Soutenance de thèse de Aurélie FEKETE

Les neurones sont des cellules excitables qui sont hautement polarisées structurellement et fonctionnellement. L’excitabilité neuronale, c’est-à-dire la capacité à déclencher un (ou plusieurs) potentiel d’action (PA), est une propriété essentielle du neurone. A l’heure actuelle, il est largement accepté que le segment initial de l’axone (SIA) est le lieu de génération privilégié du PA. Il est, par conséquent, une cible efficace pour réguler l’excitabilité. Nous avons examiné l’effet de plusieurs facteurs sur le seuil de voltage du PA, qui est un paramètre de lecture direct de l’excitabilité. Bien que des travaux théoriques décrivent certains des paramètres contrôlant le seuil, la confirmation expérimentale est encore manquante. Dans la première partie de ma thèse, nous caractérisons l’impact de la résistance axiale entre le soma et le SIA (Ra) sur l’excitabilité. Les travaux théoriques indiquent qu’une augmentation de la Ra rend le neurone plus excitable, ce qui se caractérise par un abaissement du seuil de génération du PA. Nous confirmons la théorie par une approche expérimentale électrophysiologique. L’augmentation de la Ra par pincement du tronc axonal situé entre le soma et le SIA à l’aide de 2 pipettes, entraine un abaissement du seuil de génération du PA d’environ 4 mV. Inversement, la diminution de la Ra en remplaçant dans le milieu intracellulaire les ions gluconate par du chlore, qui ont une mobilité plus élevée, entraine un rehaussement du seuil de 2 mV environ. Dans les neurones corticaux, la Ra est donc un facteur clé de l’excitabilité. Dans une seconde partie, nous étudions le rôle des courants sodium et potassium sur le seuil de génération du PA. Selon la théorie, la conductance sodium (gNa) est un facteur élémentaire contrôlant le seuil du PA : plus gNa est faible, plus le seuil du PA est élevé. Expérimentalement, la diminution de gNa par de faibles concentrations de TTX entraine un rehaussement du seuil qui varie comme le logarithmique de gNa. De même l’abaissement du potentiel d’inversion du sodium élève le seuil du PA. En plus de la contribution de gNa sur le seuil, la théorie prédit que l’inactivation des NaChs module également le seuil du PA. La modulation de l’inactivation des NaChs par des variations de latence du PA ou par des changements du potentiel de maintien avant le déclenchement du PA entraine une dépolarisation du seuil du PA. Enfin, nous avons déterminé le rôle du courant potassique ID, un courant hyperpolarisant porté par les unités Kv1.1, connu pour diminuer le seuil d’émission du PA. Ce courant, largement oublié des modèles théoriques, a pourtant un rôle essentiel sur l’excitabilité neuronale. Expérimentalement, nous montrons que ID agit dans une fenêtre temporelle précise. Ce courant n’a pas d’effet pour de courtes latences, mais pour des latences longues, il diminue considérablement l’excitabilité neuronale, en abaissant le seuil du PA. En conclusion, cette thèse montre que la Ra, gNa, l’inactivation des canaux NaChs et les canaux Kv1.1 déterminent le seuil du PA et donc de l’excitabilité neuronale.

Neurons are excitable cells that are structurally and functionally highly polarized. The neuronal excitability, i.e. its capacity to trigger one (or several) action potential (AP), is an essential property of the neuron. Currently, it is largely accepted that the axon initial segment (AIS)represents the privileged place where AP is initiated. Consequently, it is an efficient target for excitability regulation. We examined the contribution of several factors on the AP threshold, which is a direct parameter to read the excitability. Despite the fact that theoretical studies describe some of the parameters controlling the threshold, the experimental confirmation is still missing. In the first part of my thesis, we characterized the impact of the axial resistance between the soma and the AIS (Ra) on excitability. Theoretical works indicate that a rise in Ra makes the neuron more excitable, which is characterized by a lowering in AP generation threshold. We confirm the theory by an electrophysiological experimental approach. Raising Ra by pinching the axonal trunk between the soma and AIS with 2 pipettes results in a lowering of the AP generation threshold of approximately 4 mV. Conversely, a reduction of Ra by replacing in the intracellular medium gluconate ions by chloride ions, which have a higher mobility, causes a threshold rise of about 2 mV. In cortical neurons, Ra is therefore a key factor of excitability. In a second part, we studied the role of sodium and potassium currents on the threshold for AP generation. According to the theory, the sodium conductance (gNa) is a basic factor controlling the AP threshold: the smaller the gNa, the higher the AP threshold. Experimentally, decreasing gNa by low concentrations of TTX results in threshold rise which varies as the logarithmic of gNa. Similarly, lowering the sodium inversion potential raises the AP threshold. In addition to the contribution of gNa to the threshold, the theory predicts that inactivation of NaChs also modulates the AP threshold. Modulation of inactivation of NaChs by varying the latency of spiking from the pulse onset or by changing the holding potential before spike induction depolarizes the AP threshold. Finally, we determined the role of the potassium current ID, a hyperpolarizing current carried by the Kv1.1 units, known to lower the threshold of AP emission. This current, largely forgotten by theoretical models, has nevertheless a key role on neuronal excitability. Experimentally, we show that ID acts in a precise time window. This current has no effect for short latencies, whereas for long latencies it considerably reduces neuronal excitability by lowering the AP threshold. In conclusion, this thesis shows that Ra, gNa, the inactivation of NaChs channels and the Kv1.1 channels determine the AP threshold and therefore the neuronal excitability.