Sylvain HUGEL
⇨ The team Researcher at the Institute of Cellular and Integrative Neuroscience since 2005, my research focusses on activity-dependent plasticity of inhibitory synapses in the dorsal horn of the spinal cord.
I aim at understanding the involvement of short-term plasticity of GABAergic synapses in nociceptive information processing, and the role of long-term plasticity expressed by these synapses during pain states
Dromedary camel (Camelus dromedarius) is seasonal species leaving in african deserts. Its biological rhythms are sensitive to temperature cycles and female display an induced ovulation during summer time
Arvicanthis, also called Sudanian grass rat, (Arvicanthis ansorgei) is a rodent from Mali characterized by a diurnal activity, in contrast to numerous other rodents which are nocturnal. It is raised in our animal facility (Chronobiotron).
European hamster (Cricetus cricetus) is a rodent showing seasonal/circannual ryhtms in reproduction, body weight regulation and hibernation. It is raised in our animal facility (Chronobiotron).
The Moroccan or desert goat (Capra hircus) is a mammal adapted to desert conditions. As the dromedary camel, its daily rhythms can be entrained cycles of ambient temperature.
Djungarian hamster, also called Siberian hamster (Phodopus djungarius) is a small rodent showing numerous seasonal rhythms: reproduction, metabolic activity, fur quality, and daily torpors. It is raised in our animal facility (Chronobiotron).
Planarians are simple animals which nevertheless exhibit many of the neuronal and hormonal features present in vertebrates.
Syrian hamster, also called golden hamster (Cricetus auratus) is a rodent showing strong seasonal rhyhtms in reproduction and hibernation. It is raised in our animal facility (Chronobiotron).
Le hamster syrien, aussi appelé hamster doré (Cricetus auratus) est un rongeur présentant des rythmes saisonniers de reproduction et d’hibernation. Il est élevé dans notre animalerie (Chronobiotron).
Les planaires sont des animaux que l’on pourrait qualifier de simples mais qui montrent plusieurs caractéristiques communes aux vertébrés comme la présence d’un grand nombre de synapses chimiques et des neurones unipolaires ainsi qu’une communication humorale.
Le hamster djungarien, aussi appelé hamster sibérien (Phodopus djungarius), est un petit rongeur qui présentent plusieurs rythmes saisonniers: reproduction, activité métabolique, qualité du pelage, et torpeurs journalières. Il est élevé dans notre animalerie (Chronobiotron).
La chèvre du Maroc, ou chèvre du désert (Capra hircus), est un mammifère adapté aux conditions désertiques. Comme le dromadaire, ses rythmes quotidiens peuvent être entraînés par des cycles de température ambiante.
Le hamster européen (Circetus cricetus) est un rongeur qui présente des rythmes saisonniers/circannuels de reproduction, poids corporel et hibernation. Il est élevé dans notre animalerie (Chronobiotron).
L’Arvicanthis, aussi appelé rat roussard du Soudan, (Arvicanthis ansorgei) est un rongeur du Mali qui présente la particularité d’avoir une activité diurne contrairement à de nombreux autres rongeurs qui sont nocturnes. Il est élevé dans notre animalerie (Chronobiotron).
Le dromadaire (Camelus dromedarius) est une espèce saisonnière vivant dans les déserts d’Afrique. Ses rythmes biologiques sont sensibles aux cycles de température et les femelles présentent une ovulation induite pendant la période d’automne/hiver
Thèse: équipe Trafic membranaire intracellulaire dans les systèmes nerveux et endocrines
Titre: Conception de navettes peptidique sélectives au cuivre afin de prévenir la toxicité du complexe Cuamyloïde-J3 lié à la maladie d’Alzheimer.
Résumé: La maladie d’Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus répandue et se caractérise par l’apparition, dans des parties spécifiques du cerveau, d’enchevêtrements neurofibrillaires intracellulaires et de plaques amyloïdes extracellulaires. Ces dernières résultent d’un métabolisme anormal de« Amyloidbeta precursor protein » (APP) conduisant à l’accumulation d’Al3 dans des plaques. Des analyses ex vivo du cerveau des patients atteints de la MA, montre une concentration anormalement élevée de Cu, Zn et Fe dans ces plaques. D’autres études ont démontré que seul le niveau de Cu était diminué dans tout le cerveau et dans les régions fortement touchées par la MA. Cette carence s’accompagne d’une diminution des niveaux de Cu neuronal ainsi que d’une augmentation du Cu extracellulaire « labile » où ce dernier participe à la génération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS). Pour corriger cette dyshoméostasie du Cu dans le cerveau des patients atteints de MA, nous avons conçu et synthétisé des nouvelles navettes peptidiques sélectives pour le Cu(II), capable de récupérer le Cu de l’Al3 extracellulaire et de libérer le Cu à l’intérieur des cellules. Cette thèse détaille d’abord la caractérisation physico-chimique de ces nouvelles navettes peptidiques, puis elle se poursuit par des études in cellulo sur les cellules PC12, utilisées comme modèle neuronale de la MA. Enfin, nous avons étudié la capacité de nos navettes à protéger des tranches organotypiques d’hippocampe (OHSC) contre l’impact de niveaux élevés de Cu extracellulaire.
Title: Design of copper-selective peptide shuttles to prevent the toxicity of the Cuamyloid-J3 complex linked to Alzheimer’s disease.
