Institut des Neurosciences Paris Saclay

Les virus à ARN représentent l'un des défis majeurs pour la santé publique mondiale, en particulier en raison de leur lien avec des maladies infectieuses émergentes. Parmi ces agents pathogènes, les virus transmis par les arthropodes, appelés Arbovirus, se distinguent par leur impact néfaste sur la santé humaine. Parmi les exemples d’Arbovirus les plus notables, les virus Zika et Chikungunya ont provoqué de graves épidémies dans de nombreuses régions au cours des deux dernières décennies. Ces épidémies ont touché des millions de personnes, entraînant certaines complications graves telles que des malformations congénitales, des douleurs chroniques et des atteintes neurologiques, ainsi que des conséquences sanitaires, sociétales et économiques majeures. La compréhension des mécanismes sous-jacents à ces infections est cruciale pour lutter efficacement contre ces virus et prévenir de futures pandémies mondiales, comme celle que nous avons récemment vécue avec le COVID-19. Une recherche approfondie sur les cycles de réplication de ces virus et sur les réponses immunitaires qu'ils déclenchent est essentielle pour comprendre leur propagation et concevoir de nouveaux traitements antiviraux. Les processus de localisation, de traduction et de réplication du génome viral sont non seulement complexes, mais aussi finement régulés. Chaque étape de la réplication virale est orchestrée avec une précision remarquable. Malgré les efforts considérables investis dans l'étude des virus à ARN, des lacunes importantes demeurent dans notre compréhension des mécanismes spatio-temporels qui se déroulent pendant l'infection virale dans les organismes vivants. Des questions fondamentales persistent, telles que : comment évolue la dynamique de la traduction virale au cours de l'infection ? Quelle est la rapidité de la réponse des cellules de l'hôte, et comment cette réponse varie-t-elle en fonction du type cellulaire ou du stade de développement au moment de l'infection ? Pour répondre à ces interrogations, nous envisageons d'exploiter les avancées récentes en méthodologie d'imagerie et de suivi de la traduction des ARNm en molécules uniques dans un modèle vivant, le poisson zèbre (Danio rerio). Le poisson zèbre présente plusieurs avantages en tant que modèle d'étude : sa transparence pendant les stades larvaires permettant une visualisation directe des dynamiques biologiques, et sa génétique facilement manipulable ouvrent des perspectives prometteuses pour l'étude des virus et de leurs interactions avec les cellules hôtes. Notre objectif est de disséquer, in vivo, l'interaction entre la dynamique de traduction et de réplication des virus Zika, Chikungunya et Sindbis, en corrélation avec la réponse immunitaire des cellules infectées. En utilisant des approches de pointe combinant le suivi à haute fréquence temporelle de molécules uniques par microscopie à fluorescence de dernière génération et des analyses à l'échelle du génome entier par séquençage en cellules uniques de la réponse immunitaire induite, nous visons à collecter des données détaillées sur la relation spatio-temporelle entre cycle cellulaire viral et les réponses immunitaires. Cette approche innovante permettra d'obtenir une vue d'ensemble holistique et en temps réel de la dynamique du cycle viral et de l'immunité associée, avec pour objectif d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. En fin de compte, ces recherches pourraient contribuer à la lutte contre ces virus émergents et à la protection de la santé publique mondiale, en apportant des éclairages sur les mécanismes sous-jacents aux infections virales et en facilitant le développement de traitements adaptés à l'évolution de ces menaces.

