Die vorliegende Dissertation verfolgt das Ziel, die von Nervenzellen maximal erreichte Signalrate zu bestimmen. Außerdem werden die bislang weitgehend unbekannten Anpassungen einer Synapse an die Anforderungen hochfrequenter Signalübertragung untersucht. Die maximale Übertragungsrate spielt im zentralen Nervensystem eine wichtige Rolle für die Codierung und Verarbeitung von Informationen. Neben den Grundlagen der synaptischen Übertragung und der neuronalen Informationscodierung werden in der Einleitung die anatomischen Gegebenheiten der Kleinhirnrinde und der Moosfaser-Körnerzell-Synapse vorgestellt. Präsynaptische patch-clamp-Messungen von Moosfaserboutons und die erstmals durchgeführten Messungen von präsynaptischen Boutons und postsynaptischen Körnerzellen („Paarableitungen“) werden erläutert. Mit Hilfe dieser Methoden wird gezeigt, dass die Kommunikation zwischen Nervenzellen mit Raten von bis zu einem Kilohertz stattfinden kann. Hierbei ist die präsynaptische Freisetzung von Botenstoffen schneller und effizienter als bisher bekannt. Ein einzigartiges Repertoire präsynaptischer Mechanismen wird charakterisiert und bildet die Grundlage der nachgewiesenen, hochfrequenten Informationsübertragung.:Abbildungsverzeichnis .......................................................................................... III Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................ IV 1 Bibliographische Zusammenfassung .......................................................... 1 2 Einführung ..................................................................................................... 2 2.1 Der cerebelläre Cortex und die Moosfaser-Körnerzell-Synapse ............... 2 2.2 Grundlagen der synaptischen Übertragung .............................................. 5 2.3 Informationscodierung im Nervensystem .................................................. 6 2.4 Etablierung von Ableitungen an der Moosfaser-Körnerzell- Synapse .................................................................................................... 9 2.5 Quellen der Einführung ........................................................................... 13 3 Ziele der Arbeit ............................................................................................ 16 4 Publikationsmanuskript .............................................................................. 16 5 Zusammenfassung ...................................................................................... 29 6 Anlagen ........................................................................................................ 34 6.1 Supplemental Material ............................................................................ 34 6.2 Erklärung über den wissenschaftlichen Beitrag des Promovenden zur Publikation ............................................................................................... 54 6.3 Selbstständigkeitserklärung .................................................................... 55 6.4 Lebenslauf ............................................................................................... 56 6.5 Publikationen ........................................................................................... 58 6.6 Danksagung ............................................................................................ 59

Pain is a common symptom of many clinical syndromes and diseases. In particular, the treatment of neuropathic pain represents a serious public health issue because currently available analgesia is ineffective in many cases or it has adverse effects. Treatment of pain-related suffering requires knowledge of how pain signals are initially generated and subsequently transmitted by the nervous system. A nociceptive system plays a key role in this process of encoding and transmission of pain signals. Modulation of the nociceptive synaptic transmission in the spinal cord dorsal horn represents an important mechanism in the development and maintenance of different pathological pain states. This doctoral thesis has aimed to investigate and clarify some of the mechanisms involved in the modulation of the spinal nociceptive processing in different pain states. The main attention was paid to study the following issues: (I.) Which is the role of Transient Receptor Potential Vanilloid type 1 channels (TRPV1), Toll-Like Receptors 4 (TLR4), and phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) in the development of neuropathic pain induced by paclitaxel (PAC) chemotherapy in acute in vitro, and subchronic in vivo murine model of PAC-induced peripheral neuropathy (PIPN)? (II.) How is affected spinal inhibitory synaptic control...