Summary: To date Alzheimer’s disease (AD) is the most common neurodegenerative disease with hallmarks including the apparition, in specific parts of the brain, of intracellular neurofibrillary tangles and extracellular amyloid plaques. The latter results from an abnormal metabolism of Amyloid-beta precursor prote in (APP) leading to the accumulation of Al3 in plaques. Ex vivo analysis of AD patients’ brains, show an abnormally elevated concentration of Cu, Zn and Fe in these plaques. Further studies demonstrated reduced Cu levels in the entire brain and more specifically in regions heavily affected in AD. This decrease is accompanied by a decline in neuronal Cu levels and by an increase in extracellular labile Cu promoting reactive oxygen species (ROS) generation. To correct this Cu dyshomeostasis in the brain of AD patients, we designed and synthesized novel Cu(ll)-selective peptide shuttles, capable of retrieving Cu from extracellular Al3 and releasing Cu inside cells. This thesis details, firstly the physico-chemical characterization of novel peptide shuttles, followed by in cel/u/o studies using PC12 cells as neuronal model of AD. Finally, we investigated the ability of our shuttles to protect organotypic hippocampal slices (OHSCs) from Cu insult.
Position actuelle: Post-doctorat
Institut : Institut du cerveau, Paris, France
Team leader (cheffe d’équipe) : Marie-Claude Potier
Research topic : Reducing the production of toxic Aβ peptides in Alzheimer’s disease by mutating the APP cholesterol-binding site: a new therapeutic strategy ?
Thèse: équipe Lumière, vision & cerveau
Titre: Rôle de l’horloge circadienne dans le développement de la rétine.
Résumé: La rotation de 24 heures de la Terre autour de son axe a fait évoluer la vie et a établi un cycle perpétuel de lumière-obscurité. Par conséquent, les rythmes intrinsèques ≈ 24h sont devenus une caractéristique fondamentale de chaque processus cellulaire et physiologique dans tout le corps. La rétine contient une horloge circadienne endogène qui régule de nombreux processus physiologiques selon un rythme récurrent de 24 heures permettant l’adaptation de la fonction visuelle aux changements quotidiens d’intensité lumineuse. L’objectif de cette thèse de doctorat était d’identifier la machinerie moléculaire qui sous-tend l’influence de l’horloge circadienne au cours du développement de l’œil. Cette thèse de doctorat révèle diverses facettes de la pertinence omniprésente de l’horloge circadienne dans la physiologie oculaire. Bien que d’autres études seront nécessaires pour déterminer le lien entre le phénotype circadien et les anomalies rétiniennes, nos résultats révèlent néanmoins des mécanismes biologiques potentiels, notamment des voies de signalisation reliant potentiellement l’horloge, la génération de photorécepteurs et le contrôle du cycle cellulaire dans la rétine en développement.
Title: Role of the Biological Clock in Retinal Development.
Summary: The Earth’s 24-hour rotation around its axis evolved life and established a perpetual light-dark cycle. As a result, intrinsic ≈ 24h rhythms have become a fundamental feature of every cellular and physiological process throughout the body. The retina contains an endogenous circadian clock that regulates many physiological processes according to a recurrent 24-hour rhythm allowing adaptation of visual function to daily changes in light intensity. The aim of this PhD thesis was to identify the molecular machinery underlying the influence of the circadian clock during eye development. This PhD thesis reveals various facets of the pervasive relevance of the circadian clock in ocular physiology. Although further studies will be required to determine the link between circadian phenotype and retinal abnormalities, our results nevertheless reveal potential biological mechanisms, including signalling pathways potentially linking the clock, photoreceptor generation and cell cycle control in the developing retina.
Position actuelle: Global scientific relations Manager, department of CNS, Retinopathies and Emerging Areas at Boehringer Ingelheim, Germany.
Thése: équipe Douleur et psychopathologie
Titre: Contribution de la voie amygdalo-cingulaire dans la dépression et sa comorbidité avec la douleur chronique.
Résumé: La dépression est une maladie chronique et invalidante, aggravée par la présence de comorbidités comme la douleur chronique. Pendant mon doctorat, j’ai établi le rôle de la voie amygdalo-cingulaire (BLA-CCA) dans l’induction et le maintien de comportements apparentés à la dépression chez la souris, notamment à la suite d’une douleur chronique. L’analyse des altérations transcriptomiques observées chez le patient dépressif ou induites par stimulation de la voie BLA-CCA chez la souris a révélé un déficit de myélinisation important, conservé dans les deux espèces. J’ai enfin montré que la suppression du répresseur de myélinisation Sema4A dans le CCA empêche le développement de comportements de type dépressif suite à la stimulation de la voie BLA-CCA chez la souris.
Title: Contribution of the amygdalo-cingulate pathway in depression and its comorbidity with chronic pain.
Summary: Depression is a chronic and debilitating disease, often worsened by the presence of comorbidities such as chronic pain. During my PhD, I characterized the role of the amygdalo-cingulate pathway (BLA-ACC) in the development and maintenance of negative affective behavior in mice, with a particular focus on the emotional consequences of chronic pain. Using high-throughput RNA sequencing, I found that depressed patients and mice share a very similar transcriptomic signature of depression in the ACC, with important impairment in the myelination process. Finally, I showed that deletion of the myelination repressor Sema4A in the ACC prevents the development of depressive-like behaviors induced by the stimulation of the BLA-ACC pathway in mice.
Position actuelle: Post-doctorat
Institut: Center for Clinical Pharmacology, Washington University in St. Louis, USA
Team leader (chef d’équipe): Jordan McCall
Research topic (projet de recherche): Norepinephrine-mediated regulation of myelination in pain and stress-related disorders.
Titre: Implication des récepteurs P2X de l’ATP et du calcium dans la polarisation microgliale
Résumé : En réponse à un changement de la composition du milieu extracellulaire, les cellules microgliales vont « s’activer » pour assurer diverses fonctions et secréter des facteurs immuno- modulateurs. Ces cellules, vont détecter la présence de pathogènes ou des variations de concentrations d’ions ou de messagers extracellulaires tels que l’adénosine triphosphate (ATP). Nos travaux se sont intéressés au profil d’expression fonctionnelle des récepteurs-canaux (P2X) de l’ATP dans les cellules microgliales BV-2 et à l’implication du « Calcium Sensing Receptor » (CaSR) dans l’activation microgliale. Nos résultats indiquent que les cellules BV-2 expriment, les récepteurs-canaux P2X1, P2X3, P2X4 P2X5, P2X7 et P2X1/5 fonctionnels. Nous montrons également la présence et la fonctionnalité du CasR, un récepteur couplé aux protéines G, sur les cellules BV-2. Lorsqu’il est activé, le CaSR favorise le phénotype M2. Ces données permettent de porter un regard nouveau sur les mécanismes d’activation et de polarisation des cellules microgliales et révèle pour la première fois l’existence d’un récepteur endogène couplé aux protéines G, le CaSR, dans l’induction de l’état M2.
