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Blanc - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5)
Edition 2013


ANImE


Mécanismes neuronaux d’un comportement complexe chez l’aplysie révélés conjointement par l’imagerie par résonance magnétique rehaussée au manganèse et l’électrophysiologie

Mécanismes neuronaux d’un comportement complexe chez l’aplysie révélés conjointement par l’imagerie par résonance magnétique rehaussée au manganèse et l’électrophysiologie
La microscopie par résonance magnétique (MRM) pourrait devenir un atout considérable si ses applications étaient étendues aux études dynamiques de tracking cellulaire et subcellulaire. En lien avec cette nouvelle perspective, le but de ce projet est de développer de nouvelles approches expérimentales pour décrypter les communications entre des circuits neuronaux identifiés du système nerveux de l’Aplysie en combinant les données de MRM avec des mesures d’électrophysiologie.

Ce projet permettra d’obtenir des images par résonance magnétique à l’échelle de la cellule unique et également de produire des informations physiologiques aux niveaux cellulaires et subcellulaires.
Les objectifs principaux du projet sont :
- Développer les techniques de résonnance magnétique nécessaires pour effectuer de l’IRM fonctionnelle à la résolution de la cellule unique.
- Démontrer que l'imagerie fonctionnelle de cellules individuelles est possible.
- Analyser les interactions fonctionnelles de différents réseaux neuronaux du ganglion buccal impliqués dans la genèse spontanée d'un comportement complexe chez l'aplysie.
- Etudier la plasticité fonctionnelle des réseaux induite par les stimuli sensoriels et un apprentissage associatif.
- Déterminer la contribution individuelle et combinée de différents transmetteurs modulateurs dans l'induction de la plasticité neuronale.
- Analyser les modifications des propriétés membranaires et synaptiques des neurones sous-tendant la plasticité d'un réseau identifié.

Microscopie par résonance magnétique, analyses électrophysiologiques
Le projet en cours utilisera deux approches complémentaires afin de produire des avancées majeures dans la connaissance de l’organisation et les propriétés fonctionnelles des réseaux neuronaux responsables de la genèse des comportements motivés et dirigés vers un but :

(1) L’imagerie en résonnance magnétique à haute résolution pour produire une imagerie 3D extensive des propriétés fonctionnelles et de la plasticité des éléments cellulaires de tels réseaux.
(2) L’analyse électrophysiologique et pharmacologique des mécanismes cellulaires gouvernant la coordination de différents réseaux et leur plasticité induite par apprentissage, pour comprendre les processus conduisant à une motricité compulsive.

Ces deux approches utiliseront le système nerveux simple de l’aplysie dans lequel les structures neuronales qui génèrent un comportement motivé (la recherche de nourriture) et son adaptabilité induite par des informations sensorielles et des apprentissages peuvent être analysées de façon détaillée au niveau cellulaire. L’aplysie est à l’heure actuelle le seul model animal qui permet une telle étude des fonctions neurobiologiques élémentaires, en temps réel, avec la résolution de la cellule unique, afin de déterminer l'origine neuronale d’un comportement dirigé vers un but et l’émergence d’actions compulsives.

Résultats

Dans une première partie du projet, nous avons développé les techniques nécessaires pour une imagerie en résonnance magnétique à la résolution de la cellule unique. In particulier, nous avons utilisé une technique appelée Imagerie par Résonnance Magnétique Nucléaire augmentée au manganèse (MEMRI), qui utilise l'ion manganèse, un analogue du calcium, pour suivre l'activité neuronale. Nous nous sommes focalisés sur le ganglion buccal de l'aplysie (Aplysia californica). Les animaux ont été soumis à trois protocoles de stimulations : (a) des stimulations non contrôlées, (b) des stimulations contrôlés n'impliquant pas d'ingestion d'aliments, (c) des stimulations contrôlés avec ingestion. Nos résultats démontrent que la technique que nous avons développée permet de révéler les modifications d'activités neuronales qui sont induites par les stimuli sensoriels in vivo et permet de distinguer différentes réponses neuronales produites par des stimuli spécifiques.

