Soutenance de thèse de Arnaldo FERREIRA GOMES DA SILVA

L'hippocampe est une structure essentielle pour les processus d’apprentissage et la mémoire, y compris dans les sphères émotionnelles et des relations sociales. Le fonctionnement de ce circuit neuronal repose sur des interactions complexes entre cellules pyramidales glutamatergiques excitatrices et divers types d'interneurones GABAergiques inhibiteurs, dont on connait mal les rôles exacts car il est très difficile d'étudier in vivo la fonction inhibitrice issue d'interneurones spécifiques. L'altération des interactions synaptiques entre cellules pyramidales et interneurones de l'hippocampe est de plus à la base de nombreuses pathologies telles que l'épilepsie, l'autisme, ou la maladie d'Alzheimer. Ce travail de thèse porte sur le développement de la fonction inhibitrice périsomatique et sur les altérations du circuit hippocampique et du phénotype comportemental associés aux troubles neurodéveloppementaux chez la souris. Parmi les différents types d'interneurones, ceux dont l'axone projette sur les corps cellulaires (inhibition périsomatique) des cellules pyramidales sont particulièrement efficaces pour bloquer la décharge de potentiels d'action. C'est la raison pour laquelle on considère qu'ils jouent un rôle particulièrement important non seulement dans le codage de l'information (en contrôlant quelle cellule est en mesure ou non de décharger) mais aussi dans l'équilibre du circuit, pour éviter que l'excitation réciproque entre cellules pyramidales ne dégénère en crise d'épilepsie. L'efficacité de cette inhibition dite périsomatique dépend largement du gradient électrochimique des ions chlorure (Cl-), c'est à dire la combinaison entre le potentiel membranaire et la répartition des ions Cl- entre l'intérieur et l'extérieur du neurone cible. Or, ces paramètres ne cessent de changer au fil de l'activité neuronale, et il a même été démontré que le gradient Cl- pouvait s'inverser, générant un effet paradoxalement excitateur de la transmission GABAergique. Ce phénomène, qui participerait à la mise en place physiologique des circuits neuronaux immatures, est aujourd'hui également considéré comme une source majeure de dérèglement des circuits neuronaux dans diverses pathologies comme l'épilepsie, l'autisme ou la schizophrénie. Il s'agit donc d'un champ de recherche aux implications cliniques directes. La première et principale partie de ma thèse a consisté à l'évaluation de cette hypothèse par une nouvelle approche, directe et non invasive, dans les conditions naturelles, in vivo, qui n'avait pas été réalisée jusque-là par manque de solution technique adaptée. Sur la base d'enregistrements électrophysiologiques sophistiqués sur l'animal anesthésié ou en comportement, j'ai pu quantifier la transmission GABAergique périsomatique au cours du développement normal et sur plusieurs modèles de pathologies du spectre autistique et du retard mental (souris Vangl2-KO, Dp1Yey, FMR1-KO, BTBR, VPA). Mes résultats indiquent l'expression d'altérations inattendues de la transmission inhibitrice périsomatique dans ces conditions. Un autre objectif fondamental consiste à caractériser les altérations comportementales associées aux dysfonctionnements des circuits neuronaux. De nombreux tests standardisés sont couramment utilisés pour une évaluation rapide et efficace des principales composantes cognitives, motrices et émotionnelles, mais les progrès technologiques récents et l'intérêt croissant pour une description moins réductrice du comportement ont fortement contribué au développement d'une approche plus éthologique du phénotypage comportemental. Aussi, dans la 2e partie de ma thèse, j'ai contribué à la validation d'un nouveau dispositif de phénotypage comportemental qui permet, à travers la caractérisation fine des dynamiques temporelles des mouvements (toilettage, locomotion, rythmes cardio-respiratoires...), de détecter l'expression d'altérations motrices et émotionnelles dans les troubles neurodéveloppementaux.

The hippocampus is an essential structure for learning processes and memory, including emotional and social spheres. The functioning of this neuronal circuit is based on complex interactions between excitatory glutamatergic pyramidal cells and various types of inhibitory GABAergic interneurons. The precise roles performed by interneurons subtype is poorly understood because it is very challenging to study the inhibitory function of specific interneurons in vivo. Alterations of synaptic interactions between pyramidal cells and hippocampal interneurons also underlies many pathologies such as epilepsy, autism, or Alzheimer's disease. This thesis work focuses on the development of perisomatic inhibitory function and on alterations in the hippocampal circuit and behavioral phenotype associated with neurodevelopmental disorders in mice. Among the different types of interneurons, those whose axons project onto the cell bodies (perisomatic inhibition) of pyramidal cells are particularly effective in blocking action potentials of their target cells. This is the reason why they are considered to play an important role not only in the coding of information (by controlling which cell is able to discharge or not) but also in the balance of the circuit, to prevent reciprocal excitation between pyramidal cells from degenerating into epileptic seizure. The effectiveness of perisomatic inhibition depends directly on Cl- electrochemical gradient, i.e. the combination of the membrane potential and Cl- distribution across the membrane of the target neuron. However, these parameters are constantly changing during neuronal activity, and it has even been shown that the Cl- gradient can be reversed, resulting in paradoxically excitatory GABAergic transmission. This phenomenon, which contribute to the development of immature neuronal circuits, is also considered to be a major source of disruption of neuronal circuits in various pathologies such as epilepsy, autism or schizophrenia. It is therefore a field of research with direct clinical implications. The first and main part of my thesis consisted in the evaluation of this hypothesis by a new approach, direct and non-invasive, in natural conditions, in vivo, which had not been carried out until now due to the lack of suitable technical solution. On the basis of sophisticated electrophysiological recordings on anaesthetised or behaving animals, I was able to quantify perisomatic GABAergic transmission during normal development and in several models of autism spectrum disorders and mental retardation (Vangl2-KO, Dp1Yey, FMR1-KO, BTBR, VPA mice). My results indicate the expression of unexpected alterations in perisomatic inhibitory transmission under these conditions. Another fundamental goal is to characterise the behavioural alterations associated with neural dysfunction. Many standardised tests are commonly used for a quick and efficient evaluation of the main cognitive, motor and emotional components, but recent technological advances and the growing interest in a less reductive description of behaviour have strongly contributed to the development of a more ethological approach of behavioural phenotyping. Thus, in the second part of my thesis, I contributed to the validation of a new behavioural phenotyping device that allows, through the fine characterisation of temporal dynamics of movements (grooming, locomotion, cardio-respiratory rhythms...), to detect the expression of motor and emotional alterations in neurodevelopmental disorders.