Titre: Implication des astrocytes dans la modulation NMDA-dépendante de l’inhibition spinale
Résumé : La corne dorsale de la moelle épinière joue un rôle essentiel dans la réception et l’intégration des informations nociceptives provenant de la périphérie. Ces informations seront ensuite transmises aux centres supra-spinaux où elles seront consciemment interprétées comme douloureuses. Un réseau complexe d’interneurones excitateurs et inhibiteurs, ainsi que des cellules gliales, intègrent les informations nociceptives et modulent l’activité des neurones de projection. L’équilibre entre l’excitation et l’inhibition au sein du réseau définit l’intensité du message transmis. La rupture de l’équilibre entre l’excitation et l’inhibition peut mener à des conditions de douleurs anormales, qui peuvent se maintenir dans le temps. Le recrutement des récepteurs NMDA et une diminution de l’efficacité de l’inhibition dans le réseau jouent un rôle critique dans le développement et la maintenance de la sensibilisation centrale. Cependant, ces mécanismes ont principalement été étudiés séparément. Un acteur important dans la modulation de la transmission synaptique est l’astrocyte. Ce projet apporte de nouvelles pistes quant au rôle des récepteurs NMDA et des astrocytes dans la modulation de la transmission synaptique GABAergique dans la corne dorsale de la moelle épinière.
Thèse: équipe Lumière, vision et cerveau
Titre: Utilisation de CRISPR-Cas9 chez Psammomys obesus pour examiner la vulnérabilité des cônes aux mutations du gène Abca4 impliqué dans la maladie de Stargardt.
Résumé: La maladie de Stargardt 1 (STGD1) est une maladie autosomique récessive. Le gène dans lequel les mutations sont responsables a été identifié, Abca4, codant pour un membre de la super famille des cassettes de liaison à l’ATP, exprimé spécifiquement dans la rétine. L’objectif de ce projet est de comparer la vulnérabilité des photorécepteurs en bâtonnets et cônes à la perte d’Abca4 par une stratégie CRISPR-CAS9 utilisant un rongeur diurne. Le modèle animal, Psammomys obesus, est une espèce diurne riche en cônes dans laquelle les cônes sont représentés en grand nombre (~ 30-40% de photorécepteurs totaux), ressemblant plus étroitement à la macula humaine et permettant des détails structurels, fonctionnels et analyses biochimiques. Nous avons effectué des injections sous-rétiniennes de constructions Adeno-Associated Virus (AAV)-CRISPR-Cas9 chez Psammomys obesus, pour obtenir un Abca4 – KO. Une fois ayant confirmé la perte d’Abca4, pour analyser les conséquences fonctionnelles et morphologiques nous avons réalisé des analyses non invasives (électrorétinographie, tomographie par cohérence optique, imagerie du fond d’œil). Les yeux traités présentent une dégénérescence rétinienne étendue et rapide 2 mois après l’injection, comme le montre l’OCT, et l’enregistrement ERG a montré une baisse significative des réponses lumineuses photopiques (cônes). En conclusion, les rongeurs riches en cônes offrent un scénario unique pour explorer les changements moléculaires et cellulaires survenant dans les maculopathies humaines telles que STGD1, et devrait fournir un moyen précieux d’évaluer les stratégies thérapeutiques potentielles.
Title: Use of CRISPR-Cas9 in Psammomys obesus to examine the vulnerability of cones to mutations in the Abca4 gene involved in Stargardt disease.
Summary: Loss of central vision constitutes the major underlying reason for visual handicap in western industrialized nations. Stargardt’s Disease 1 (STGD1) is an autosomal recessive disease of early onset and severe visual handicap, representing the most frequent inherited macular degeneration. The gene in which mutations are responsible for STGD1 has been identified, Abca4, coding for a member of the ATP binding cassette super family, expressed specifically in retina. The aim of this project is to compare the vulnerability of rod and cone photoreceptors to Abca4 loss by a CRISPR-Cas9 strategy using a diurnal rodent. The animal model, Fat Sand Rat Psammomys obesus, is a diurnal cone-rich species in which cone photoreceptors are represented in large numbers (~30-40% total photoreceptors), more closely resembling the human macula, and allowing detailed structural, functional and biochemical analyses. We performed subretinal injections of Adeno-Associated Virus (AAV)-CRISPR-Cas9 constructs in Psammomys obesus, to obtain an Abca4 – KO. After confirming the loss of Abca4; to analyse the functional and morphological consequences to Abca4 loss we performed non-invasive imaging (Electroretinography, Optical coherence tomography, Fundus imaging). CRISPR-Cas9-Abca4 -/- treated eyes exhibit extensive and rapid retinal degeneration by 2 months post-injection, as seen by OCT, and ERG recording showed significant declines in photopic (cone) light responses.In conclusion, cone-rich rodents offer a unique scenario to explore molecular and cellular changes occurring in human maculopathies like STGD1, and should provide a valuable means to appraise potential therapeutic strategies.