Les variations génétiques naturelles affectant le système nerveux ont une contribution majeure à l'évolution des espèces. FISHOLF décryptera les mécanismes par lesquels les variations intra- ou inter-espèces conduisent à des changements adaptatifs dans l'organisation du système olfactif, la sensibilité, les préférences olfactives et les comportements associés. Nous avons choisi d’étudier 2 espèces de poissons : les formes cavernicoles aveugles et de surface d'Astyanax mexicanus apporteront des informations évolutives, et le poisson zèbre des outils d’imagerie et de neurogénétique. Nous nous concentrerons sur les récepteurs et circuits neuronaux impliqués dans la détection de l'alanine et la cystéine, car les Astyanax de surface et de grotte d'une part, et les Astyanax et le poisson zèbre d'autre part, présentent des différences marquées dans leur sensibilité et réponse comportementale à ces 2 odeurs. 1. Par traçage anatomique, nous documenterons et comparerons les projections des neurones sensoriels olfactifs et l'organisation glomérulaire chez les 3 poissons, et par traçage fonctionnel nous étudierons les différences d'activation neuronale lors de la stimulation par les 2 odeurs. 2. Nous identifierons les récepteurs de l'alanine et de la cystéine chez l’Astyanax cavernicole par une nouvelle stratégie basée sur RNAseq en cellule unique. Nous caractériserons l’expression et la distribution des gènes récepteurs orthologues dans les sous-types de neurones sensoriels des 3 poissons. 3. Par édition de génome médié par CRISPR-cas9, nous générerons des lignées reportrices fluorescentes knock-in et knock-out de zebrafish ainsi que knock-out d'Astyanax cavernicole pour le récepteur olfactif à l’alanine. Ainsi, nous analyserons in vivo le développement et l'activité fonctionnelle du circuit impliqué dans la réponse à l'alanine, et testerons le rôle du récepteur de l’alanine dans l'organisation de son propre circuit, de ses cibles glomérulaires, et le contrôle des comportements de recherche alimentaire qu'il gouverne. FISHOLF est un projet original et d’actualité abordant une question clé liée à l’adaptation olfactive chez les vertébrés, jamais explorée jusqu’à présent.

L'un des principaux défis des neurosciences modernes est de déterminer comment la connectivité synaptique au sein des réseaux neuronaux façonne leurs fonctions, une étape critique dans la rétro-ingénierie des fonctions cérébrales de base et complexes. Cependant, les méthodes actuelles d'évaluation de la connectivité sont limitées. Les approches existantes s'appuient soit sur des modèles statistiques dépourvus de validation expérimentale, soit sur des enregistrements électrophysiologiques unicellulaires à faible débit réalisés in vivo ou ex vivo. La solution à ce défi fondamental réside dans l'acquisition entièrement optique de signaux d’origine électrophysiologique in vivo - une approche puissante combinant l'enregistrement optique du potentiel membranaire à l’échelle des neurones individuels doublé d’une stimulation optogénétique précise également à l’échelle cellulaire. Cette méthode tout optique permet de mesurer directement les poids synaptiques entre les neurones chez des animaux éveillés pendant plusieurs jours donc chronique, offrant ainsi des opportunités sans précédent pour les études longitudinales de connectivité. Cependant, malgré son grand potentiel, la faisabilité de cette approche n'a pas encore été prouvée. Dans ce projet, quatre équipes d'experts en imagerie fonctionnelle in vivo utiliseront un nouveau microscope à deux photons basé sur des déflecteurs acousto-optiques (AOD), issu des travaux de recherche de l’une des équipes et disséminé par une startup française, pour établir cette preuve de concept. Nous effectuerons des mesures de connectivité dans des neurones définis fonctionnellement et génétiquement in vivo, à travers différents types de cellules et échelles spatiales, à la fois chez la souris et le poisson zèbre, en tirant parti des deux modes de fonctionnement du microscope, ULoVE et 3D-CASH, adressant les neurones respectivement en 2D et en 3D. Bien que nous ayons déjà des preuves d'enregistrements stables du potentiel de membrane en utilisant la technique ULoVE pour les neurones exprimant la sonde de voltage génétiquement encodée JEDI-2P, nous optimiserons la combinaison d'opsines, d'indicateurs de voltage et de techniques de stimulation basées sur la microscopie à deux photons AOD pour améliorer la sensibilité au potentiel de membrane sous le seuil de décharge, réduire les interférences pendant l'enregistrement optique du voltage et assurer une grande précision temporelle. Nous affinerons les paramètres d'utilisation des approches ULoVE et 3D-CASH afin d'élargir l'étude de la connectivité synaptique. Nous validerons notre méthodologie à deux échelles différentes. Au niveau du circuit local, nous sonderons la connectivité au sein de circuits neuronaux fonctionnellement définis chez la souris et étudierons les règles de connectivité unisensorielle et multisensorielle dans les réseaux neuronaux des cortex visuel et auditif. Au niveau du cerveau entier, nous utiliserons le modèle du poisson zèbre pour estimer la connectivité à l'échelle du cerveau, en cartographiant les interactions entre des centaines de régions cérébrales, chacune contenant des centaines de neurones, et nous étudierons comment la connectivité à l’échelle mésoscopique définit l'activité cérébrale spontanée. Ce projet démontrera l'importance de cette méthodologie révolutionnaire à haut débit pour la cartographie de la connectivité neuronale chez les animaux éveillés.

