3 Résultats
3.6 Caractéristiques d’interaction chez les souris APP/PS1 hétérozygotes
L’analyse des caractéristiques d’interaction n’a révélé aucun changement pour le nombre total de contacts effectués sur les somas et pour la fraction entre les contacts soma-soma et soma-process entre les souris WT (SOM+ : n = 98 cellules / 12 sections / 3 souris ; PV+ : n = 88 / 12 sections / 3 souris) et les souris hétérozygotes (SOM+ : n = 70 cellules / 12 sections / 3 souris ; PV+ : n = 75 cellules / 12 sections / 3 souris ; p > 0.05, test de Mann-Whitney ; Fig. 15A). L’aire d’interaction pour les contacts soma-soma n’a pas changé chez les deux sous-types d’interneurones (SOM+ : WT = 39.19 µm2 ± 2.77 µm2 ; n = 15 cellules sur 98 / 10 sections sur 11 / 3 souris, APP/PS1 = 31.10 µm2
± 4.63 µm2 ; n = 14 cellules sur 70 / 6 sections sur 11 / 3 souris ; PV+ : WT = 19.34 µm2 ± 3.71 µm2
; n = 12 cellules sur 88 / 7 sections sur 12 / 3 souris, APP/PS1 = 22.72 µm2 ± 11.80 µm2 ; n = 4
cellules sur 75 / 4 sections sur 12 / 3 souris ; p > 0.05, test t non-apparié de Student et test de Mann- Whitney ; Fig. 15B, gauche) ainsi que pour l’aire d’interaction des contacts soma-process chez les cellules SOM+ (WT = 6.07 µm2 ± 0.52 µm2 ; n = 98 cellules / 12 sections / 3 souris, APP/PS1 = 7.53
µm2 ± 0.96 µm2 ; n = 67 cellules sur 70 / 11 sections / 3 souris ; p > 0.05, test de Mann-Whitney ;
Fig. 15B, droite). En revanche, les interneurones exprimant la PV chez les souris hétérozygotes montrent une surface d’interaction des contacts soma-process plus grande (WT = 7.92 µm2 ± 0.65
µm2 ; n = 85 cellules sur 88 / 12 sections / 3 souris, APP/PS1 = 9.70 µm2 ± 0.69 µm2 ; n = 72
cellules sur 75 / 12 sections / 3 souris ; p < 0.05, test de Mann-Whitney ; Fig. 15B, droite). Le test de corrélation de Pearson a révélé une tendance chez les souris hétérozygotes vers une augmentation de la corrélation positive entre l’aire d’interaction avec les dendrites et la distance à partir du soma, mais aucun changement significatif lorsque les deux conditions étaient comparées (Fig. 15C) autant chez les cellules SOM+ (WT : r = 0.1520, n = 183 interactions sur 208 ; APP/PS1 : r = 0.2986, n = 146 interactions sur 165 ; p > 0.05, test d’homogénéité) que chez les cellules PV+ (WT : r = 0.0087, n = 72 interactions sur 83 ; APP/PS1 : r = 0.3133, n = 75 interactions sur 87 ; p > 0.05, test d’homogénéité). Finalement, pour les contacts dendritiques, nos résultats montrent qu’il n’y a pas de différence dans la distance à partir du soma où une interaction était détectée (SOM+ : WT = 17.61 µm ± 1.16 µm, APP/PS1 = 20.83 µm ± 1.52 µm ; PV+ : WT = 28.48 µm ± 2.80 µm, APP/PS1 = 31.11 µm ± 2.82 µm ; p > 0.05, test de Mann-Whitney) et pour l’aire d’interaction (SOM+ : WT = 1.14 µm2 ± 0.08 µm2, APP/PS1 = 1.04 µm2 ± 0.09 µm2 ; PV+ : WT = 0.73 µm2 ± 0.09 µm2, APP/PS1 =
sections sur 12 / 3 souris, APP/PS1 : n = 74 dendrites / 48 cellules sur 70 / 11 sections / 3 souris ; PV+ : WT : n = 45 dendrites / 32 cellules sur 88 / 10 sections sur 12 / 3 souris, APP/PS1 : n = 44 dendrites / 25 cellules sur 75 / 10 sections sur 12 / 3 souris ; Fig. 15D). Collectivement, ces résultats suggèrent que la grande majorité des caractéristiques des interactions structurelles entre les interneurones et la microglie ne changent pas dans des conditions pathologiques de type Alzheimer. Par contre, les données indiquent que les pseudopodes microgliaux, d’épaisseur similaire dans les deux conditions, faisaient des contacts de plus grande taille sur les interneurones exprimant la PV. Cela suggère qu’il y aurait un contrôle plus élevé de ces interneurones par la microglie pendant la maladie d’Alzheimer.