Position actuelle : Post-doctorat
Institut: Institut des Neurosciences Cellulaires et Intégratives, UPR-3212, Strasbourg, France
Team leader (chef d’équipe): David Hicks
Titre: Altérations sexe-dépendantes de la nociception dans un modèle d’autisme induit par le valproate
Résumé : Les individus atteints de troubles du spectre autistique (TSA) sont souvent décrits comme moins sensible à la douleur mais les études à ce sujet sont contrastées. Nous avons utilisé des souris exposées de manière prénatale au valproate (VPA) comme modèle de TSA et évalué la sensibilité comportementale ainsi que le fonctionnement de certains acteurs cellulaire du système nociceptif. Nous décrivons une hypo-réactivité au chaud nociceptif ainsi qu’à l’injection intraplantaire de capsaïcine et de formaline, modèles de douleur aiguë. De plus, nous observons une réponse plus courte à la capsaïcine des neurones sensoriels primaires à l’aide d’imagerie du calcium libre cytosolique ainsi que des modifications de la transmission synaptique dans les neurones de la corne dorsale de la moelle épinière grâce à des enregistrements électrophysiologiques. Ce travail suggère que certaines modifications au sein d’acteurs cellulaires pourraient sous-tendre le phénotype nociceptif des individus TSA.
Titre: Évaluation des impacts neuroendocriniens de l’exposition au Bisphénol A au cours du cycle biologique d’un rongeur saisonnier (Phodopus sungorus)
Résumé : La majorité des espèces adaptent leur reproduction et leur métabolisme énergétique aux rythmes des saisons de façon à assurer la naissance des petits au printemps quand les ressources sont favorables à la survie et à la croissance des individus. L’exposition à des contaminants chimiques environnementaux tels que les perturbateurs endocriniens peut induire des effets délétères sur la reproduction et le métabolisme énergétique de nombreuses espèces. Ce travail contribue à évaluer l’effet d’une exposition au Bisphénol A (BPA) sur l’adaptation physiologique des hamsters aux saisons. L’exposition au BPA à l’âge adulte altère la dynamique des adaptations reproductives et métaboliques des hamsters aux changements de durée de jours (photopériode) avec des différences selon le sexe et la dose d’exposition. De plus, l’exposition au BPA pendant la période périnatale perturbe la fertilité des mères et leur comportement de soins maternels, ce qui modifie la croissance des petits et leur réponse physiologique aux saisons.
Titre: La voie cingulo-habénulaire dans les conséquences émotionnelles de la douleur chronique chez le rongeur : caractérisation comportementale, fonctionnelle et moléculaire
Résumé : La douleur chronique est l’une des principales causes d’invalidité mondiale et est largement associée aux troubles émotionnels. De nombreuses études pointent vers le cortex cingulaire antérieur (CCA) et l’habénula latérale (HbL) dans le développement et le maintien de la comorbidité entre douleur chronique et troubles émotionnels. L’objectif de cette thèse est d’apporter une caractérisation de la voie CCA-HbL dans les conséquences émotionnelles de la douleur chronique chez des souris mâles. Des enregistrements calciques des neurones du CCA projetant vers l’HbL ont montré une réponse à des stimuli aversifs. Ensuite, l’activation chronique de cette voie par optogénétique a induit des comportements de type anxio-dépressif chez des animaux naïfs. L’inhibition de cette voie chez des souris douloureuses chroniques a réduit ces comportements. Enfin, l’analyse transcriptomique de ces neurones a révélé des dérégulations associées à des processus épigénétiques chez les souris douloureuses chroniques. Pour conclure, ces résultats ont souligné l’importance de la voie CCA-HbL dans la comorbidité entre douleur chronique et troubles émotionnels.
Titre: Intégration et plasticité de la thermonociception spinale chez le rat
Résumé : La détection et l’intégration des informations thermiques sont essentielles à la bonne survie et adaptation d’un organisme à son environnement. Ces travaux de thèse ont porté sur la compréhension fine des mécanismes sous-jacents au traitement des informations thermiques nociceptives. Cette analyse a été effectuée au sein des réseaux neuronaux pour la compréhension du codage électrique de ces dernières par les relais nociceptifs spinaux mais également au niveau comportemental, plus intégré, qui ajoute des composantes émotionnelles et cognitives à la réponse adaptative douloureuse des rats. Cette double approche permet d’appréhender dans son ensemble la complexité de la réponse des animaux vis-à-vis des stimulations thermiques chaudes et froides, potentiellement dangereuses pour l’intégrité de l’organisme
Titre: Douleur neuropathique, récepteurs opioïdes et cannabidiol
Résumé : Ces travaux visent à évaluer le rôle potentiel des récepteurs opioïdes δ dans la douleur neuropathique et les comorbidités anxio-depressives qui lui sont associées mais aussi le potentiel thérapeutique du cannabidiol dans ces conditions. Nous avons évalué les effets comportementaux de la douleur neuropathique, et examiné l’efficacité thérapeutique du cannabidiol sur la sensibilité mécanique et les troubles émotionnels chez des souris sauvages et δ knock-out mâles et femelles. Nous avons cartographié les régions de co-expression neuronale des récepteurs δ et CB1 en condition normale et neuropathique, tout en étudiant l’hétéromérisation potentielle des récepteurs δ et CB1 en culture primaire. Ces travaux nous ont permis décrire pour la première fois les conséquences émotionnelles d’une chirurgie cuff chez la femelle. Mais aussi de préciser les régions de colocalisation neuronale des récepteurs δ et CB1 en condition neuropathique afin d’ouvrir la voie pour l’étude des hétéromères δ-CB1.
Thèse: équipe Douleur et psychopathologie
Titre: Altérations de la voie dopaminergique mésolimbique dans un modèle murin de dépression induite par la douleur chronique.
Résumé: La douleur neuropathique augmente considérablement le risque de développer un épisode dépressif caractérisé et de nombreuses études suggèrent l’implication du système dopaminergique (DA) mésolimbique, et en particulier de l’aire tegmentale ventrale (VTA), dans l’expression de cette comorbidité douleur-dépression. Cette thèse combine des approches comportementales, physiologiques et moléculaires afin d’étudier les altérations de ce système dans un modèle de souris exprimant la comorbidité douleur-dépression. Nous mettons notamment en évidence une souspopulation de neurones DA de la VTA antérieure dont l’activité électrophysiologique est diminuée dans le modèle. L’étude de la dynamique de libération de la dopamine dans le noyau accumbens révèle des altérations lors de la mise en place des comportements de type dépressif. Dans l’ensemble ces données révèlent la complexité des altérations lors de la mise en place et de l’expression de la
comorbidité douleur-dépression.