Dans une seconde partie, nous avons utilisé la même technique pour comprendre la contribution des transmetteurs dopamine (DA) et sérotonine (5-HT) dans l'induction de la plasticité neuronale. Nous avons acquis des données MEMRI après stimulation in vitro du ganglion buccal avec la DA et 5-HT. En accord avec les images obtenues en MEMRI, nous effectuons actuellement les enregistrements électrophysiologiques de neurones spécifiques (B3, B15, B61) qui répondent différemment à l'application exogène de 5-HT et DA. Le but est de confirmer que l'activité neuronale observée avec la technique de MEMRI fonctionnelle correspond bien à des modifications des propriétés bioélectriques de ces neurones.

Perspectives

Cette étude offre une preuve de concept de la possibilité d’imagerie fonctionnelle des neurones individuels au sein de réseaux complexes qui génèrent des fonctions biologiques identifiées. Ainsi, cette avancée technique permet l’analyse du fonctionnement dynamique des neurones dans les conditions physiologiques, qui pourra être étendue aux conditions pathologiques. D’autre part, bien qu’actuellement difficile, son application chez les mammifères est envisageable. L’IRM à l’échelle de la cellule sur du tissu fixé porcin et humain a déjà été réalisée. L’amélioration de la technique dans un futur proche devrait permettre d’appliquer cette approche à des tissus vivants chez les mammifères.

Productions scientifiques et brevets

“Functional magnetic resonance microscopy at single-cell resolution in Aplysia californica”, G. Radecki, R. Nargeot, I. O. Jelescu, D. Le Bihan, and L. Ciobanu, PNAS (2014): vol. 111, p. 8667–8672.
“The functional imaging of individual neurons within complex networks”, R. Nargeot, G. Radecki, I. O. Jelescu, D. Le Bihan, and L. Ciobanu, Médecine Science, vol. 31, pp15-17, 2015.

Partenaires

CEA NeuroSpin/I2BM/CEA

INCIA Institut de Neurosciences Cognitives et Intégratives d'Aquitaine

Aide de l'ANR 425 000 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2014 - 42 mois

Résumé de soumission

Les expériences de microscopie en résonance magnétique (MRM) sont classiquement limitées à des images structurales, statiques et à haute résolution, de petits échantillons incluant les tissus biologiques. Pourtant, la MRM pourrait être considérablement plus intéressante si elle était étendue à des études dynamiques, en temps réel, des activités cellulaires et subcellulaires dans des réseaux neuronaux actifs au sein d’organismes vivants. Dans cette optique du passage d’études statiques à dynamiques, l’objectif de ce projet collaboratif est de développer une nouvelle approche expérimentale pour analyser les propriétés fonctionnelles de circuits neuronaux identifiés. En combinant les connaissances et les compétences techniques de deux laboratoires complémentaires (l’un en imagerie par résonnance magnétique, l’autre en neurosciences intégratives), l’activité des neurones et des réseaux qui génèrent un comportement complexe (la prise de nourriture) et sa modification en comportement compulsif induite par des transmetteurs modulateurs et des apprentissages par récompenses, seront étudiés. Grâce à la combinaison de MRM avec d’autres méthodes (électrophysiologie, pharmacologie, imagerie calcique), sur le système nerveux simple du model animal Aplysie, le projet déterminera l’organisation, la coordination et la plasticité de différents réseaux neuronaux à l’origine du comportement. Dans ce but, une antenne quadruple sera développée. Elle sera utilisée avec des enregistrements électriques intracellulaires multiples, pour analyser l’activité spontanée des réseaux et sa modification par des stimuli sensoriels lors d’un apprentissage de conditionnement opérant. Le rôle de la dopamine et sérotonine dans l’expression de cette plasticité induite par les entrées sensorielles sera analysé à l’échelle de cellules et réseaux identifiés. Ces données permettront une meilleure compréhension des substrats cellulaires à l’origine (1) de la genèse d’un comportement complexe, (2) des processus d’apprentissage et de mémoire, (3) de la modulation des réseaux qui conduit à l’émergence d’un comportement compulsif. Cette approche originale produira des connaissances générales sur les bases neuronales de la genèse de patrons moteurs et sa dérégulation conduisant à des désordres comportementaux.

 

Programme ANR : Blanc - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5) 2013

Référence projet : ANR-13-BSV5-0014

Coordinateur du projet :
Madame Luisa Ciobanu (NeuroSpin/I2BM/CEA)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.