Le syndrome de Coffin-Lowry (SCL) est une maladie génétique rare caractérisée par une déficience intellectuelle. À ce jour, il n'existe aucun traitement préventif ou curatif pour ce syndrome. Le CLS est causé par des mutations du gène Rsk2 qui code la protéine kinase RSK2. RSK2 agit à la fin de la voie de signalisation ERK/MAPK et régule également cette voie via une rétroaction négative. Dans notre équipe, nous avons commencé à caractériser le rôle de RSK2 dans le développement cérébral au cours de la période postnatale. En utilisant un modèle murin du SCL (souris rsk2-KO), nous avons mis en évidence une microcéphalie secondaire transitoire, apparaissant dès l’âge de 14 jours (P14), associée à des défauts cellulaires dans le développement de l’hippocampe et du cervelet. Nous avons également identifié un retard transitoire du développement sensorimoteur et des altérations cognitives. Nos résultats ont également révélé que l'absence de RSK2 conduit à une sur-activation de la voie ERK/MAPK dès P14. Ainsi, l’absence de RSK2 modifie la chronologie de certains processus développementaux, ce qui pourrait expliquer le retard de développement cérébral et les déficits cognitifs associés. Dans ce nouveau projet, nous approfondirons l’identification des mécanismes cellulaires et moléculaires altérés au sein de l’hippocampe et du cervelet chez la souris modèle au cours de la période postnatale. D’un point de vue translationnel, nous développerons et étudierons des modèles organoïdes cérébraux portant des mutations spécifiques de Rsk2 (mutations non sens et faux sens) et qui chez les patients, conduisent, soit à une altération de l’activité kinase de RSK2, soit à la perte de RSK2. Cette approche nous permettra de déterminer les altérations cellulaires et moléculaires liées à ces types de mutations, qui se mettent en place au cours du développement cérébral. Enfin, chez les souris juvéniles modèle du SCL, nous développerons, pour la première fois, une approche thérapeutique administrée au plus tôt pendant la période postnatale, afin de remédier à la sur-activation d'ERK. Sur la base de la littérature sur les stratégies thérapeutiques utilisées dans les RASopathies, nous utiliserons des inhibiteurs connus pour réduire la régulation de P-ERK pendant la période postnatale précoce. Une stratégie thérapeutique complémentaire consistera à exposer les souris modèles à des conditions environnementales enrichies, ce qui devrait permettre de corriger le développement et le fonctionnement de l'hippocampe ainsi que du cervelet et, en conséquence, de prévenir ou de compenser la genèse des déficits sensori-moteurs, comportementaux et cognitifs. En parallèle, nous évaluerons le potentiel translationnel de notre approche pharmaceutique à l’aide de nos modèles organoïdes.

La proprioception fournit au cerveau des informations sur la cinétique et la cinématique du système musculo-squelettique. La perte de ces entrées sensorielles due à des maladies (par exemple, le diabète, les infections virales) ou à une amputation affecte profondément le contrôle moteur, entraînant une perte de précision des mouvements, ainsi que des douleurs chroniques et une perte de la perception de la propriété corporelle. Contrairement à la vision ou au toucher, les représentations corticales des entrées proprioceptives sont entrelacées à la surface du cortex et ne suivent pas une organisation topographique. Jusqu'à présent, cela a entravé la restauration du retour proprioceptif par stimulation corticale mésoscopique, contrairement aux résultats prometteurs obtenus par cette méthode pour la restauration d'autres modalités sensorielles. Réussir à fournir des informations de type proprioceptive par stimulation corticale directe promet d’améliorer significativement le contrôle des prothèses et renforcer l'intégration sensorielle dans les systèmes neuroprothétiques. Ici, nous formulons l'hypothèse qu’un retour proprioceptif peut être restauré dans le modèle animal souris via des stimulations corticales directes, en combinant (1) la prédiction en temps réel des signaux proprioceptifs à l'aide d'un modèle musculo-squelettique biomécanique du membre antérieur de la souris et (2) l'apprentissage profond pour construire une représentation structurée topographiquement du flux de données générées par la simulation. Pour tester cette hypothèse, nous mettrons en œuvre ce retour proprioceptif dans une prothèse motorisée de patte avant de souris, et nous entraînerons les souris à résoudre des tâches de manipulation qui dépendent du contrôle de la prothèse. Nous explorerons ensuite l'espace des conceptions possibles de retour proprioceptif, en nous appuyant sur la mesure de la performance comportementale atteinte avec le retour proprioceptif artificiel de la prothèse.

