Detail Equipe

Développement des microcircuits GABAergiques corticaux

 Responsable

COSSART Rosa (Directeur de recherche (DR2))

 Membres

BAUDE Agnès (Chargé de recherche (CR1))
FELDT-MULDOON Sarah (Post-doctorant)
GUIGUE Philippe (Ingénieur (IE))
MALVACHE Arnaud (Post-doctorant)
SOUSA Vitor (Post-doctorant)
TRESSARD Thomas (Ingénieur UNIVERSITE)
VILLETTE Vincent (Post-doctorant)


   L'équipe

                                                     

P. BONIFAZI  M. PICARDO  T. MARISSAL  P. GUIGUE

 S. FELDT C. ALLENE R. COSSART P. LACHAMP A. LEPINE


   Collaborations extérieures:

Pr. G. Fishell (NYU, USA), Dr. N. Denisenko (Institut du Fer à Moulin, Paris), Dr. Bianconi (Trieste, Italy).

   Collaborations INMED:

Dr. A. Represa, Dr. L. Aniksztejn, Dr. R. Khazipov.

   Thématique :


La plupart des fonctions corticales et des pathologies du système nerveux sont associées à l’activité coordonnée de neurones organisés en réseau. Ces activités de réseau sont fortement modulées par l’action d’une minorité de cellules (10-15%), les interneurones GABAergiques, responsables de l’inhibition dans le cerveau adulte. Ces neurones constituent une population cellulaire très hétérogène du point de vue neurochimique et morpho-fonctionnel. Un dysfonctionnement, même restreint à une famille spécifique d’interneurones, est souvent à l’origine d’épilepsies. De plus, la plupart des gènes exprimés dans les précurseurs d’interneurones GABAergiques corticaux ont été reliés indépendamment à des pathologies du système nerveux chez l’homme indiquant qu’un défaut de maturation des microcircuits GABAergiques peut être à l’origine de nombreuses maladies neurologiques allant de l’épilepsie à l’autisme ou la schizophrénie. L’activité de recherche de notre équipe est ainsi centrée sur la maturation des microcircuits GABAergiques au cours du développement cérébral. Le rôle de cette population de cellules dans les circuits corticaux aux stades précoces du développement est d’autant plus fondamental que le GABA est le principal neurotransmetteur excitateur du cerveau immature. Nous nous intéressons spécifiquement à la structure fonctionnelle de ces microcircuits et analysons les interactions entre les microcircuits GABAergiques et le réseau dans son enesmble en conditions contrôle et pathologiques. Pour avoir accès à ce niveau d’analyse nous avons constitué une équipe rassemblant différentes compétences: l’imagerie biphotonique multifaisceaux pour suivre la dynamique des activités de réseau, l’analyse mathématique, l’électrophysiologie et la morphologie (Cossart 2005; Goldin 2007; Crépel 2007 ; Allène 2008). Le développement de nouvelles techniques et méthodologies expérimentales donne la possibilité d’aller toujours plus loin dans la « dissection » des circuits neuronaux. Parallèlement, des modèles mathématiques toujours plus élaborés sont proposés avec l’objectif de mieux décrire et de comprendre la dynamique de systèmes complexes. Nous travaillons sur tranches vivantes de cerveau de rongeurs et d’enfants épileptiques post-opératoire. Nous utilisons également des souris transgéniques inductibles (Miyoshi and Fishell, 2006). L’originalité de notre stratégie de recherche est de faire converger l’analyse théorique et expérimentale des réseaux de neurones corticaux sur site.

Grâce à cette stratégie, nous avons récemment obtenu deux résultats majeurs:
(1) La première activité coordonnée des réseaux corticaux en développement (néocortex et hippocampe) synchronise préférentiellement des assemblées discrètes de neurones (Crépel et al. 2007, Allene et al. 2008). Cette activité que nous avons appelée SPA (Synchronous Primary Assemblies) apparaît de façon transitoire à la naissance sous le contrôle de l’ocytocine. L’activité électrophysiologique des cellules SPA se caractérise par des oscillations périodiques spontanées du potentiel membranaire, dépendantes de l’activation de conductances intrinsèques et produisant une élévation soutenue du calcium intracellulaire. Les SPAs sont observés pendant toute la première semaine de vie et disparaissent progressivement avec l’apparition de l’activité synaptique de réseau.  Nous suggérons que ces premiers microcircuits primitifs constituent une étape épigénétique essentielle de la consolidation des différentes unités fonctionnelles GABAergiques. Le premier volet de notre programme de recherches est de tester cette hypothèse en caractérisant la structure morpho-fonctionnelle des SPAs, in vitro et in vivo.