(A) (haut) Diagrammes circulaires représentant la fraction des interactions soma-soma et soma-process et (bas) nombre total d’interactions et des interactions soma-soma et soma-process chez les souris hétérozygotes ; les barres représentent la moyenne ± SE (SOM+ : n = 70 cellules / 11 sections / 3 souris ; PV+ : n = 75 cellules / 12 sections / 3 souris). (B) Aire d’interaction (µm2) pour les interactions soma-soma
(gauche ; SOM+ : WT : n = 15 cellules sur 98 / 10 sections sur 11 / 3 souris, APP/PS1 : n = 14 cellules sur 70 / 6 sections sur 12 / 3 souris ; PV+ : WT : n = 12 cellules sur 88 / 7 sections sur 12 / 3 souris, APP/PS1 : n = 4 cellules sur 75 / 4 sections sur 12 / 3 souris) et pour les interactions soma-process (droite ; SOM+ : WT : 98 cellules / 12 sections / 3 souris, APP/PS1 : n = 67 cellules sur 70 / 11 sections / 3 souris ; PV+ : WT : n = 85 Figure 15. Comparaison des paramètres d’interaction entre les souris WT et APP/PS1 hétérozygotes.
cellules sur 88 / 12 sections / 3 souris, APP/PS1 : n = 72 cellules sur 75 / 12 sections / 3 souris) ; les barres représentent la moyenne ± SE tandis que les cercles ouverts représentent les valeurs individuelles de cellules individuelles. (C) Corrélation entre l’aire d’interaction et la distance à partir du soma pour les contacts dendritiques ; les cercles ouverts représentent les valeurs individuelles d’interactions individuelles tandis que les droites représentent les courbes de tendance linéaire pour les souris WT (noire) et APP/PS1 (rouge) (SOM+ : WT : n = 183 interactions sur 208, APP/PS1 : n = 146 interactions sur 165 ; PV+ : WT : n = 72 interactions sur 83, APP/PS1 : n = 75 interactions sur 87). (D) (gauche) distance (µm) à partir du soma d’un interneurone des dendrites et de l’endroit où une interaction était détectée, (droite) aire d’interaction (µm2) des
contacts dendritiques ; les barres représentent la moyenne ± SE tandis que les cercle ouverts représentent les valeurs individuelles de dendrites individuelles (SOM+ : WT : n = 118 dendrites / 63 cellules sur 98 / 10 sections sur 12 / 3 souris, APP/PS1 : n = 74 dendrites / 48 cellules sur 70 / 11 sections / 3 souris ; PV+ : WT : n = 45 dendrites / 32 cellules sur 88 / 10 sections sur 12 / 3 souris, APP/PS1 : n = 44 dendrites / 25 cellules sur 75 / 10 sections sur 12 / 3 souris).
