On the voltage gated ion channels involved in action potential generation and back propagation in layer 5 pyramidal neurons - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

On the voltage gated ion channels involved in action potential generation and back propagation in layer 5 pyramidal neurons

Sur les canaux ioniques potentiel-dépendant impliqués dans la génération du potentiel d'action et la rétropropagation dans les neurones pyramidaux de la couche 5

Résumé

In the mammalian brain the shape of neuronal potentials is the result of the sequential activation, inactivation and de-activation of several voltage gated (VG) ion channels, belonging to different families. Indeed, ion channel expression and distribution make up an essential part of a cells machinery, and mutations in these channels can lead to severe diseases and disorders. Therefore, the biophysical properties of ion channels are an important field of research, and the subject of this thesis. Specifically, I investigated the contribution of VG Ca2+ channels (VGCC), VG Na+ channels (VGNC), VG K+ channels (VGKC) and Ca2+ activated K+ channels (CAKC) to action potential (AP) initiation at the axon initial segment (AIS) and AP back propagation (bAP) into the apical dendrite of layer 5 pyramidal neurons (L5PN).The methodology, described in the second chapter, consists of electrophysiological recordings of L5PNs in acute mouse brain slices, combined with ultrafast imaging to record the membrane potential (Vm), Ca2+ and Na+ transients and pharmacological analyses using selective channel blockers. To confirm our experimental results we develop computational models using the NEURON software. We show that analysing VG channels in synergy is essential to understand their interactions and their individual contributions to the AP.The results of my work are reported in two chapters. Chapter 3 reports on a study on AP generation in the AIS, driven by VGNCs. Nav1.2 and Nav1.6 are the two expressed isoforms of VGNCs, and their role is crucial to the AP shape. Studying these VGNCs has been limited by a lack of pharmacological tools to distinguish between the two. Here, we used the novel peptide G1G4 -huwentoxin-IV and show its partial selectivity for Nav1.2 over Nav1.6. Exploiting this inhibitor to partially block Nav1.2, we recorded the effect on Na+ currents, Vm waveforms and Ca2+ currents associated with the AP. We demonstrate that the exclusive permeability of Nav1.2 to Ca2+ allows activation of large conductance (BK) CAKCs in the AIS. The interplay between Nav1.2, mediating the AP rise, and BK CAKCs, regulating the peak and the early phase of the AP repolarisation, shapes the AP waveform. To confirm our findings, we created a NEURON model of the AIS. This allowed simulating the interaction between Nav1.2 and BK channels and mimic the experimental results obtained by blocking Nav1.2 with G1G4 -huwentoxin-IV.Chapter 4 reports on the AP that back propagates into the dendrite after its generation at the AIS. This bAP is associated with a large Ca2+ influx, which we recorded ∼100 µm from the soma. We show that all neuronal VGCCs contribute to the Ca2+ current. We show that a VGCC subtype, N-type VGCCs, mediate activation of BK CAKCs through close functional coupling. Using Vm imaging we show the effect of their interplay occurs in the 500 µs after the bAP peak but before the expected Ca2+ current peak. This result suggests a physical interaction between BK and N-type channels. We confirm these results with a preliminary NEURON model, connecting the AIS and apical dendrite.Taken together, we propose a dual, spatially restricted role of BK CAKCs. Firstly by shaping the generating AP in the AIS through its interaction with Nav1.2. Secondly by driving fast repolarisation through functional coupling with N-type VGCCs during a bAP in the apical dendrite, in this way controlling the activation of the other VGCCs.The synergistic approach of analysing the contributions of the various VG ion channels to the AP generation and back propagation allowed for the discovery of the close functional coupling between BK CAKCs and Nav1.2 and N-type VGCCs in the AIS and apical dendrite, respectively. Together with our modelling efforts, these experiments provide a basis to study the dysfunction of VG ion channels in neuropathologies, such as autism and epilepsy.
