Neuromodulation des circuits spinaux par interluminescence pour promouvoir la récupération motrice au décours d'une lésion de la moelle épinière // Interluminescent modulation of neural circuits to promote rehabilitation after spinal cord injury

La stimulation électrique épidurale (SEE) de la moelle épinière lombaire a permis une récupération locomotrice dans des modèles animaux et chez certains patients paraplégiques. Cependant, la SEE ne module pas de manière sélective les circuits au niveau cellulaire, et une adaptation spatiotemporelle complexe des paramètres en temps réel est nécessaire pour obtenir des résultats cliniquement significatifs (Wagner et al., 2018). En revanche, d'énormes progrès ont été réalisés dans notre compréhension fondamentale des réseaux spinaux en manipulant des populations neuronales génétiquement identifiées chez des modèles animaux (Knafo et al., 2017). L''interluminescence' utilise l'expression présynaptique d'une luciférase pour activer une opsine postsynaptique, permettant ainsi une neuromodulation non invasive, dépendante de l'activité et synapse-spécifique (Prakash et al., 2022). Notre but est d'exploiter l'interluminescence pour réorganiser les circuits spinaux et favoriser la rééducation après une lésion de la moelle épinière.

Notre premier objectif est d'identifier les marqueurs génétiques inter-espèces (humain/souris) de certains interneurones spinaux (WP1). Nous avons réalisé avec succès une analyse transcriptomique en noyaux uniques (snRNA-seq) sur des échantillons de moelle épinière humaine et avons identifié la plupart des types de cellules en fonction de marqueurs moléculaires cardinaux. Nous utiliserons des lignées de souris transgéniques pour restreindre l'analyse aux interneurones clés impliqués dans la réorganisation des circuits spinaux après une lésion médullaires : les interneurones V1 marqués par En1 (Bikoff et al., 2016) et les interneurones V2a Vsx2-positifs (Kathe, Skinnider, et al., 2022). En utilisant la transcriptomique inter-espèces, nous déterminerons les clusters humains homologues aux sous-populations de souris V1 et V2a et les lierons à des caractéristiques morphologiques par hybridation en chaine (immuno + in situ) (Kozareva et al., 2021).

Notre deuxième objectif est de permettre une expression ciblée d'actuateurs interluminescents dans ces interneurones spinaux génétiquement identifiés (WP2). Pour cela, nous réaliserons une double injection de vecteurs AAV dans la moelle épinière lombaire de souris En1Cre permettant l'expression de la luciférase dans les vésicules présynaptiques des interneurones V2a et une expression Cre- dépendante d'une opsine postsynaptique dans les interneurones V1. Nous confirmerons l'activité neuronale médiée par l'interluminescence en utilisant des marqueurs Fos. En exploitant notre profilage transcriptomique des interneurones V2a et V1, nous caractériserons moléculairement et morphologiquement les sous-populations impliquées dans le microcircuit ciblé.

Enfin, nous testerons le rôle de ce microcircuit dans la réorganisation et la promotion de la récupération locomotrice après une lésion de la moelle épinière (WP3). Après une contusion thoracique chez des souris En1Cre doublement injectées, nous administrerons le substrat de luciférase (la coelenterazine) aux animaux stimulés, tandis que les témoins recevront un placebo. La récupération locomotrice sera évaluée en aveugle à l'aide de paramètres de marche et de cinématique des membres. En utilisant des méthodes de priorisation snRNA-seq, nous confirmerons le recrutement des interneurones V2a et V1 en rapport avec la rééducation médiée par l'interluminescence et explorerons son effet sur d'autres populations neuronales.

Réunissant des neurobiologistes développant des outils optogénétiques révolutionnaires et des cliniciens spécialisés en chirurgie de la moelle épinière, ce projet a le potentiel de surmonter les principaux obstacles en vue d'une neuromodulation ciblée chez les patients paraplégiques.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Electrical epidural stimulation (EES) of the lumbar spinal cord has enabled locomotor recovery in animal models and paraplegic patients. However, EES does not selectively modulate circuits at the cellular level and complex spatiotemporal adaptation of parameters in real time is needed to achieve clinically meaningful results (Wagner et al., 2018). On the other hand, tremendous progress has been made in our basic understanding of spinal networks by manipulating genetically identified neural populations in tractable animal models (Knafo et al., 2017). 'Interluminescence' uses the presynaptic expression of a luciferase to activate a postsynaptic opsin, thereby allowing noninvasive, activity-dependent, and synapse-specific neuromodulation of neural circuits (Prakash et al., 2022). Our goal is to leverage interluminescence to reorganize spinal circuits and promote rehabilitation after injury.

Our first aim is to identify cross-species genetic markers of selected spinal interneurons (WP1). We have successfully performed single nuclei transcriptomic analysis (snRNA-seq) on human spinal cord samples to identify most cell types based on cardinal molecular markers. We will use transgenic mouse strains to restrict the analysis to key interneurons involved in reorganizing spinal circuits after injury: En1-positive V1 interneurons (Bikoff et al., 2016) and Vsx2-positive V2a interneurons (Kathe, Skinnider, et al., 2022). Using crosss-pecies transcriptomics, we will determine human clusters homologous to mouse V1 and V2a subpopulations and link these to morphological features using multiplex hybridization chain reaction and sparse labelling (Kozareva et al., 2021).

Our second aim is to achieve targeted delivery and expression of interluminescent tools in these genetically identified spinal interneurons (WP2). We will double-inject AAV vectors in the lumbar spinal cord of En1Cre mice to achieve vesicle-targeted expression of the presynaptic luciferase in V2a interneurons and Cre-dependent expression of a postsynaptic opsin in V1 interneurons. We will confirm inter luminescence-mediated neural activity using Fos markers. Leveraging our transcriptomic profiling of V2a and V1 interneurons, we will characterize molecularly and morphologically the subpopulations involved into the targeted microcircuit.

Lastly, we will test the role of this microcircuit in reorganizing and promoting locomotor recovery after SCI (WP3). After thoracic contusion in double-injected En1Cre mice, we will administer the luciferase substrate (coelenterazine) in stimulated animals while controls will receive a placebo. Locomotor recovery will be blindly assessed with gait and legs kinematic parameters. Using snRNA-seq priorization methods, we will confirm the recruitment of targeted V2a and V1 interneurons by interluminescence-mediated rehabilitation and explore its effect onto other neuronal populations.

Bringing together neurobiologists developing groundbreaking optogenetic tools and clinicians specializing in spinal cord surgery, this project has the potential to overcome the main hurdles toward successful targeted neuromodulation after SCI.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc GS-LSaH*Programme pour normalien (hors ENS Paris-Saclay) et polytechnicien*Programme pour normalien ENS Paris-Saclay

Université Paris-Saclay GS Life Sciences and Health

568 Signalisations et Réseaux Intégratifs en Biologie

Curiosité scientifique Travail interdisciplinaire (neurosciences, neurochirurgie, bio-informatique) Approche translationnelle (du modèle animal au patient) Des compétences en biologie moléculaire (ISH, AAV) ou en bioinformatique (R, Python) ne sont pas indispensables mais sont valorisées.
Scientific curiosity Interdisciplinary work (neuroscience, neurosurgery, bioinformatics) Translational approach (from animal model to patient) Skills in molecular biology (ISH, AAV) or bioinformatics (R, Python) are not essential but are appreciated.