Etude de la Dynamique des Réseaux

Master de Sciences et Technologies
Mention Biologie Intégrative et Physiologie
Spécialité : Neurosciences
Responsable : Professeur Régis LAMBERT
Proposition de Stage M2 S4 NEUROSCIENCES
Année Universitaire 2016-2017
1. Equipe d’Accueil de Master (EAM) : Brain Development Repair and aging (BDRA)
Intitulé et numéro de l’Unité : B2A UMR 8256 Biological Adaptation and Ageing
Nom du Responsable de l’Unité : B. Friguet, R. Sherrard
Nom du Responsable de l’Équipe : R. Sherrard, J. Mariani
Intitulé de l’équipe d’accueil : BDRA (Brain Development Repair and Ageing)
Adresse : Hôpital Charles Foix, Centre de recherche et Développement, 7 avenue de la
république. 94205 Ivry-sur-Seine
Nom du responsable de l’encadrement : Kinugawa Kiyoka
Tél. : 01 49 59 47 50 ou 01 44 27 28 43
Fax. : 01 44 27 28 46
E-mail : [email protected]
2. Titre du sujet :
Etude de la Dynamique des Réseaux neuronaux sous-tendant la Mémoire chez une souris transgénique
Alzheimer
3. Description du sujet :
La physiopathologie de la maladie d’Alzheimer implique l’accumulation de peptides β-amyloïdes (Aβ)
formés par la surproduction de protéine Aβ et/ou un déficit d’élimination. Les oligomères solubles Aβ
s’agrègent pour former les plaques séniles. Ces éléments se déposent dans le parenchyme cérébral et
dans la paroi des vaisseaux (1). Les oligomères Aβ ont une synaptotoxicité démontrée, en modifiant la
morphologie des épines dendritiques, en provoquant l’altération de la potentialisation à long terme (LTP)
et une augmentation de la dépression à long terme (LTD) dans l’hippocampe. Ils ont aussi des effets sur
la neurotransmission synaptique ainsi que sur la cognition et la mémoire chez des modèles murins (2).
Des mutations génétiques retrouvées dans les cas de maladie d’Alzheimer familiale, porte sur des
gènes impliqués dans la production d’Aβ comme celui de la préséniline 1 (PS1). Ce gène code pour un
ensemble de protéines constituant le complexe γ-secrétase. Ces mutations aboutissent à la libération
excessive de peptides Aβ toxiques. De plus la PS1 interagit avec de nombreuses molécules du système
nerveux et pourrait participer à la perturbation précoce des processus de mémorisation
indépendamment de la toxicité des peptides Aβ.
Notre étude portera sur l’étude de souris porteuses d’un knock-in homozygote pour la mutation M146V
du gène PS1 (PS1Ki). Les travaux du laboratoire ont dévoilés chez ces souris, une altération de la
maturation des épines dendritiques par une étude de morphologie quantitative, des déficits dans deux
formes d’altérations de la potentialisation à long terme, précoce et retardée (early long term
potentiation, E-LTP, late long term potentiation, L-LTP)(3). De plus il a été mis en évidence un déficit
dans les tâches explorant la mémoire spatiale chez ces souris (4). Enfin, elles ne développent pas de
plaques Aβ, la marque caractéristique de la maladie d’Alzheimer (2). Elles constituent un modèle
intéressant pour étudier le dysfonctionnement synaptique progressif dans cette pathologie.
Nous distinguerons deux groupes par la suite :
- Les souris mutantes de 6 mois pour lesquelles la E-LTP est maintenue alors que la L-LTP est
déficitaire.
Master de Sciences et Technologies
Mention Biologie Intégrative et Physiologie
Spécialité : Neurosciences
Responsable : Professeur Régis LAMBERT
- Les souris mutantes « âgées », de 12 mois, pour lesquelles la LTP est perturbée sous les deux formes
mentionnée.
Nous étudierons dans le même temps les souris sauvages du même âge.
Ce projet a pour but de comprendre l’interaction et la communication, au niveau cellulaire mais aussi à
un niveau plus intégré, entre différentes dynamiques spatio-temporelles :
i. Celle des activités électriques engendrées et véhiculées entre des structures cérébrales
impliquées dans des oscillations électroencéphalographiques (EEG), lesquelles sont
associées à divers états de conscience, physiologiques et pathologiques.
ii. Celle des patrons de décharges de neurones corticaux.
