La cellule de Purkinje (PC) est l'élément central du réseau neuronal du cortex cérébelleux et possède un arbre dendritique très développé qui se développe au cours des trois premières semaines post-natales chez la souris. Cette arborisation nécessite de nombreux réarrangement du cytosquelette, un processus contrôlé par les GTPases et leurs régulateurs, les GEFs et les GAPs, dans de nombreux types cellulaires. Au cours de ma thèse, j'ai étudié l'implication de la signalisation des RhoGTPases dans le développement post-natal du cervelet, et plus particulièrement des PCs chez la souris. Afin d'identifier de nouveaux acteurs de la signalisation des RhoGTPases impliqués dans la différenciation des PCs, nous avons établi le profil d'expression de toutes les GTPases et des GEFs de la famille DOCK à différents stades de développement de ces cellules (P3, P7, P15, P20) par Q-PCR en temps réel. Cette approche globale nous a permis d'identifier une GTPase, RhoQ, et un GEF, DOCK10, dont l'expression est très fortement augmentée au cours du développement des PCs. Nous avons montré que l'extinction de leur expression par infection lentivirale dans un modèle de coupes organotypiques de cervelet ou dans des neurones d'hippocampe entraine une très forte diminution du nombre d'épines dendritiques, révélant un rôle crucial de ces protéines dans la différenciation des PCs. / Purkinje cell (PC) occupy a central and integrative position in the synaptic network of the cerebellum and have the most elaborate dendritic tree among CNS neurons, which develops remarkably in the first three postnatal weeks in mice. This arborization requires intensive actin cytoskeleton remodeling, a process known in many cell types to be controlled by Rho GTPases and their regulators, GEFs and GAPs. During my thesis, I investigated the importance of Rho signaling during postnatal mouse cerebellar development, focusing on PC differentiation.In order to identify novel regulators of PC differentiation among members of the Rho signaling pathway, I undertook a global approach, comparing gene expression profiles of all mammalian Rho GTPases and all GEFs of the DOCK family at various stages of postnatal PC differentiation (P3, P7, P15 and P20) using real-time quantitative PCR. My global approach has allowed the identification of two Rho signaling actors, the GTPase RhoQ and the RhoGEF DOCK10, whose expressions increase dramatically during cerebellar development. Lentiviral shRNA-mediated knock down of their expression in organotypic cerebellar cultures and in hippocampal neurons showed strong dendritic spine defects, revealing an essential role for these proteins in PC differentiation.

Le cervelet est une structure cérébrale nécessaire au maintien de la posture, à la coordination motrice ainsi qu'aux apprentissages moteurs. Son implication dans des fonctions cognitives ou émotionnelles, ainsi que dans des pathologies, comme l'autisme ou la schizophrénie, est également de plus en plus avancée. C'est enfin un modèle de choix pour comprendre le fonctionnement des neurones.<br />La cellule de Purkinje est un élément clef de la fonction cérébelleuse. Elle reçoit 2 grands types d'afférences glutamatergiques: les fibres parallèles (FP), et une fibre grimpante (FG), unique à partir du 21e jour postnatal chez la souris. La nature et le rôle des différents récepteurs du glutamate exprimés à ces synapses ont été largement étudiés et sont désormais assez bien connus. De manière surprenante, le récepteur N-methyl-D-aspartate (R-NMDA), qui joue un rôle clef dans la plupart des neurones intégrateurs du cerveau, en agissant comme détecteur de coïncidence et en permettant une signalisation calcique cruciale dans de nombreux processus cellulaires, a gardé quant à lui une fonction méconnue dans les cellules de Purkinje néonatales, et sa présence est demeurée quasiment inconnue chez les cellules adultes. Le but de cette thèse était donc, d'une part, d'étudier le rôle de la dépolarisation, via notamment les R-NMDA, dans les cellules de Purkinje néonatales, et d'autre part de clarifier la présence, puis le rôle des R-NMDA chez l'adulte. <br />Par le biais d'une étude menée en collaboration, nous pouvons proposer un rôle des R-NMDA dans l'effet neuroprotecteur de la dépolarisation, lors de la mort cellulaire développementale intervenant aux alentours du 3e jour post-natal. Dans des co-cultures olive-cervelet, la survie des cellules de Purkinje de cet âge est significativement favorisée par le voisinage de FGs. La synaptogénèse avec ces fibres aurait donc un effet neuroprotecteur sur les cellules de Purkinje et ce, via leurs R-NMDA juvéniles. Ces récepteurs, en détectant le glutamate libéré par les FGs voisines, pourraient ainsi favoriser la survie des seules cellules contactées par ces afférences à cette étape critique du développement.