Soutenance de thèse de Heba ELSEEDY

Les épilepsies du lobe temporal médian (ELTM) sont parmi les formes les plus courantes d'épilepsie partielle pharmaco-résistante de l'adulte et l'enfant. Ces épilepsies sont caractérisées par la survenue de crises récurrentes spontanées associées à des décharges excessives et synchrones de populations neuronales générées par un réseau multi structural (Zone Epileptogène, ZE) incluant les cortex limbiques tels que l’hippocampe et le cortex entorhinal (EC). Les observations électrocliniques ainsi que les études effectuées sur des modèles animaux d’ELTM montrent que ces épilepsies sont des maladies de réseau dans lesquelles la survenue des crises spontanées nécessite non seulement une hyperactivité des cellules principales des cortex limbiques, mais aussi la synchronisation des activités entre ces différents cortex limbiques du lobe temporal. Le noyau supramammillaire (SuM) est l'une des principales structures sous-corticales innervant tous les cortex limbiques. Chez le rat, il a été démontré qu’il était impliqué dans le contrôle des rythmes thêta de l’hippocampe et des fonctions associées telles que le sommeil paradoxal (SP), ainsi que l’apprentissage et la mémoire émotionnelle. Plus récemment, il a été démontré que les projections des neurones de la région latérale du SuM (SuML) qui innervent le gyrus dentelé (DG) dorsal (dDG) présentent un phénotype unique à la foie GABAergique et Glutamatergique. De plus cette voie est réorganisée chez les animaux épileptiques. Dans cette thèse, nous examinons d’abord le rôle de la voie SuML-dDG en condition physiologique avec l’ hypothèse que cette voie est essentielle pour potentialiser et synchroniser les activités entre la CE et l’hippocampe permettant aux cellules granulaires (GC) de décharger, en particulier pendant le SP. Ensuite, nous étudions si la plasticité de ces connexions chez les animaux épileptiques pourrait influer sur l’apparition et la force des crises. En utilisant une approche multidisciplinaire combinant les techniques d’optogénétiques et d’électrophysiologie avec celles d’anatomie fonctionnelles réalisées sur des souris mutantes VGLUT2-Cre exprimant la Chanelrhodopsine (ChR2, opsine excitatrice) ou Halorhodopsine (eNpHR3, opsine inhibitrice) dans les neurones du SuML et leur terminaisons axonales nous démontrons que: 1) Tous les neurones du SuML innervant le DG co-expriment les marqueurs pour les neurotransmissions GABAergique et glutamatergique, établissent des synapses asymétriques (excitatrices) et symétriques (inhibitrices) et co-libèrent le GABA et le glutamate sur les CGs du DG. L'activation de cette voie augmente la puissance et la fréquence des oscillations thêta ainsi que la puissance du gamma, en particulier pendant le SP et induit la décharge des CGs. Ces résultats sont en accord avec une étude récente montrant que cette voie potentialise la décharge des GCs lorsqu'elle est associée temporellement aux entrées de la voie perforante. 2) La population de neurones GABA / GLU du SuML innervant le dDG est hétérogène. Parmi ces neurones, 70% contiennent la calrétinine, tandis que 30% n'en contiennent pas. Ces deux populations sont organisées de manière topographique, les neurones GABA / GLU du SuML contenant la calrétinine étant plus nombreux dans la partie rostrale du noyau. Ces deux populations qui innervent les GCs et les interneurones parvalbumin du DG pourraient être impliquées dans le contrôle des différentes fonctions associées au DG. 3) Chez les souris épileptiques, la voie SuML-dDG est réorganisée comme décrit précédemment chez le rat. Nos résultats préliminaires utilisant les techniques d’optogénétique in vivo montrent que l'activation ou l'inactivation de cette voie ne modifie pas la durée de la crise. Cependant, cette voie module la variabilité de la puissance du contenu fréquentiel des crises. Des études ultérieures devront examiner si une telle modulation pourrait participer à l’expression des crises pendant certains états de vigilance spécifiques.

Mesial temporal lobe epilepsies (MTLE) are among the most common clinical forms of drug-resistant partial epilepsies in adults and children. These epilepsies are characterized by the occurrence of spontaneous recurrent seizures associated with excessive and hypersynchronous discharges of neuronal populations generated by a multi-structural epileptogenic zone involving several regions of the limbic system within the mesial temporal lobe including the hippocampal formation (HF), the entorhinal cortex (EC) and the amygdala. Electroclinical observations as well as studies performed in animal models of MTLE provide evidence that these epilepsies are network diseases in which the emergence of spontaneous seizures requires not only hyperactivity of principal cells within the limbic cortex but also the synchronization of activities between these different limbic cortex of the temporal lobe. The Supramammillary nucleus (SuM) is one of the main sub-cortical structure innervating all limbic cortex. In rat, it has been shown to be involved in the control of hippocampal theta rhythms and associated functions such as REM sleep as well as emotional learning and memory. More recently, it was shown that the projections from neurons of lateral region of the SuM (SuML) that innervate the dorsal dentate gyrus (DG) display a unique GABAergic and Glutamatergic neurotransmitter phenotype and this pathway is reorganized in epileptic animals. In this thesis we first investigate the role of the SuML-dDG pathway in physiological condition with the hypothesis that this pathway is instrumental to potentiate and synchronize activities between EC and the hippocampus allowing dentate granule cells (GC) to discharge in particular during REM sleep. Then, we investigate whether the plasticity of these connections in epileptic animals could influence the emergence and strength of seizures. Using a multidisciplinary approach combining in optogenetic and electrophysiological recordings with structural connectivity and neurochemical techniques performed in VGLUT2-Cre mutant mice expressing Chanelrhodopsine (ChR2, excitatory opsin, VGLUT2-ChR2 mice) or Halorhodopsine (eNpHR3, inhibitory opsin,) within SuML neurons and their axon terminals we demonstrate that: 1) All the neurons from the SuML innervating the dDG co-express markers for both GABAergic and glutamatergic neurotransmissions, establish asymmetric (excitatory) and symmetric (inhibitory) synapses and co-release GABA and glutamate on GCs. Activation of this pathway increases theta power and frequency as well as gamma power in particular during REM sleep and induced net firing of some GCs. These results are in keeping with a previous recent study showing that this pathway potentiates GC firing when temporally associated with perforant path inputs. 2) The population of GABA/GLU SuML neurons innervating the dDG is heterogeneous. Among these neurons 70% contain calretinin whereas 30% do not. These two populations are topographically organized, GABA/GLU SuML neurons containing calretinin being more numerous within the rostral part of this nucleus. These two populations that innervate both GCs and parvalbumin interneurons of the DG could be involved in the control of different dDG-dependent functions. 3) In epileptic mice the SuML-dDG pathway is reorganized as previously described in rat. Our preliminary results using in vivo optogenetic show that activation or inactivation of this pathway do not modify the seizure duration. However this pathway modulates the variability of the seizure frequency content power. Further studies will have to examine whether such modulation could trigger seizures during specific vigilance states.