L’objectif du stage sera donc d’étudier à différentes échelles électrophysiologiques l’activité neuronale
chez la souris éveillée et libre de ses mouvements, sur-exprimant une mutation humaine de la PS1
M146V à l’origine de maladie d’Alzheimer familiale chez l’Homme.
Notre approche consistera à implanter un système d’enregistrement électrophysiologique permettant à
la souris éveillée de passer de façon simultanée les tests comportementaux et l’enregistrement.
Nos implanterons des électrodes bipolaires de façon bilatérales dans le cortex préfrontal (prefrontal
cortex, PFC) et dans la région CA1 du cortex hippocampique dorsal.
Ce système nous permettra d’enregistrer l’activité neuronale à deux échelles. D’une part les activités
électriques de potentiels de champs locaux (local field potential, LFP) et d’autre part les patrons de
décharges de neurones corticaux entre les deux structures mentionnées.
Nous réaliserons comme test comportemental, le labyrinthe en T en restriction calorique: les patrons
d’explorations des souris dans le labyrinthe seront enregistrés de façon concomittente à l’enregistrement
électrophysiologique in vivo.
Afin de répondre à la question posée, notre protocole consistera à comparer :
- les performances cognitives et enregistrement électrophysiologique des souris PSKi de 12 mois
par rapport aux souris sauvages. Actuellement, les travaux sur les souris de 3 mois sont en
cours.
- les souris PSKi dans les deux groupes d’âge : 3 et 12 mois.
A partir de ces enregistrements nous procéderons en premier lieu à l’analyse spectrale des champs de
potentiels locaux entre le cortex préfrontal et l’hippocampe (Transformée de Fourier : FFT). En effet
l’activité de type LFP est impliquée dans des oscillations de champs corticaux lesquelles sont associées
à divers états de conscience, physiologiques et pathologiques (5). Dans un second temps à l’évaluation
statistique du degré de linéarité de leurs relations chronologiques (Fonction de cohérence), à la
détection et la classification des activités unitaires des deux structures et du lien entre ces dernières et
les potentiels de champs locaux.
En particulier des auteurs ont montré que le rythme thêta dans le PFC et dans l’hippocampe ainsi que la
cohérence selon la fréquence prédominante du rythme thêta entre ces deux structures est associée à
des phénomènes d’apprentissage et de mémoire. L’oscillation thêta augmente chez le rongeur lors de
l’apprentissage de nouvelles règles dans un labyrinthe en T et la fonction de cohérence est maximale
lors de la prise de décision (6). De plus les neurones du PFC réorganisent leur phase en fonction du
rythme thêta pour former des assemblées cellulaires synchrones (6). Nous porterons une attention
particulière à ces oscillations lors de notre analyse pour évaluer la communication entre le PFC et
l’hippocampe lors de l’altération synaptique due à la pathologie d’Alzheimer.
Par ce protocole expérimental nous chercherons donc à comprendre les troubles cognitifs progressifs
observés dans la maladie d’Alzheimer, en lien avec les dynamiques neuronales sous-jacentes.
Bibliographie
1) Querfurth, H. W., & LaFerla, F. M. (2010). Alzheimer’s disease. The New England journal of
medicine.
2) Auffret et al. (2009). Progressive Age-Related Impairment of the Late Long-Term Potentiation in
Alzheimer’s disease Presenilin-1 Mutant Knockin Mice. Journal of Alzheimer Disease.
Master de Sciences et Technologies
Mention Biologie Intégrative et Physiologie
Spécialité : Neurosciences
Responsable : Professeur Régis LAMBERT
3) Auffret, A., Gautheron, V., Repici, M., Kraftsik, R., Mount, H. T. J., Mariani, J., & Rovira, C.
(2009). Age-dependent impairment of spine morphology and synaptic plasticity in hippocampal
CA1 neurons of a presenilin 1 transgenic mouse model of Alzheimer’s disease. The Journal of
neuroscience.
4) Sun X, Beglopoulos V, Mattson MP, Shen J. Hippocampal spatial memory impairments caused
by the familial Alzheimer's disease-linked presenilin 1 M146V mutation. Neurodegener.
5) Buzsáki, G. (2004). Large-scale recording of neuronal ensembles. Nature neuroscience.
6) Benchenane, K., Peyrache, A., Khamassi, M., Tierney, P. L., Gioanni, Y., Battaglia, F. P., &
Wiener, S. I. (2010). Coherent theta oscillations and reorganization of spike timing in the
hippocampal- prefrontal network upon learning. Neuron.