Synaptic plasticity—the ability of a synapse to change—is fundamental to basic brain function and behavioral adaptation. Studying the mechanisms of synaptic plasticity benefits our understanding of the formation of neuronal connections and circuitry, which has great implications in the field of learning and memory and the studies of numerous human diseases. The Drosophila larval neuromuscular junction (NMJ) system is a powerful system for studying synaptic plasticity. The NMJ consists of at least two different types of motorneurons innervating the body wall muscles. Type I motorneurons controls muscle contraction using glutamate as the neurotransmitter, while type II are modulatory neurons that contain octopamine. Octopamine is a potent modulator of behavior in invertebrates. Nevertheless, its function at the synapse is poorly understood. In my thesis research, I investigated the role of octopamine in synaptic plasticity using the Drosophila NMJ system. Preliminary observations indicate that increased larval locomotion during starvation results in an increase of filopodia-like structures at type II terminals. These structures, which we termed as “synaptopods” in our previous studies, contain synaptic proteins and can mature into type II synapses. I demonstrated that this outgrowth of type II terminals is dependent on activity and octopamine. Mutations and genetic manipulations affecting the production of octopamine decrease synaptopods, whereas increase of type II activity or exogenous application of octopamine increase synaptopods. Interestingly, I found that the type II octopaminergic neurons have an absolute dependence on activity for their innervation of the muscles. Blocking activity in these neurons throughout development results in no type II synapses at the NMJ, whereas blocking activity after the formation of synapses results in gradual degradation of type II terminals. Next, I examined the autoregulatory mechanism underlying the octopamine-induced synaptic growth in octopaminergic neurons. I discovered that this positive-feedback mechanism depends on an octopamine autoreceptor, Octß2R. This receptor in turn activates a cAMP- and CREB-dependent pathway that is required in the octopamine-induction of synaptopods. Furthermore, I demonstrated that this octopaminergic autoregulatory mechanism is necessary for the larva to properly increase its locomotor activity during starvation. Thirdly, I investigated the possibility that type II innervation might regulate type I synaptic growth through octopamine. We found that ablation, blocking of type II activity, or the absence of octopamine results in reduced type I outgrowth, and this paracrine signaling is mediated by Octß2R which is also present in type I motorneurons. Lastly, the function of another octopamine receptor, Octß1R, was examined. In contrast to Octß2R, Octß1R is inhibitory to synaptic growth. I demonstrated that the inhibitory effect of this receptor is likely accomplished through the inhibitory G-protein Goα. Similar to Octß2R, Octß1R also regulates the synaptic growth of both type I and type II motorneurons in a cell-autonomous manner. The inhibitory function of this receptor potentially breaks the positive feedback loop mediated by Octß2R, allowing the animal to reset its neurons when the environment is favorable. In summary, the research presented in this thesis has unraveled both autoregulatory and paracrine mechanisms in which octopamine modulates synaptic and behavior plasticity through excitatory and inhibitory receptors.

Emerging evidence in both vertebrates and invertebrates is redefining glia as active players in the development and integrity of the nervous system. The formation of functional neuronal circuits requires the precise addition of new synapses. Mounting evidence implicates glial function in synapse remodeling and formation. However, the precise molecular mechanisms governing these functions are poorly understood. My thesis work begins to define the molecular mechanisms by which glia communicate with neurons at the Drosophila neuromuscular junction (NMJ). During development glia play a critical role in remodeling neuronal circuits in the CNS. In order to understand how glia remodel synapses, I manipulated a key component of the glial engulfment machinery, Draper. I found that during normal NMJ growth presynaptic boutons constantly shed membranes or debris. However, a loss of Draper resulted in an accumulation of debris and ghost boutons, which inhibited synaptic growth. I found that glia use the Draper pathway to engulf these excess membranes to sculpt synapses. Surprisingly, I found that muscle cells function as phagocytic cells as well by eliminating immature synaptic ghost boutons. This demonstrates that the combined efforts of glia and muscle are required for the addition of synapses and proper growth. My work establishes that glia play a crucial role in synapse development at the NMJ and suggests that there are other glial-derived molecules that regulate synapse function. I identified one glial derived molecule critical for the development of the NMJ, a TGF-β ligand called Maverick. Presynaptically, Maverick regulates the activation of BMP pathway confirmed by reducing the transcription of the known target gene Trio. Postsynaptically, it regulates the transcription of Glass bottom boat (Gbb) in the muscle suggesting that glia modulate the function of Gbb and consequently the activation of the BMP retrograde pathway at NMJ. Surprisingly, I also found that glial Maverick regulates the transcription of Shaker potassium channel, suggesting that glia potentially could regulate muscle excitability and consequently modulate synaptic transmission. Future work will elucidate such hypothesis. My work has demonstrated two novel roles for glia at the NMJ. First is that glia engulfing activity is important for proper synaptic growth. Second is that the secretion of glial-derived molecules are required to orchestrate synaptic development. This further supports that glia are critical active players in maintaining a functional nervous system.