4. Discussion
L’objectif de cette étude était d’évaluer les contacts physiques entre la microglie et les interneurones exprimant la SOM et ceux exprimant la PV et de proposer un rôle de ces interactions dans la pathogénèse de la maladie d’Alzheimer. Pour ce faire, nous avons procédé à la première caractérisation des interactions structurelles entre ces interneurones GABAergiques et la microglie dans la région CA1 de l’hippocampe. Nos résultats indiquent qu’en conditions contrôles le niveau d’interaction entre les deux types cellulaires est très élevé chez des souris âgées de six mois. Considérant qu’il existe de plus en plus de preuves que la microglie ne tient pas seulement un rôle de surveillance immunitaire, mais qu’elle a une fonction physiologique dans la régulation des réseaux neuronaux, le fait que la quasi-totalité des interneurones sont contactés par ces cellules gliales n’est pas surprenant (Akiyoshi et al., 2018; Biber et al., 2007; Chen et al., 2012; Chen et al., 2014; Eyo and Wu, 2013; Färber and Kettenmann, 2005; Kettenmann, Banati and Walz, 1993; Li et al., 2012; Miyamoto et al., 2013; Nimmerjahn, Kirchhoff and Helmchen, 2005; Polazzi and Contestabile, 2002; Sierra et al., 2012; Stowell et al., 2017; Tremblay, 2011; Uweru and Eyo, 2019; Wake et al., 2009; Zhang and Fedoroff, 1996; Zhang et al., 2014). Bien que les neurones et la microglie interagissent réciproquement par des signaux moléculaires, la présence des interactions physiques confirmées par des études de microscopie électronique (Chen et al., 2012; Chen et al., 2014; Tremblay, 2011; Wake
et al., 2009) est un phénomène bien établi et il est temps d’étudier spécifiquement ces contacts pour
tenter d’expliquer les modifications des ensembles neuronaux pendant les maladies neurodégénératives.
Notre analyse structurelle a révélé que les cellules microgliales contactaient les interneurones SOM+ et les interneurones PV+ de plusieurs manières différentes. On a distingué celles-ci sur la base du domaine neuronal sur lequel les interactions étaient détectées, l’aire d’interaction ainsi que la distance à partir du soma neuronal. Nos résultats ont montré que la microglie interagissait autant avec le soma des interneurones qu’avec leurs dendrites ce qui est cohérent avec des études d’imageries précédentes (synthétisé dans (Uweru and Eyo, 2019) qui ont montré que les neurones étaient contactés à tous les niveaux structurels. Notons ici que les axones n’ont pas été inclus dans l’analyse puisque dans des tranches minces (70 µm) l’intégrité des axones peut être moins bien conservée que celle des dendrites. Prenant en considération l’état physiologique très actif de la microglie, il est jugé que ces contacts physiques affectent les réseaux
neuronaux de façon importante. En effet, le dynamisme des pseudopodes microgliaux avec leur expression de divers récepteurs aux neurotransmetteurs indiquent que ces cellules immunitaires peuvent non seulement détecter l’activité neuronale, mais également la moduler. L’activation de ces différents récepteurs déclenche des cascades de signalisation via la dépolarisation de la membrane microgliale et l’augmentation de Ca2+ intracellulaire. Ces événements cellulaires induisent une
modification de l’état de la microglie : elle peut soit s’activer en produisant des cytokines, soit rester sous sa forme ramifiée (Färber and Kettenmann, 2005; Kettenmann, Banati and Walz, 1993; Pocock and Kettenmann, 2007). D’un point de vue neuronal, il a été montré que ces propriétés des cellules microgliales pouvaient induire des changements dans le comportement des neurones. Les interactions peuvent avoir des effets bénéfiques comme aider à la synchronisation d’ensembles neuronaux ou réduire l’activité d’une cellule hyperactive ou des effets délétères comme induire de la dépression synaptique ou de la neurodégénéresence (Zhang and Fedoroff, 1996; Hanisch, 2002; Akiyoshi et al., 2018; Tremblay, 2011; Wake et al., 2009; Zhang et al., 2014). Il existe également le phénomène d’élagage synaptique selon lequel les pseudopodes microgliaux ont la capacité de déplacer physiquement les contacts synaptiques faits sur un soma neuronal. Cette action induit indéniablement une réorganisation du réseau neuronal (Perry and O'Connor, 2010). Le fait que nous observons différents types d’interactions suggère que la manière dont la microglie contacte les différents sous-types d’interneurones peut affecter la fonction du réseau hippocampique.