L'apprentissage et l'exécution de capacités sensorimotrices fines reposent sur l'interaction continue entre action et perception. Les connexions réciproques denses entre le cortex somatosensoriel primaire (S1) et le cortex moteur primaire (M1) joueraient un rôle clé dans cette interaction en assurant, d'une part, l'adaptation du traitement des entrées sensorielles en fonction des schémas d'activité motrice et, d'autre part, l'intégration des informations sensorielles pour mettre à jour les mouvements. Cependant, les règles régissant leur activation fonctionnelle au cours d'un comportement actif sont encore largement inconnues. Le projet SCULPT étudie l'interaction fonctionnelle S1-M1 grâce à l'imagerie optique multi-échelle chez des souris effectuant des tâches dépendantes du système vibrissal, dans lequel nous introduirons des prothèses sensorielles ou motrices. En manipulant les paramètres des prothèses, nous testerons le rôle et l'adaptabilité des connexions entre S1 et M1. Nous proposons ici d’élucider : 1) Quelle information est transmise par les axones de S1 vers M1 pendant le contrôle moteur d'une neuroprothèse. Les souris seront entraînées à contrôler l'activité de neurones M1 pour déplacer une barre rotative sur leurs vibrisses jusqu'à ce qu'elle atteigne une zone récompensée. Nous étudierons comment l'information provenant des vibrisses est distribuée topographiquement dans M1 par les terminaisons axonales provenant de S1, et comment cette distribution est modifiée par l'apprentissage. 2) Comment les informations motrices en cours, telles que la position et le mouvement angulaire des vibrisses, sont transmises par les axones de M1 vers S1 lors de la détection tactile active, et comment cette transmission s'adapte à l'altération de l'arrangement spatial des entrées tactiles suite à la coupe des vibrisses ou à l'utilisation de vibrisses prothétiques. En révélant la dynamique de l'interaction S1-M1, SCULPT permettra d'approfondir notre compréhension du traitement sensorimoteur et de participer à la prochaine génération de prothèses.

Le tissu adipeux blanc (TAB) est le principal site de stockage et de libération des graisses. Un déséquilibre de ce processus conduit à l'obésité et aux pathologies associées, notamment le diabète de type 2 (DT2) et les maladies cardiovasculaires. Sous l'effet d'un apport calorique accru, le TAB se développe par hypertrophie des adipocytes préexistants, et hyperplasie impliquant le recrutement et la différenciation de préadipocytes (adipogenèse) en adipocytes matures contenant des gouttelettes lipidiques (GL). L'équilibre entre hypertrophie et hyperplasie des adipocytes au cours de l'obésité influence les complications associées, y compris le DT2. Ainsi, la découverte de facteurs favorisant l'expansion du TAB par adipogenèse a été proposée comme une stratégie thérapeutique pour limiter les conséquences de l'obésité. Parmi les régulateurs de l'adipogenèse, des études récentes soutiennent un rôle des céramides (CER). Nous avons constaté que les CER augmentent précocement laissant place à leurs dérivés sphingomyélines (SM) en fin d’adipogenèse. La synthèse de SM à partir de CER nécessite le transporteur de CER (CERT), qui forme des sites de contact membranaire (MCS) entre le réticulum endoplasmique et le Golgi. Nous avons montré que l'inhibition pharmacologique de CERT limite la conversion de CER en SM et inhibe l'adipogenèse en réduisant la biogenèse des GL, et que CERT est colocalisée avec des GL. Sur la base de la littérature et de nos données, notre projet vise à déterminer le rôle de CERT dans l'adipogenèse et en particulier dans la biogenèse des GL. Notre projet abordera 3 objectifs : 1/ étudier le rôle de CERT dans le remodelage des SM associé à l'adipogenèse ; 2/ visualiser des sites de contact membranaires où CERT fonctionne pendant l'adipogenèse ; et 3/ identifier des protéines ciblées par SM pendant l'adipogenèse. L'ensemble de ce projet devrait révéler les mécanismes médiés par CERT pour contrôler l'adipogenèse et la biogenèse des GL.