Les données accumulées au cours des deux dernières décennies ont montré que l’astrocyte joue un rôle clé dans la régulation de la transmission synaptique. Cela est dû à sa capacité à détecter, via des récepteurs, et réguler, via la libération de gliotransmetteurs, la transmission synaptique. Cependant, les astrocytes deviennent réactifs dans des conditions pathologiques comme la maladie d’Alzheimer et la régulation de l’activité neuronale par ces cellules est susceptible d’être altérée.L'objectif principal de cette thèse est d'étudier le rôle de l‘astrocyte en tant qu'intégrateur et modulateur de la transmission synaptique dans des conditions physiologique et pathologique.Premièrement, nous avons montré qu’un astrocyte est capable de détecter et d’augmenter la transmission synaptique de base au niveau d’une synapse chez des rats jeunes. On ignore si cette régulation est toujours présente chez les adultes et si elle est affectée par l'activité synaptique des synapses voisines présentes dans le même domaine astrocytaire. En utilisant l’imagerie STED et des enregistrements électrophysiologiques sur des tranches d’hippocampes de rats adultes, nous montrons ici que la voie de régulation décrite précédemment est également présente chez les adultes. En effet, les astrocytes détectent la transmission glutamatergique de base au niveau de synapses individuelles par le biais des mGluR5 et l’augmente en libérant des purines qui activent les récepteurs présynaptiques A2A. Plus important encore, nos données suggèrent fortement qu'un astrocyte est capable d'adapter sa régulation de la transmission glutamatergique en fonction du nombre de synapses activées dans son domaine. Lorsque le nombre d’afférences activées est faible, les astrocytes facilitent l'efficacité synaptique par un mécanisme dépendant des purines. Fait intéressant, ce processus n’est plus présent lorsqu’un plus grand nombre d’afférences est activé, ce qui suggère que les astrocytes sont capables d’intégrer différemment les informations entrantes et d’adapter leur réponse en termes de libération de purine.Deuxièmement, des études sur des modèles de la maladie d’Alzheimer ont rapporté que plusieurs fonctions astrocytaires, comme leur capacité à réguler la transmission synaptique, étaient perturbées. Cependant, la contribution de la réactivité astrocytaire dans cette pathologie reste méconnue et débattue du fait que les modifications rapportées dans ces études peuvent être bénéfiques et/ou néfastes pour les neurones. En effet, les astrocytes réactifs présentent une hétérogénéité morphologique, moléculaire et fonctionnelle qui peut expliquer leurs effets controversés dans cette pathologie. Pour comprendre comment la réactivité astrocytaire contribue à la maladie d'Alzheimer et trouver des voies thérapeutiques, il est essentiel de développer une nouvelle stratégie qui module efficacement tous les types d'astrocytes réactifs. Ici, nous avons utilisé des approches in vivo visant spécifiquement les astrocytes et identifié la voie JAK2/STAT3, comme étant nécessaire et suffisante pour l'induction et le maintien de la réactivité astrocytaire. La modulation de cette cascade par approche virale contrôle efficacement plusieurs caractéristiques morphologiques et moléculaires de la réactivité. De plus, son inhibition chez des modèles murins de la maladie d'Alzheimer améliore des caractéristiques pathologiques clés en réduisant les dépôts amyloïdes et en améliorant l'apprentissage spatial. En combinant l’approche virale avec des enregistrements électrophysiologiques, notre équipe a montré que réduire la réactivité astrocytaire en inhibant la voie JAK2/STAT3 rétablit les déficits de transmission synaptique et de plasticité observés chez un modèle 3xTg de la maladie d'Alzheimer. En conclusion, la cascade JAK2/STAT3 est un régulateur