Soutenance de thèse de Gwenaëlle LAVERNE

Bien que peu nombreux, les interneurones cholinergiques (CINs) striataux sont la principale source d’acétylcholine du striatum, structure d’entrée du réseau des ganglions de la base (GB). Ces interneurones possèdent des caractéristiques morpho-fonctionnelles leur conférant un rôle critique dans les fonctions et les pathologies associées aux GB, dont la maladie de Parkinson (MP). In vivo, chez l’animal éveillé, ces neurones toniquement actifs répondent à des stimuli sensoriels prédisant une récompense par une inhibition synchrone de leur activité de décharge spontanée, qui disparait en condition de déplétion dopaminergique. Cette observation suggère que l’inhibition des CINs joue un rôle clef dans les apprentissages associatifs. Précédemment, l’équipe a montré l’importance des CINs dans un modèle de la MP chez la souris : leur optoinhibition améliore les déficits moteurs et normalise le patron d’activité des neurones de la structure de sortie des GB. L’objectif principal de mon travail de thèse a consisté à caractériser, au niveau cellulaire, les conséquences de cette inhibition dans le striatum. L’hypothèse de travail était que les CINs pourraient agir sur le transfert des informations corticales dans le réseau des GB via les voies striatofugales, dont le déséquilibre d’activité est au centre de l’expression des symptômes de la MP. Nous avons donc caractérisé les effets de l’optoinhibition des CINs sur la transmission synaptique entre le cortex et les neurones striataux de projection (aussi appelés medium spiny neurons, MSNs) à l’origine des voies directe et indirecte par lesquelles le striatum contrôle les sorties du réseau. Ces expériences ont été réalisées sur des tranches de striatum de souris transgéniques dans lesquelles les CINs expriment l’halorhodopsine et les deux populations de neurones de projection peuvent être distingués, en condition contrôle et dans un modèle lésionnel de la MP basé sur l’injection unilatérale de 6-hydroxydopamine (6-OHDA). L’impact de l’optoinhibition des CINs a été mesuré sur les potentiels postsynaptiques excitateurs (EPSPs) évoqués par la stimulation électrique des fibres corticales dans les MSNs directs et indirects. Nous montrons qu’en condition contrôle, l’optoinhibition brève de l’activité des CINs ne module pas la transmission corticostriée. En revanche, en condition de dénervation dopaminergique sévère (>70%), cette inhibition induit une augmentation significative de l’amplitude des EPSPs et ceci, spécifiquement dans les MSNs de la voie directe, qui est hypoactive en condition parkinsonienne. Cette potentialisation est sous-tendue par le récepteur muscarinique M4, spécifiquement exprimé par les MSNs de la voie directe, et met probablement en jeu la voie de signalisation dépendante de la protéine kinase A. Enfin, in vivo, l’inhibition chémogénétique de l’activité des CINs améliore les déficits d’apprentissage des souris 6-OHDA. Au-delà de ce travail principal, j’ai participé à un projet collaboratif montrant que la lumière bleue (470 nm), telle qu'elle est utilisée dans les expériences optogénétiques, diminue l'activité de cellules qui n'expriment pas d'opsine. Cet effet est observé dans des zones spécifiques du cerveau et est associé à une augmentation de la température des tissus conduisant à la génération d'un courant hyperpolarisant et à un changement de la forme du potentiel d'action. L’ensemble de ces travaux met en lumière la contribution des CINs dans le déséquilibre d'activité des voies striatofugales responsable des déficits moteurs de la MP et ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de stratégies thérapeutiques ciblant l'activité des CINs via le récepteur M4. Ces travaux soulignent également l'importance de réaliser des expériences contrôles lors de l’utilisation de l’optogénétique pour déterminer des paramètres de stimulation lumineuse n’entrainant pas d’effets aspécifiques pouvant biaiser l’interprétation des résultats.

Despite their low number, striatal cholinergic interneurons (CINs), are the main source of acetylcholine in the striatum, the main input structure of the basal ganglia network (BG). These interneurons have morpho-functional features that place them as critical players in striatal functions and basal ganglia-associated disorders, including Parkinson’s disease (PD). In vivo, in monkeys, CINs are thought to correspond to the “tonically active neurons” that exhibit a synchronous pause in their tonic firing in response to salient stimuli. This typical response disappears after dopaminergic depletion. This observation suggests that CIN inhibition play a critical role in associative learning. Previously, the team demonstrated the importance of CINs in a mouse model of PD: their optoinhibition improves motor deficits, normalizes the firing pattern of the neurons in the BG output structure and prolongs the inhibition component of the complex responses evoked in these neurons by cortical stimulation. My thesis work aims at characterizing, at the cellular level, the consequences of CIN inhibition in the striatum. Its driving hypothesis is that CINs could act on the transfer of cortical information within the BG network via an action on the striatofugal pathways, whose imbalanced activity is central to the expression of PD symptoms. We characterized the effects of CIN optoinhibition on synaptic transmission between the cortex and the striatal projection neurons (also named medium spiny neurons, MSNs) forming the direct and indirect pathways through which the striatum controls the BG outflow. These experiments were performed on striatal slices from transgenic mice, in which CINs express halorhodopsin and neurons of the direct and indirect pathways can be distinguished, in control condition and in a toxin-mediated PD model based on unilateral injection of 6-hydroxydopamine. The impact of CIN inhibition was measured on excitatory postsynaptic potentials (EPSPs) evoked by electrical stimulation of cortical fibers in direct and indirect MSNs. In control condition, we show that brief optoinhibition of CIN activity does not modulate corticostriatal transmission. In contrast, in severe dopaminergic depletion condition (> 70%), CIN optoinhibition induces a significant increase in EPSP amplitude specifically in MSNs of the direct pathway, which is known to be hypoactive in PD condition. This potentiation is mediated by M4 muscarinic receptors which are specifically expressed by MSNs of the direct pathway and probably involves protein kinase A-dependent pathway. Finally, in vivo, chemogenetic inhibition of CIN activity improves sensorimotor learning deficits observed in PD mice. Beyond this main work, I participated in a collaborative project showing that blue light (470 nm), as used in optogenetic experiments, decreases the activity of cells that do not express opsins. This effect is observed in specific areas of the brain and is associated with an increase in tissue temperature leading to the generation of a hyperpolarizing current and a change in the shape of the action potential. Altogether, these data highlight the contribution of CINs in the imbalanced activity of the striatofugal pathways responsible for PD motor deficits and open new perspective for the development of therapeutic strategies targeting CIN activity via M4 receptor. They also underlines the importance of carrying out control experiments to determine light stimulation parameters which do not lead to non-specific effects allowing an unbiased interpretation of results.