An organism’s survival depends on accurately perceiving and interpreting the environment. A significant part of our visual stimulations is however generated by our own actions, rather than external events. For example, the retina can experience similar visual stimulus driven by head-movement, or by a moving object. Therefore, self-motion related information is fundamental to contextualize visual stimuli. In other words, what the eye sees may not be what our brain perceives depending on our actions. In mammals, the vestibular system reports both the motion and orientation of the head. Very little is known about the pathways connecting the vestibular system to visual cortical areas, and how this signal is integrated with external visual stimuli to ultimately impact behaviour. The goal of this project is to unravel the neuronal circuits underlying visual processing during self-motion in mice, thereby providing new insights in sensory processing. To this aim, I will address the following questions: 1) What is the long-range and local connectivity of neurons modulated by head rotation in V1; 2) What are the circuit mechanisms and neuronal computations involved in the integration of self-motion related signals with visual inputs in V1; 3) How do head motion inputs to V1 influence visually-guided actions during behaviour. Achieving these goals relies on a multidisciplinary experimental strategy based on cutting-edge approaches to monitor and control circuit activity with high spatio-temporal resolution in a cell-type specific manner, neuroanatomical tracing, and computational modelling. This experimental strategy combined with my research background in visual and vestibular systems provides a unique opportunity to understand unexplored aspects of sensory processing, at both the cellular and systems levels. Altogether, this project will reveal a novel framework to understand how sensory processing operates during self-motion to guide behaviour.

The execution of coordinated and adaptive movements is the final manifestation of virtually all brain processes. Altered motor function is hence an associate feature of almost all conditions that affect the nervous system and is highly debilitating. This program will shed new light on the neuronal basis of movements with a focus on the cooperative roles of the brain and the spinal cord for composing and orchestrating multifaceted and adaptive motor behaviors. Reticulospinal (RS) neurons of the brainstem reticular formation (RF) are pivotal for controlling the most vital movements. They have long been seen as a unified relay of command signals from various integrative centers upstream, to most, if not all, “executory” motor circuits downstream. Yet, based on recent findings and our ongoing work, we posit that RS neurons rather exhibit a substantial diversity and specialization by inputs and outputs that may support a form of selection and mixing of unitary components of composite motor behaviors. Imprinting from the advent of “multi-omics” strategies in the mouse model, we will intersect functional connectomics and single-cell gene expression (the transcriptome) to achieve a most comprehensive characterization of RS neurons’ diversity, specialization, and interactions with their upstream and downstream brain areas. We will first investigate the anatomo-functional organization of an already circumscribed subset of RS neurons for orchestrating orienting motor actions. We will in parallel investigate the role and connectivity of other RS neurons, and provide genetic hallmarks of new functionally-relevant subsets. Our results will propel forward our understanding of the complex organization of the RF, its role in orchestrating composite movements, and its links with the rest of the brain. They will also provide new genetic hallmarks of RS neurons’ diversity which will be precious handles to ultimately examine and act on specific cell types in post-traumatic contexts.