principal de la réactivité astrocytaire in vivo. Son inhibition offre de nouvelles opportunités thérapeutiques pour la maladie d'Alzheimer. / Data accumulated over the two last decades have demonstrated that astrocytes play key roles in the regulation of synaptic transmission and plasticity. This is due to their capability to detect and regulate synaptic transmission by expressing receptors and releasing gliotransmitters, respectively. However, astrocytes become reactive in pathological condition such as Alzheimer’s disease, and neuronal activity regulation by these glial cells is likely to be altered.The main objective of this thesis is to study the role of astrocytes as integrators and modulators of synaptic transmission under both physiological and pathological conditions.First, we have shown that a single astrocyte is able to detect and in turn up-regulate basal synaptic transmission at individual synapses in juvenile rats. Whether this upregulation is still present in adults and whether it is affected by the synaptic activity occurring at neighboring synapses present within the same astroglial domain is unknown. Using STED imaging on fixed tissue and electrophysiological recordings on acute hippocampal slices of adult male rats we here show that the upregulation pathway previously described in juvenile rats is also present in adults. Indeed, as in juvenile, astrocytes detect basal glutamatergic transmission at individual synapses through mGluR5 and in turn upregulate it by releasing purines and activating presynaptic A2A receptors. More importantly, our data suggest strongly that an individual astrocyte is able to adapt its purine-mediated regulation of glutamatergic transmission as a function of the number of synapses activated in its domain. When the number of afferent inputs activated is small, astrocytes facilitate synaptic efficacy through a purine-mediated process. Interestingly, this process is no longer present when a higher number of afferences is activated, suggesting the astrocytes integrate the incoming information and adapt its response in terms of purine release.Second, studies on Alzheimer’s disease models have reported changes in several astrocyte functions such as its ability to regulate synaptic transmission. However, the contribution of astrocytic reactivity in this pathology remains largely unknown and debated as the reported changes in these studies can have beneficial, deleterious or even mixed effects on neurons. Indeed, reactive astrocytes display a morphological, molecular and functional heterogeneity that could explain their controversial effects in this pathology. To understand how astrocyte reactivity contributes to Alzheimer's disease and to find therapeutic pathways, it is crucial to develop a new strategy that efficiently modulates all types of reactive astrocytes. Here, we used cell type-specific approaches in vivo and identified the JAK2/STAT3 pathway, as necessary and sufficient for the induction and maintenance of astrocyte reactivity. Modulation of this cascade by viral gene transfer in mouse astrocytes efficiently controlled several morphological and molecular features of reactivity. Inhibition of this pathway in mouse models of Alzheimer's disease improved key pathological hallmarks by reducing amyloid deposition and improving spatial learning. Combining this viral gene transfer with electrophysiological recordings, we specifically showed in our lab that reducing astrocyte reactivity by inhibiting JAK2/STAT3 cascade in astrocytes restores synaptic transmission and plasticity deficits observed in a 3xTg mouse model of Alzheimer's disease. In conclusion, the JAK2/STAT3 cascade operates as a master regulator of astrocyte reactivity in vivo. Its inhibition offers new therapeutic opportunities for Alzheimer's disease.

