Les astrocytes, qui forment le type cellulaire le plus abondant de notre cerveau, ont longtemps été considérés comme de simples éléments de support des neurones, incapables de générer des signaux porteurs d'informations complexes. Cette théorie émanait du constat que les astrocytes sont incapables d’employer le langage des neurones, consistant de signaux électriques, qui était jusqu'il y a quelques décennies la seule forme de communication intercellulaire connue dans le cerveau. Une révolution dans les neurosciences a commencé il y a environ 30 ans, lorsque l'application des techniques d'imagerie à l’étude des astrocytes ont permis de découvrir que ces cellules sont capables de détecter l'activité neuronale et d'y répondre au moyen d’une augmentation de leur concentration intracellulaire de calcium. Ces signaux calciques, caractérisés par une important variabilité en termes d’intensité, de durée et de fréquence, ont été proposés comme substrat d’une forme alternative de langage intercellulaire complexe. Ce comportement des astrocytes leur permettrait de communiquer activement avec les neurones. Bien que des études récentes fournissent les premières preuves de la participation des astrocytes au fonctionnement des réseaux neuronaux, on connaît peu de choses sur la forme et la temporalité de l’influence modulatrice des astrocytes sur ces réseaux ainsi que son impact sur les fonctions cognitives. Mon travail de thèse s’est donc concentré sur l’identification du rôle de l'activité calcique de grandes populations d'astrocytes dans la régulation des différents patterns de décharges neuronales lors de l'exécution de tâches cognitives complexes. Grâce aux dernières technologies d’endoscopes miniaturisés pour l’imagerie calcique, nous avons pu confirmer, pour la première fois, l’existence de la communication astrocytaire en direction des neurones chez des souris se déplaçant librement. Nos enregistrements montrent l'existence d’une activation majeure du réseau d'astrocytes de l'hippocampe associée à l'état de haute vigilance. Cette activation apparaît comme nécessaire et fondamentale pour recruter des neurones spécifiques afin qu'ils deviennent un support de mémoire, appelé « engramme », permettant sa persistance. Notre travail représente une avancée significative dans l’étude de la biologie des astrocytes en mettant en lumière les « discussions » entre astrocytes et neurones lors de tâches faisant appel à la mémoire. Nous répondons ainsi à l'une des questions ouvertes les plus débattues du domaine : l’existence d’un lien de causalité entre l’action des astrocytes sur les neurones et les fonctions cognitives.
--
Our understanding of the role of astrocytes in the brain has been overturned in the last 30 years by the discovery of their calcium excitability, leading to the release of molecular modulators acting on neuronal synapses. This discovery represented a conceptual paradigm shift in neuroscience, as astrocytes were seen before as simple synaptic isolators and mere metabolic suppliers to neurons. The accumulating evidence of bidirectional interactions between neurons and neighboring astrocytes appears to be important in large-scale synaptic regulation for coordinating network function and plays critical roles in complex cognitive brain operations. Although recent studies provide initial evidence of astrocytic participation in network function, little is known about how and when astrocytes exert their modulatory influence on neuronal networks and what their impact on cognitive function is. The ultimate goal of my Ph.D. project is thus to identify the role of intracellular calcium dynamics of large astrocytic populations in regulating different neuronal firing patterns to execute complex cognitive tasks: specifically, CA1-dependent spatial memory and contextual fear memory. My Ph.D. project during these 4.5 years can be divided into three parts.
In the first part, we set up appropriate conditions to record calcium dynamics from a large number of astrocytes while mice are awake and perform different kinds of behavioral tasks. To this end, we combined advanced technologies, notably the use of transgenic mice expressing calcium- sensitive fluorescent proteins, GCaMP6f, specifically in astrocytes, and miniaturized wide‐field fluorescence endoscopes that can be mounted on the mouse’s head without interfering with its normal behavior. Our endoscope recordings show the existence of complex and multimodal patterns of astrocyte calcium activity. A major obstacle to analyzing these data is the inappropriateness of existing analytical tools, as they are adapted to study exclusively homogeneous neuronal responses. Therefore, we developed new approaches for improving signal acquisition and data analysis, including extraction of complex features of astrocytic calcium signals such as frequency and spatial extent. The new approaches allowed us to analyze the correlation between calcium activity patterns and spatial learning progression.
In the second part, we found a prominent network activation of hippocampal dorsal CA1 (dCA1) astrocytes associated with the high vigilance state called “arousal”. We succeeded in systematically reproducing this type of massive activation in dCA1 astrocytes by foot shocks and further demonstrated that the activation in response to the foot shock is significantly attenuated in the full knockout mouse model of IP3 receptor type 2 (IP3R2 KO mice) in which the astrocyte signaling is disrupted. Moreover, we confirmed that interfering with astrocytes' calcium activation causes a deficit in contextual fear memory recall that is linked to excessive c-Fos expression in response to an abnormal neuronal firing during memory retrieval.
