Structural analysis of adult neural stem cells and their niche in the adult hippocampus

New neurons are constantly produced at the sub-granular zone of the dentate gyrus, this phenomenon is called adult neurogenesis. This process is tightly regulated by several extrinsic factors such as physical activity, enriched environment, hippocampal-dependent learning tasks and a large number of molecules, as well as by intrinsic factors such as the neurogenic niche and the neuronal activity. The adult neural stem cell has a very specific morphology: The cell body is located in the sub- granular zone extend a long radial process that seeps into the granular layer and branches in the first third of the molecular layer. The complex morphology of the neural stem cell, suggests that close contacts with numerous cell types of the neurogenic niche may finely regulate of its proliferation and differentiation. The structure and interactions of the adult neural stem cell with the neurogenic niche are, however, very poorly described. Thus, the work of my thesis was to: - Study the complex morphology of the neural stem cell - Clarify the link between morphology and activity - Study the nature of contact between the components of the neurogenic niche and the RGL neural stem cell - Assess the role of certain cells of the niche in the regulation of proliferation and differentiation of adult neural stem cell. In the adult dentate gyrus, we discovered the existence of two subpopulations of cells with similar morphologies and related to the stem cell: the type α and type β. The type α represents 76 % of all RGL cells, has a long primary process with a small branch on the molecular layer of the dentate gyrus. The type β cell represents 24 % of the cells, has a short primary process with significant branching within the granular layer. The two subpopulations express stem cell markers, while the β cells also co-express astrocytic markers. Using clonal analysis, we showed that the type α divides and gives rise to all cell types (neurons, astrocytes and β cell), while the type β do not divide but is essentially transformed into astrocyte. Thus, a type α morphology contributes to the stem cell ability to capture stimuli within the molecular layer that regulate its proliferation and differentiation. Then, we evaluated the role of glia in the regulation of stem cell in different physiological states: voluntary running and brain aging. We have established that there is an inverse correlation between the activation state of microglia and adult neurogenesis. Similarly, we analyzed the involvement of astrocytes in the regulation of the RGL neural stem cells by testing the effect of two molecules produced by astrocytes. We found that D-serine and taurine stimulate stem cells proliferation and the formation and maturation of new neurons. Our results emphasize the importance of the neurogenic niche in the regulation of the stem cell. This knowledge is crucial for the understanding of homeostasis and brain plasticity, and for the development of brain repair strategies. -- De nouveaux neurones sont constamment produits au niveau de la couche sous-granulaire du gyrus denté, ce phénomène est appelé la neurogenèse adulte. Ce processus est finement régulé par plusieurs facteurs extrinsèques tels que l'activité physique, l'environnement enrichi, les tâches d'apprentissage hippocampiques-dépendantes et un grand nombre de molécules, ainsi que par les facteurs intrinsèques tels que la niche neurogènique et l’activité neuronale. La cellule souche neurale adulte dispose d’une morphologie très particulière pour une cellule souche : Son corps cellulaire est situé dans la couche sous-granulaire et elle projette un long processus radial qui s’infiltre dans la couche granulaire et se ramifie dès le début de la couche moléculaire. La morphologie complexe de la cellule souche neurale, suggère qu’elle établit des contacts étroits avec différents types cellulaires de la niche neurogénique, qui contribuent à sa régulation. La structure et les interactions de la cellule souche neurale adulte avec la niche neurogénique sont cependant très peu décrites. Ainsi, le travail de ma thèse consiste à : - Etudier la morphologie complexe de la cellule souche neurale - Clarifier le lien entre morphologie et activité - Etudier la nature des contacts entre les composants de la niche neurogénique et la cellule souche - Evaluer le rôle de certaines cellules de la niche dans la régulation de la prolifération et de la différenciation de la cellule souche neuronale adulte. Dans le gyrus denté adulte, nous avons decouvert l’existence de deux sous-populations de cellules de morphologies similaires et apparentées à la cellule souche: la type α et la type β. La type α représente 76% de toutes les cellules à morphologie radiaire et possède un processus primaire long avec une ramification modeste au niveau de la couche moléculaire du gyrus denté. La type β représente 24% des cellules à morphologie radiaire et possède un processus primaire court avec une importante ramification à l’intérieur de la couche granulaire. Les deux sous-populations expriment les marqueurs de cellules souches, alors que la cellule β co-exprime également des marqueurs astrocytaires. A l’aide d’une analyse clonale, nous avons montré que la type α se divise et donne naissance à tous types de cellules (neurones, astrocytes et cellule β), alors que la type β ne se divise pas mais se transforme essentiellement en astrocyte. Ainsi, une morphologie de type α accorde à la cellule souche la possibilité de capter des stimuli régulant sa prolifération et sa différenciation au sein de la couche moléculaire. Ensuite, nous avons évalué le rôle de la glie dans la régulation de la cellule souche dans différents états physiologiques : la course volontaire et le vieillissement cérébral. Nous avons établi qu’il existait une corrélation inverse entre l’état d’activation de la microglie et la neurogenèse adulte. De même, nous avons analysé l’implication des astrocytes dans la régulation de la cellule souche en testant l’effet de deux molécules produites par les astrocytes. Nous avons trouvé que la D-serine et la taurine stimulent la prolifération des cellules souches ainsi que la formation et la maturation des nouveaux neurones. Nos résultats soulignent l’importance de la niche neurogénique dans la régulation de la cellule souche. Ces connaissances sont d'une importance cruciale pour la compréhension de l’homéostasie et de la plasticité du cerveau, ainsi que pour la mise en place des stratégies de réparation cérébrale