Modifications GABAerigques dans le globus pallidus externe dans la maladie de Huntington

pallidus externe dans la maladie de Huntington

De par ses interactions avec des protéines pré- et post-synaptiques, la HTT semble avoir un rôle primordial dans le transport axonal vésiculaire, l’endocytose et exocytose et le maintien de la structure synaptique. Les interactions des protéines cellulaires avec la HTT mutée peut donc impacter la transmission synaptique à plusieurs niveaux. Certaines données montrent des changements au niveau de différents systèmes de neurotransmission incluant les systèmes glutamatergique, GABAergique et dopaminergique. L’équilibre complexe du fonctionnement de ces systèmes de neurotransmission sous-tend l’activité neuronale optimale en particulier dans le striatum dont la dégénérescence des neurones de projections GABAergiques, les MSNs, constitue la lésion fondamentale de la maladie de MH. Bien que les études se sont focalisées sur la transmission glutamatergique qui a été décrite comme présentant de profondes altérations dans la maladie de MH (Cepeda et al, 2003 ; Cepeda et al, 2007; Levine et al, 1999 ), de nouvelles données montrent que la transmission GABAergique est aussi atteinte dans cette pathologie. En effet, la protéine HTT mutée peut impacter le transport des récepteurs GABA_A ainsi que leur nombre et leur localisation à la surface membranaire (Jacob et al, 2008). Ainsi, il est probable que l’ensemble de la transmission GABAergique soit altéré dans les GB et en particulier sur les cibles principales

92 du striatum dans la MH. En effet, concernant le système GABAergique, si on se reporte aux études post-mortem de patients atteints de la MH, il est bien établi que les neurones de projections striataux, les MSNs, qui représentent plus de 90% des neurones striataux, sont principalement touchés dans cette pathologie (Graveland et al, 1985a). Les études d’autoradiographie indiquent que l’expression des récepteurs GABA_A dans les GB diminue progressivement au cours de l’évolution de la maladie et disparaissent complètement dans le striatum à un stade avancé de la pathologie. Dans le GPe, les récepteurs GABA_A sont significativement augmentés suggérant une compensation de la perte de signal striatal (Glass et al, 2000). Concernant les études d’immnunohistochimie, l’immunofluorescence pour les sous-unités α1, β2, β3 et γ2, principalement représentées dans les récepteurs GABA_A synaptiques, et l’immunofluorescence pour les récepteurs GABA_B (R1) montrent aussi une augmentation d’expression dans le GPe et le GPi dans la MH alors que l’expression de la protéine gephyrin ne semble pas être altérée (Allen et al, 2009; Thompson-Vest et al, 2003 ). Les changements de transmission GABAergique chez les animaux modèles de la MH sont beaucoup moins caractérisés que ceux de la transmission glutamatergique. De manière intéressante, et contrairement au cortex où la fréquence des courants synaptiques inhibiteurs est diminuée, celle des courants synaptiques inhibiteurs dans les MSNs, est augmentée dans les souris R6/2, YAC128 et CAG140-KI à un âge symptomatique (Cepeda et al, 2004 ; Cepeda et al, 2007 ; Cummings et al, 2007). Une étude plus récente utilisant l’electrophysiologie et l’optogénétique menée chez les souris R6/2 a révélé que l’augmentation des courants synaptiques inhibiteurs dans le striatum impacte en particulier les MSNs striataux de la voie indirecte ce qui pourrait diminuer la transmission GABAergique STR-GPe à un âge symptomatique (Cepeda et al, 2013). De plus, le courant tonique inhibiteur présent en condition physiologique dans les MSNs est significativement réduit dans les MSNs de la voie indirecte (Cepeda et al, 2013). Ces résultats suggèrent que la transmission GABAergique semble principalement affecter ce sous-type neuronal lors de la physiopathologie de la MH. Dans le même ordre idée, des études d’electrophysiologie réalisées sur des tranches aïgues de cerveaux de souris transgéniques de deux lignées différentes, R6/2 et Z-Q175-KI, révèlent une réduction du courant tonique GABAergique dans les MSNs striataux en condition pathologique. Les expériences montrent qu’une partie du courant tonique est due au débordement du GABA synaptique et une autre partie aux transporteurs astrocytaires du GABA, GAT-3 qui libérent du GABA en conditions contrôles en fonctionnant en mode inversé. La diminution du courant tonique GABAergique chez ces souris, s’explique par le fait que les astrocytes striataux ne peuvent plus se dépolariser suffisamment pour entraîner la libération de GABA par GAT-3 (Wojtowicz et al, 2013). Ces données suggèrent que les astrocytes sont également touchés dans la maladie de MH et participent aux profondes modifications de transmission GABAergique observées dans cette