<br />Parce que les R-NMDA ne sont pas détectés dans les cellules de Purkinje entre la 2e et la 3e semaine postnatales, ces cellules étaient considérées comme un rare exemple de neurone intégrateur n'exprimant pas de R-NMDA chez l'adulte. Cependant, nous avons montré qu'après cette période transitoire d'absence, un nouveau type de R-NMDA apparaît aux synapses avec les FGs et reste exprimé à l'âge adulte. Nous avons mis en évidence la participation des R-NMDA dans la transmission excitatrice de FG, ce qui suggère leur rôle dans de nombreux mécanismes cellulaires au sein de la cellule de Purkinje, notamment dans la plasticité synaptique. En effet, nos résultats préliminaires présentés dans cette thèse sont en faveur d'un rôle des R-NMDA dans l'aiguillage de la plasticité à long terme des synapses FPs - cellules de Purkinje.<br />Nous avons également étudié la possibilité d'une compétition entre ces R-NMDA et un autre type de récepteur du glutamate spécifiquement exprimé dans les cellules de Purkinje, le récepteur GluRdelta2. Ce dernier joue un rôle essentiel dans la régression des FGs surnuméraires et la limitation de leur territoire dendritique d'innervation. Bien que nos résultats ne mettent pas en évidence une interaction entre ces récepteurs, ils montrent que chez la souris adulte n'exprimant pas GluRdelta2, lorsque l'innervation des cellules de Purkinje par de multiples FGs persiste, les R-NMDA ne participent qu'à la transmission synaptique de la plus forte FG. Ceci suggère également un rôle des R-NMDA dans le choix et la stabilisation d'une seule FG lors de la maturation finale de ces afférences.

Le cervelet est une structure du cerveau impliquée dans la coordination des actions motrices complexes telles que les mouvements volontaires. Pour remplir cette fonction, le contrôle temporel précis d'une large population de neurones est nécessaire. Alors qu'un grand nombre d'études ont été consacrées à l'étude de l'activité de réseau dans la plupart des grandes structures cérébrales (système thalamo-cortical, les noyaux gris centraux, hippocampe, etc ...), le cervelet reste très peu étudié. Par conséquent, j'ai examiné la présence et les caractéristiques d'une telle organisation chez les rats libres de leurs mouvements, en particulier lorsqu'ils accomplissent une tâche de préhension. Le cortex cérébelleux a une organisation topographique marquée, de sorte que les cellules voisines reçoivent les mêmes afférences et ont des efférences convergentes. Par conséquent, l'étude des propriétés du réseau local dans le cortex cérébelleux permet d'accéder à une activité populationnelle qui est fonctionnellement pertinente. Tout d'abord, j'ai démontré que les multi-électrodes et particulièrement les tétrodes peuvent être utilisées, grâce à un " micro-drive " que j'ai conçu et réalisé, pour enregistrer plusieurs cellules voisines dans des enregistrements chroniques de comportement de rongeurs libres de leurs mouvements.Deuxièmement, j'ai examiné dans la zone du cortex cérébelleux qui contrôle les mouvements des membres la façon dont les cellules principales (les cellules de Purkinje) coordonnent leur décharge pendant le repos et durant une action motrice des membres antérieurs. Par des enregistrements électrophysiologiques simultanés de plusieurs cellules individuelles, j'ai trouvé que les cellules de Purkinje voisines présentent toujours un co-modulation de leur taux de décharge à l'échelle de quelques millisecondes. Cette décharge corrélée est observée pendant le sommeil et d'exploration active, mais elle est accrue au cours de l'exécution de mouvements. Nos résultats indiquent donc que lors d'un mouvement rapide et complexe, les assemblées locales des cellules de Purkinje se forment dynamiquement à des échelles de temps courtes et produisent donc des épisodes très transitoires d'inhibition dans leur cible postsynaptique dans les noyaux cérébelleux. Troisièmement, dans une collaboration avec le groupe de Richard Courtemanche, nous avons étudié le lien entre la décharge neuronale et les oscillations lentes du potentiel de champ local qui sont observées dans le cervelet au repos. Nous avons constaté qu'une grande proportion de cellules de Golgi et les cellules de Purkinje sont modulées pendant les oscillations. Ces résultats indiquent que ces oscillations lentes, qui peuvent également être observées dans le cortex moteur, se propagent dans le cortex cérébelleux. Dans l'ensemble, mon travail a identifié et caractérisé un certain nombre de patrons d'activité populationnelle dans le cortex cérébelleux. L'impact de ces patrons sur le système moteur reste en grande partie à être compris et devrait faire l'objet de futures travaux.