Plus spécifiquement, nos résultats ont révélé que les somas des deux sous-types d’interneurones étaient contactés différemment. L’aire d’interaction pour les contacts soma-soma était plus grande chez les cellules SOM+ alors que la surface pour les contacts soma-process était plus grande chez les cellules PV+. L’aire d’interaction est une mesure intéressante puisqu’elle peut supposer un contact plus fort et efficace. Il est su que la microglie contacte constamment les neurones de manière transitoire, c’est-à-dire qu’elle vient seulement toucher sur une très courte durée les structures neuronales (Nimmerjahn, Kirchhoff and Helmchen, 2005). Un contact de plus grande taille pourrait donc se traduire par un contact qui affecte le neurone plutôt que simplement venir s’apposer rapidement pour sonder l’état du neurone. Nos données sont cohérentes avec des études précédentes ayant montré que les cellules microgliales pouvait interagir directement avec le corps cellulaire des neurones (Li et al., 2012; Nimmerjahn, Kirchhoff and Helmchen, 2005; Sierra et
al., 2012; Stowell et al., 2017; Uweru and Eyo, 2019). Il est proposé que les contacts effectués par
était transporté vers le corps cellulaire pour ensuite se faire éliminer (Nimmerjahn, Kirchhoff and Helmchen, 2005; Sierra et al., 2012). Cependant, il y a très peu d’informations sur la fonction des interactions faites par le soma des cellules microgliales et nous doutons que nos observations reflètent un comportement phagocytaire puisqu’en conditions non-pathologiques, les interneurones exprimant la SOM ne sont pas éliminés à cet âge. Mentionnons cependant le cas des cellules microgliales satellites qui présentent ces contacts entre corps cellulaires. Il est proposé que ces cellules tiennent un rôle homéostatique en contrôlant la disponibilité et la quantité des molécules de l’espace extracellulaire (Baalman et al., 2015). En ce qui concerne les interactions entre les pseudopodes microgliaux et les somas neuronaux, il a été montré que ces contacts ont une fonction phagocytaire et homéostatique. En effet, les pseudopodes saisissent les éléments à éliminer pour les transporter jusqu’au soma. Les pseudopodes sont aussi attirés vers les somas neuronaux qui exhibent une hyperactivité et leurs interactions avec ce corps cellulaire résultent en une activité neuronale réduite. Cela suggère que lorsque la microglie détecte un comportement électrophysiologique anormal, elle peut contacter directement l’élément et moduler son activité (Li et
al., 2012). Alors, nous suggérons que les propriétés des interneurones exprimant la PV (leur
propriété de décharge à impulsions rapides, la présence de synapses sur la membrane somatique et le fait qu’ils sont connectés entre eux de manière très forte (Hu, Gan and Jonas, 2014)) encouragent les interactions avec les pseudopodes pour que la microglie puisse contrôler leur niveau d’activité.