In the third part, we investigated the potential contribution of astrocytes in pathological conditions, such as Alzheimer's Disease (AD). We showed, for the first time, the existence of abnormal astrocytic activities in the AD mouse model (5xFAD mice) during the execution of contextual fear memory tasks, possibly linked to AD cognitive degradation.
Overall, identifying a non-neuronal component in memory processes would be a substantial step forward in understanding its computational contribution to brain physiology and pathology. This study shed light on how astrocytes networks function in vivo during memory encoding and/or recalling and thus turn them into persistent memories.
--
Notre compréhension du rôle des astrocytes dans le cerveau a été bouleversée au cours des 30 dernières années par la découverte de leur excitabilité calcique, provoquant la libération de modulateurs moléculaires agissant sur les synapses neuronales. Cette découverte a représenté un changement de paradigme conceptuel pour les neurosciences, la fonction présumée des astrocytes étant auparavant limitée au support physique et métabolique des neurones. L’accumulation de preuves concernant les interactions bidirectionnelles entre les astrocytes et neurones adjacents semble montrer leur importance dans la régulation synaptique à grande échelle permettant le fonctionnement coordonné des réseaux et leur rôle critique dans les opérations cognitives complexes du cerveau. Bien que des études récentes fournissent les premières preuves de la participation des astrocytes au fonctionnement des réseaux, on connaît peu de choses sur la forme et la temporalité de l’influence modulatrice des astrocytes sur les réseaux neuronaux ainsi que son impact sur les fonctions cognitives. L'objectif final de mon projet de doctorat est donc d'identifier le rôle de l'activité calcique intracellulaire de grandes populations d'astrocytes dans la régulation des différents patterns de décharges neuronales lors de l'exécution de tâches cognitives complexes : plus précisément, la mémoire spatiale CA1-dépendante et la mémoire contextuelle de peur. Mon projet de doctorat, mené pendant 4 ans et demi, peut être subdivisé en trois parties.
Dans la première partie, nous avons mis en place les conditions appropriées pour enregistrer la dynamique calcique d'un grand nombre d'astrocytes chez des souris éveillées effectuant différents types de tâches comportementales. Dans ce but, nous avons combiné des technologies avancées, en particulier l'emploi de souris transgéniques exprimant sélectivement le marqueur calcique GCaMP6f dans les astrocytes et d’endoscopes à fluorescence à champ large, miniaturisés pour être montés sur la tête des souris sans interférer avec leur comportement normal. Nos enregistrements endoscopiques montrent l'existence de patterns complexes et multimodaux dans l'activité calcique des astrocytes. Un obstacle majeur à l'analyse de ces données est l'inadéquation des outils d'analyse existants, adaptés exclusivement à l'étude de réponses neuronales homogènes. En conséquence, nous avons développé de nouvelles approches permettant d'améliorer l'acquisition du signal et l'analyse des données, y compris l'extraction de caractéristiques complexes des signaux calciques astrocytaires telles que la fréquence et l'étendue spatiale. Ces nouvelles approches nous ont permis d'analyser la corrélation entre les patterns d'activité calcique et la progression de l'apprentissage spatial. Dans la deuxième partie, nous avons constaté une activation majeure du réseau d'astrocytes de l'hippocampe dorsal CA1 (dCA1) associée à l'état de haute vigilance. Nous avons réussi à reproduire systématiquement ce type d'activation massive dans les astrocytes dCA1 par l'administration de chocs électriques à la patte et avons en outre démontré que l'activation en réponse aux chocs est significativement atténuée chez les sujets IP3R2 KO, chez lesquels la signalisation des astrocytes est perturbée. De plus, nous avons confirmé qu'interférer avec l'activation calcique des astrocytes entraîne un déficit de la mémoire de peur contextuelle, causé par une réactivation neuronale excessive pendant la remémoration.
Dans la troisième partie, nous avons étudié la contribution potentielle des astrocytes à des pathologies telles que la maladie d'Alzheimer. Nous avons montré, pour la première fois, l'existence d'activités astrocytaires anormales chez les souris 5xFAD pendant l'exécution de tâches de mémoire de peur contextuelle, possiblement en lien avec la dégradation cognitive de la maladie d'Alzheimer.
Cette étude a mis en lumière la manière dont les réseaux d'astrocytes fonctionnent in vivo pendant l'encodage et/ou la remémoration des souvenirs et les transforment ainsi en souvenirs persistants. Dans l'ensemble, l'identification d'une composante non neuronale dans les processus de mémoire constituerait une avancée substantielle dans la compréhension de sa contribution computationnelle dans le cerveau sain et pathologique.