Matrice extracellulaire et plasticité synaptique

par Alexandra Nothnagel

Projet de thèse en Neurosciences

Sous la direction de Antoine Triller.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) , en partenariat avec Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure (laboratoire) et de École normale supérieure (Paris ; 1985-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2014 .


  • Résumé

    Une communication efficace et précise exige que les synapses soient stables et adaptables. Bien que l'organisation et la fonction de la synapse soient extrêmement stables, les récepteurs aux neurotransmetteurs montrent un comportement dynamique. Ils diffusent activement dans la membrane plasmique, avec un taux d'échange entre les compartiments synaptiques et extrasynaptiques importants. Parmi les éléments structuraux qui peuvent réguler cette diffusion, un candidat de choix est le réseau gélatineux de protéines et de sucres qui entoure toutes les cellules, appelée matrice extracellulaire (MEC). Notre hypothèse est que les changements dans la structure et la composition de la MEC peuvent affecter la force de transmission à travers la synapse. Nous nous intéressons particulièrement aux interneurones à parvalbumine (PV) du cortex, un type de neurone spécialisé dans le contrôle et la coordination du flux d'information qui est enveloppé au cours du développement par une forme spécialisée de MEC, les réseaux périneuronaux (PNN). Dans le cortex visuel, la maturation des PNN sur les neurones à PV coïncide avec la fermeture de la période critique (PC) de plasticité synaptique. La PC est étudiée de manière approfondie dans des modèles in vivo et des coupes de cerveau. Cependant, il n'existe pas actuellement de modèle in vitro permettant d'identifier les mécanismes moléculaires sous-jacents de la PC dans la plasticité synaptique. Notre objectif est de caractériser un système in vitro qui permette l'étude des changements de plasticité dans l'innervation synaptique des neurones à PNN liés au développement et aux manipulations pharmacologiques. En utilisant le marqueur de PNN Wisteria floribunda agglutinine (WFA) dans les cultures primaires de neurones corticaux, on observe le même décours temporel de formation des PNNs autour les interneurones à PV qu'in vivo. De plus, les neurones à PNN présentent une densité synaptique plus importantes que les autres à des stades précoces en culture (8 DIV, 15 DIV), cette innervation accrue étant indépendante de l'intégralité physique du PNN. La protéine orthodenticle homeobox 2 (OTX2) est un modulateur bien caractérisé de la fenêtre de la période critique dans le cortex visuel. Dans notre modèle de culture, lorsque les neurones sont traités avec OTX2 de façon chronique les niveaux de PV sont augmentés, les PNNs apparaissent plus tôt que chez a contrôle, ce qui indique une maturation précoce de ces neurones. Dans ces conditions, les neurones à PNN montrent davantage de synases inhibitrices (marqués par la géphyrine), mais pas excitatrices (PSD95, Homer). Aucune différence n'est observée pour les neurones sans PNN. Ces résultats indiquent qu'OTX2 induit un développement précoce des neurones à PV en culture et augmente spécifiquement leur innervation inhibitrice. Nous avons ensuite investigué si des changements globaux dans l'activité du réseau neuronal avaient un effet vu les conséquences du traitement par OTX2. Après l'augmentation de l'activité via un protocole chimique, aucune différence du nombre de synapses excitatrices n'a été détectée dans les neurones traités par OTX2. Cependant, le nombre de synapses inhibitrices a retrouvé, lui, un niveau comparable à celui du contrôle sans OTX2. Ceci montre que l'effet d'OTX2 peut être manipulé par l'activité générale du réseau. Bien qu'aucun mécanisme n'ait été étudié ici, nos résultats suggèrent que l'implication d'OTX2 dans la régulation de la maturation des neurones à PV et de leur innervation synaptique, ainsi que dans la formation des PNNs, font des cultures corticales de souris traités par OTX2 un modèle in vitro approprié à l'étude de la plasticité synaptique pendant la période critique.

  • Titre traduit

    Extracellular matrix and synaptic plasticity


  • Résumé

    Efficient and precise communication requires synapses to be stable and adaptable. Although the organization and function of the synapse are extremely stable, the neurotransmitter receptors show a dynamic behaviour. They diffuse along the cell membrane to get in and out of the synapse at a highly dynamic rate. Among the structural elements that can regulate this diffusion, a candidate of choice is the gelatinous mesh of proteins and sugars that surrounds all cells, and termed the extracellular matrix (ECM). We hypothesize that changes in structure and composition of the ECM affect the strength of transmission across the synapse. We focused our interest on the parvalbumin (PV) interneurons in the cortex, a type of neuron specialized in the control and coordination of information flow that become enwrapped during maturation by a specialized form of ECM, the perineuronal nets (PNN). In the visual cortex, the maturation of PNNs on PV+ neurons coincides with the synaptic plasticity critical period closure. The CP is extensively studied in in vivo models and brain slices. However currently there is no in vitro model allowing to identify the underlying molecular mechanisms of CPs in synaptic plasticity. Our aim is to characterize an in vitro system that allows the study of maturity- and drug-dependent changes in synaptic innervation of PNN-enwrapped neurons. By using the PNN marker Wisteria floribunda agglutinin (WFA) in primary cultures of cortical neurons, immunocytochemistry results indicate that the formation of PNNs around PV+ interneurons recapitulates the in vivo situation. Moreover, PNN neurons show a higher density of synapses at early stages in culture (8 DIV, 15 DIV) that is not altered by enzymatic PNN degradation after Chondroitinase treatment. Orthodenticle homeobox 2 protein (OTX2) is a well-characterized modulator of the critical period window in the visual cortex. When neurons receive OTX2 chronically PV expression is increased and PNN formation is accelerated, indicating an earlier maturation of these neurons. In these conditions, PNN neurons show increased cluster numbers of the inhibitory postsynaptic marker gephyrin, while no difference is observed neither for non PNN neurons nor excitatory markers. These findings indicate that OTX2 induces an early maturation of PV+ neurons in culture, and increases their inhibitory input specifically. We next investigated whether changes in the general activity of the network modified the consequences of OTX2 treatment. Activity was increased with a chemical protocol. No difference was detected in OTX2-treated neurons after chemical induction regarding excitatory synapses. However, inhibitory synapse numbers were down-regulated and got back to control (no OTX2 condition) levels. Taken together, we conclude that the effect of OTX2 can be manipulated by the general activity of the network. Although no mechanism has been investigated here, our results suggest that given the implication of OTX2 in regulating PV expression and PNN maturation, as well as in synaptic innervation, the mouse cortical culture treated with OTX2 could serve as an in vitro model for critical period synaptic plasticity.