De plus, nous avons découvert que la microglie contactait les dendrites des deux sous-types d’interneurones préférentiellement au domaine proximal, même s’il était possible de détecter des contacts dans la partie distale. Nous proposons que ce type d’interaction a un rôle fonctionnel dans l’intégration synaptique ainsi que la plasticité synaptique dans ces neurones. Premièrement, de nombreuses études ont rapporté que l’interaction de la microglie avec les synapses était dépendante de l’activité de ces dernières. Ces contacts physiques induisent des modifications au niveau de ces structures en éliminant directement des synapses excitatrices et inhibitrices inefficaces ou en les remodelant. Par exemple, il a été montré que la microglie pouvait effectuer de la trogocytose d’éléments présynaptiques ou de l’induction d’épines dendritiques (Weinhard et al., 2018). Il est suggéré que ce phénomène procure un effet neuroprotecteur, car l’activité des synapses hyperactives était réduite et la synchronisation d’ensembles neuronaux était augmentée une fois les contacts effectués (Akiyoshi et al., 2018; Nimmerjahn, Kirchhoff and Helmchen, 2005; Tremblay, 2011; Wake et al., 2009). Deuxièmement, la physiologie des dendrites proximales pourrait expliquer
cette relation préférentielle. La présence d’un large répertoire de mécanismes calciques au niveau des dendrites des interneurones a été extensivement étudiée. Ceux-ci sont régulés différemment selon la cible synaptique ou l’activité des synapses. Les événements Ca2+ postsynaptiques sont un
mécanisme important pour le contrôle de la fonction et de la plasticité synaptique et ont été détectés dans les deux sous-types d’interneurones examinés ici (Camiré, Lacaille and Topolnik, 2012; Camiré
et al., 2018; Camiré and Topolnik, 2012; Camiré and Topolnik, 2014; Topolnik and Camiré, 2019). De
plus, les pseudopodes microgliaux sont attirés par les dendrites où le niveau de Ca2+ extracellulaire
est faible (Eyo et al., 2015) indiquant que ces élévations calciques dans les dendrites encouragent les contacts microglie-dendrites suggérant un rôle fonctionnel de ces interactions dans la plasticité synaptique dépendante au Ca2+. Étant donné que l’activité calcique est un bon signe de l’activité
neuronale, cela vient confirmer le comportement dépendant de l’activité des interactions avec les dendrites. Une autre propriété des dendrites qui pourrait expliquer le contact préférentiel avec le domaine proximal est le fait que les événements calciques sont générés à ce niveau et qu’ils s’atténuent avec la distance. Il existe le phénomène de rétropropagation neuronale par lequel les potentiels d’action peuvent se propager de nouveau dans les dendrites. Ce phénomène se traduisant par de fortes élévations calciques est possible grâce à l’expression et l’activation au niveau proximal des dendrites de canaux calciques voltage-dépendants (Topolnik, 2012). Nos résultats ont aussi montré que les contacts dendritiques étaient significativement plus proximaux chez les interneurones SOM+ que les PV+. Il a été rapporté que ces deux types d’interneurones ont une innervation dense au niveau proximal de leurs dendrites qui régule fortement et efficacement leur activité neuronale (Gulyas et al., 1999; Chamberland et al., 2010; Tyan et al., 2014). Cela suggère que la forte activité du domaine proximal des dendrites de ces interneurones pourrait encourager les contacts microgliaux et ainsi permettre une surveillance accrue. Alors, nos résultats indiquent que les contacts physiques avec la partie proximale des dendrites seraient impliqués dans l’intégration synaptique ainsi que dans la plasticité de Hebb. En effet, cette forme de plasticité qui se décrit par une potentialisation synaptique par une stimulation soutenue du neurone postsynaptique par la cellule présynaptique utilise le Ca2+ (Topolnik, 2012),augmentant ainsi les niveaux calciques au niveau
proximal des dendrites. De plus, le domaine dendritique périsomatique constitue la dernière partie avant que le signal nerveux soit complétement intégrer dans le corps cellulaire. Le fait que les cellules microgliales interagissent préférentiellement avec ce domaine suggère qu’elles peuvent
réguler ce signal juste avant son entrée dans le soma et peut-être modifier complètement l’activité de ce neurone.