Title: Alterations in the mesolimbic dopaminergic pathway in a mouse model of chronic pain-induced chronic pain-induced depression.
Summary: Neuropathic pain significantly increases the risk of developing a major depressive disorder, and several studies suggest the implication of the mesolimbic dopaminergic (DA) system and in particular the ventral tegmental area (VTA) in the expression of this pain-depression comorbidity. This thesis combines behavioral, physiological and molecular approaches to study alterations in this system in a mouse model of chronic pain induces depression. In particular, we highlight a decrease in the electrophysiological activity of a subpopulation of DA neurons in the anterior VTA. Moreover, the study of dopamine release dynamics in the nucleus accumbens reveals alterations during the onset of depressive-type behaviours. Taken together, these data reflect the complexity of alterations in the development and expression of pain-depression comorbidity.
Position actuelle: Ingénieur d’étude, Responsable de la plateforme d’imagerie fonctionnelle et électrophysiologie, INCI, France.
Titre: Exploration de la modulation peptidergique de la douleur
Résumé : Le traitement des douleurs est un enjeu important au vu des dizaines de millions de personnes souffrant de douleurs chroniques dans le monde. La douleur est modulée entre autre par des neuropeptides, en faisant des cibles thérapeutiques de choix. Ainsi, j’ai tout d’abord travaillé sur la relaxine-3, un peptide synthétisé dans le nucleus incertus qui agit sur le récepteur RXFP3. L’activation de ce dernier dans l’amygdale entraîne une antidouleur transitoire chez le rongeur. Nous avons donc essayé de caractériser l’effet de l’activation de RXFP3 sur les circuits neuronaux de l’amygdale pour expliquer cet effet antidouleur. Notre étude a montré que l’activation de ce récepteur n’induit aucun changement sur les neurones de l’amygdale. Je me suis ensuite intéressé à l’ocytocine, un peptide hypothalamique déjà connu pour avoir un effet antidouleur. Dans ce cadre, j’ai utilisé un nouvel outil permettant de détecter la présence d’ocytocine : le GrabOT. J’ai ainsi pu en faire la caractérisation pharmacologique ainsi que le mettre en application dans une étude où nous avons montré un circuit ocytocinergique impliquant la substance grise périaqueducale ventrolatérale dans la médiation de son effet antidouleur.
Title: Study of the oxytocin effect on the central amygdala astro-neuronal network
Résumé : L’ocytocine est un neuropeptide hypothalamique impliqué dans le contrôle des émotions. Pour cette raison, je me suis intéressée à l’effet de ce peptide sur l’activité des astrocytes et des neurones de l’amygdale, une structure impliquée dans l’attribution de la valeur émotionnelle. Dans un premier temps, j’ai évalué l’effet à court terme de l’ocytocine sur les astrocytes et sur les neurones. Cette première approche nous a permis de démontrer que l’ocytocine pouvait directement activer les astrocytes de l’amygdale. Ces derniers peuvent ensuite augmenter l’activité des neurones qui les entourent en libérant des molécules neuroactives. Dans un second temps, je me suis intéressé à l’effet de l’ocytocine sur les astrocytes sur le long terme. En évaluant la morphologie et la fonction de ces derniers, nous avons pu mettre en évidence que l’ocytocine provoque une plasticité morphofonctionnelle des astrocytes de l’amygdale, ainsi contrôlant l’excitabilité des neurones sur le long terme. Dans l’ensemble, mon travail de thèse a permis de mettre en évidence l’implication des astrocytes dans l’effet neuromodulateur de l’ocytocine.
Titre: Mécanismes moléculaires du recyclage des vésicules synaptiques : rôle de la Phospholipid Scramblase-1 (PLSCR1)
Résumé : Les défauts de transmission synaptique sont observés dans diverses pathologies telles que l’épilepsie, l’autisme ou la déficience intellectuelle et, en raison de son importance critique dans le maintien de la fidélité de la neurotransmission, la compréhension des mécanismes de régulation qui couplent l’exocytose à l’endocytose des vésicules synaptiques est essentielle pour comprendre ces pathologies. La libération des neurotransmetteurs se produit par une exocytose dépendante du Ca2+, qui résulte de la fusion entre les vésicules synaptiques et la membrane plasmique. Pour maintenir la fonction synaptique et l’homéostasie des organelles, l’exocytose doit être suivie d’une endocytose compensatrice, un processus nécessaire pour préserver l’intégrité de la membrane plasmique et restaurer les stocks de vésicules synaptiques. Bien que les processus de fusion et de scission vésiculaire impliquent des réarrangements de lipides membranaires entre la membrane plasmique et les vésicules, peu d’attention a été accordée au rôle de la dynamique des lipides lors de la transmission synaptique. Mon travail de thèse montre que la PhosphoLipid SCRamblase 1 (PLSCR1), une protéine qui mélange les lipides à la surface cellulaire lorsqu’elle est activée, contrôle le remodelage des lipides et le recyclage des vésicules synaptiques (SV) à la suite de la libération de neurotransmetteurs dans les cellules granulaires du cervelet (GrC). Les synapses chez les souris PLSCR1+/+ (WT) se distinguent par une facilitation soutenue de la transmission synaptique lors d’une stimulation à haute fréquence. A l’inverse, la facilitation synaptique est réduite et la transmission synaptique diminue rapidement dans les neurones n’exprimant plus la PLSCR1 indiquant que les synapses GrC ont perdu la capacité de remplir rapidement les stocks de vésicules synaptiques. Mes résultats suggèrent que la PLSCR1pourrait faciliter le couplage endo-exocytose pour soutenir une activité neuronale intense.
