurs propriétés biophysiques discrètes, mais aussi de leur distribution dans la surface des neurones et des différents compartiments. Les techniques optiques, en particulier celles impliquant l’imagerie par fluorescence, peuvent surmonter les limites intrinsèques des techniques d’électrode car elles permettent d’enregistrer des signaux électriques et ioniques avec une résolution spatiale et temporelle élevée. Enfin, la capacité des techniques optiques combinées à la modélisation neuronale peut potentiellement fournir des informations essentielles permettant de mieux comprendre le fonctionnement des neurones. L’objectif ambitieux de ma thèse était de progresser dans cette direction en développant de nouvelles approches pour combiner des techniques d’imagerie de pointe avec la modélisation pour extraire les courants ioniques et la cinétique des canaux dans des régions neuronales spécifiques. Le corps de ce travail a été divisé en trois morceaux méthodologiques, chacun d’eux décrit dans un chapitre dédié.

The physiology of ion channels is a major topic of interest in modern neuroscience since the functioning of these molecules is the biophysical ground of electrical and chemical behaviour of neurons. Ion channels are diverse membrane proteins that allow the selective passage of ions across the lipid bilayer of cells. They are involved in a variety of fundamental physiological processes from electrical signal integration, action potential generation and propagation to cell growth and even apoptosis, while their dysfunction is the cause of several diseases. Ion channels have extensively studied using electrode methods, in particular the patch-clamp technique, but these approaches are limited in studying native channels during physiological activity in situ. In particular, electrodes give limited spatial information while it is recognised that the contribution of channels in all different processes is a function not only of their discrete biophysical properties but also of their distribution across the neurons surface at the different compartments. Optical techniques, in particular those involving fluorescence imaging, can overcome intrinsic limitations of electrode techniques as they allow to record electrical and ionic signals with high spatial and temporal resolution. Finally, the ability of optical techniques combined with neuronal modelling can potentially give pivotal information significantly advancing our understanding on how neurons work.The ambitious goal of my thesis was to progress in this direction by developing novel approaches to combine cutting-edge imaging techniques with modelling to extract ion currents and channel kinetics in specific neuronal regions. The body of this work was divided in three methodological pieces, each of them described in a dedicated chapter.