La modification de l'activité neuronale peut engendrer des altérations dans des circuits neuronaux. L'activation des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) peux participer à des mécanismes à la base du développement de maladies comme l'addiction à la cocaïne. La consommation de cocaïne conduit à une augmentation de neurotransmetteurs tels que la dopamine, l'histamine et le glutamate qui activent des RCPG dans le cerveau. La signalisation des RCPG peut se faire au travers de monomères, d'homo- ou d'hétéromères de RCPG ainsi que par des interactions protéine - protéine, permettant entre autre une régulation croisée. Nous montrons que les récepteurs de la dopamine 1 (D1R) et de l'histamine 3 (H3R) induisent une signalisation croisée dans le striatum de rat vraisemblablement par la formation d'hétérodimères. Une administration chronique de cocaïne modifie la signalisation de ces récepteurs tant que la signalisation croisée des D1R et H3R. Les H3R et les récepteurs métabotropes du glutamate 1/5 (mGlu1/5R) sont fortement exprimés dans l'hippocampe et le striatum. Des expériences de comportement suggèrent que ces récepteurs seraient susceptibles de coordonner leurs signalisations par une régulation croisée. Nos expériences d'électrophysiologie, de mesure de Ca++ intracellulaire et de transduction du signal montrent effectivement une régulation croisée des récepteurs H3R et mGlu1/5R dans le cerveau de rat. De plus, nous montrons que la consommation chronique de cocaïne affecte la signalisation des H3R et mGlu1/5R de manière différente de son impacte sur leur signalisation croisée. Nos résultats démontrent l'existence d'une régulation croisée de certains RCPG dans le cerveau de rat. De plus, la consommation chronique de la cocaïne affecte différemment la signalisation induite par l'activation d'un récepteur et l'induction d'une signalisation croisée. / Alterations of neuronal activity, mediated by G-protein coupled receptors (GPCRs), can modulate neuronal circuits and are thought to be important in the development and expression of diseases as cocaine addiction. GPCR activity is regulated by various mechanisms, including protein-protein interactions in the membrane, permitting these receptors to crosstalk and form homo-and heteromers. Cocaine blocks monoamine reuptake leading to increased synaptic presence of various neurotransmitters including dopamine, histamine and glutamate in the brain. First we describe that dopamine D1 receptors (D1R) and histamine H3 receptors (H3R) crosstalk in the rodent brain. Chronic cocaine self-administration altered the crosstalk between D1R and H3R in the striatum, a brain structure involved in habit learning and motor control. The altered signaling was observed in both individual receptor signaling and by D1R-H3R crosstalk signaling. Both histamine H¬3R and metabotropic glutamate 1/5 receptors (mGlu1/5R) are highly expressed in the hippocampus and the striatum of rodents and they are involved in behaviors regulated by these structures. We describe that H3R and mGlu1/5R crosstalk in pyramidal neurons of the hippocampus and in the striatum of rats. In addition, we found that signaling through H3R and mGlu1/5R were differently affected by chronic cocaine self-administration than the apparent crosstalk between the receptors. These results show evidence of GPCR interactions in adult rodent brain and reveal that chronic cocaine self-administration differently affected crosstalk and single receptor mediated signaling.

Le fonctionnement cérébral est régit par deux grandes forces : un système excitateur, principalement supporté par la transmission gluue,tamatergiq qui s'oppose à un système inhibiteur, principalement supporté par la transmission GABAergique. L'influence mutuelle et équilibrée de ces deux forces est déterminante pour établir et maintenir une activité neuronale physiologique au sein des réseaux neuronaux. Le récepteur métabotropique du glutamate de type 7, mGlu7, est capable de moduler à la fois la transmission glutamatergique et GABAergique, mais sa localisation et son rôle synaptique précis restent largement méconnus à l'heure actuelle. Il semble important pour contrôler le fonctionnement d'une circuiterie