Au cours de ce travail de thèse, nous avons montré un dysfonctionnement précoce des réseaux neuronaux spinaux du modèle murin de la SLA, la souris SOD1G93A. Nos données anatomiques de la ME SOD1G93A montrent pour la première fois que les MNs présentent des paramètres morphométriques anormaux. En effet, nos données montrent que les MNs SOD1G93A présentent une morphologie altérée à savoir des branches intermédiaires et terminales réduites et que ces MNs sont hyperexcitables. De façon intéressante, nous démontrons par l’utilisation de simulation informatique, que les changements morphométriques peuvent expliquer à eux seuls l’hyperexcitabilité observées au niveau des MNs SOD1G93A. Cette partie a fait l’objet d’une publication dans Neurobiology of Disease (Martin et al., 2013).
1. Hyperexcitabilité précoce liée à des changements morphologiques
Plusieurs études montrent une hyperexcitabilité des MNs issus du modèle murin SOD1G93A, qu’ils soient étudiés en cultures primaires à partir des stades embryonnaires E12-E14 (MNs spinaux) (Kuo et al., 2004) ou qu’ils soient analysés sur coupe au stade P4-P10 (MNs hypoglosse) (van Zundert et al., 2008). L’hyperexcitabilité, décrite dans ces études, est attribuée à une augmentation de courant sodique (Na+) persistants. Des changements au niveau des densités de courant Na+ peuvent donc contribuer à l’hyperexcitabilité observée au niveau des MNs SOD1G93A. En conséquence, dans notre étude réalisée au stade E17,5, nous avons mesuré le temps au pic du potentiel d’action (PA) qui reflète la densité totale des canaux Na+ au niveau des MNs spinaux individuels SOD1G93A. Un allongement du temps au pic est détecté au niveau des MNs SOD1G93A suggérant une diminution de la densité des canaux Na+. Dans notre étude, nous montrons également que la réduction des dendrites terminales s’accompagne d’une hyperexcitabilité. Nous ne pouvons donc pas exclure une
participation des courants Na+ persistants dans les changements d’excitabilité trouvés au niveau des MNs SOD1G93A mais notre étude démontre que leur contribution reste négligeable par rapport aux altérations de la morphologie. Ces observations semblent être en contradiction avec l’importante des courants Na+ persistants observés dans les autres modèles de SLA.
2. Causes présumées des changements morphologiques
Nous pouvons nous demander quelles pourraient être les causes responsables des changements de morphologie ? Comme la plupart des réseaux neuronaux en développement, les circuits moteurs de la ME subissent un remodelage dépendant de l’activité électrique, qui agit en synergie avec les modifications ontogéniques (Spitzer, 2006). Des changements développementaux tels que la maturation de la morphologie neuronale, le phénotype cellulaire, la connectivité synaptique, les récepteurs, ainsi que les propriétés de la membrane peuvent se produire au sein d’une fenêtre de temps limitée aussi appelée "période critique". Il a été montré que l’augmentation de la densité des sites de libération synaptique induit une diminution de l’extension de l’arbre dendritique des neurones post-synaptiques (Tripodi et al., 2008). Nous pouvons ainsi faire l’hypothèse que la réduction des segments terminaux dendritiques observée pendant ma thèse, indique une augmentation de l’activité synaptique dans les réseaux spinaux SOD1G93A. De plus, il a été montré une augmentation de l’activité synaptique spontanée excitatrice glutamate AMPA/NMDA et inhibitrice GABA au niveau de l’hypoglosse sur des MNs SOD1G93A qui induit une rétractation dendritique (van Zundert et al., 2008). Les activités synaptiques ont ainsi été étudiée au cours de cette thèse (partie 3) et seront discutées par la suite. Enfin, une autre possibilité serait que, en raison d’un dysfonctionnement métabolique, les MNs SOD1G93A développent une morphologie anormale de leurs dendrites conduisant à des mécanismes de compensation plus tard dans le développement.
3. Modifications morphologiques au cours du développement
Une réduction dendritique au niveau des MNs SOD1G93A E17,5 a donc été mise en évidence. D’autres études montrent des différences de morphologie entre les MNs spinaux lombaires WT et SOD1G93A à des stades post-nataux. Cependant, contrairement à nos résultats, ces études révèlent une prolifération des branches dendritiques au niveau des MNs lombaires spinaux aux stades P4-P5 (Amendola and Durand, 2008). De plus, une étude montre une élongation excessive dès les stades P3-P4 suivie d’une ramification pathologique aux stades P4-P8 (Filipchuk and Durand, 2012). Même si ces données postnatales ont été recueillies à partir d’un modèle de souris SLA avec une autre mutation que celle que nous utilisons (SOD1G85R), nous pouvons les mettre en relation avec nos données recueillies sur le modèle murin de SLA SOD1G93A. Nous pouvons alors émettre deux hypothèses pouvant expliquer la contradiction entre l’hypomorphologie dendritique des MNs que nous décrivons au stade embryonnaire et l’hypermorphologie décrite aux stades post-nataux. L’hypothèse la plus simple est que les réseaux neuronaux spinaux subissent un retard de développement chez la souris SOD1G93A. A la naissance, comme le nouveau-né a des besoins locomoteurs pour se nourrir et se mouvoir, on peut imaginer que des phénomènes de compensation réajustent la morphologie des MNs afin qu’ils soient fonctionnels.
Une autre hypothèse est que l’arbre dendritique des MNs SOD1G93A lombaires passe d’une réduction dendritique pendant la vie embryonnaire à une augmentation anormale au cours des stades post-nataux. Le réseau neuronal serait donc en constante compensation. Cela laisse supposer qu’entre les stades E17,5 et P4, les MNs WT et SOD1G93A pourrait avoir une morphologie identique. Il serait intéressant de réaliser des reconstructions de MNs au stade post-natal P1 afin de montrer que les MNs WT et SOD1G93A ne présentent plus de différences morphologiques.
4. MNs vulnérables vs MNs résistants
Les différents types de MNs (alpha FF, alpha FR, alpha s et gamma) sont localisés aléatoirement dans la colonne latérale des MNs (Kanning et al., 2010). De plus, les critères permettant d’identifier ces différents types de MNs sont basés sur l’activité des fibres musculaires qu’ils innervent (voir introduction). Ainsi, il est impossible à l’heure actuelle de travailler spécifiquement sur un sous-type de MN aux stades néo-nataux. Si il est possible de distinguer les MNs alpha des MNs gamma par la présence ou non du facteur de transcription Err3 pendant les deux premières semaines post-natales (Friese et al., 2009), distinguer les 3 types de MNs alpha reste impossible. Pourtant, il est admis que la SLA impacte tout d’abord les MNs alpha FF qui présentent les plus gros corps cellulaires et une faible résistance d’entrée (Pun et al., 2006). Nos reconstructions de MNs ne montrent pas de différence au niveau des paramètres du corps cellulaire, ce qui laisse supposer que nous travaillons sur la même population de MNs (qui reste encore à identifier). Il est fort probable que les MNs qui ont fait l’objet de notre étude soient des MNs alpha étant donné la complexité de leur arborisation dendritique et que les MNs gamma présentent une morphologie plus simple que les MNS alpha (Westbury, 1982). De plus, nos MNs présentent un diamètre moyen de 30 µm ce qui les classent parmi les MNs vulnérables si on considère la classification de Chang et Martin (2011) (Chang and Martin, 2009) qui travaillent sur des MNs embryonnaires (E12-E14) en cultures primaires.