Dans le cerveau des mammifères, la forme des potentiels neuronaux résulte de l’activation, l’inactivation et la désactivation séquentielles de plusieurs canaux ioniques potentiel-dépendant (PD) de différentes familles. Leur expression et distribution sont essentielles à la cellule, et leurs mutations peuvent entraîner maladies et troubles graves. Leurs propriétés biophysiques sont par conséquent un important domaine de recherche, et le sujet de cette thèse. Plus précisément, j’ai étudié la contribution des canaux Ca2+ PD (CPDC), Na+ PD (CPDN), K+ PD (CPDK) et des canaux K+ activés par Ca2+ (CKAC) à l’initiation du potentiel d’action (PA) dans le segment initial de l’axone (SIA), et à la rétro propagation du PA (rPA) dans la dendrite apicale des neurones pyramidaux de la couche 5 (NPC5).Le deuxième chapitre présente la méthodologie. Des enregistrements électrophysiologiques des NPC5 dans des tranches de cerveau de souris sont combinés à une imagerie ultrarapide du potentiel de membrane (Vm) et des transitoires Ca2+ et Na+, et à des analyses pharmacologiques utilisant des bloqueurs de canaux sélectifs. Les résultats expérimentaux sont confrontés à des modèles computationnels développés en utilisant le logiciel NEURON. Nous montrons que l’analyse des canaux PD en synergie est essentielle pour comprendre leurs interactions et leurs contributions individuelles au PA.Le chapitre 3 étudie la génération de PA dans le SIA pilotée par les deux isoformes exprimées des CPDN, Nav1.2 et Nav1.6. Leur rôle est crucial pour la forme du PA mais leur étude a été limitée par le manque d’outils pharmacologiques permettant de les distinguer. Ici, nous avons montré la sélectivité partielle du nouveau peptide G1G4-huwentoxin-IV pour Nav1.2. En étudiant son effet sur les courants Na+, les formes d’onde Vm et les courants Ca2+ associés au PA, nous démontrons que la perméabilité exclusive de Nav1.2 au Ca2+ permet l’activation des CKAC à grande conductance (BK) dans le SIA. L’interaction entre Nav1.2, médiateur de la montée du PA, et les CKACs BK, régulant le pic et la phase précoce de repolarisation du PA, façonne la forme d’onde du PA. Pour confirmer nos résultats, nous avons créé un modèle NEURON du SIA simulant l’interaction entre les canaux Nav1.2 et BK et reproduisant les résultats expérimentaux obtenus en bloquant Nav1.2 avec G1G4-huwentoxin-IV.Le chapitre 4 porte sur le PA rétropropagé dans la dendrite après sa génération au niveau du SIA. Ce rPA est associé à un influx important de Ca2+, que nous avons enregistré à ∼100 μm du soma. Nous montrons que tous les CPDC neuronaux contribuent au courant Ca2+. Nous n’avons pas démontré ici que Nav1.2 médiait l’influx de Ca2+ peut-être du fait de sa faible expression. Nous montrons qu’un sous-type de CPDC, les CPDC de type N, médient l’activation des CKAC de BK par un couplage fonctionnel étroit. En utilisant l’imagerie Vm nous montrons que l’effet de leur interaction se produit dans les 500 μs après le pic de rAP mais avant le pic de courant Ca2+ attendu. Ce résultat suggère une interaction physique entre les canaux BK et de type N. Nous confirmons ces résultats avec un modèle préliminaire de NEURON, reliant le SIA et la dendrite apicale.Nous proposons donc un rôle double et spatialement restreint pour les CKAC BK: façonner le PA dans le SIA par son interaction avec Nav1.2, et médier une repolarisation rapide via un couplage fonctionnel avec les CPDC de type N au cours d’un rPA dans la dendrite apicale, contrôlant ainsi l’activation des autres CPDC.L’analyse synergique des contributions des différents canaux à la génération et rétropropagation du PA a permis de découvrir le couplage fonctionnel étroit entre les CKAC BK et les CPDC Nav1.2 (dans le SIA) et de type N (dans la dendrite apicale). Associées à nos efforts de modélisation, ces expériences fournissent une base pour étudier le dysfonctionnement des canaux ioniques PD dans les neuropathologies, telles que l’autisme et l’épilepsie.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04077615 , version 1 (21-04-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04077615 , version 1

Citer

Laila Blomer. On the voltage gated ion channels involved in action potential generation and back propagation in layer 5 pyramidal neurons. Physics [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALY077⟩. ⟨tel-04077615⟩
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