Les astrocytes sont les cellules gliales les plus nombreuses dans le cerveau. Elles utilisent les signaux calciques pour réguler leur activité biochimique et communiquer avec les autres cellules du cerveau. Alors que chaque astrocyte est en principe bien placé pour influencer avec une grande dextérité les milliers de connexions synaptiques qui se trouvent dans leurs domaines anatomiques respectifs, les signaux calciques astrocytaires ont longtemps été considérés comme trop lents et diffus pour servir de médiateurs à tout type d’actions rapides et spécifiques. Cependant, cette idée résulte d’études contraintes par une microscopie à faible résolution, qui ne peut accéder aux signalisations calciques que dans les compartiments cellulaires les plus gros tels que le corps cellulaire et les principaux prolongements émergent de celui-ci. Des travaux plus récents ont cependant montré que des signaux calciques rapides et localisés pouvaient être générés dans les prolongements astrocytaires extrêmement fins qui interagissent directement avec les synapses, rappelant ainsi les signaux utilisés par les neurones pour opérer une communication point-à-point à grande vitesse. Cependant, la base morphologique de ces signaux astrocytaires rapides et localisés n’était pas connue, en raison des difficultés à résoudre la morphologie complexe des astrocytes (et des synapses), tout en enregistrant leur activité calcique dans le tissu cérébral vivant. Pour surmonter ce problème, nous nous sommes tournés vers la microscopie 3D-STED, qui offre une résolution spatiale beaucoup plus élevée que la microscopie optique classique et permet de révéler la morphologie des astrocytes et des neurones de manière très détaillée. En combinant ce type de microscopie avec l’imagerie confocale calcique permettant de mesurer l’activité calcique, et des expériences de FRAP pour évaluer les propriétés biophysiques, nous avons pu élucider les bases anatomiques des signaux calciques dans les astrocytes. Nous avons observé que les prolongements astrocytaires forment un réseau réticulaire de nœuds et de branches qui s’organisent autour de structures en forme d’anneau. Les nœuds présentent des signaux calciques spontanés, localisés la plupart du temps, mais qui peuvent également se propager aux nœuds voisins via des structures en branches. Les expériences de FRAP ont montré que cette organisation permet une signalisation compartimentée, mais aussi la propagation du signal à travers plusieurs nœuds. La superposition des données calciques avec la morphologie fine des structures astrocytaires a révélé que la majorité des signaux calciques sont associés à des synapses individuelles, ce qui suggère que les astrocytes sont capables d’engager une communication avec des synapses spécifiques. Notre étude apporte donc un nouvel éclairage sur l’organisation à l’échelle nanométrique des astrocytes dans le tissu cérébral vivant (tranches organotypiques et aiguës et in vivo), en révélant une organisation en « nœuds » pouvant réguler la communication neuronale à l’échelle de “synapses tripartites” individuelles.

It takes three to tango: the tripartite synapse revealed by super-resolution microscopy

Astrocytes, which are the most numerous glial cells in the brain, use Ca2+ signals to regulate their biochemical activity and communication with other brain cells. While single astrocytes are in principle well positioned to influence thousands of neuronal synapses that lie within their anatomical domain with great dexterity, astrocytic Ca2+ signals have long been thought to be too sluggish and sprawling for mediating any type of fast and specific actions. However, this view has come from low-resolution studies that have looked at the soma and major branches of the astrocytes. More recent work on the tiny but relevant astrocytic processes that actually contact synapses suggests that the situation may be similar to neurons, where fast and local synaptic Ca2+ signals mediate high-speed point-to-point communication. However, the anatomical basis of such specific signaling by astrocytes has remained unclear, owing to difficulties in resolving the complex morphology of astrocytes (and synapses), while also recording their Ca2+ activity in live brain tissue.
To overcome this problem, we turned to 3D-STED microscopy, which offers a much higher spatial resolution than regular light microscopy and can reveal the morphology of astrocytes and neurons in great detail. By combining it with confocal Ca2+ imaging to monitor Ca2+ activity, and FRAP experiments to assess biophysical properties, we could elucidate the anatomical basis of Ca2+ signals in astrocytes. We observed that astrocytic processes form a reticular meshwork of nodes and shafts that formed ring-like structures. The nodes exhibited spontaneous Ca2+ signals that stayed local most of the time, but could also spread to neighboring nodes via the shafts. FRAP experiments established that the astrocytic node/shaft structure generally supports compartmentalized signaling, yet also permits signal propagation across multiple nodes. Mapping the Ca2+ data onto the STED images of the morphology, showed that the majority of astrocytic Ca2+ signals were associated with single synapses suggesting that astrocytes are capable of engaging in synapse-specific communication.
Altogether, our study shines new light on the nanoscale organization of astrocytes in live brain tissue (organotypic and acute brain slices and in vivo), identifying astrocytic nodes as the elusive anatomical structure that may regulate neuronal communication at single ‘tripartite synapses’.

Reference:

Structural basis of astrocytic Ca2+ signals at tripartite synapses
Misa Arizono, V. V. G. Krishna Inavalli, Aude Panatier, Thomas Pfeiffer, Julie Angibaud, Florian Levet, Mirelle J. T. Ter Veer, Jillian Stobart, Luigi Bellocchio, Katsuhiko Mikoshiba, Giovanni Marsicano, Bruno Weber, Stéphane H. R. Oliet & U. Valentin Nägerl
Nature Communications volume 11, Article number: 1906 (2020)
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15648-4

Contact chercheur:

Valentin Nägerl, IINS, valentin.nagerl@u-bordeaux.fr