particulière supportant notamment la perception sensorielle lors de l'éveil ou la perte de conscience lors de l'endormissement, mais aussi les crises épileptiques d'absence lors d'un dysfonctionnement : le circuit thalamo-cortical. Cette thèse porte sur l'étude des fonctions physiologiques médiées par le récepteur mGlu7a au sein du réseau thalamo-cortical chez la souris. Pour cela, j'ai décortiqué la localisation et les processus électrophysiologiques engendrés par le récepteur dans les synapses thalamiques constituant la circuiterie thalamo-corticale. Le récepteur mGlu7a s'estavéré essentiel dans le contrôle des rythmes oscillatoires au sein du thalamus, associés à la fois au sommeil (les fuseaux de sommeil) et aux épilepsies de type absence.Ce récepteur était présumé ne fonctionner que lors d'activités neuronales intenses. Cette étude complète ce tableau. Elle met en évidence une activité constitutive du récepteur mGlu7a au sein des synapses excitatrices et inhibitrices. Il exerce donc un frein permanent sur l’entrée de Ca2+ dans les présynapses, un acteur crucial pour le développement du système nerveux, la transmission synaptique, l'excitabilité et la plasticité neuronales. Je montre que cette activitémodule la libération de glutamate et de GABA, mais aussi la plasticité à court terme dans certaines synapses du circuit. De plus, le récepteur mGlu7a limite le tonus inhibiteur au sein du thalamus et ainsi l'excitabilité globale thalamique.De façon surprenante pour un récepteur du glutamate, l'ensemble de ces résultats suggère une action physiologique du récepteur mGlu7a particulièrement impliquée dans le contrôle de l'état d'excitabilité des neurones GABAergiques thalamiques et corticaux. En limitant l'apparition d'activités synchrones au sein de la circuiterie, son action abouti in fine au maintien d'un état conscient de l'individu, nécessaire aux traitements des informations sensorielles, mais aussi à l'apprentissage et la mémoire. / Brain functionning is gouverned by two master forces : excitation, mainly supported by glutamatergic transmission, and inhibition, mainly supported by GABAergic transmission. The mutual and balanced influence of these two forces is instrumental to establish and maintain a physiological neuronal activity, particulary in neuronal networks involving several interconnected brain area and neuron types. The metabotropic glutamate receptor type 7, mGlu7, modulates both glutamatergic and GABAergic transmission, but its precise localization andsynaptic role are still widly unknown. Recently, a genetic mouse model has highlighted mGlu7a receptor's involvement into the functionning of a particular network supporting somatosensory perception during arousal and loss of consciousness during sleep, as well as absence epileptic seizures : the thalamo-cortical network. This thesis aims at understanding physiological functions mediated by the mGlu7a receptor in the thalamo-cortical circuit. I have dissected localization and electrophysiologicalprocesses triggered by the receptor in thalamic synapses. The mGlu7a receptor was proved as essential to control oscillatory rythmes in the thalamus, associated with both sleep-related waves (spindles) and absence epileptic seizures.This receptor was supposed to function only during high neuronal activities. In addition, our study highlights a constitutive activity of mGlu7a receptor in excitatory and inhibitory synapses. It thus exerts a permanent brake on Ca2+ presynaptic entry, which is crucial for neuronal developpement, synaptic transmission, excitability and plasticity. I found that this mechanism modulates glutamate and GABA release, but also short term plasticity in thestudied network. Moreover, mGlu7a receptor slows down the inhibitory tonus in the thalamus and thalamic excitability.Surprisingly for a glutamate receptor, these data suggest that the physiological action of mGlu7a receptor is highly involved in the control of the excitability of inhibitory thalamic and cortical neurons. By decreasing synchronous activities of the network, its action leads in fine to the maintenance of a conscious, awake state of a subject, that is necessary for sensorial informations processing, learning and memory.

