Soutenance de thèse de Tony BARBAY

Les astrocytes, un sous-type de cellules gliales, jouent un rôle clé dans la physiopathologie du système nerveux central (SNC). Parmi l’ensemble des fonctions assurées par les astrocytes, le maintien de l’homéostasie des ions potassium (K+) est primordial. L’expression astrocytaire des canaux potassiques à rectification entrante, notamment les canaux Kir4.1, qui soutiennent cette homéostasie K+, a été établie au niveau du SNC. Toutefois, au niveau de la moelle épinière (ME), les implications fonctionnelles et les mécanismes de régulation de ces canaux restent en grande partie méconnue. Les travaux entrepris au cours de cette thèse ont eu pour but d’étudier le rôle des astrocytes et des canaux Kir4.1 dans la physiopathologie des réseaux moteurs spinaux chez la souris, tant au cours du développement qu’après lésion de la ME. Nos recherches ont abordé ce sujet à plusieurs niveaux d’analyse : de la cellule à l’organisme entier. La ME est une structure du SNC qui reçoit et intègre des informations en provenance de la périphérie et des structures cérébrales facilitant la production d’un patron locomoteur adapté aux contraintes environnementales. Dans une première étude, nous avons démontré la contribution astrocytaire dans la rythmicité de la région ventro-médiane du segment lombaire rostral. En effet, cette région est centrale dans la genèse du rythme locomoteur où siègent des interneurones ayant des propriétés intrinsèques dites auto-rythmiques. En combinant des approches électrophysiologiques, de l’imagerie calcique bi-photonique, des outils pharmacologiques et génétiques nous avons démontré que: (1) les astrocytes sont actifs avant et pendant les oscillations neuronales, (2) les canaux astrocytaires Kir4.1 sont nécessaires au maintien de ces oscillations neuronales ex vivo, et (3) qu’ils participent également à la modulation du patron locomoteur in vivo. Dans une seconde étude, nous avons étudié l’impact des canaux Kir4.1 sur la spasticité après une lésion de la ME. Ce trouble moteur, caractérisé par une hypertonie musculaire partiellement dûe à une hyperexcitabilité des motoneurones a été moins étudié du point de vue de la contribution astrocytaire. Suite à une lésion de la ME, nous avons identifié des changements morpho-fonctionnels chez les astrocytes entourant les motoneurones lombaires, incluant une hypertrophie et l’expression de marqueurs pro-inflammatoires, ainsi qu’une altération des signaux calciques et des déficits des propriétés électriques. Ces astrocytes réactifs présentent également une acidose excessive réduisant la fonctionnalité des Kir4.1 associée à une dyshoméostasie K+ et une hyperexcitabilité des réseaux moteurs spinaux. La correction génétique par gain de fonction des canaux Kir4.1 a permis de réduire les symptômes spastiques chez des souris médullo-lésées, ouvrant des perspectives thérapeutiques prometteuses.

Astrocytes, one of the most important subtypes of glial cells, play a key role in the pathophysiology of the central nervous system (CNS). Among the various functions performed by astrocytes, maintaining potassium ion (K+) homeostasis is crucial. The astrocytic expression of inwardly rectifying potassium channels, particularly Kir4.1 channels, which support this K+ homeostasis, has been established in the CNS. However, in the spinal cord (SC), the functional implications and regulatory mechanisms of these channels are largely unknown. The research undertaken during this thesis aimed to study the role of astrocytes and Kir4.1 channels in the pathophysiology of spinal motor networks in mice, both during development and after spinal cord injury (SCI). Our research addressed this topic at multiple levels of analysis, from the cell to the whole organism. The SC is a structure of the CNS that receives and integrates information from the periphery and brain structures, facilitating the production of a locomotor pattern adapted to environmental constraints. In a first study, we demonstrated the astrocytic contribution to the rhythmicity of the ventromedial region of the rostral lumbar segment. Indeed, this region is central in the genesis of locomotor rhythm where interneurons with intrinsic auto-rhythmic properties are located. By combining electrophysiological approaches, bi-photon calcium imaging, pharmacological and genetic tools, we demonstrated that: (1) astrocytes are active before and during neuronal oscillations, (2) Kir4.1 astrocytic channels are necessary to maintain these neuronal oscillations ex vivo, and (3) they also participate in the modulation of the locomotor pattern in vivo. In a second study, we investigated the impact of Kir4.1 channels on spasticity after SCI. This motor disorder, characterized by muscle hypertonia partly due to the hyperexcitability of motoneurons, has been less studied from the perspective of astrocytic contribution. Following SCI, we identified morpho-functional changes in astrocytes surrounding the lumbar motoneurons, including hypertrophy and the expression of pro-inflammatory markers, as well as an alteration of calcium transients and deficits in electrical properties. These reactive astrocytes also exhibit excessive acidosis reducing the functionality of Kir4.1 associated with a K+ dyshomeostasis and hyperexcitability of the spinal motor networks. Genetic correction by gain of function of Kir4.1 channels has been able to reduce spastic symptoms in SCI mice, opening promising therapeutic perspectives.