Titre: Système circadien chez les rongeurs diurnes et nocturnes : rôle du système de l’éveil
Résumé : Chez les mammifères, les fonctions rythmiques sont orchestrées par les noyaux Suprachiasmatiques (SCN). Selon qu’un animal soit nocturne ou diurne, les rythmes d’activité/repos se produisent à des phases opposées, alors que les SCN sont actifs au même moment astronomique. Nous avons étudié le rôle de deux structures du système de l’éveil, les noyaux sérotoninergiques (5HT) du Raphé (RN) et noradrénergiques (NA) du Locus Coeruleus (LC) dans l’organisation temporelle entre les espèces nocturnes et diurnes. Nous avons montré que la synthèse de 5HT et de NA, et l’expression des gènes d’horloge dans le RN et le LC, sont opposées entre l’Arvicanthis diurne et le rat nocturne, et corrélées avec leurs profils comportementaux respectifs. De plus, nous avons montré que le comportement augmente l’activité électrique (MUA) des SCN chez Arvicanthis (contrairement au rat) et que la fluoxétine, un inhibiteur de la recapture de 5HT, diminue l’amplitude des rythmes d’activité comportementale et MUA. Ces données montrent que le fonctionnement rythmique des structures de l’éveil est différent entre les animaux diurnes et nocturnes, et peut participer à leur organisation temporelle opposée.
Titre: Impact d’un décalage hebdomadaire du cycle lumière-obscurité sur le sommeil, les horloges circadiennes et le comportement chez le rongeur
Résumé : Les horloges circadiennes coordonnent temporellement les fonctions de l’organisme. Dans notre société, nos obligations socio-professionnelles nous contraignent à nous lever et coucher plus tôt que notre horloge biologique le requière, conduisant à un conflit avec notre temporalité biologique interne. C’est le « jetlag social ». Ces travaux de thèse ont porté sur l’usage chez le rongeur d’un protocole lumineux de jetlag hebdomadaire (JLH) mimant le décalage observé chaque week-end chez l’humain. Chez les animaux exposés au JLH, le rythme d’activité locomotrice et de veille-sommeil sont retardés puis avancés chaque fin et début de semaine respectivement. Chez les souris exposées au JLH, l’analyses des horloges moléculaires a montré leur perturbation au sein de l’horloge principale et de structures cérébrales impliquées dans le sommeil et les comportements affectifs et motivé, suggérant un impact du JLH sur ces fonctions. Les souris exposées au JLH manifestent des comportements de type anxieux et de prise de risques pouvant être liés aux perturbations des horloges. Ces résultats démontrent les impacts à long terme du jetlag social sur la santé.
Title: Functional diversity of glutamate release at individual cerebellar granule cell boutons
Résumé: Les cellules de Purkinje (CP) intègrent les informations sensorimotrices des fibres moussues (FM) via les axones des cellules en grains (CG), les fibres parallèles (FP). Les informations circulent à hautes fréquences, déclenchant la plasticité à court terme (PCT). La PCT façonne la force synaptique pour encoder temporellement l’information et contrôler l’activité des CPs. L’objectif est de comprendre comment la PCT s’organise aux boutons de la FP pour un codage temporel spécifique dans le cortex cérébelleux. L’imagerie biphotonique d’un senseur fluorescent du glutamate dans les CGs a permis d’identifier la PCT pendant une stimulation à haute fréquence. La PCT est hétérogène le long de la FP et n’est pas fixée par l’identité de la cellule postsynaptique. En haut [Ca2+], les boutons libèrent une grande population de vésicules pour soutenir la libération de glutamate et normaliser la PCT. Enfin, la modulation des vésicules affecte de manière hétérogène la PCT sans réduire sa diversité.
Thèse: équipe Contrôle peptidergique des émotions
Titre: Analyse in vivo de l’activité anti-hyperalgésique de molécules innovantes.
Résumé: Le traitement des douleurs est l’un des enjeux important du 21ème siècle, en effet le nombre de personne souffrant de douleurs chroniques dans le monde dépasse les 100 millions. Cependant le traitement de ces douleurs est complexe et la médecine est aujourd’hui extrêmement dépendante des analgésiques dérivés des opiaces, qui ont pourtant des effets secondaires particulièrement délétères. Ainsi, pour continuer à traiter les douleurs il est essentiel de développer des traitements alternatifs.
Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté à explorer le potentiel analgésique de nouvelles molécules innovantes ciblant les systèmes analgésiques endogènes. J’ai ainsi pendant ma thèse pu caractériser le potentiel anti-hyperalgésique de deux molécules innovantes, le LIT-001 une issue de l’ingénierie du récepteur de l’ocytocine et la pulégone, un monoterpène analogue du menthol et pourtant largement sous étudié. Cette recherche s’est principalement basé sur une approche comportementale in vivo basé sur un modèle de douleur induite.
Title: In vivo analysis of the anti-hyperalgesic activity of innovative molecules.
Summary: The treatment of pain is one of the major challenges of the 21st century, as the number of people suffering from chronic pain in the world exceeds 100 million. However, pain treatment is complex and medicine is currently extremely dependent on opiate-based analgesics, which have particularly severe side effects. Thus, in order to be able to continue managing pain, it is essential to develop alternatives treatments. In this context, the aim of my thesis work was to explore the analgesic potential of new innovative molecules targeting endogenous analgesic systems. During my thesis, I was able to characterise the anti-hyperalgesic potential of two innovative molecules, LIT-001, a molecule derived from the engineering of the oxytocin receptor, and pulegone, a monoterpene analogue of menthol, although it remains considerably understudied. The research was mainly based on an in vivo behavioural approach using an induced pain model.
Position actuelle: Post-doctorat
Team leader : Prof. Dr. med. Andreas Vlachos
Institut: Institute of Anatomy and Cell Biology, University of Freiburg – Germany
Projet de recherche: Improving precision and real time monitoring of neurosurgery with diamond-based quantum sensors.
