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Thèse Mirelle ter Veer

Nanoscale imaging of synapse morphology in the mouse neocortex in vivo by two-photon STED microscopy

Le 25 novembre 2016

Mirelle ter Veer  doctorante  IINS

Equipe Valentin Nagerl : Synaptic Plasticity and Superresolution Microscopy group
Soutenance vers 16 h   CGFB Campus Carreire   /Laboratoire IINS


 

Mirelle ter Veer
PhD student Université Bordeaux- ENC-network
mirelle.ter-veer(at)u-bordeaux.fr (mirelle.ter-veer @ u-bordeaux.fr)

Expertise : Pump-Dump-Probe-Spectroscopy, Higher Harmonic Generation Microscopy, Electrophysiology, 2P-STED Microscopy, Stereotaxic virus injections, Immunochemistry

The brain is a complex organ consisting of neurons and non-neuronal cells. Communication between neurons takes place via synapses, whose morphological remodeling is thought to be crucial for information processing and storage in the mammalian brain. Recently, this neuro-centric view of synaptic function has evolved, also taking into account the glial processes in close vicinity of the synapse. However, as their structure is well below the spatial resolution of conventional light microscopy, progress in investigating them in a
physiological environment, the intact brain, has been impeded. Indeed, little is known on the nanoscale morphological variations of dendritic spines, the interaction with glial processes, and how these affect synaptic transmission in vivo.
Here, we aim to visualize the dynamic nano-morphology of dendritic spines, and possibly also glial processes, in mouse somatosensory cortex in vivo. We therefore implemented super-resolution 2P-STED time lapse imaging, which allows for high spatial resolution and deep tissue penetration, in anesthetized mice. We show that the nano-morphology of spines is diverse, dynamic, but overall stable, and that differences in spine morphology can have an effect on spine biochemical compartmentalization in vivo. Moreover, implementation of dual color in vivo super-resolution imaging and a novel astrocytic labeling approach provided the first steps towards nanoscale characterization of neuron-glia interactions in vivo.
These findings bring new insights in synapse dynamics at the nanoscale in vivo, and our
methodological endeavors help pave the way for a better understanding of how nanoscale aspects of spine morphology and their dynamics might contribute to brain physiology and
animal behavior.

Keywords: Super resolution microscopy, Two-Photon (2P-) STED microscopy, in vivo brain preparation, dendritic spines, FRAP, spine compartmentalization, dual color imaging, glial processes

 Résumé français:
Le cerveau est un organe complexe composé de neurones et des cellules non-neuronales
. La communication entre les neurones a lieu via les synapses, dont le remodelage morphologique est considéré essentiel pour le traitement et le stockage des informations dans le cerveau des mammifères. Récemment, ce point de vue neuro-centrée de la fonction synaptique a évolué, en prenant également en compte les processus gliales à proximité immédiate de la synapse. Cependant, comme leur structure est bien en deçà de la résolution spatiale de la microscopie optique conventionnelle, les progrès dans les enquêtes dans leur environnement physiologique, le cerveau intact, a été entravée. En effet, on sait peu sur les variations nanométriques de la morphologie des épines dendritiques et l'interaction avec les processus gliales, et, finalement, comment elles affectent la transmission synaptique in vivo.

Dans cette thèse, nous cherchons à visualiser la dynamique de la nano-morphologie des épines dendritiques et les processus gliales dans le cortex à tonneaux de souris in vivo. Nous
avons donc mis en place l’imagerie super-résolution 2P-STED en temps réel, ce qui permet une haute résolution spatiale et la pénétration profonds des tissus, chez la souris anesthésiée in vivo. Nous montrons que la nano-morphologie des épines est diversifiée, dynamique, mais globalement stable, et que les différences dans la morphologie des épines peut avoir un effet sur leur compartimentation in vivo. En outre, la mise en oeuvre de l’imagerie super-résolution en double couleur in vivo et le développement d'une approche de marquage astrocytaire, nous a permis de fournir la caractérisation à l'échelle nanométrique des interactions neurone-glie.
Ces résultats apportent un aperçu sans précédent dans la dynamique de la synapse à l'échelle nanométrique in vivo, et ouvrir la voie à une meilleure compréhension de la façon dont les réarrangements morphologiques des synapses contribuent à la physiologie du cerveau.

 Mots clés: Microscopie super résolution, microscopie à deux photons (2P) et STED, la préparation in vivo du cerveau, épines dendritiques, FRAP, compartimentation des épines, imagerie double couleur, processus gliales

 Publications 
(PhD). ter Veer MJT, Pfeiffer T, Nägerl UV (2016), Two-photon STED microscopy for nanoscale imaging of neural morphology in vivo, Methods in Molecular Biology, in preparation

 (Msc). Schotten S, Meijer M, Walter AM, Huson V, Mamer L, Kalogreades L, Ter Veer M, Ruiter M, Brose N, Rosenmund C, Sørensen JB, Verhage M, Cornelisse LN. (2015), Additive effects on the energy barrier for synaptic vesicle fusion cause supralinear effects on the vesicle fusion rate, Elife, 4, doi: 10.7554/eLife.05531. Erratum in Elife. 2015;4. doi: 10.7554/eLife.09036

 (Bsc). van Oort B, ter Veer MJ, Groot ML, van Stokkum IH. (2012), Excited state proton transfer in strongly enhanced GFP (sGFP2), Phys Chem Chem Phys, 14 (25), 8852 – 8858.

 

mirelle.ter-veer(at)u-bordeaux.fr
Dernière mise à jour le 24.11.2016

Jury

Giovanni Marsicano
DR Inserm(Chair/Président)
Bruno Weber
PU(Reviewer/Rapporteur)
Fritjof Helmchen
PU(Reviewer/Rapporteur)
Laurent Cognet
DR CNRS (Examiner/Examinateur)
Detlev Schild
PU(Examiner/Examinateur)

 

Directeur de thèse

Supervisor / Directeur de thèse: U. Valentin Nägerl, Professor/Professeur
Team Leader IINS