Soutenance de thèse de GRANIOU Juliette
Titre de thèse
Modulation cholinergique striatale des neurones épineux de projection (SPN) : rôle dans les comportements répétitifs liés aux TSA
Striatal cholinergic modulation of spiny projection neurons (SPNs): role in ASD-related repetitive behaviors.
Résumé de la thèse
Des altérations du système cholinergique cérébral ont été mises en évidence dans plusieurs troubles neurodéveloppementaux tels que les troubles du spectre de l'autisme (TSA). Le diagnostic des TSA, dont l'incidence est d'environ 1 à 2%, repose sur des critères comportementaux dans deux domaines : d'une part des déficits d'interactions sociales et de la communication, et d'autre part des comportements répétitifs et des champs d'intérêt restreints. Les TSA sont d'origine génétique et/ou environnementale. Parmi les gènes de susceptibilité, les travaux des équipes des deux directeurs de thèse ont permis d'identifier TSHZ3, codant pour le facteur de transcription TSHZ3, dont l'haploinsuffisance est liée à un trouble rare du développement neurologique associé aux TSA.
De nombreuses études montrent une implication des interneurones cholinergiques (cholinergic interneurons, CINs) du striatum dans les comportements répétitifs associés ou non aux TSA. Les CINs représentent 1 à 2% de la population totale striatale, et constituent la principale source d'acétylcholine (ACh) dans cette structure ainsi que dans le cerveau. Les CINs sont des régulateurs clés de la circuiterie striatale et sont impliqués dans les actions dirigées vers un but, l'attention, la formation des habitudes et la flexibilité comportementale. Notamment, ils modulent l'excitabilité des principaux neurones du striatum, les neurones épineux de projection (spiny projection neurons, SPNs), qui représentent 95% des neurones de cette structure.
Dans le striatum chez la souris, tous les CINs expriment Tshz3, alors qu'il n'est pas exprimé par les SPNs. Grâce à notre modèle de délétion conditionnelle de Tshz3 dans les neurones cholinergiques (modèle Chat-cKO), il a été mis en évidence une réduction drastique de l'activité de décharge spontanée des CINs, associée à des comportements répétitifs. Ces données suggèrent que le dysfonctionnement des CINs sous-tendrait le phénotype particulier de ces souris et identifient ces neurones comme des acteurs clés dans les comportements répétitifs.
Dans ce contexte, le 1er objectif de cette thèse est de caractériser si la diminution de l'activité des CINs chez les souris Chat-cKO entraine une diminution du tonus cholinergique striatal, et d'étudier si et comment cela affecte l'excitabilité des SPNs, perturbant ainsi les circuits synaptiques du striatum et sa sortie fonctionnelle. Le 2e objectif est de cibler le système cholinergique par un traitement pharmacologique, afin de compenser la baisse d'activité des CINs et ainsi atténuer les comportements répétitifs.
Afin de quantifier le tonus cholinergique striatale, nous avons analysé le niveau d'expression d'un marqueur de l'activité des CINs, le transporteur vésiculaire de l'ACh (VAChT). Nous avons aussi étudié la modulation cholinergique au niveau des SPNs en utilisant des composés ciblant les récepteurs muscariniques M1 et M4 exprimés par ces neurones. Nos résultats montrent que la perte de Tshz3 dans les CINs entraine effectivement une baisse du tonus cholinergique striatale, avec une réduction plus prononcée dans les striosomes par rapport à la matrice. Cela altère spécifiquement l'excitabilité des SPNs de la voie directe exprimant les récepteurs dopaminergiques de type D1, qui présentent une excitabilité augmentée, alors que ceux de la voie indirecte, exprimant les récepteurs D2 ne semblent pas être affectés.
En parallèle, nous avons testé un traitement aigu avec le donépézil, un inhibiteur de l'acétylcholinestérase, afin d'augmenter le tonus cholinergique. Nos résultats montrent une réduction des comportements répétitifs observés chez les souris Chat-cKO, alors que ce composé n'affecte pas le comportement des animaux contrôles.
Ces résultats mettent en évidence le rôle central de la modulation cholinergique des SPNs dans les comportements répétitifs et suggèrent que le système cholinergique pourrait constituer une cible thérapeutique de choix dans les TSA.
Thesis resume
Alterations of the cerebral cholinergic system have been identified in several neurodevelopmental disorders such as autism spectrum disorders (ASD). The diagnosis of ASD, whose incidence is approximately 1 to 2%, is based on behavioral criteria in two domains: on the one hand deficits in social interactions and communication, and on the other hand repetitive behaviors and restricted fields of interest. ASD can have genetic and/or environmental origin. Among the susceptibility genes, research teams' work has identified the TSHZ3 gene, whose haploinsufficiency is linked to a rare neurodevelopmental disorder associated with ASD.
Several studies show the involvement of cholinergic interneurons (CINs) of the striatum in repetitive behaviors associated or not with ASD. CINs represent 1 to 2% of the total striatal population and constitute the main source of acetylcholine (ACh) in this structure as well as in the brain. They are key regulators of striatal circuitry and play a pivotal role in goal-directed actions, attention, habit formation and behavioral flexibility. Notably, they modulate the excitability of the principal neurons of the striatum, the spiny projection neurons (SPNs), which represent 95% of the neurons in this structure.
In the mouse striatum, all CINs express Tshz3, whereas it is not expressed by SPNs. Using our model of conditional deletion of Tshz3 in cholinergic neurons (Chat-cKO model), a drastic reduction in spontaneous CIN firing activity associated with repetitive behaviors has been demonstrated. These data suggest that CIN dysfunction underlies the phenotype of these mice and identify these neurons as key actors in repetitive behaviors.
In this context, the 1st objective of this thesis is to characterize whether the reduced CIN activity in Chat-cKO mice leads to a decreased striatal cholinergic tone, and to study whether and how this affects SPN excitability, thereby disrupting striatal synaptic circuits and functional output. The 2nd objective is to target the cholinergic system with pharmacological treatment to compensate for the reduced CIN activity and thus attenuate repetitive behaviors.
To quantify striatal cholinergic tone, we analyzed the expression level of a marker of CIN activity, the vesicular acetylcholine transporter (VAChT). We also studied the cholinergic modulation of SPNs using compounds targeting muscarinic M1 and M4 receptors expressed by these cells. Our results show that the loss of Tshz3 in CINs actually leads to a decrease in striatal cholinergic tone, with a more pronounced reduction in striosomes compared to the matrix. This specifically alters the excitability of direct pathway SPNs expressing dopamine D1 receptors, which display increased excitability, whereas those of the indirect pathway expressing D2 receptors do not appear to be affected.
In parallel, we tested an acute treatment with donepezil, an acetylcholinesterase inhibitor, to increase cholinergic tone. Our results show a reduction in repetitive behaviors observed in Chat-cKO mice, whereas this compound has no effect in controls.
These results highlight the central role of cholinergic modulation of SPNs in repetitive behaviors and suggest that the cholinergic system could represent a therapeutic target in ASD.