(2) Le réseau hippocampique en développement est organisé selon une topologie particulière obéissant à une loi « sans échelle » impliquant l’existence de neurones « hub», c'est-à-dire des nœuds à forte connectivité relayant et synchronisant l’activité de nombreux neurones (Bonifazi et al. 2009). Nous avons caractérisé les propriétés morpho-fonctionnelles de ces cellules. Il s’agit d’interneurones GABAergiques présentant une arborisation axonale dense et divergente et dont l’activation perturbe de façon significative la dynamique spontanée de plusieurs centaines de neurones à la fois. Ces interneurones seraient des piliers de la construction du réseau hippocampique et devraient par conséquent être des cellules pionnières générées précocement aux stades embryonnaires. Nous proposons que ces cellules coordonnent d’autres patrons d’activité, comme les hypersynchronisations épileptiformes. Le second volet de notre programme de recherches est la caractérisation fonctionnelle de la connectivité des réseaux en développement, en conditions normales et pathologiques.

   Principaux Objectifs :

Ces deux découvertes récentes orientent notre recherche selon deux directions complémentaires, la première est de comprendre la part de l’activité dans la maturation des microcircuits GABAergiques en développement, la seconde est de disséquer la topographie fonctionnelle des circuits GABAergiques immatures afin de comprendre les mécanismes de synchronisation des réseaux. Ces deux thématiques sont la base fondamentale nous permettant d’aborder l’étude des pathologies liée à un dysfonctionnement de ces réseaux, le troisième volet de notre domaine de recherches. Notre approche est à la frontière des avancées technologiques dans le domaine des neurosciences en matière d’imagerie cellulaire comme d’analyse mathématique des données.

   Techniques utilisées:

L’étude des mécanismes de genèse des activités de réseau nécessite deux niveaux d’analyse : le réseau et la cellule (Cossart et al., 2005). Cela est devenu possible en combinant microscopie bi-photonique infra-rouge, analyse statistique exploratoire, enregistrements cellulaires et étude morphologique. Nous avons implanté cette approche à l’INMED.
Suivre la dynamique d’un réseau à l’échelle cellulaire: imagerie biphotonique multifaisceaux
Nous avons choisi d’utiliser l’imagerie calcium à l’aide d’un objectif faible grossissement (X20, et haute ouverture numérique) afin de suivre simultanément l’activité de plusieurs centaines de neurones tout en conservant une résolution cellulaire. La vitesse de balayage constitue une limitation des approches classiques de microcopie confocale. Sur la base d’essais comparatifs de plusieurs solutions technologiques, le système que nous avons mis en place (LaVision, Trimscope) contourne cette limitation en partageant le faisceau laser en un peigne de 64 faisceaux, augmentant considérablement la vitesse d’acquisition (jusqu’à 15 ms par image). Nous détectons des variations de calcium correspondant à des potentiels d’action unitaires. Ce poste est couplé à un système d’enregistrement électrophysiologique. Nous sommes le premier laboratoire de Neurophysiologie  à nous équiper d’un tel système. Nous avons également développé des outils d’analyse mathématiques (système Matlab) permettant de déterminer de façon automatique: (i) la cartographie du réseau de neurones enregistré par imagerie; (ii) de reconstruire automatiquement l’activité de chaque neurone; (iii) de mettre en évidence des patrons de décharges corrélés; (iv) de mettre en évidence la topographie fonctionnelle des connections entre cellules du réseau et en particulier de localiser des cellules « hubs » dont l’activité précède et contrôle les synchronisations de la population neuronale. Depuis Mai 2004 deux systèmes sont opérationnels selon ce modèle. Deux niveaux d’analyse simultanés : Imagerie et enregistrements en patch clamp
Une fois localisés les éléments clés du réseau pour une dynamique donnée nous ciblons les neurones sous contrôle visuel et réalisons des enregistrements en patch-clamp  tandis que l’activité globale du réseau est suivie simultanément en imagerie.  Caractérisation morphologique du microcircuit fonctionnel enregistré
Les cellules sont remplies d’un colorant (biocytine) pendant leur enregistrement et leurs caractéristiques morphologiques révélées post-hoc. Des immunomarquages sont également réalisés afin de déterminer le contenu neurochimique des cellules visualisées en imagerie.

