Soutenance de thèse de MYLONAKI Konstantina
Titre de thèse
Rôle du récepteur sensible au calcium sur l'excitabilité neuronale et sa plasticité
Role of the calcium-sensing receptor on neuronal excitability and plasticity
Résumé de la thèse
La concentration de calcium externe ([Ca2+]e) dans le cerveau fluctue naturellement au travers des états physiologiques et pathologiques. Par exemple, [Ca2+]e diminue lors d'une activité neuronale intense et dans des conditions telles que l'épilepsie, tandis qu'elle augmente pendant le sommeil. De même, la concentration de magnésium extracellulaire [Mg2+]e fluctue également pendant le cycle veille/sommeil et est réduite pendant l'épilepsie. La réduction de [Ca2+]e ou de [Mg2+]e augmente l'excitabilité intrinsèque et abaisse le seuil du potentiel d'action (PA), mais le mécanisme sous-jacent reste obscur. Ici, nous confirmons que la réduction de [Ca2+]e augmente l'excitabilité intrinsèque et hyperpolarise le seuil du PA des neurones pyramidaux CA1. En revanche, la réduction de [Mg2+]e n'a aucun effet aux concentrations physiologiques (c'est-à-dire de 0,8 à 0,4 mM) mais augmente significativement l'excitabilité lorsqu'elle est diminuée à partir de niveaux supra-physiologiques (c'est-à-dire de 2,0 à 0,4 mM).
En utilisant des outils pharmacologiques et l'édition génique CRISPR/Cas9, nous identifions le récepteur sensible au calcium (CaSR) comme un médiateur clé de l'augmentation de l'excitabilité. L'agent calcilytique NPS-2143 imite et occulte en grande partie l'amélioration de l'excitabilité et l'hyperpolarisation du seuil de potentiel d'action induites par une faible [Ca2+]e. De plus, la régulation génétique à la baisse du CaSR produit des effets comparables. Les canaux ioniques impliqués dans le déplacement du seuil de PA induit par un faible taux de calcium incluent les canaux Kv1, Nav1.2 et, dans une moindre mesure, les canaux Nav1.6. Dans l'ensemble, nos résultats identifient le CaSR comme un lien crucial entre les niveaux de calcium extracellulaire et l'excitabilité neuronale intrinsèque, agissant en modulant les canaux Kv1 et Nav.
De brèves réductions des cations divalents (Ca²⁺/Mg²⁺ de 1,3/0,8 à 0,6/0,4 mM pendant 15-30 min) induisent une potentialisation à long terme de l'excitabilité intrinsèque (LTP-IE) dans les neurones pyramidaux de CA1. Cette plasticité nécessite CaSR, IP3R et CaMKII. La LTP-IE et la potentialisation synaptique (LTP) induites par un protocole de plasticité dépendante des interactions temporelles entre activités pré- et postsynaptiques (STDP, spike-timing-dependent plasticity) dépendent également de CaSR, car elles sont absentes dans les neurones CRISPR CaSR. Alors que l'activité synaptique excitatrice spontanée est réduite dans les neurones WT après la LTP induite par STDP, cette diminution est absente dans les neurones déficients en CaSR. Ces résultats soulignent le rôle crucial de CaSR dans la liaison des fluctuations ioniques extracellulaires aux changements de l'excitabilité neuronale et de la transmission en tant que mécanisme de rétroaction positive à long-terme.
Thesis resume
The extracellular calcium concentration ([Ca²⁺]ₑ) in the brain naturally fluctuates across physiological and pathological states. For example, [Ca²⁺]ₑ decreases during intense neuronal activity and in conditions such as epilepsy, while it increases during sleep. Similarly, the extracellular magnesium concentration [Mg²⁺]ₑ also fluctuates during the sleep-wake cycle and is reduced during epilepsy.
The reduction of [Ca²⁺]ₑ or [Mg²⁺]ₑ increases intrinsic excitability and lowers the action potential (AP) threshold, but the underlying mechanism remains obscure. Here, we confirm that reducing [Ca²⁺]ₑ increases intrinsic excitability and hyperpolarizes the AP threshold in CA1 pyramidal neurons. In contrast, reducing [Mg²⁺]ₑ has no effect at physiological concentrations (i.e., from 0.8 to 0.4 mM) but significantly increases excitability when decreased from supraphysiological levels (i.e., from 2.0 to 0.4 mM).
Using pharmacological tools and CRISPR/Cas9 gene editing, we identify the calcium-sensing receptor (CaSR) as a key mediator of the excitability increase. The calcilytic agent NPS-2143 mimics and largely occludes the excitability enhancement and AP threshold hyperpolarization induced by low [Ca²⁺]ₑ. Moreover, genetic knockdown of CaSR produces comparable effects. The ion channels involved in the low calcium-induced AP threshold shift include Kv1 channels, Nav1.2, and to a lesser extent, Nav1.6 channels. Overall, our results identify CaSR as a crucial link between extracellular calcium levels and intrinsic neuronal excitability, acting by modulating Kv1 and Nav channels.
Brief reductions in divalent cations (Ca²⁺/Mg²⁺ from 1.3/0.8 to 0.6/0.4 mM for 15-30 min) induce long-term potentiation of intrinsic excitability (LTP-IE) in CA1 pyramidal neurons. This plasticity requires CaSR, IP3R, and CaMKII. LTP-IE and synaptic potentiation (LTP) induced by a spike-timing-dependent plasticity (STDP) protocol also depend on CaSR, as they are absent in CRISPR CaSR neurons.
While spontaneous excitatory synaptic activity is reduced in wild-type (WT) neurons after STDP-induced LTP, this reduction is absent in CaSR-deficient neurons. These results highlight the crucial role of CaSR in linking extracellular ionic fluctuations to changes in neuronal excitability and transmission as a long-term positive feedback mechanism.