Axe : NBS - NanoBioSciences Plasticité des Réseaux Corticaux

Axe : NBS - NanoBioSciences
Plasticité des Réseaux Corticaux & Epilepsie
http://lab.jcponcer.info
Institut du Fer à Moulin
INSERM-UPMC UMR_S 839
17 rue du Fer à Moulin
75005 Paris
http://www.ifm-institute.fr
Responsable d’équipe :
Jean Christophe PONCER & Sabine LEVI
jean-christophe[email protected] sabine/lev[email protected]
Membres permanents de l’équipe :
Eric J SCHWARTZ
[e-mail]
Emmanuel EUGENE
emmanuel.eu[email protected]
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 Activité scientifique de l’équipe :
Notre équipe s’intéresse aux mécanismes moléculaires régissant l’efficacité de la transmission
synaptique dans le cortex. En particulier, nous étudions les altérations de ces mécanismes dans le
contexte de diverses pathologies du système nerveux central, telles que l’épilepsie et les certaines
affections psychiatriques. Pour cela, nous mettons en œuvre des techniques d’électrophysiologie que
nous combinons notamment à des approches d’imagerie moléculaire par suivi de particule unique et
d’autres approches d’imagerie super-résolutive.
 Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des
nanosciences :
Depuis plusieurs années, Sabine Lévi a mis au point puis utilisé la technique de suivi de molécules
uniques à l’aide de nano-cristaux de type quantum dots afin d’étudier la dynamique membranaire de
récepteurs et transporteurs ioniques dans les neurones. Elle a été l’un des pionniers dans le
développement et l’utilisation de ces techniques et a obtenu des résultats importants illustrés par de
nombreuses publications prestigieuses, dans l’équipe d’Antoine Triller à l’ENS puis à l’institut du Fer à
Moulin (Science 2003, Neuron 2008, 2009, PNAS 2011, J Neurosci 2013…).

Modulation des propriétés diffusives des récepteurs postsynaptiques inhibiteurs par
l’activité neuronale
Diffusion latérale du récepteur de la glycine à la surface des neurones
de la moelle épinière. La technique de suivi de particules uniques permet
d’explorer les propriétés diffusives de protéines membranaires grâce à des
nanocristaux (quantum dots) couplés à un anticorps spécifique. A et B,
projections maximales (blanc) de trajectoires de quantum dots couplés à un
anticorps dirigé contre le récepteur de la glycine à distance (A) ou à proximité
d’une synapse (visualisée en rouge par un marquage au FM4-64). Echelle,
1 m. C, déplacement quadratique moyen (MSD) au cours du temps
correspondant à ces deux trajectoires. En bleu, la relation quasi-linéaire
indique un déplacement peu contraint de type Brownien d’un récepteur
extrasynaptique. En rose, MSD d’une trajectoire synaptique révélant
l’existence de contraintes à la diffusion. Copyright Cell Press 2008.
Nous utilisons la technique de
suivi de molécules uniques à
l’aide de nanocristaux de CdSe
(quantum dots) afin d’explorer les
propriétés diffusives de protéines
transmembranaires telles que les
récepteurs postsynaptiques ou
certains transporteurs ioniques.
Ces études visent à identifier le
rôle de l’échafaudage sous-
membranaire dans les processus
de diffusion-capture de ces
protéines et leur modulation par
l’activité neuronale normale et
pathologique.
Titre du résultat 2
Diffusion latérale d’un récepteur du glutamate de type AMPA dans une
épine dendritique d’un neurone cortical. La même technique est mise en
œuvre afin de suivre les conséquences d’une altération de l’organisation du
cytosquelette d’actine dans l’adressage et le confinement des récepteurs de
type AMPA dans les épines dendritiques qui portent l’essentiel des synapses
excitatrices dans les neurones corticaux. En rouge est figuré le contour d’une
épine dendritique d’un neurone hippocampique en culture. En vert, image du
signal fluorescent émis par un quantum dot unique (3 premières images) et
projection maximale de la trajectoire (image de droite) sur 24 secondes
d’enregistrement. Cet exemple montre qu’un récepteur AMPA localisé dans la
tête d’une épine dendritique peut rapidement s’échapper de l’épine et diffuser
vers le tronc du dendrite, un comportement favorisé par une désorganisation du
cytosquelette. Copyright National Academy of Sciences of the United States of
America 2011.
Nous explorons les
conséquences d’une altération
du cytosquelette d’actine dans
les épines dendritiques sur le
confinement et l’adressage des
récepteurs du glutamate de type
AMPA. Ces mécanismes sont à
l’origine de formes de plasticité
synaptique qui pourraient
représenter le substrat
moléculaire des processus de
mémoire et d’apprentissage.
Nous cherchons à comprendre
comment des altérations
physiologiques et pathologiques
de l’organisation du
cytosquelette perturbent
l’ancrage et l’exocytose de ces
récepteurs en combinant
électrophysiologie cellulaire,
suivi de molécules uniques et
imagerie super-résolutive.