Title: Molecular mechanisms of hormonal secretion and anti-secretory treatment of human pheochromocytoma
Summary:
Title: Integrating reproduction and energy metabolism : a round way trip via RF-amide peptides
Summary:
Reproduction is a process that requires a tight and appropriate metabolic status to ensure the correct development and survival of the offspring. In nature, animals match and anticipate the environmental conditions with their energy supplies and the timing of gestation and delivery. We now know that the control of reproduction, food intake and body weight is centrally located in the hypothalamus. Two specific populations of RF-amide peptide-producing neurons, Kisspeptin and RFRP-3, are upstream to the control of the hypothalamic pituitary gonadal axis. In the last 16 years, these RF-amides have also been implicated in the control of food intake and body weight regulation. We studied the effects of these two peptides on energy metabolism in two animal models : the seasonal reproductive Djungarian hamster and the Wistar rat. Overall, we found clear effects of the RF-amides in the central nervous system on energy metabolism in both species. Djungarian hamsters showed changes in food intake and body weight, mainly in the adipose tissue, whereas the Wistar rats changed their food intake, lipid metabolism and glucose homeostasis. In addition, we showed that the hypothalamic expression of both RF-amides is also influenced by cold environment in rats and that metabolic seasonal adaptations are dampened by an obesogenic diet in the hamsters. With this thesis we confirm that kisspeptin and RFRP-3, originally described for their implication in the control of reproduction, are also involved in the central regulation of energy metabolism, which reinforces our hypothesis that these peptides play a role in the central coordination of reproductive and metabolic functions.
Thèse: équipe Trafic membranaire intracellulaire dans les systèmes nerveux et endocrines
Title: Involvment of phosphatidic acid in membrane traffic : role and regulation of phospholipase D during phagocytosis and regulated exocytosis
Summary: The discovery of the involvement of lipids in membrane trafficking is one of the major recent progress in cell biology. My thesis work focused on phosphatidic acid (PA), the simplest phospholipid. PA synthesis by phospholipase D (PLD) plays a crucial role during phagocytosis and regulated exocytosis, but its precise dynamics, as well as the mode of action of the different PA species, remain unknown. I characterized three PA binding domains allowing a better understanding of the interaction between proteins and PA and leading to the generation of genetic sensors for PA in cells. Thus I could visualize PA synthesis during phagocytosis and identified that the small GTPase Arf6 regulates PLD activity and consequently PA synthesis. My work also reveals that PLD modulates several steps during exocytosis in neuroendocrine cells. Further lipidomics and rescue experiments allowed me to show that mono- and polyunsaturated forms of PA are involved in distinct steps of exocytosis.
Titre: Implication de l’acide phosphatidique dans le trafic membranaire : rôle et régulation de la phospholipase D au cours de la phagocytose et de l’exocytose régulée
Résumé: La mise en évidence du rôle des lipides dans le trafic membranaire fait partie des avancées majeures de ces dernières années. Mes travaux de thèse se sont focalisés sur le plus simple des phospholipides, l’acide phosphatidique (PA). La production de PA par la phospholipase D (PLD) joue un rôle crucial au cours de la phagocytose et l’exocytose régulée, mais la dynamique de sa formation, tout comme les mécanismes d’action des différentes formes de PA, restent à ce jour totalement inconnus. Durant mon doctorat, j’ai contribué à la caractérisation de trois domaines de liaison peptidique au PA, qui nous ont permis de mieux comprendre les mécanismes d’interaction des protéines avec le PA et de générer des sondes moléculaires pour repérer ce lipide au sein des cellules. Ainsi, j’ai pu visualiser la production de PA au cours de la phagocytose et mis en évidence l’implication de la GTPase Arf6 dans la régulation de la synthèse de PA par la PLD. J’ai également pu montrer que la PLD est impliquée dans plusieurs étapes de l’exocytose dans des cellules neuroendocrines. Des expériences de lipidomique et de restauration ont révélé notamment que des formes mono- et polyinsaturées du PA contrôlent des étapes distinctes de l’exocytose que j’ai pu définir.
Title: Modular information processing in the cerebellar cortex
Summary: The cerebellum is essential for motor coordination and to learn new motor skills. In the cerebellar cortex, information processing is based on a modular organization: each module is involved in the control of specific motor units. Localized lesions of the cerebellum impair coordinated movements in only one part of the body and lead to movement disorders like ataxia. This project aims to understand how cerebellar modules communicate, process incoming information and how they relate to coordinated movements in mice. We combine optical and electrophysiological approaches in vitro in order to determine the functional synaptic maps between different modules. The development of these maps revealed that the establishment of connections between distant modules coincide with the appearance of motor coordination in mice. Using models of motor alteration, we showed that synaptic maps are reorganized following motor adaptation. The results bring new hypotheses about the control of motor coordination in normal and pathological conditions. Future directions will be to assess how a specific activation of identified modules may compensate for motor impairments.
Titre: Traitement modulaire de l’information dans le cortex cérébelleux : vers la causalité entre l’organisation synaptique fonctionnelle et le comportement moteur
Résumé: Le cervelet est indispensable à la coordination motrice ainsi qu’au maintien de la posture. Le traitement de l’information dans le cortex cérébelleux repose sur une organisation modulaire : chaque module est impliqué dans le contrôle de muscles spécifiques. Des lésions focales du cervelet entrainent des troubles moteurs dans une région précise du corps, conduisant à des pathologies telles que l’ataxie. Ce travail vise à comprendre comment les modules cérébelleux traitent l’information sensorimotrice, communiquent entre eux et leur implication dans la coordination motrice chez la souris. Des approches optiques et électrophysiologiques ont permis d’établir les cartes de connexions synaptiques entre différents modules. L’étude du développement de ces cartes a démontré que la mise en place des synapses entre des modules distants coïncide avec l’émergence de la locomotion. L’emploi de modèles de perturbation de la locomotion a démontré que les cartes synaptiques sont réorganisées suite à l’adaptation de la coordination motrice. Ce projet apporte de nouvelles hypothèses quant au contrôle de la coordination motrice en conditions normales et pathologiques.
