Etude in vivo de la région mésencéphalique locomotrice et des neurones réticulospinaux vsx2+ sous-tendant la locomotion spontanée chez le poisson zèbre

In vivo investigation of the mesencephalic locomotor region and vsx2+ reticulospinal neurons underlying spontaneous locomotion in zebrafish

• Auteur / Autrice : Mathilde Lapoix
• Direction : Claire Wyart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences et troubles neuronaux
• Date : Soutenance le 20/06/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut du cerveau (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Legay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Legay, Tatiana Deliagina, Dimitri Ryczko, Volker Bormuth
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tatiana Deliagina, Dimitri Ryczko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Générateurs centraux de rythme

Tronc cérébral

Danio rerio

Locomotion

Vertébrés

Mots clés libres

Locomotion

Tronc cérébral

Poisson zèbre

Contrôle moteur

Neurones V2a

Vsx2

Région mésencéphalique locomotrice

Neurones réticulospinaux

Locomotion

Brainstem

Zebrafish

Motor control

V2a neurons

Vsx2

Mesencephalic locomotor region

Reticulospinal neurons

Résumé

En l'absence de stimuli sensoriels directs, les animaux doivent continuer de se déplacer dans leur environnement afin de satisfaire leurs besoins vitaux. Les vertébrés utilisent des modalités de locomotion très différents, mais le substrat neuronal qui génère le rythme et la coordination de ces comportements moteurs est très conservé. Dans le tronc cérébral des vertébrés, ces commandes sont envoyées par la région mésencéphalique locomotrice (MLR), qui contrôle la locomotion par ses projections sur les neurones réticulospinaux (RSNs), qui, en retour, contacte et commande directement les circuits spinaux effecteurs de la locomotion. Tandis que ces circuits spinaux générant le rythme et le schéma moteur produisant la locomotion sont largement identifiés, la nature des RSNs recrutés par le MLR pour initier et moduler la locomotion spontanée reste imprécise, en partie dû à la difficulté d’accès et l’hétérogénéité de ces systèmes. Dans cette étude, nous prenons avantage du modèle de la larve du poisson zèbre, optiquement et génétiquement accessible, pour examiner le recrutement d’une population de RSNs exprimant le facteur de transcription vsx2, aussi appelés V2a RSNs, durant la nage spontanée et induite par la stimulation du MLR. Comme la MLR restait à définir chez le poisson zèbre, nous avons d'abord combiné plusieurs approches pour définir fonctionnellement et anatomiquement la MLR chez le poisson zèbre. Nous avons défini la MLR comme une petite région située médianement et dorsalement du locus cœruleus. Nous avons découvert que la MLR dirige et module spécifiquement la durée ainsi que la fréquence de la locomotion vers l’avant, en recrutant un groupe spatialement défini de V2a RSNs, situé dans la médulla. Ces V2a agissent comme des neurones de maintien de la locomotion et de contrôle de la vitesse. Pour étudier comment la population complète des neurones V2a encodent la cinétique de la locomotion à, nous avons construit un microscope à feuille de lumière oblique, permettant l'enregistrement de tous les neurones V2a dans le tronc cérébral simultanément pendant un seul et même événement locomoteur. En utilisant l'imagerie calcique volumétrique à haute vitesse enregistrée sur ce microscope à feuille de lumière oblique, nous avons révélé qu'un groupe similaire de neurones V2a dans la médulla est recruté pendant la locomotion spontanée vers l’avant. Nos résultats révèlent, pour la première fois chez un vertébré, l'identité génétique et le motif d’activité des RSNs recrutés par le MLR pour exécuter le maintien et le contrôle de la vitesse de la locomotion spontanée vers l’avant.

In the absence of direct sensory stimuli, animals still need to locomote to explore their environment in order to fulfil internal needs. The circuits underlying spontaneous locomotion are highly conserved in vertebrates. In the brainstem, the mesencephalic locomotor region (MLR) recruits the descending reticulospinal neurons (RSNs) to initiate and control spontaneous locomotion. However, the organization of brainstem circuits remains obscure due to the heterogeneity and difficulty to access these systems in actively moving animals. We leverage the optically and genetically accessible larval zebrafish to investigate the recruitment of a genetically-defined population of RSNs conserved across vertebrates, referred to as V2a RSNs, during MLR-induced and spontaneous locomotion. As the MLR remained to be defined in zebrafish, we first combined multiple approaches to functionally and anatomically define the MLR in larval zebrafish as a small region medial and dorsal to the locus cœruleus. We found that the MLR specifically drives and modulates the duration and frequency of forward locomotion by recruiting a spatially defined cluster of V2a RSNs in the medulla that act as "maintain and speed control” neurons. To investigate how the V2a neurons encode kinematics of locomotion at the population scale, we built a tilted light-sheet microscope allowing the recording of all V2a neurons in the brainstem simultaneously during a single locomotor event. Using high-speed volumetric calcium imaging recorded on this titled light-sheet microscope, we revealed a similar cluster of V2a neurons in the medulla is recruited during spontaneous forward locomotion. Our results unravel, for the first time in a vertebrate, the genetic identity and activity pattern of RSNs recruited by the MLR to execute maintenance and speed control of forward, spontaneous locomotion.