Insular Cortex neurons projecting to the vagal complex : characterization and roles in behavior and inflammation - Thèses de Sorbonne Université
Thèse Année : 2024

Insular Cortex neurons projecting to the vagal complex : characterization and roles in behavior and inflammation

Neurones du cortex insulaire projetant vers le complex vagal : caractérisation et rôles dans le comportement et l'inflammation

Résumé

Brain-body interactions are crucial for organisms survival; the brain constantly receives external and internal information that it integrates to regulate various physiological function. Notably, the nervous system closely interacts with the immune system. In the case of inflammation, the brain's features enable an optimized regulation of immune responses. These features include the brain's ability to sense environmental cues, anticipate outcomes, and transmit signals rapidly through an extensive network of neurons innervating the entire body within milliseconds. The vagus nerve, linking the brain to visceral organs, is an important support of this bidirectional communication. It is composed of sensory and motor branches. Sensory afferences carry peripheral information to the vagal complex in the brain which transmits the signals to deeper brain structures, while motor efferences mediate the generated responses to targeted organs.In processing internal information, the insular cortex emerges as a critical multimodal hub. As a sensory cortex, it receives various inputs from external-sensing systems such as somatosensory, and olfactory cortices, while also being densely interconnected with regions processing internal cues such as inflammatory threats, such as the vagal complex. This allows the insular cortex to integrate exteroceptive and interoceptive information and play a pivotal role in the salience network. Within the organism, it can optimize responses to specific situations by regulating cardiac or intestinal activity, as well as immune responses, but the underlying circuits are poorly understood. Given the role played by the vagus nerve in transmitting information between the brain and the periphery, along with the presence of projections from the insular cortex to the vagal complex (InsCtxVC), we hypothesize that some of the insular cortex functions are mediated through the vagus nerve.To investigate the role of InsCtxVC, we first characterized these neurons anatomically using viral retrograde labeling. We found that InsCtxVC are predominantly located within the posterior-intermerdiate InsCtx, mainly in layer V, and express CTIP, a downstream effector of the Fezf2 pathway. Next, we examined the connectivity of these neurons using viral labeling of outputs and inputs. Our experiments revealed that within the vagal complex, InsCtxVC neurons preferentially synapse with the medial NTS (rather than caudal NTS or DMN), and the central amygdala and parasubthalamic nucleus. Additionally, we analyzed their presynaptic inputs, highlighting a predominant innervation from sensory cortices including the insula itself, the somatosensory and olfactory cortices. Based on our anatomical findings and existing litterature, we screened various contexts likely to recruit the InsCtxVC. Through specific chemogenetic and optogenetic manipulation of these neurons, we found that InsCtxVC are not involved in anxiety behaviors or neuroimmune conditionned taste aversion. However, chemogenetic activation of InsCtxVC neurons during early LPS-induced inflammation exacerbates sickness behavior, including increased weight loss, elevated blood proinflammatory cytokines and corticosterone response. Taken together, our results characterize a previsouly undefined neuronal population linking the insular cortex to a major parasympathetic center, which regulates immune responses in the periphery.
Les interactions entre le cerveau et le reste du corps sont cruciales pour la survie de l'organisme. Le cerveau reçoit et intègre une multitude d'informations externes et internes et régule diverses fonctions physiologiques en permanence. Notamment, le système nerveux interagit étroitement avec le système immunitaire. En cas d'infection, les caractéristiques uniques du cerveau permettent une régulation optimisée des réponses immunitaires. Cela inclut la capacité du cerveau à détecter les signaux environnementaux, à anticiper les situations à venir et à transmettre rapidement des signaux à travers un vaste réseau de neurones innervant l'ensemble du corps en quelques millisecondes. Le nerf vague, reliant le cerveau aux organes viscéraux, est un support important de cette communication bidirectionnelle. Il est composé de branches sensorielles et motrices. Les afférences relaient les informations périphériques au complexe vagal dans le cerveau, qui transmet les signaux aux structures cérébrales plus profondes, tandis que les efférences motrices transmettent les réponses générées vers les organes cibles. Dans le traitement des informations intéroceptives, le cortex insulaire émerge comme un hub multimodal essentiel. En tant que cortex sensoriel, il reçoit diverses entrées des systèmes de détection externes tels que les cortex somatosensoriels et olfactifs, tout en étant densément interconnecté avec les régions comme le complexe vagal, traitant les signaux internes tels que les stimuli inflammatoires. Cela permet au cortex insulaire d'intégrer les informations extéroceptives et intéroceptives et de jouer un rôle central dans le ‘salient network'. Au sein de l'organisme, il peut optimiser les réponses à des situations spécifiques en régulant l'activité cardiaque ou intestinale, ainsi que les réponses immunitaires, mais les circuits qui médient ces fonctions ne sont pas bien connus. Compte tenu de l'importance du nerf vague dans la transmission d'informations entre le cerveau et la périphérie, ainsi que l'existence de projections du cortex insulaire vers le complexe vagal (InsCtxVC), nous émettons l'hypothèse que certaines fonctions du cortex insulaire sont médiées par le nerf vague. Pour étudier le rôle de l'InsCtxVC, nous avons d'abord caractérisé ces neurones anatomiquement à l'aide d'un virus rétrograde permettant leur marquage. Nous avons constaté que les neurones InsCtxVC sont principalement situés dans le cortex insulaire postérieur-intermédiaire dans la couche V, et expriment CTIP, un effecteur en aval de la voie Fezf2. Ensuite, nous avons examiné les entrées et sorties de ces neurones en utilisant des marqueurs viraux. Nos expériences ont révélé qu'au sein du complexe vagal, les neurones InsCtxVC établissent préférentiellement des synapses avec le NTS médian (plutôt que le NTS caudal ou le DMN), ainsi qu'avec l'amygdale centrale et le noyau parasubthalamique. De plus, nous avons analysé leurs entrées présynaptiques, mettant en évidence une innervation prédominante des cortex sensoriels, y compris le cortex insulaire lui-même, et les cortex somatosensoriels et olfactifs. Sur la base de nos résultats anatomiques et de la littérature, nous avons examiné divers contextes susceptibles de recruter l'InsCtxVC. Grace à des manipulations chemogénétiques et optogénétiques spécifiques de ces neurones, nous avons constaté que l'InsCtxVC n'est pas impliqué dans les comportements anxieux ou l'aversion gustative conditionnée neuro-immunitaire. Cependant, l'activation chemogénétique des neurones InsCtxVC lors d'une inflammation induite par le LPS exacerbe le comportement de maladie, incluant une perte de poids accrue, une élévation des cytokines pro-inflammatoires et de la corticostérone dans le sang.En conclusion, nos résultats caractérisent une population neuronale non décrite précédemment reliant le cortex insulaire à un centre parasympathique majeur régulant les réponses immunitaires périphériques.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04728340 , version 1 (09-10-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04728340 , version 1

Citer

Alice Dupin. Insular Cortex neurons projecting to the vagal complex : characterization and roles in behavior and inflammation. Neurons and Cognition [q-bio.NC]. Sorbonne Université, 2024. English. ⟨NNT : 2024SORUS192⟩. ⟨tel-04728340⟩
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