Soutenance de thèse de BRUNET Elena
Titre de thèse
Compréhension des mécanismes moléculaires et physiques sous-jacents aux stimulations ultrasonores des neurones sensoriels primaires
Unravelling the mechanisms underlying ultrasound stimulation of priimary sensory neurons.
Résumé de la thèse
Les neurones des ganglions dorso-rachidiens (DRG) présentent un large éventail de fonctions, tels que la perception du toucher, de la douleur et de la démangeaison. Ces neurones sont des cibles prometteuses pour la neuromodulation non invasive par ultrasons focalisés. Cependant, les mécanismes moléculaires et physiques sous-jacents aux stimulations ultrasonores des DRG sont à ce jour inconnus. Cette étude vise à explorer la stimulation directe de neurones sensoriels primaires individuels provenant des DRGs en combinant les ultrasons focalisés, l'imagerie calcique et le séquençage ARN de cellules uniques. Nous avons montré qu'un stimulus à 20 MHz pour une durée de 1 ms et une pression acoustique de 5 MPa permet d'activer 52% des DRG. Les données de séquençage ARN de cellules uniques ont également montré que parmi les neurones sensibles aux ultrasons, plus de la moitié sont des neurones exprimant la protéine GINIP (Gαi-interacting protein), correspondant à des mécanorécepteurs à bas seuil (C-LTMRs) exprimant la tyrosine Hydroxylase (TH) et des mécanorécepteurs à haut seuil (C-HTMRs) exprimant le récepteur MRGPRD. Ce résultat a été confirmé par l'utilisation d'un modèle de souris ginip. Les DRG sensibles (US+) et non sensibles (US-) aux ultrasons expriment des modules de gènes différents et sont associés à des voies moléculaires spécifiques telles que la réponse à la douleur pour les neurones US+ et l'organisation des fibrilles de collagène pour les neurones US-. L'imagerie ultra-rapide a révélé que la déformation cellulaire est concomitante à l'activation des DRG, suggérant que les forces mécaniques jouent un rôle majeur dans l'activation cellulaire. Nos résultats ont permis d'identifier les paramètres US permettant d'activer des sous-ensembles distincts de neurones DRG et ouvrent de nouvelles voies pour l'utilisation de la stimulation US afin de moduler la fonction des neurones DRG.
Thesis resume
Dorsal root ganglion (DRG) neurons have a wide range of functions, including touch, pain and itch. These neurons have emerged as promising targets for non-invasive focused ultrasound (FUS) neuromodulation. However, our knowledge of the molecular and physical mechanisms underlying FUS-evoked responses in DRG neurons is limited. This study aims to explore the direct stimulation of individual primary sensory DRG neurons by combining focused US, live-cell calcium imaging and single-cell RNA sequencing. We investigate the neuromodulatory capabilities of FUS in cultured DRG neurons in combination with calcium imaging. We find that a 20-MHz FUS burst of 1-ms duration at an acoustic pressure of 5 MPa elicited calcium responses in 52% of DRG neurons. Single-cell RNA sequencing reveals that the majority of FUS-sensitive neurons belong to two subsets of DRG neurons: the TH- expressing C low-threshold mechanoreceptors (C-LTMRs) and the MRGPRD-expressing C high-threshold mechanoreceptors (C-HTMRs), both of which belonging to the neurons expressing the Gαi-interacting protein (GINIP). This finding was further confirmed by using a ginip mouse model. Ultrasound-sensitive (US+) and -insensitive (US-) DRGs express different gene modules and are associated with specific molecular pathways such as pain response for US+ neurons and collagen fibril organization for US-neurons. FUS excites all the neuronal subtypes by membrane deformation, suggesting a mechanism mediated by mechanosensitive ion channels. Our results identify FUS parameters that activate distinct subsets of DRG neurons and open new avenues for using FUS stimulation to modulate DRG neuron function.