In the EU, about 165 million people are affected each year by mental disorders, and estimates indicate that mental disorders will become the number 1 economic cost factor in medicine in 2030. Schizophrenia alone affects approximately 1% of the world's population. The clinical effectiveness of the antipsychotics on the market remains limited with 30 to 50% of schizophrenic patients showing an insufficient response to treatment. Several factors, from genetic to psychological and social, may lie behind poor treatment outcomes or side effects and varies from patient to patient. Therefore, the central aim of the VIRTUAL BRAIN TWIN project is to create an ecosystem for generating virtual brain twins for psychiatric patients, by leveraging the consortium’s detailed knowledge and expertise in neuronal microcircuit simulation, mathematical analysis, innovative AI tools, and psychiatric care and clinical studies. This ecosystem will guide clinicians to optimise medication type and dosage, and to evaluate alternative treatments, such as brain stimulation and lifestyle changes. Multiscale cause-effect simulations and virtual brain simulations based on fMRI or sMRI data from the individual patient, will bridge the gap between molecules and the patient's brain. At the centre of this ecosystem will be the Virtual Brain Twin platform, which will make use of big data, multiscale modelling, and high-performance computing (HPC) that will be secured by appropriate data safety and protection. The platform will be embedded in the European digital neuroscience research infrastructure EBRAINS and will be initially accessible to neuroscientists, clinical researchers, and mathematical modellers, and in the future, to clinicians, and patients as well. This ground-breaking project will pave the way for personalised treatment of psychiatric disorders, with the potential to significantly improve the quality of life of patients suffering from these conditions.

EBRAINS is a collaborative European Research Infrastructure designed to advance and accelerate progress in neuroscience and brain health. This innovative infrastructure, a legacy of the Human Brain Project (HBP), is an ecosystem where researchers, clinicians and experts from various disciplines converge to explore and analyze brain complexity – from molecular and cellular levels to the functioning of the entire organ. Therefore, the project aims to create a new standard for brain atlases from the micro- to the macro-scale, link foundational multi-level data and connectomes in the healthy and pathological brain with atlases and models, create digital twins through modelling and simulation as well as unique, excellent, and preferred services for FAIR neuroscience data. The overarching goal of EBRAINS 2.0 is to foster a deeper understanding of brain structure and function with dedicated and mature software tools, to facilitate the development of more effective treatments, new drugs, diagnostics and preventive measures for neuro-psychiatric disorders. We expect that EBRAINS 2.0 catalyzes progress in the field of large-scale models running on HPC towards Exascale and leads to innovative solutions for neuro-inspired computing, and cognitive technologies such as neurorobotics and AI. Sophisticated digital modeling and data analytics capabilities will benefit communities beyond neuroscience, such as biomedicine. We will advance EBRAINS technology, platform services and the base infrastructure roadmap, educate and train a new community of users and developers from academia, industry and SMEs, and ensure knowledge transfer. EBRAINS 2.0 will become the neuroscience hub in the European infrastructure landscape, through building strong links with the European data spaces, EOSC and EuroHPC JU, centers of excellences and other initiatives. Globally, EBRAINS 2.0 will make a strong contribution to the new era of digital neuroscience and foster European leadership in this field.

Organisms that inhabit the surface of the Earth have evolved an endogenous 24 hour clock that infiltrates every level of biological organisation from the molecular to the ecological. This biological timer is a critical adaptation to living on a rotating planet with predictable daily and seasonal cycles of light and dark, warmth and cold. The fruitfly Drosophila melanogaster has provided the model system by which the highly conserved genetic and molecular basis of animal rhythmicity was initially dissected, winning a Nobel Prize in 2017 to its discoverers. Our network INCITE (INsect Clock Initial Training Experience) will provide state-of-the-art doctoral training to doctoral candidates (DCs) in insect molecular chronobiology using a comparative approach in which the circadian clock will be studied from a variety of perspectives. These will include the recruitment of the clock for i) insect seasonal ‘hibernation’ or diapause, a critical life-history feature that has important implications for range expansion under global warming, ii) in pollination, ii) in pest control, iv) in optimising the development of insects mass-reared as a protein source for human/animal consumption – asustainable model for agriculture and vi) in fundamental circadian biology of the model insect, D. melanogaster. In addition to their research projects, DCs will be seconded to partners both academic and industrial within the network and be further exposed to a variety of successful well-defined and time-tested courses that supplement those already offered at their local institutions, and will enhance and develop their scientific, entrepreneurial and transferable skills. INCITE will generate highly-trained, mobile and employable graduates that will be welcomed both in academia and industry.