Finalement, nous avons analysé les interactions structurelles entre la microglie et les interneurones chez des souris présentant les symptômes de la maladie d’Alzheimer pour proposer un nouveau mécanisme pour cette maladie neurodégénérative. Nos résultats ont révélé que le niveau élevé d’interactions observés chez les souris contrôles était conservé chez les souris APP/PS1 hétérozygotes suggérant que les dysfonctionnements du réseau hippocampique dans la maladie pourraient être causé par des changements fonctionnels au niveau de ces contacts plutôt que des changements structurels. Aussi, ces résultats peuvent indiquer que les interactions interneurone-glie ne sont simplement pas impliquées dans ces modifications fonctionnelles. Comme mentionné précédemment, il y a une activation des cellules microgliales pendant la maladie d’Alzheimer qui peut perturber le réseau hippocampique par phagocytose de neurones ou de synapses, par relâchement de cytokines pro-inflammatoires ou par remodelage synaptique (Cameron and Landreth, 2010; Hickman, Allison and El Khoury, 2008; Kinney et al., 2018; Morgan et
al., 2005; Rogers et al., 2002; Spangenberg and Green, 2017). Cette activation induit une
transformation au niveau du comportement de la microglie de neuroprotecteur à neurotoxique. Par exemple, il a été montré que la microglie activée devenait plus phagocytaire. Par contre, l’expression du récepteur à la fractalkine sur les cellules microgliales favorisait la phagocytose des neurones qui exprimaient le ligand (fractalkine) au lieu d’éliminer les peptides Aβ provoquant une accumulation de protéine toxique et une neurodégénérescence. Même si la phagocytose des débris cellulaires et des cellules apoptotiques peut avoir un impact bénéfique, il a été montré que ce processus biochimique peut devenir neurotoxique par le relâchement de ROS et de glutamate entrainant une excitotoxicité (Sierra et al., 2012). Cette transformation vers un comportement toxique a été proposée par quelques études comme mécanisme potentiel pour la maladie d’Alzheimer puisque l’état pro- inflammatoire de la microglie pendant cette pathologie a des effets délétères sur la plasticité synaptique suggérant un impact négatif sur les processus de l’apprentissage et de la mémoire (Jones and Lynch, 2015). De plus, nos résultats ont montré que les interneurones exprimant la PV avaient des contacts soma-process de plus grande taille chez les souris imitant la maladie d’Alzheimer par comparaison aux souris WT. Étant donné que les oscillations neuronales dans l’hippocampe qui sont générées par ces interneurones sont réduites pendant la maladie d’Alzheimer (Verdaguer et al., 2015; Verret et al., 2012), ce plus grand contrôle par les pseudopodes pourrait être
responsable de ces dysfonctionnements. Le changement d’état de la microglie pendant la maladie pourrait expliquer que la surveillance protectrice de la microglie sur ces interneurones pour assurer la synchronisation neuronale en conditions contrôles devienne nuisible pendant la maladie. Pendant la maladie d’Alzheimer, il y a une perte considérable des interneurones SOM+ vers l’âge de six mois (Ramos et al., 2006), mais nos résultats montrent que le niveau d’interaction avec la microglie est le même. Cela peut s’expliquer par le fait que nous avons analysé les interactions du point de vue des interneurones, mais pas de celui de la microglie. Le ratio d’interaction était calculé selon le nombre d’interneurones qui interagissaient et comme nous avons observé que la quasi-totalité des interneurones SOM+ interagissaient, ce n’est pas surprenant de voir que le ratio ne change pas malgré cette perte neuronale.
Conclusion
En conclusion, nos résultats fournissent les premières informations sur l’interaction structurelle entre la microglie et les interneurones exprimant la SOM et ceux exprimant la PV dans la région CA1 de l’hippocampe. Nous rapportons des preuves additionnelles que la microglie ne fait pas que surveiller le système nerveux, mais pourrait tenir un rôle prédominant dans la régulation des réseaux neuronaux. Le niveau élevé d’interaction entre la microglie et le système GABAergique a un rôle fonctionnel potentiel dans la régulation du réseau inhibiteur du SNC. Nous avons découvert que ces interactions étaient conservées dans des conditions pathologiques de type Alzheimer suggérant qu’il n’y a pas de modifications structurelles des contacts pendant la pathologie. Cependant, étant donné que la microglie devient très réactive pendant la maladie d’Alzheimer, nous proposons que la transformation de l’état de la microglie n’induit aucun changement structurel, mais probablement des changements fonctionnels au niveau des interactions interneurone-microglie. De plus, considérant la surface plus grande des contacts soma-process chez les cellules PV+ et leurs dysfonctionnements pendant la maladie d’Alzheimer, peut-être que cette transformation induit des effets différents selon le type d’interneurone contacté et selon la nature des contacts. Des expériences électrophysiologiques sur l’effet de ces interactions par la microglie fourniraient des preuves sur le rôle fonctionnel de celle-ci. Par exemple, il serait intéressant d’enregistrer l’activité synaptique des