 Programme de recherche :
Peut-être plus qu'aucune autre affection neurologique, l'épilepsie est avant tout une maladie
synaptique. Les crises résultent de l'activité coordonnée et synchrone d'assemblées neuronales. Des
altérations de l'excitabilité neuronale et de la transmission synaptique jouent donc un rôle
déterminant dans l'émergence de ces activités anormales des réseaux neuronaux. De telles
altérations peuvent avoir une origine génétique ou être consécutives à diverses agressions ou
traumas neurologiques ou à une crise initiale. En particulier, de nombreux travaux associent des
altérations affectant vraisemblablement la signalisation GABAergique à des syndromes d'épilepsie
du lobe temporal (ELT), une forme d'épilepsie du l'adulte particulièrement résistante aux
pharmacothérapies actuellement disponibles. Cependant, le lien causal entre ces altérations et
l’émergence de crises récurrentes, dont la prise en charge est souvent difficile, demeure méconnu.
Des traitements ciblant les récepteurs GABAA s'avèrent souvent inefficaces et parfois même
accentuent les symptômes, rendant nécessaire la recherche d'approches alternatives.
Notre projet, en combinant des approches d'imagerie à super-résolution, d'électrophysiologie in vitro
et in vivo et des modèles expérimentaux d'ELT vise à explorer l'impact d'altérations de la signalisation
GABAergique dans l'hippocampe épileptique sur l'activité des synapses et des réseaux.
Spécifiquement, nous explorerons deux voies qui nous semblent particulièrement originales et
prometteuses en termes de débouchés thérapeutiques : nous étudierons d’une part comment des
altérations du transport des ions chlorure - d’origine génétique ou induites par l’activité neuronale –
favorisent l’émergence des crises dans le cortex hippocampique ; d’autre part, nous explorerons les
réarrangements anatomiques et fonctionnels des réseaux inhibiteurs périsomatiques et leur
contribution à l’épileptogenèse. Notre objectif est d'identifier des mécanismes cellulaires et
moléculaires qui pourraient représenter de nouvelles cibles pour prévenir l'émergence d'un réseau
épileptique.
 Références :
Chamma I, Heubl M, Chevy Q, Renner M, Moutkine I, Eugène E, Poncer JC, Lévi S (2013) Activity-
dependent regulation of the K/Cl transporter KCC2 membrane diffusion, clustering, and function
in hippocampal neurons. J Neurosci. 2013 Sep 25;33(39):15488-503
Renner M, Schweizer C, Bannai H, Triller A, Lévi S (2012) Diffusion barriers constrain receptors at
synapses. PLoS One. 2012;7(8):e43032
Bouthour W, Leroy F, Emmanuelli C, Carnaud M, Dahan M, Poncer JC, Lévi S (2012) A human
mutation in Gabrg2 associated with generalized epilepsy alters the membrane dynamics of
GABAA receptors. Cereb Cortex. 2012 Jul;22(7):1542-53
Gauvain G, Chamma I, Chevy Q, Cabezas C, Irinopoulou T, Bodrug N, Carnaud M, Lévi S, Poncer JC
(2011) The neuronal K-Cl cotransporter KCC2 influences postsynaptic AMPA receptor content and
lateral diffusion in dendritic spines. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Sep 13;108(37):15474-9

Lévi S, Dahan M, Triller A (2011) Labeling neuronal membrane receptors with quantum dots. Cold
Spring Harb Protoc. 2011 Mar 1;2011(3):prot5580
Bannai H, Lévi S, Schweizer C, Inoue T, Launey T, Racine V, Sibarita JB, Mikoshiba K, Triller A (2009)
Activity-dependent tuning of inhibitory neurotransmission based on GABAAR diffusion dynamics.
Neuron. 2009 Jun 11;62(5):670-82
Lévi S, Schweizer C, Bannai H, Pascual O, Charrier C, Triller A (2008) Homeostatic regulation of
synaptic GlyR numbers driven by lateral diffusion. Neuron. 2008 Jul 31;59(2):261-73
Bannai H, Lévi S, Schweizer C, Dahan M, Triller A (2006) Imaging the lateral diffusion of membrane
molecules with quantum dots. Nat Protoc. 2006;1(6):2628-34
Dahan M*, Lévi S*, Luccardini C, Rostaing P, Riveau B, Triller A (2003) Diffusion dynamics of glycine
receptors revealed by single-quantum dot tracking. Science. 2003 Oct 17;302(5644):442-5.