La cellule de Purkinje (CP) est la seule sortie anatomique du cortex cérébelleux. Des études récentes ont montré que les récepteurs NMDA (NMDA-R) jouaient un rôle essentiel dans le Depression à long terme (DLT) à la synapse entre les fibres parallèles (FP) et les CPs. Les NMDA-Rs pourraient jouer un rôle prépondérant dans l’intégration des informations somato-sensorielles des FPs et ainsi contribuer au rôle du cervelet dans l'apprentissage moteur. Nous montrons que les NMDA-Rs sont fonctionnels et recrutés uniquement lors de patrons de décharges des FPs haute fréquences. Ces résultats étant potentiellement liés aux propriétés biophysiques des NMDA-Rs, nous avons démontré que la PLT dépend des NMDA-Rs comportant les sous unité GluN2A et que l'expression post synaptique de la plasticité s'effectuait à travers une diffusion anterograde du monoxyde d'azote (MA). De plus, nous avons confirmé et disséqué les propriétés de filtre passe haut des NMDA-Rs in vivo et in vitro.Nous avons montré que la PLT nécessitait des trains d'activité des FPs plus long que dans le cadre de la DLT, nous postulons que la quantité de MA produite est plus importante lors de l'induction de PLT. Utilisant nos données, nous avons implémenté un model mathématique de plasticité à la synapses FP-CP pouvant prédire le signe de plasticité synaptique selon les patrons d'activité rencontrés par cette synapse. / Synaptic plasticity is thought to be the cellular mechanism underlying learning and memory and has been the subject of intense experimental and theoretical research. The experimental work has led to detailed knowledge of the receptors and signalling pathways involved in the induction of different types of synaptic plasticity. In parallel, theoretical studies have built ’plasticity rules’, formal descriptions linking spike timings to changes in synaptic efficacy, such as the spike-timing-dependent plasticity (STDP) rule [Gerstner et al., 1996, Song et al., 2000]. However, these plasticity rules are generally quite abstract and their link to the underlying biophysical mechanisms is often unclear. The best known mechanisms in synaptic plasticity are linked to N-methyl-D-aspartate receptor (NMDA-R) function. NMDA-Rs are biophysical coincidence detectors of glutamate and membrane depolarization [Mayer et al., 1984, Nowak et al., 1984]. The activation of postsynaptic NMDA-Rs defines learning rules where the relative timing of pre- and post-synaptic activity is a key parameter [Debanne et al., 1994, Nevian and Sakmann, 2006, Sjostrom et al., 2003]. In the few cases where the participation of presynaptic NMDA-Rs has been proposed, these have invariably been involved in presynaptically-expressed LTD [Rodríguez-Moreno and Paulsen, 2008b, Sjostrom et al., 2003]. Cerebellar parallel fibre-Purkinje cell (PF–PC) synaptic plasticity follows non-Hebbian plasticity rules. We have previously reported that PF-PC LTD induction needs PF bursting activity (at least pairs of spikes) [Bidoret et al., 2009] and is linked to the presence of presynaptic NMDA-Rs [Casado et al., 2002b]. In this thesis, we set out to characterise the activity requirements for bidirectional synaptic plasticity in young and adult animals, and to investigate the signalling pathways involved. Surprisingly, we found that LTP induction shares many properties with LTD induction, including a similar frequency-dependence for presynaptic activity and an absolute requirement for NMDA-R activation and NO production. However, LTP requires a different source of post-synaptic calcium increase [Ly et al., 2013a]. In contrast with other synapses [Bender et al., 2006, Fino, 2010], our data indicate that both LTP and LTD share signalling mechanisms. These involve presynaptically produced NO and postsynaptic Ca rises. Supporting the notion that the frequency dependence of plasticity arises from the involvement of presynaptic NMDA-Rs, we provide the first direct evidence for Ca influx through presynaptic NMDA-Rs in PFs in young and adult animals, settling a long-lasting controversy [Bidoret et al., 2009, Casado et al., 2002a, Shin and Linden, 2005a, Wang et al., 2014a]. Based on our data, we propose a novel mechanistic plasticity rule. This deliberately parsimonious rule can be used to interpret and predict the plasticity arising from arbitrary patterns of PF and climbing fibre (CF) activity. Our results support the notion that bidirectional synaptic plasticity depends on multi-spike activity patterns in an intricate fashion [Bidoret et al., 2009, Froemke and Dan, 2002, Pfister and Gerstner, 2006, Sjöström et al., 2001].

