Régulation du volume astrocytaire et implication dans le transport du flux cérébral

Astrocyte volume regulation and implication in brain flow transport

• Auteur / Autrice : Cuong Pham
• Direction : Dongdong Li
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 13/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Neurosciences Paris-Seine (2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Le Bihan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eirini Papagiakoumou, Gilles Bonvento
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carine Ali, Bruno Gasnier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Canaux calciques

Aquaporine 4

Astrocytes

Système glymphatique

Mots clés libres

Système glymphatique

Aquaporine

Imagerie

Calcium

Glymphatic system

Aquaporin

Imaging

Calcium

Résumé

Le transport du flux cérébral est médié par la circulation du liquide céphalo-rachidien (LCR). Ce processus joue un rôle important dans la fonction, donc la santé du réseau cérébral. Par exemple, il régule l'équilibre de la pression intracérébrale, la distribution dynamique des carburants énergétiques tels que le glucose et le lactate, et notamment pour l'élimination des molécules de déchets comme la bêta-amyloïde. La perturbation du transport du flux cérébral est reconnue comme un facteur grave aggravant des pathologies neurologiques comme la maladie d'Alzheimer. En tant que type majeur de cellules gliales, les astrocytes sont répartis dans tout le cerveau et stratégiquement situés entre le système vasculaire cérébral et le parenchyme cérébral. La découverte de l'implication critique des astrocytes dans le transport des fluides cérébraux a conduit à l'émergence du concept de système glymphatique. Il a été suggéré que la dynamique du volume des astrocytes, via la régulation du volume de l'espace extracellulaire, façonne le transport du flux cérébral. Le flux d'eau sous-tend la régulation du volume des astrocytes. Les astrocytes expriment le canal d'eau bidirectionnel Aquaporine 4 (AQP4) qui a été suggéré pour moduler le changement de volume des astrocytes. Cependant, le rôle exact de l'AQP4 dans la régulation du volume des astrocytes a été débattu, provoquant une controverse non résolue sur la compréhension mécaniste du transport des fluides cérébraux et du système glymphatique. Mon étude de doctorat discerne avec précision le rôle de l'AQP4 dans la régulation du volume des astrocytes dans des conditions basales et en réponse aux manipulations environnementales dans le parenchyme cérébral dans des modèles murins. Des approches interdisciplinaires ont été développées ou adoptées au cours de l'étude doctorale, notamment le ciblage chimiogénique in vivo des astrocytes, l'imagerie par fluorescence cellulaire ex vivo dans des tranches de cerveau aigu, l'enregistrement in vivo par fibrophotométrie chez des animaux en mouvement libre et par imagerie par résonance magnétique de diffusion (dfMRI). Les résultats obtenus (partie 1) conduisent à la découverte que l'AQP4 sculpte de manière tonique l'homéostasie du volume des astrocytes dans le parenchyme cérébral, dont la perturbation interfère de manière significative avec le transport des fluides cérébraux. Mon étude suivante (partie 2) a sondé les mécanismes potentiels impliqués dans les régulations dérégulées du volume des astrocytes dans des conditions pathologiques de bêta-amyloïde. Dans cette condition, une hyper-régulation de la signalisation calcique des astrocytes a été observée qui pourrait perturber la dynamique du volume des astrocytes dépendant de l'activité. La possibilité que le ciblage des astrocytes AQP4 in vivo pour moduler leur homéostasie volumique puisse faciliter la clairance amyloïde est testée dans un modèle murin de la maladie d'Alzheimer. Ensemble, ces résultats mettent en lumière le rôle fondamental de l'AQP4 dans le réglage du volume des astrocytes et donc de la voie extracellulaire du flux cérébral, aidant ainsi à concilier les aspects jusqu'ici débattus du système glymphatique et son implication dans la santé et les troubles neurologiques. Les connaissances scientifiques issues de mon doctorat ont également favorisé des travaux collaboratifs pour comprendre i) le remodelage de l'activité des astrocytes cérébraux dans les syndromes métaboliques associés à l'obésité.. Ces travaux ont permis de mettre en évidence l'importante participation des astrocytes au contrôle de la balance énergétique ; et ii) les mécanismes moléculaires sous-jacents au trafic des canaux ioniques récepteurs de puissance transitoire perméables au calcium. Ce travail suggère des cibles moléculaires testables pour interroger les mécanismes de signalisation du calcium dans les cellules nerveuses, y compris les astrocytes.

Brain flow transport is mediated by cerebrospinal fluid (CSF) circulation. This process plays important roles in the function, therefore the health of brain network. For instance, it regulates the intracerebral pressure equilibrium, dynamic distribution of energy fuels such as glucose and lactate, and notably for the removal of waste molecules like amyloid beta. Disturbance in brain flow transport is being recognized as a severe factor exacerbating neurological pathologies like Alzheimer’s disease.As a major type of glial cells, astrocytes are distributed throughout the brain and strategically located between cerebral vasculature and brain parenchyma. The discovery of the critical involvement of astrocytes in brain fluid transport has led to the emergence of the concept of the glymphatic system. It has been suggested that astrocyte volume dynamics, via regulating the volume of the extracellular space, shapes the brain flow transport. Water flux underlies astrocyte volume regulation. Astrocytes express the bidirectional water channel Aquaporin 4 (AQP4) that has been suggested to modulate astrocyte volume change. However, the exact role of AQP4 in astrocyte volume regulation has been debated, causing unresolved controversy on the mechanistic understanding of brain fluid transport and the glymphatic system. My PhD study acutely discerns the role of AQP4 in astrocyte volume regulation in basal conditions and in response to environmental manipulations in brain parenchyma in mouse models. Interdisciplinary approaches have been developed or adopted during the PhD study, including in vivo chemogenic astrocyte targeting, ex vivo cellular fluorescence imaging in acute brain slices, in vivo fiberphotometry recording in freely moving animals and by diffusion magnetic resonance imaging (dfMRI). The obtained results (Part 1) lead to the finding that AQP4 tonically sculpts astrocyte volume homeostasis in the brain parenchyma, perturbing of which significantly interferes with brain fluid transport. My following study (Part 2) probed the potential mechanisms implicated in the dysregulated astrocyte volume regulations in pathological beta amyloid conditions. In this condition, a hyper-regulation of astrocyte calcium signaling was observed that could disturb the activity-dependent astrocyte volume dynamics. The possibility that targeting astrocytes AQP4 in vivo to modulate their volume homeostasis might facilitate the amyloid clearance is tested in an Alzheimer’s disease mouse model. These results together shed light on the fundamental role of AQP4 in tuning astrocyte volume and therefore the extracellular route for brain flow, hence helping to reconcile the thus far debated aspects for glymphatic system and its implication in health and neurological disorders. The scientific knowledge from my PhD study has also fostered collaborative works for understanding i) brain astrocyte activity remodeling in obesity-associated metabolic syndromes. The results of this part contribute to the discovery that the calcium signaling of hypothalamic astrocytes undergoes heterogeneous remodeling in anatomically defined nuclei implicated in systemic metabolism regulation. This work has helped to delineate the important participation of astrocytes in energy balance control; and ii) the molecular mechanisms underlying the trafficking of calcium-permeable transient potention receptor ion channels. This work suggests testable molecular targets for interrogating the calcium signaling mechanisms in nervous cells including astrocytes.