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Approches systémiques de l'excitabilité neuronale

L’activité neuronale est extrêmement stable au regard de la durée de vie très longue des neurones et de l’instabilité intrinsèque des protéines responsables de cette activité. La diversité des canaux ioniques exprimés par tout type neuronal implique que cette stabilité repose sur des règles précises et coordonnées de régulation d’expression et de fonction des canaux ioniques en question. Nous utilisons des approches systémiques (combinaison patch-clamp/transcriptomique, modélisation de bases de données de modèles, analyses multivariées) pour étudier ce problème.

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Le système nerveux est extrêmement robuste aux perturbations externes et internes qu’il subit. En particulier, le patron d’activité d’un type neuronal donné semble relativement stable d’un animal à l’autre et au cours du temps de vie particulièrement long d’un neurone (plusieurs dizaines d’années chez l’homme). Etant donné que les canaux ioniques et autres protéines sous-tendant cette activité ont des demi-vies très courtes (Fornasiero et al., Nat. Comm. 2018), le maintien d’un phénotype électrophysiologique doit reposer sur des régulations fines et complexes de l’expression et de la fonction de ces protéines. Des approches de « biologie systémique » sont alors nécessaires si l’on veut comprendre la stabilité de l’activité neuronale.

Modèle d’étude : les neurones dopaminergiques

Notre équipe essaye de décrypter les principes de régulation génétique sous-tendant la stabilité de l’activité des neurones dopaminergiques de la substance noire compacte. Ces neurones ont la particularité de présenter une activité tonique régulière (aka activité pacemaker), un potentiel d’action relativement long (1-2ms) et un rebond post-inhibiteur biphasique caractéristique (Amendola et al., J. Neurosci. 2012 ; Haddjeri-Hopkins*, Tapia* et al., eNeuro, 2021) (Figure 1). Ces propriétés électrophysiologiques reposent sur de nombreux canaux ioniques sensibles au potentiel et au calcium, notamment les canaux Nav1.2, Cav1.3, Cav3.1, HCN2, Kv4.3 et SK3 (Dufour et al., J. Neuro. Res. 2014 ; Tapia et al., Sci. Reports 2018).

**Figure 1. Morphologie et propriétés électrophysiologiques des neurones dopaminergiques de la substance noire. Haut**, morphologie typique d’un neurone dopaminergique *(Moubarak et al., J. Neurosci. 2019)*. **Bas**, enregistrements en courant imposé montrant l’activité spontanée (gauche), le potentiel d’action (milieu) et le rebond post-inhibiteur (droite) caractéristiques des neurones dopaminergiques de la substance noire *(Amendola et al., J. Neurosci. 2012)*.

Co-variations de canaux ioniques

En utilisant des approches de transcriptomique sur neurone unique, notre équipe a identifié un module de co-expression contenant plusieurs canaux ioniques somato-dendritiques et des gènes de la signalisation dopaminergique (Tapia et al., Sci. Reports 2018) (Figure 2), suggérant que le maintien des propriétés électrophysiologiques les plus critiques est génétiquement couplé au phénotype dopaminergique de ces neurones.

**Figure 2. Co-variations des niveaux d’expression des canaux ioniques et des gènes de la signalisation dopaminergique**. a, heatmap montrant les niveaux d’expression de 42 gènes dans les neurones dopaminergiques et non dopaminergiques de la substance noire. b, graphes en 4D montrant les co-variations des niveaux d’expression de canaux ioniques spécifiques (Nav1.2, canal sodium, Kv4.3, canal potassium de type A, GIRK2, canal potassium activé par les protéines G) et de gènes du métabolisme/signalisation DA (DAT, transporteur de la DA, D2R, autorécepteur de la DA, Th, enzyme de synthèse de la DA). c, représentation en réseau des co-variations principales de niveaux d’expression de gènes observées dans les neurones DA mésencéphaliques. Les canaux ioniques apparaissent en violet, les gènes de la signalisation dopaminergique en vert, et les gènes du cytosquelette en gris.
*Modified from Tapia et al., Sci. Rep. (2018).*

Projets en cours

1) Cartographie génotype-phénotype de l’activité neuronale. Nous souhaitons déterminer les relations quantitatives précises entre les variations d’activité de cellule à cellule et les variations d’expression de canaux ioniques de cellule à cellule. Nous combinons les enregistrements en patch-clamp des neurones dopaminergiques (>30 paramètres électrophysiologiques mesurés par neurone) avec la qPCR sur neurone unique (>50 gènes mesurés par neurone). Les données obtenues sont analysées en utilisant des analyses multivariées (PCA, clustering, LDA, t-SNE, TIDA) (Dufour et al., eLife 2014 ; Tapia et al., Sci. Reports 2018 ; Baudot et al., Entropy 2019).

2) Régulation activité-dépendante des modules de co-expression de canaux ioniques. Nous souhaitons déterminer comment l’activité régule de façon coordonnée les niveaux d’expression des canaux ioniques, et comment la structure des modules de co-expression de canaux est modifiée par les variations d’activité neuronale. Nous utilisons la combinaison patch-clamp/transcriptomique sur neurone unique associée à des manipulations chroniques de l’activité (animaux transgéniques DREADDs en particulier).

3) Impact fonctionnel de la co-expression de canaux ioniques. Nous souhaitons déterminer l’influence des co-variations d’expression de canaux ioniques sur le phénotype électrophysiologique des neurones dopaminergiques. Comme suggéré par des études théoriques (O’Leary et al., PNAS 2013; O’Leary et al., Neuron 2014), nous voulons déterminer si les co-variations des canaux ioniques ont un impact homéostatique sur l’activité neuronale. Pour démontrer cette hypothèse, nous utilisons des bases de données de modèles de neurones (Hodgkin-Huxley multi-compartiments), dans lesquels nous incluons (ou non) les relations quantitatives entre canaux ioniques observées expérimentalement.

Financements récents

Fondation de France (2018-2020)
ERC CoG (2014-2019)
ANR JCJC (2013-2014)
Fondation pour la Recherche sur le Cerveau (2012-2013)

Alumni

Estelle Moubarak
Mónica Tapia
Alexis Haddjeri-Hopkins
Pierre Baudot
Simone Temporal
Martial Dufour
Julien Amendola
Adele Woodhouse

Offres d’emploi

Si notre sujet de recherche vous intéresse et que vous souhaiteriez faire un stage de Master, une thèse ou un post-doc dans l’équipe, n’hésitez pas à nous contacter (en envoyant un email à JM Goaillard), les candidatures sont les bienvenues !!