 Financements :

Fondation Bettencourt, Equipe FRM, ERC FP7 "Starting Grant", ANR Jeune Chercheur, Marie-Curie FP6-7,  Ministère de la Recherche, INSERM, CNRS, Région PACA, Ville de Marseille, FRC

 Publications principales récentes:

GABAergic hub neurons orchestrate synchrony in developing hippocampal networks.Bonifazi P, Goldin M, Picardo MA, Jorquera I, Cattani A, Bianconi G, Represa A, Ben-Ari Y, Cossart R.Science. 2009;326(5958):1419-24

Early NMDA-R-driven waves of activity in the developing neocortex: physiological or pathological network oscillations? Allene C, Cossart R. J Physiol. 2009.

Sequential generation of two distinct synapse-driven network patterns in developing neocortex.C. Allene, A. Cattani, J.B. Ackman, P. Bonifazi, L. Aniksztejn, Y. Ben-Ari & R. Cossart.J Neurosci. 2008;28(48):12851-63.

A Parturition-associated non-Synaptic Coherent Activity Pattern in the Developing Hippocampus. Crepel V, Aronov D, Jorquera I, Represa A, Ben-Ari Y, Cossart R.  Neuron 54, 105-20 (2007).


Synaptic kainate receptors tune O-LM neurons to operate at theta frequency. Goldin M., Represa A., Crepel V., Ben-Ari Y., Cossart R. Journal of Neuroscience, 7(36):9560-72 (2007).

Calcium imaging of cortical networks dynamics. R.Cossart, Y.Ikegaya and R. Yuste. Cell Calcium.;37(5):451-7.(2005)

Multiple facets of GABAergic neurons and synapses: multiple fates of GABA signalling in epilepsies. R. Cossart, C. Bernard and Y. Ben-Ari . Trends in Neurosciences 28,108-115 (2005).

Attractor dynamics of network UPstates in neocortical slices. Cossart R., Aronov D. and Yuste R. Nature. 423:283-8. (2003).

Synfire chains and cortical songs: temporal modules of cortical activity. Ikegaya Y, Aaron G, Cossart R, Aronov D, Lampl I, Ferster D, Yuste R. Science; 304:559-64. (2004)



 VIDEOS

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 Publications

Feldt S, Soltesz I, Cossart R, (2013) Spatially clustered neuronal assemblies comprise the microstructure of synchrony in chronically epileptic networks (PNAS) En savoir plus

Marissal T, Bonifazi P, Picardo MA, Nardou R, Petit L, Baude A, Fishell G, Ben-ari Y, Cossart R, (2012) Pioneer glutamatergic cells develop into a morpho-functionally distinct population in the juvenile CA3 hippocampus (Nature Communications) En savoir plus

Feldt S, Bonifazi P, Cossart R, (2011) Dissecting functional connectivity of neuronal microcircuits: experimental and theoretical insights (Trends in Neuroscience) [PDF 2085 Ko ] En savoir plus

Picardo MA, Guigue P, Bonifazi P, Batista-Brito R, Allène C, Ribas A, Fishell G, Baude A, Cossart R, (2011) Pioneer GABA cells comprise a subpopulation of hub neurons in the developing hippocampus (Neuron) En savoir plus

Cossart R, (2011) The maturation of cortical interneuron diversity: how multiple developmental journeys shape the emergence of proper network function (Curr Opin Neurobiol. ) En savoir plus

Allène C, Cossart R, (2009) Early NMDA-R driven waves of activity in the developing neocortex: physiological or pathological network oscillations? (Journal of Physiology) En savoir plus

Bonifazi P, Goldin M, Picardo MA, Jorquera I, Cattani A, Bianconi G, Represa A, Ben-ari Y, Cossart R, (2009) GABAergic hub neurons orchestrate synchrony in developing hippocampal networks (Science) [PDF 1288.7 Ko ] En savoir plus

Allène C, Cattani A, Ackman J, Bonifazi P, Aniksztejn L, Ben-ari Y, Cossart R, (2008) Sequential Generation of Two Distinct Synapse-Driven Network Patterns in Developing Neocortex (The Journal of Neuroscience) [PDF 5104.2 Ko ] En savoir plus

Crepel V, Aronov D, Jorquera I, Represa A, Ben-ari Y, Cossart R, (2007) A Parturition-Associated Nonsynaptic Coherent Network Activity Pattern in the Developing Hippocampus (Neuron) [PDF 1854.3 Ko ] En savoir plus

Goldin M, Epsztein J, Jorquera I, Represa A, Ben-ari Y, Crepel V, Cossart R, (2007) Synaptic Kainate Receptors Tune Oriens-Lacunosum Moleculare Interneurons to Operate at Theta Frequency (Journal of Neuroscience) [PDF 687.9 Ko ] En savoir plus

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