Étude de la structure et de la fonction de l'espace extracellulaire du cerveau à l'aide de la microscopie à super-résolution

Investigating the structure and function of brain extracellular space using super-resolution microscopy

• Auteur / Autrice : Agata Idziak
• Direction : Valentin Nägerl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 07/11/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Interdisciplinaire de Neurosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Giovanni Marsicano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sabina Hrabětová
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jan Tønnesen, Cordelia Imig

Mots clés

Mots clés contrôlés

Localisation cérébrale

Matrice extracellulaire

Espace extracellulaire du cerveau

Microscopie STED

Mots clés libres

Microscopie STED super-résolution

SUSHI

ECS

Fixation chimique

Calcium extracellulaire

GreenT

Super-resolution STED microscopy

SUSHI

ECS

Chemical fixation

Extracellular calcium

GreenT

Résumé

Les cellules cérébrales baignent dans un fluide appelé espace extracellulaire (ECS). Sa complexité structurelle et sa géométrie, avec des espaces intercellulaires de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres, présentent un défi pour visualiser et étudier l'ECS dans le tissu cérébral vivant. Notre technique SUSHI récemment établie permet de surmonter ce problème et d’imager cet espace avec une résolution nanométrique. Au cours de ma formation doctorale, j'ai caractérisé des outils innovant pour étudier l'ECS, ce qui m’a permis de révéler de nouvelles informations structurelles. Mon travail de doctorat a été divisé en trois projets, tous visant à étudier la structure et la fonction de l’ECS cérébral.(1) En utilisant l'approche SUSHI, j'ai étudié l'hétérogénéité de la structure de l’ECS à travers les couches de l’hippocampe, qui sont connues pour avoir une organisation cellulaire très spécifique. L'objectif de ce projet était d'aider à comprendre la nature hétérogène de la morphologie ECS. En effet, j'ai découvert que l'ECS varie en volume et en largeur à travers l'hippocampe. Cela pourrait à son tour conduire à rechercher si les différences régionales dans la structure ECS dans l'hippocampe pourraient soutenir les propriétés anatomiques et fonctionnelles uniques de chaque couche.(2) La fixation chimique conduit à un rétrécissement drastique de l'ECS, mais elle n'a été étudiée que dans le cadre de la microscopie électronique et à grande échelle. Avec l'aide de SUSHI, j'ai effectué une analyse systématique de l'impact de la fixation chimique sur la morphologie des tissus cérébraux. Les résultats ont révélé que la fixation chimique seule n'est pas la raison de ces effets dramatiques, vus par d'autres, car nous n'avons observé que des altérations structurelles mineures. (3) L'étude des signaux calciques dans l'ECS était autrefois un défi car tous les biocapteurs disponibles n'étaient pas conçus pour mesurer les concentrations d'ions avec une affinité milli-molaire. Ce projet visait à caractériser un nouvel outil, GreenT, permettant de capter la dynamique du calcium extracellulaire. J'ai testé avec succès ce capteur et en imageant ses signaux tout en mesurant l’activité électrophysiologique, j'ai pu détecter les fluctuations du calcium dans l’ECS lors de stimulation neuronale.

Every cell in the brain is embedded in a fluid called the extracellular space (ECS). Its structural complexity with intercellular gaps as narrow as ten nanometers, presents a challenge of visualizing the ECS in living brain tissue. Our recently established SUSHI technique overpasses this issue enabling to image the ECS with a nanoscale resolution. During my PhD training, I unveiled new structural information about ECS, as well as characterized novel tools to study it. My PhD work was divided into three projects, all aiming at investigating the structure and function of brain ECS. (1) Using the SUSHI approach, I studied the heterogeneity of ECS structure across hippocampal layers, which are known to have a very distinct cellular organization. My results show that ECS varies in volume and width across hippocampus, raising a question whether region-based differences in ECS structure in the hippocampus could support the unique anatomical as well as functional properties of each layer.(2) Chemical fixation leads to drastic shrinkage of ECS, yet it was only investigated in a context of electron microscopy. With help of SUSHI, I performed a systematic analysis of the impact of chemical fixation on brain tissue morphology. The results revealed only minor structural alteration, meaning that chemical fixation alone is not the reason for such dramatic effects. (3) Studying calcium signals in the ECS was a challenge since all available biosensors were not designed to measure ion concentrations with a millimolar affinity. Here, I characterized a novel tool, GreenT, to capture extracellular calcium dynamics. By imaging GreenT signals during electrophysiological stimulations, I was able to measure calcium fluctuations in the ECS upon neuronal activation. This is the beginning of applying this tool for physiology studies aiming at understanding the role of extracellular calcium.