Les travaux de cette thèse ont pour but de mettre en œuvre des outils de modélisation et de simulation numériques de mécanismes sous-tendant l’activité neuronale, afin de promouvoir la découverte de médicaments pour le traitement des maladies du système nerveux. Les modèles développés s’inscrivent à différentes échelles : 1) les modèles dits « élémentaires » permettent de simuler la dynamique des récepteurs, des canaux ioniques, et les réactions biochimiques des voies de signalisation intracellulaires ; 2) les modèles de neurones permettent d’étudier l’activité électrophysiologique de ces cellules ; et 3) les modèles de microcircuits permettent de comprendre les propriétés émergentes de ces systèmes complexes, tout en conservant les mécanismes élémentaires qui sont les cibles des molécules pharmaceutiques. À partir d’une synthèse bibliographique des éléments de neurobiologie nécessaires, et d’une présentation des outils mathématiques et informatiques mis en œuvre, le manuscrit décrit les différents modèles développés ainsi que leur processus de validation, allant du récepteur de neurotransmetteur au microcircuit. D’autre part, ces développements ont été appliqués à trois études visant à comprendre : 1) la modulation pharmacologique de la potentialisation à long terme (LTP) dans les synapses glutamatergiques de l’hippocampe, 2) les mécanismes de l'hyperexcitabilité neuronale dans l'épilepsie mésio-temporale (MTLE) à partir de résultats expérimentaux in vitro et in vivo, et 3) la modulation cholinergique de l'activité hippocampique, en particulier du rythme thêta associé à la voie septo-hippocampique. / The work of this thesis aims to apply modeling and simulation techniques to mechanisms underlying neuronal activity, in order to promote drug discovery for the treatment of nervous system diseases. The models are developed and integrated at different scales: 1) the so-called "elementary models" permit to simulate dynamics of receptors, ion channels and biochemical reactions in intracellular signaling pathways; 2) models at the neuronal level allow to study the electrophysiological activity of these cells; and 3) microcircuits models help to understand the emergent properties of these complex systems, while maintaining the basic mechanisms that are the targets of pharmaceutical molecules. After a bibliographic synthesis of necessary elements of neurobiology, and an outline of the implemented mathematical and computational tools, the manuscript describes the developed models, as well as their validation process, ranging from the neurotransmitter receptor to the microcircuit. Moreover, these developments have been applied to three studies aiming to understand: 1) pharmacological modulation of the long-term potentiation (LTP) of glutamatergic synapses in the hippocampus, 2) mechanisms of neuronal hyperexcitability in the mesial temporal lobe epilepsy (MTLE), based on in vitro and in vivo experimental results, and 3) cholinergic modulation of hippocampal activity, particularly the theta rhythm associated with septo-hippocampal pathway.

Les ganglions de la base (GB) sont un ensemble de noyaux sous-corticaux impliqués dans les fonctions motrices, mnésiques et cognitives. Le globus pallidus externe (GPe) est un noyau GABAergique, qui tient la place de structure relais entre le striatum et le noyau sous-thalamique au sein du réseau des GB. Les changements de mode et de fréquence de décharge des neurones du GPe sont connus pour être les signatures électro-physiologiques des maladies de Parkinson (MP) et de Huntington (MH). Dans la MP, où les concentrations de GABA extracellulaires sont anormalement élevées dans le GPe, il est admis que la voie striato-pallidale (STR-GPe) est hyperactive, ce qui contribue à l’hypoactivité des neurones pallidaux. A l’inverse dans la MH, il est admis que l’hyperactivité des neurones du GPe est due à la dégénérescence de la voie STR-GPe levant la principale influence inhibitrice du GPe. Cependant, les mécanismes moléculaires impliqués dans ces changements d’activité pallidale sont encore peu connus. Nous avons donc entrepris des expériences de biologie moléculaire, d’immunohistochimie et d’électrophysiologie sur tranches, afin de mieux caractériser l’origine des modifications de transmission GABAergique conduisant aux changements d’activité électro-physiologique des neurones du GPe dans ces deux pathologies à l’aide de modèles animaux. Mes principaux résultats montrent l’apparition d’une inhibition tonique dans les neurones du GPe due à un déficit de recapture du GABA dans la MP et une réduction précoce de la transmission synaptique GABAergique dans la MH. Ces résultats suggèrent que les altérations de la transmission GABAergique contribuent à la physiopathologie de la MP et la MH. / The basal ganglia (BG) are a group of sub-cortical nuclei involved in motor, memory and