Impact d’un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions sur le développement des interneurones corticaux : rôle de l’adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK)

Abstract

L’encéphalopathie hypoxique-­‐ischémique cause des milliers de victimes à travers le monde chaque année. Les enfants survivants à un épisode hypoxique-­‐ischémique sont à risque de développer des problèmes neurologiques incapacitants comme une paralysie cérébrale, un retard mental, une épilepsie ou des troubles d’ordre comportemental. Les modèles animaux ont amélioré nos connaissances sur les mécanismes sous-­‐jacents aux dommages cérébraux, mais elles sont encore trop incomplètes pour être capables de prévenir les problèmes neurologiques. Ce projet vise à comprendre l’impact d’un épisode asphyxique périnatale associé à des convulsions ainsi que l’activation de l’adenosine monophosphate-­‐activated protein kinase (AMPK) sur les circuits GABAergiques inhibiteurs en développement chez la souris. Dans le but d’investiguer le sort des neurones inhibiteurs, appelés interneurones, suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions avec des animaux transgéniques, nous avons pris avantage d’un nouveau modèle d’hypoxie permettant d’induire des convulsions chez la souris. Deux populations d’interneurones représentant ensemble environ 60% de tous les interneurones corticaux ont été étudiées, soit les cellules exprimant la parvalbumine (PV) et les cellules exprimant la somatostatine (SOM). L’étude stéréologique n’a montré aucune mort neuronale de ces deux populations d’interneurones dans l’hippocampe chez les souris hypoxique d’âge adulte. Par contre, le cortex des souris hypoxiques présentait des zones complètement ou fortement dépourvues de cellules PV alors que les cellules SOM n’étaient pas affectées. L’utilisation d’une lignée de souris transgénique exprimant une protéine verte fluorescente (GFP) dans les cellules PV nous a permis de comprendre que les trous PV sont le reflet de deux choses : 1) une diminution des cellules PV et 2) une immaturité des cellules PV restantes. Puisque les cellules PV sont spécifiquement affectées dans la première partie de notre étude, nous avons voulu étudier les mécanismes moléculaires sous-­‐jacents à cette vulnérabilité. L’AMPK est un senseur d’énergie qui orchestre le rétablissement des i niveaux d’énergie cellulaire dans le cas d’une déplétion énergétique en modulant des voies de signalisation impliquant la synthèse de protéines et l’excitabilité membranaire. Il est possible que l’activation d’AMPK suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions soit néfaste à long-­‐terme pour le circuit GABAergique en développement et modifie l’établissement de l’innervation périsomatique d’une cellule PV sur les cellules pyramidales. Nous avons étudié cette hypothèse dans un modèle de culture organotypique en surexprimant la forme wild-­‐type (WT) de la sous-­‐unité α2 d’AMPK, ainsi qu’une forme mutée dominante négative (DN), dans des cellules PV individuelles. Nous avons montré que pendant la phase de formation synaptique (jours post-­‐natals équivalents EP 10-­‐18), la surexpression de la forme WT désorganise la stabilisation des synapses. De plus, l’abolition de l’activité d’AMPK semble augmenter le nombre de synapses périsomatiques faits par la cellule PV sur les cellules pyramidales pendant la phase de formation et semble avoir l’effet inverse pendant la phase de maturation (EP 16-­‐24). La neurotransmission GABAergique joue plusieurs rôles dans le cerveau, depuis la naissance jusqu’à l’âge adulte des interneurones, et une dysfonction des interneurones a été associée à plusieurs troubles neurologiques, comme la schizophrénie, l’autisme et l’épilepsie. La maturation des circuits GABAergiques se fait majoritairement pendant la période post-­‐natale et est hautement dépendante de l’activité neuronale et de l’expérience sensorielle. Nos résultats révèlent que le lourd fardeau en demande énergétique d’un épisode asphyxique périnatal peut causer une mort neuronale sélective des cellules PV et compromettre l’intégrité de leur maturation. Un des mécanismes sous-­‐ jacents possible à cette immaturité des cellules PV suite à l’épisode hypoxique est l’activation d’AMPK, en désorganisant leur profil d’innervation sur les cellules pyramidales. Nous pensons que ces changements dans le réseau GABAergique pourrait contribuer aux problèmes neurologiques associés à une insulte hypoxique.

Hypoxia-­‐ischemia encephalopathy causes thousands of victims each year around the world. Children surviving such hypoxia-­‐ischemia insults are at risk of developing disabling neurological problems such as cerebral palsy, epilepsy or cognitive problems. Animal models have improved our knowledge about the underlying mechanisms causing cerebral injury, but it is still too incomplete to be able to prevent neurological problems. This project aims to understand the impact of a perinatal asphyxic insult associated with seizures as well as the activation of adenosine monophosphate-­‐activated protein kinase (AMPK) on developing inhibitory GABAergic networks in mouse. With the objective to study the fate of inhibitory cells, called interneurons, following a perinatal asphyxia insult associated with seizures in transgenic animals, we took advantage of a new hypoxia model allowing us to induce seizures in mice. Cells expressing parvalbumin (PV) and cells expressing somatostatin (SOM) were studied as together they represent about 60% of all cortical interneurons. A stereological study showed no cell death within those two interneuron populations in the hippocampus of adult hypoxic mice. However, the cortex of hypoxic mice showed zones with complete or strongly lacking PV cells, whereas SOM cells were not affected. A transgenic mouse line allowed us to show that PV holes are the reflection of two things 1) a decrease in PV cells and 2) immaturity of surviving PV cells. Because PV cells a selectively affected in the first part of our study, we wanted to study the molecular mechanisms underlying this vulnerability. AMPK is a metabolic energy sensor that orchestrates the recovery of energy in cells undergoing energy depletion by modulating cellular pathways involved in protein synthesis and membrane excitability. It is possible that the activation of AMPK following a perinatal asphyxic insult associated with seizures is detrimental for developing GABAergic networks and modifies the establishment of perisomatic innervation of PV cells on excitatory pyramidal cells. We have studied this hypothesis in an organotypic system by overexpressing the wild-­‐type (WT) form and the dominant negative (DN) form of AMPK iv α 2 sub-­‐unit in individual PV cells. We have observed that during the synaptic formation phase (equivalent post-­‐natal day EP 10-­‐18), overexpressing WT AMPK disorganises synapse stabilisation. Moreover, abolishing AMPK activity with the transfection of AMPK DN seems to increase the number of perisomatic synapses made by PV cells onto pyramidal cells, and seems to have the inverse effect during the synaptic maturation phase (EP 18-­‐24). GABAergic neurotransmission plays many roles in the brain, from interneurons birth to adulthood, and a dysfunction in GABAergic neurotransmission has been associated with many neurological diseases such as schizophrenia, autism and epilepsy. GABAergic networks maturation mainly happens postnatally and is highly dependent on neural activity and sensory experience. Our results reveal that the heavy energetic burden caused by an asphyxic insult can cause selective PV cells death and interfere with their maturation. AMPK activation following an asphyxic insult could be one mechanism interfering with PV cells maturity by disorganising their pattern of innervation onto pyramidal cells. We think that these GABAergic networks alterations could contribute to the neurological problems associated to a hypoxic insult.