93 pathologie. D’autre part, des changements de connectivité neuronale apparaissent. Alors qu’il semble y avoir une perte de connectivité au sein du striatum entre les collatérales d’axones des MSNs, une connectivité bi-directionnelle entre D1-MSNs et D2-MSNs apparait chez les souris MH ce qui n’est pas le cas en conditions physiologiques (Cepeda et al, 2013). De plus, des études menées sur les interneurones GABAergiques striataux montrent une augmentation de leur activité dans la MH suggèrant une augmentation de l’inhibition qu’ils exercent sur les MSNs (Cepeda et al, 2013). Malgré la diminution du courant GABAergique tonique, l’ensemble de ces résultats semble démontrer une augmentation de la transmission GABAergique au sein du striatum. De manière sous-jacente, des recherches menées chez des rats transgéniques révèlent, par la mesure histochimique du cytochrome oxydase de la chaine respiratoire mitochondriale, une augmentation de l’activité métabolique neuronale globale dans le GPe et le NST. Les enregistrements électrophysiologiques indiquent quant à eux une diminution de la fréquence de décharge de la majorité des neurones du GPe et à l’inverse une augmentation de l’activité électrique des neurones du NST. Ces résultats suggèrent que bien que le striatum soit la source primaire de dysfonction lors de la maladie de MH, une altération de l’ensemble des noyaux des GB et en particulier de la voie indirecte participe à la physiopathologie de la MH (Vlamings et al, 2012). D’autre part, des atteintes moléculaires des neurones pré-synaptiques peuvent également être observées dans la MH et sous-tendre les défauts de transmission GABAergique. Les niveaux d’expression des enzymes GAD, requises pour la synthèse de GABA, peuvent être un bon marqueur de l’activité GABAergique. Des expériences d’hybridation in situ sur des souris transgéniques R6/2 montrent que les niveaux d’expression de la GAD67 sont normaux dans le striatum mais altérés dans plusieurs autres régions cérébrales comprenant le GPe (Gourfinkel-An et al, 2003). Concernant la GAD65 qui est principalement associée aux vésicules de libération synaptiques dans les neurones pré-synaptiques, des études de modèles cellulaires de la MH montrent que son expression est significativement réduite et sa localisation altérée quand la protéine de HTT mutée est présente (Rush et al, 2012).

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Rationnél sciéntifiqué :

Comme nous avons pu le voir dans l’introduction, la transmission GABAergique joue un rôle prépondérant dans le contrôle de l’activité du GPe. Bien que l’anatomie et la connectivité entre les différents noyaux du réseau des GB soient connues, l’origine des modifications d’activité neuronale observées dans le GPe dans la maladie de Parkinson ou la maladie de Huntington, tant sur le plan de la circuiterie qu’à l’echelle moléculaire reste mal comprise. Plusieurs hypothèses ont été émises pour expliquer ces changements d’activité électrique pallidale dans ces différentes conditions pathologiques. Concernant la maladie de Parkinson, deux hypothèses ont été émises pour expliquer l’hypoactivité des neurones du GPe:

1) une hyperactivité des neurones striataux de la voie indirecte (Ingham et al, 1997 ; Kita & Kita, 2011; Mallet et al, 2006 ). En adéquation avec ces données, il est connu que les concentrations extracellulaires de GABA sont anormalement élevées dans le GPe en condition parkinsonienne bien que la source de cette augmentation de GABA ne soit pas clairement établie (Ochi et al, 2000).

2) une perte d’excitabilité des neurones du GPe (Chan et al, 2011).

Le principal objectif de mon travail de thèse a donc consisté à clarifier les mécanismes impliqués dans l’hypoactivité du GPe.

Dans un premier temps, et en collaboration avec l’équipe du Dr Bevan à Chicago, nous avons testé si :

1) l’excitabilité des neurones prototypiques du GPe, dont l’activité électrique est particulièrement pertubée en conditions parkinsoniennes, était réduite suite à une dépletion dopaminergique.

2) Les neurones D2-MSN étaient hyperactifs in vivo après une dépletion dopaminergique.

3) inhiber selectivement l’activité des D2-MSN pouvait restaurer une activité normale au niveau des neurones prototypiques du GPe.

Ce projet a donné lieu à un premier article en préparation, auquel j’ai participé en comparant l’excitabilité des neurones prototypiques PV+ chez des animaux contrôleset 6-OHDA (Figure 5)

Nous nous sommes ensuite interessés de plus près à la transmission GABAergique dans le GPe afin d’étudier les modifications synaptiques induites par une déplétion chronique en dopamine. Nous avons identifié la présence d’une inhibition tonique aberrante au sein du GPe en condition parkinsonienne. Nous avons donc voulu comprendre les causes de cette

96 inhibition tonique et ses conséquences sur l’activité électrique pallidale en condition de déplétion dopaminergique.

Pour cela, en utilisant des techniques électrohpysiologiques, d’immunohistochimie et de biochimie, nous avons étudié :

- le rôle de l’activité striatale dans l’établissement du courant tonique - la caractérisation et l’expression des récepteurs extra-synaptiques

- le rôle des transporteurs au GABA dans la régulation des concentrations extracellulaires de GABA

- la présence d’une inhibition tonique dans les différentes sous-populations pallidales - l’impact de l’inhibition tonique sur la fréquence et le patron de décharge des neurones

du GPe

- le rôle des astrocytes dans le contrôle de l’homéostasie GABAergique au niveau du GPe

Ce travail est mon principal projet de thèse. Il a donné lieu à un second article en préparation.

Concernant la maladie de Huntington, la lésion anatomique fondamentale caractérisée par la dégénérescence des MSNs striataux pourrait être à l’origine de l’hyperactivité pallidale (Deng et al, 2004; Reiner et al, 1988; Starr et al, 2008). Mais comment expliquer que cette dégénérescene ne soit pas nécessaire à l’apparition des symptômes moteurs dans certains modèles animaux de référence tel que les lignées transgéniques R6? Il est donc important dans la compréhension de la physiopathologie de cette maladie, d’étudier la neurotransmission GABAergique à des stades asymptomatiques. Pour compléter les connaissances dans ce domaine, le second objectif de ma thèse a donc été de caractériser les altérations électrophysiologiques et moléculaires de transmission GABAergique au sein du GPe chez un modèle transgénique de la maladie de Huntington, la lignée de souris R6/1. Ce travail a été.

Dans ce projet, réalisé en collaboration avec le Dr Maurice Garret à l’INCIA, ma contribution a concerné les expériences d’électrophysiologie (Figures 3 et 4). Il a donné lieu à un article soumis au journal « Neuroscience ».

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Maté riéls ét mé thodés :