cognitive functions. In the BG, the GABAergic external globus pallidus (GPe) holds a position of relay nucleus between the striatum (STR) and the sub thalamic nucleus within the indirect pathway of the BG. Modifications of rate and pattern of activity of this nucleus are known to be the electrophysiological signatures of Parkinson’s (PD) and Huntington’s diseases (HD). In PD, hyperactivity of the striato-pallidal (STR-GPe) pathway is thought to be responsible for the increase of the extracellular GABAergic concentrations in the GPe and participate to the hypoactivity of pallidal neurons observed in experimental Parkinsonism. In contrast, during HD, it is recognized that the hyperactivity of GPe neurons is due to the degeneration of striato-pallidal neurons and thus to the reduction of the main source of pallidal GABAergic inhibition. However, the molecular mechanisms involved in these modifications of pallidal activity are not well characterized. Therefore, using PD and HD animal models, the 6-OHDA rodents and the R6-1 transgenic mice respectively, we have performed molecular biology, immunohistochemistry and electrophysiological in vitro experiments in order to better understand the origin of GABAergic transmission alterations leading to changes in electrophysiological activity of GPe neurons into these two pathologies. My main results show the apparition of a tonic GABAergic inhibition due to a deficit of GABA uptake in PD and a early stage reduction of GABAergic synaptic transmission in HD. Altogether, these results suggest that alterations of GABAergic transmission contribute to the pathophysiology of PD and HD.

Le neurone est une cellule polarisée qui se divise en deux compartiments spécialisés : le compartiment somato-dendritique et le compartiment axonal. Généralement, le premier reçoit l'information en provenance d'autres neurones et le second génère un message en sortie lorsque la somme des entrées dépasse une valeur seuil au segment initial de l'axone. Ce signal de nature discrète appelé potentiel d'action (PA) est propagé activement jusqu'à la terminaison synaptique où il déclenche la transmission chimique de l'information. Cependant, la fonction axonale ne se résume pas à la simple transmission des séquences de PA à l'image d'un câble de télégraphe. L'axone est également capable de transmettre des variations continues de signaux électriques infraliminaires dit analogues et les combiner avec l'information digitale véhiculée par le PA. J'ai consacré la majorité de mon travail de thèse à l'étude de ce nouvel aspect de la fonction axonale dans le cadre de la transmission synaptique entre les neurones pyramidaux au sein du réseau excitateur CA3 de l'hippocampe de rat. Les résultats obtenus à partir d'enregistrements de paires de neurones pendant ma thèse mettent en évidence deux sortes de signalisation analogue et digitale qui aboutissent à la facilitation de la transmission synaptique. La facilitation analogue-digitale (FAD) a été observée lors d'une dépolarisation prolongée, mais également à la suite d'une hyperpolarisation transitoire au niveau du corps cellulaire. Ce sont deux versants d'une même plasticité à court-terme qui découle de l'état biophysique des canaux ioniques sensibles au voltage étant à l'origine du PA. / The neuron is a polarised cell divided into two specialized compartments: the somato-dendritic and the axonal compartment. Generally, the first one receives information arriving from other neurones and the second generates an output message, when the sum of inputs exceeds a threshold value at the axon initial segment. This all-or-none signal, called the action potential (AP) is propagated actively to the synaptic terminal where it triggers chemical transmission of information. However, axonal function is not limited to transmission of AP sequences like a telegraph cable. The axon is also capable of transmitting continuously changing sub-threshold electric signals called analogue signals and to combine them with the digital information carried by the AP. I devoted the majority of my thesis work to the study of these novel aspects of axonal function in the framework of synaptic transmission between pyramidal neurons in the CA3 excitatory network of the rat hippocampus. The results obtained through paired recordings brought to light two kinds of analogue and digital signalling that lead to a facilitation of synaptic transmission. Analogue-digital facilitation (ADF) was observed during prolonged presynaptic depolarization and also after a transient hyperpolarization of the neuronal cell body. These are two sides of the same form of short-term synaptic plasticity depending on the biophysical state of voltage gated ion channels responsible for AP generation. The first variant of ADF induced by depolarization (ADFD) is due to AP broadening and involves Kv1 potassium channels.