Biophotonique et Physiopathologie des synapses

Nous étudions les mécanismes fondamentaux à l’échelle moléculaire et cellulaire qui contrôlent l’activité des synapses et la dynamique des circuits neuronaux dans le cerveau normal et pathologique.

Nous abordons cette problématique par des approches interdisciplinaires s’appuyant sur les expertises des physiciens et neurobiologistes qui la composent.

L’accent est mis sur l’utilisation de différentes techniques comme le suivi de particules individuelles, l’imagerie de super-résolution, la microscopie à fluorescence ou non linéaire, l’électrophysiologie, cultures primaires (neurones & glie), la biochimie des protéines, la biologie cellulaire et la biologie moléculaire, les méthodes analytiques de séparation (CE-LIF, LC) mais également le développement de nouveaux outils d’optogénétique et d’optopharmacologie. Nous menons nos recherches en particulier sur différents modèles murins de maladies neuropsychiatriques sur lesquelles nous travaillons comme la schizophrénie et les spectres autistiques ou neurodégénératives comme la maladie d’Alzheimer.

Nos objectifs sont plus précisément :

Comprendre le rôle des récepteurs glutamatergiques et notamment des récepteurs NMDA et de leurs co-agonistes dans la physiologie synaptique et les synaptopathies.
Décrypter le rôle des cellules gliales et en particulier des astrocytes dans l’intégration et le transfert des informations neuronales de la synapse aux réseaux neuronaux.
Mesurer le transport moléculaire intraneuronal en profondeur dans le cerveau de vertébrés, et explorer son lien éventuel avec le fonctionnement normal ou pathologique des synapses
Mettre au point de nouveaux outils optiques et nouvelles sondes fluorescentes pour les neurosciences : développement de nouvelles sondes pour la mesure de neurotransmetteurs et de nouvelles molécules photoactivables « photoswiches »

Notre ambition à terme est d’identifier de nouveaux mécanismes moléculaires et des approches pharmacologiques susceptibles d’aboutir à de nouvelles stratégies thérapeutiques pour un traitement plus efficace des maladies du cerveau.

Transport moléculaire intraneuronal en profondeur dans le cerveau de vertébrés

Nanoparticules non linéaire (vert), dans les axones (rouge) de neurones périventriculaires (noyaux en bleu) du cerveau de larves de poisson zèbre. Barre d’échelle : 10 µm. Crédit: M. Frétaud, INRAE, Jouy-en-Josas.

Nous avons mis au point une méthode à haut-débit et haut-contenu de mesure du transport endosomal dans les dendrites et axones de neurones. Cette méthode repose sur (i) l’internalisation spontanée par endocytose de nanoparticules optiquement actives (fluorescentes ou à réponse non-linéaire), (ii) le suivi simultané des déplacements d’endosomes ainsi marqués, à l’aide de la vidéo-microscopie à haute résolution spatio-temporelle, et (iii) la reconstruction de trajectoires à partir des positions successives de tous les nanotraceurs et en utilisant un pipeline d’analyse « maison ». Nous avons d’abord utilisé cette méthode pour démontrer, dans des neurones de souris en culture (in vitro), la perturbation du transport endosomal par des facteurs de risque génétique de maladies neuropsychiatriques, et nous l’étendons actuellement in vivo aux neurones du cerveau de larves de poisson zèbre (image ci-contre), en situation normale et pathologique. Cette approche sera ensuite combinée à l’imagerie de l’activité de circuits neuronaux.

Contact : François TREUSSART

Une technique alternative plus rapide (milliseconde) de suivi tridimensionnel du déplacement de nanoparticules en profondeur dans des tissus, utilisant l’holographie digitale, est également développée dans notre laboratoire.

Régulation fonctionnelle de la transmission et de la plasticité synaptique dans le contexte des maladies neurodégénératives

De nombreuses pistes de recherche relatives aux mécanismes du déclin cognitif lié à l’âge convergent vers la synapse glutamatergique du système nerveux central (SNC). Ce compartiment neuronal spécifique est impliqué dans la mémoire et l’apprentissage dans des zones centrales telles que l’hippocampe et le cortex préfrontal, et subit des altérations au cours du vieillissement pouvant être à l’origine des troubles mnésiques de la personne âgée. Mais cette synapse est également la cible précoce et de façon silencieuse durant de nombreuses années, de la protéine ß-amyloïde sous sa forme oligomérique soluble (Aßo). Cette protéine, produite de façon anormalement élevée au cours de la maladie d’Alzheimer (MA), se retrouve tardivement agrégée sous forme de plaques séniles, l’une des lésions cérébrales caractéristiques post-mortem de la pathologie avec les dégénérescences neurofibrillaires, liées à l’agrégation intracellulaire de protéine Tau anormalement phosphorylée et l’atrophie cérébrale signant la mort neuronale sévère.

Par le passé, notre recherche s’est concentrée sur l’étude des atteintes synaptiques fonctionnelles au cours du vieillissement dans des modèles murins de vieillissement naturel (rats âgés) et de MA (souris transgéniques). Nous avons ainsi mis en évidence des altérations des propriétés d’excitabilité des neurones hippocampiques, de la transmission synaptique glutamatergique, GABAergique et cholinergique au cours du vieillissement. Plus récemment, nous avons observé une dérégulation du glutamate extracellulaire, associée à une diminution d’expression des transporteurs du glutamate chez le rat âgé. Ces transporteurs, localisés sur les astrocytes, assurent la recapture du glutamate, permettant de maintenir ce neurotransmetteur à un niveau extracellulaire bas, de manière à éviter la sur-activation des récepteurs NMDA, éléments clefs de la plasticité synaptique, de l’apprentissage et de la mémoire, mais surtout inducteurs de mort neuronale en cas de stimulation prolongée.

Nos travaux ont permis de montrer qu’une dérégulation du glutamate ambiant était invariablement retrouvée dans les stades précoces du développement de la MA dans divers modèles murins déjà connus ou que nous avons nous-mêmes mis au point et caractérisés. Les connaissances de l’étiologie de la MA ont beaucoup progressé, et en particulier la découverte du caractère synaptotoxique de l’Aßo durant le stade asymptomatique, conduisent les chercheurs à travailler de plus en plus en amont dans le décours temporel de la maladie, afin d’envisager des pistes thérapeutiques avant que les premiers symptômes mnésiques, signes de l’irréversibilité de la maladie, ne s’expriment. Ainsi, nous avons démontré une altération de la forme des épines dendritiques chez l’homme mais également dans un modèle de souris MA, bien avant l’apparition des premiers signes fonctionnels d’atteinte synaptique (5).

Enfin, nous développons actuellement une collaboration avec l’équipe de JP Deslys et Frank Yates au CEA Paris-Saclay, qui met au point des organoïdes cérébraux dérivés de cellules souches humaines issues de patients Alzheimer. Sur ces « mini-cerveaux », nous allons évaluer les dysfonctionnements synaptiques sous-tendant les déficits cognitifs aux stades prodromiques de la MA. Nous espérons ainsi comprendre et modéliser l’évolution progressive de la MA, et déterminer comment et à quel stade il serait possible d’intervenir.

Contacts : Brigitte POTIER et Jean-Pierre-MOTHET