Title: Longitudinal analysis of brain networks by magnetic resonance imaging (MRI) in a murine model of neuropathic pain-induced depression
Summary:
Chronic pain conditions frequently lead to anxiety and depressive disorders. Despite considerable clinical research, the mechanisms underlying this comorbidity remain elusive. We conducted a non-invasive brain imaging study to investigate changes in structural and functional connectivity in a mouse model of neuropathic pain-induced depression. We employed two methods of magnetic resonance imaging (MRI) to investigate functional communication pathways (using resting state functional MRI-rs-fMRI) as well as their microstructural substrates (diffusion MRI) in longitudinal manner. Brain networks demonstrate remarkable structural and functional modifications following the induction of neuropathic pain and the emergence of depressive phenotype. Combining a relevant preclinical model and in vivo brain MRI, we identified a brain connectivity signature of pain-induced depression and its evolution over time, involving alterations in reward circuits, with a major impact of the two centers: ACA and VTA. The main results of functional imaging reveal considerable changes in the networks encompassing the reward circuit and DMN, which are known to be involved in both chronic pain pathologies and major depression. The long-term perspective of this project is to investigate the causal relationship between pain and depression, reaching a mechanistic explanation for the comorbidity.
Title: Identification of the anterior cingulate cortex area 24 in the context of anxiodepressive-like phenotypes development in the mouse : implication of the amygdalo-cingulate pathway
Summary: The anterior cingulate cortex (ACC) is a prefrontal region located at the center of a network allowing the sharing of cognitive, motor, limbic and visceral information, placing it as an interesting target for the study of complex pathologies like mood disorders. To investigate these diseases in mice, we provided the complete connectome of each ACC areas by a tract-tracing approach. We demonstrated that the majority of structures constituting this connectome are reciprocally connected with the ACC and that some density and topographical connection specificities were observed among cingulate areas. These results potentially suggest some shared functions between cingulate areas, also completed by specific roles inherent to each area. Using this connectome, we demonstrated that the repeated activation of the amygdala projection to the ACC was able to induce anxiodepressive-like behaviors in naïve mice, by using optogenetics combined with behavioral tests. This study highlights for the first time the implication of a portion of the ACC connectome in the establishment of mood disorders.
Titre: Identification du connectome de l’aire 24 du cortex cingulaire antérieur dans le contexte du développement de phénotypes de type anxio-dépressif chez la souris : implication de la voie amygdalo-cingulaire.
Résumé: Le cortex cingulaire antérieur (CCA) est une région préfrontale située au centre d’un réseau permettant l’échange d’informations cognitives, motrices, limbiques et viscérales, la plaçant ainsi comme un sujet incontournable dans l’étude de pathologies complexes telles que les troubles anxio-dépressifs.
Afin de pouvoir aborder ces pathologies chez la souris, nous avons établi par traçage neuronal le connectome complet des différentes aires composant le CCA.
Nous avons ainsi montré qu’une grande majorité des structures de ce connectome communique de manière réciproque avec cette région et que, selon les aires cingulaires, des spécificités de densité d’innervation et de topographie peuvent exister.
Ceci suggère des fonctions partagées mais également des rôles plus spécifiques à chaque aire.
A partir de ce connectome, nous avons ensuite montré, par une approche optogénétique associée à des tests comportementaux, que l’activation répétée de la projection de l’amygdale au CCA est susceptible d’induire des comportements de type anxio-dépressif chez des souris naïves.
Ce travail met donc en évidence le rôle d’une partie du connectome du CCA dans l’établissement des troubles de l’humeur.
Title: Corticospinal circuit characterisation and it’s implication in sensorimotor integration
Summary: A coordinated movement relies not only on a proper motor command, but also on the online analysis of a constant multi-sensory feedback. It has recently been hypothesized that the corticospinal tract (CST) could be responsible for such functions. The goal of my thesis was to unravel how the cortical filtering of sensory inputs hinges on the cortical motor command to produce well-coordinated behaviors. By sequentially investigating different stages of the corticofugal circuits, we found that both the motor and sensory control both originate from the same cortical area but then follow segregated paths. We showed that the hindlimb motor command is mainly relayed through subcortical supraspinal motor centers, and is only partly encoded by the CST via a propriospinal relay in the rostral spinal cord. In contrast, corticospinal neurons are essential for sensory control and execute it directly through a population of lumbar interneurons. This new understanding of the functions of the CST is fundamental for the study of diseases such as amyotrophic lateral sclerosis.
Titre: Caractérisation de la voie cortico-spinale et son implication dans l’intégration sensori-motrice
Résumé: Un mouvement coordonné repose non seulement sur une commande motrice appropriée, mais aussi sur l’analyse en direct des informations multi-sensorielles reçues. Le tractus cortico-spinal (CST) est soupçonné d’être responsable de ces fonctions. Le but de ma thèse a été de comprendre comment le contrôle cortical des entrées sensorielles s’organise autour de la commande motrice pour produire des comportements coordonnés. En étudiant les voies corticofuges, nous avons découvert que les contrôles moteur et sensoriel proviennent de la même zone corticale mais suivent ensuite des voies séparées. Nous avons montré que la commande motrice des membres postérieurs est principalement relayée par les centres moteurs supra-spinaux sous-corticaux, et n’est que partiellement encodée par le CST via un relais proprio-spinal rostral. En revanche, les neurones cortico-spinaux sont essentiels pour le contrôle sensoriel, qu’ils réalisent directement par l’intermédiaire d’une population d’interneurones lombaires. Cette nouvelle compréhension des fonctions de la voie cortico-spinale est fondamentale pour l’appréhension des maladies affectant le CST.
