Soutenance de thèse de MUSELLA MARIA LAURA
Titre de thèse
Modulation des Dynamiques du Microcircuit de l'Aire CA1 Hippocampique par la Somatostatine : Physiologie et Épilepsie
Somatostatin-Mediated Modulation of Hippocampal CA1 Microcircuit Dynamics: Physiology and Epilepsy
Résumé de la thèse
La somatostatine (SST) est un neuropeptide exprimé dans plusieurs sous-types d'interneurones GABAergiques hippocampiques, notamment les interneurones Oriens-Lacunosum Moleculare (O-LMs), qui reçoivent des entrées glutamatergiques des cellules pyramidales dans le stratum oriens et projettent leur axone inhibiteur vers les dendrites apicales des neurones pyramidaux dans le stratum lacunosum moleculare. La SST exerce son rôle physiologique via cinq récepteurs couplés aux protéines G (SSTRs) (SST1–5) et, dans l'hippocampe, elle est connue pour inhiber l'excitabilité ainsi que la transmission synaptique excitatrice des neurones pyramidaux. Cependant, les conditions précises permettant la libération de SST et ses effets modulateurs sur le microcircuit cellule pyramidale de CA1/O-LM restent mal définis. Nous montrons ici qu'en présence d'un antagoniste des récepteurs GABAA, un seul O-LM de CA1, lorsqu'il décharge à une fréquence supérieure à 20 Hz, peut inhiber l'excitabilité d'un neurone pyramidal ou d'un autre O-LM. Cette inhibition est supprimée par la cyclo-SST, un antagoniste des SSTRs, et elle est absente lorsque l'O-LM est situé à plus de 150 µm du neurone pyramidal ou à plus de 100 µm de l'autre O-LM. Les O-LMs expriment les SSTRs et, lorsqu'ils déchargent à plus de 20 Hz, ils peuvent également inhiber leur propre excitabilité par signalisation autocrine. L'application exogène de SST inhibe de manière transitoire la transmission synaptique excitatrice et l'excitabilité intrinsèque des O-LMs via SST1 et SST2, respectivement. Cette inhibition transitoire devient soutenue lorsque l'endocytose clathrine-dépendante des SSTRs est bloquée. Le blocage des SSTRs réduit les réponses médiées par les récepteurs NMDA, empêche l'induction d'une potentialisation à long terme synaptique et intrinsèque dans les neurones pyramidaux, et diminue la cohérence des oscillations thêta. Ces résultats révèlent que la SST libérée par les O-LMs constitue un mécanisme modulateur inhibiteur supplémentaire qui renforcerait l'inhibition transitoire médiée par le GABA. De plus, bien que la SST possède une forte action antiépileptique, son usage thérapeutique est limité par sa faible perméabilité à la barrière hémato-encéphalique, sa dégradation rapide, l'internalisation de ses récepteurs et leur large distribution tissulaire. Pour pallier ces problèmes, nous avons conçu des peptides amphiphiles à la SST (SST-PAs) et nous avons évalué leur impact in vitro sur l'excitabilité des neurones pyramidaux de CA1 et l'activité épileptiforme. Nous montrons ici que les SST-PAs, contrairement à la SST-14 libre, réduisent l'excitabilité des neurones pyramidaux de CA1 et suppriment les décharges épileptiformes induites par la picrotoxine chez les rats Wistar. De plus, chez les souris épileptiques LGI1-KO, les SST-PAs normalisent l'hyperexcitabilité de base et diminuent les événements épileptiformes spontanés. Ces résultats montrent que les SST-PAs restaurent l'efficacité antiépileptique de la SST, offrant une stratégie pour rétablir le contrôle inhibiteur dans l'épilepsie.
Thesis resume
Somatostatin (SST) is a neuropeptide expressed in several hippocampal GABAergic interneuron subtypes, notably Oriens-Lacunosum Moleculare interneurons (O-LMs) receiving glutamatergic input from pyramidal cells in the stratum oriens and projecting their inhibitory axon to the apical dendrites of pyramidal neurons in the stratum lacunosum moleculare. SST exerts its physiological role through 5 G protein-coupled receptors (SST1-5) and in the hippocampus is known to inhibit both neuronal excitability and excitatory synaptic transmission in principal neurons. However, the precise conditions enabling SST release and its modulatory effects on the hippocampal CA1 pyramidal cell/O-LM interneuron microcircuit remain poorly defined. We show here that, in the presence of GABAA receptor antagonist, single CA1 O-LM interneurons, firing at frequencies above 20 Hz, can inhibit the excitability of a pyramidal neuron or of another O-LM interneuron. This inhibition is suppressed by the SST receptor antagonist cyclo-SST and is absent when the O-LM interneuron is located more than 150 µm from the pyramidal cell or 100 µm from the other O-LM interneuron. O-LMs do express SST receptors and when they fire at frequencies above 20 Hz, they are also able to inhibit their own excitability according to an autocrine signalling. Exogeneous application of SST transiently inhibits excitatory synaptic transmission and intrinsic excitability in O-LM interneurons through SST1 and SST2, respectively. Notably, this transient inhibition became sustained when clathrin-dependent endocytosis of SST receptors was blocked. Blocking of SST receptors reduced NMDA receptor-mediated responses, prevented induction of both synaptic and intrinsic potentiation in pyramidal neurons and reduced the coherence of theta oscillations. These findings reveal that SST released by O-LM interneurons constitutes an additional inhibitory mechanism, modulating both synaptic excitation and intrinsic excitability beyond the transient inhibition mediated by GABA release. Additionally, SST has a strong anticonvulsant action, yet its therapeutic use is limited by difficulties to pass the BBB, rapid degradation, receptor internalization and broad tissue distribution. To get around the problem, we engineered peptide amphiphile nanocarriers encapsulating SST-14 (SST-PAs) to enhance stability and provide sustained SST release and we assessed their impact in vitro on hippocampal CA1 pyramidal neurons excitability and epileptiform activity. We provide evidence here that SST PAs, but not free SST-14, reduced action potential firing in CA1 pyramidal neurons and suppressed picrotoxin-induced epileptiform discharges in Wistar rats. Moreover, in epileptic LGI1-KO mice, PA-SST normalized baseline hyperexcitability and decreased spontaneous epileptiform events. These findings demonstrate that SST-PAs restores SST anticonvulsant efficacy, offering a nanotechnology-based strategy to re-establish inhibitory control in epilepsy and potentially other disorders linked to interneuron loss and excitatory–inhibitory imbalance.