En utilisant des enregistrements en patch-clamp sur des tranches aigues de cervelet de rat, j'ai observé que les informations à haute fréquence traitées dans la voie fibre moussues (FM)-cellules granulaires (CG) sont conservées à la synapse CG-cellule de Purkinje (CP). Des trains de potentiels d'action évoquent des courants postsynaptiques excitateurs importants, même à haute fréquence, avec une haute probabilité de libération initiale, une forte facilitation jusqu'à 700Hz, et ceci de façon soutenue. Ce mécanisme est possible grâce au recrutement de vésicules initialement réfractaires. Une seconde étude utilisant du decageage de Rubi-Glutamate sur les CG a permis de révéler une organisation spatialeprécise des connexions CG-PC, CG-Interneurones de la couche moléculaire (ICM) et CG-Cellules de Golgi (CGo). Des groupes spécifiques de CP/CGo ou ICM, identifiables via des marqueurs histochimiques sont contacté par des populations spécifiques de CG. / Using whole cell patch clamp recording in rat cerebellum acute slices, I found that high frequency information processed in mossy fibre (MF)-granule cell (GC) pathway is conseved at the GC-Purkinje cell (PC) synapse. Bursts of action potential could evoke strong, excitatory postsynaptic currents at the PC soma that can follow high frequency rates, with high initial release probability, paired-pulse facilitation up to 700 Hz, and sustained facilitation during tensof pulses. This fast and sustained release is possible during bursts through the recruitment of reluctant vesicles that boost vesicular release. In a second study, by using precise RuBi-Glutamate uncaging onto granule cells, and by recording either PC, molecular layer interneurons or Golgi cells, 1 found that in the anterior vermis of the mouse cerebellum, GC-PC connection follows a precise spatial organisation. Specifie sets of PC, that can be identified using histochemical markers, receive inputs from small GC hotspots.

Le cervelet est un petit cerveau dans le cerveau. Il contient plus de la moitié du nombre total de neurones du cerveau. Sa structure très régulière est bien connue, toutefois son rôle demeure mystérieux. Le développement essentiellement postnatal du cervelet chez les rongeurs permet d’y étudier la formation activité-dépendante du réseau de neurones. C’est aussi le siège où s’opèrent diverses formes de plasticité synaptique, ce qui en fait un modèle d’étude idéal pour la plasticité synaptique développementale et adulte. Au cours de cette thèse, à l’aide d’enregistrements électophysiologiques en patch-clamp et en extracellulaire sur des tranches aigües de cervelet de souris et grâce aux techniques immunohistochimiques, j’ai étudié trois acteurs importants de la plasticité synaptique et du développement des cellules de Purkinje, les neurones centraux du cortex cérébelleux. Nous avons démontré que l’activation du récepteur métabotropique glutamatergique de type 1 (mGlu1) déclenche l’activation et l’ouverture de GluD2, un récepteur nécessaire au développement et à la plasticité des synapse des cellules de Purkinje (CPs). Nous avons également mis en évidence que les Pannexines 1, des canaux potentiellement impliqué dans la synchronisation neuronale récemment découverts et encore mal caractérisés, sont exprimées par les cellules de Purkinje Zebrine II –immunopositives, suivant les bandes parasagittales que délimitent les microdomaines du cervelet. Enfin, nous avons étudié la physiologie du cortex cérébelleux des souris néonatales, cherchant à caractériser les différents acteurs essentiels à l’activité neuronale de ce cortex en développement très particulier et peu étudié. L’activation du récepteur GluD2 médiée par mGlu1 dans la synapse entre Fibre Parallèle et cellule de Purkinje (synapse PF-PC). GluD2 est classifié parmi les récepteurs ionotropiques glutamatergique, pourtant aucun ligand n’est capable d’induire l’ouverture de son canal. Nous avons identifié pour la première fois un mécanisme physiologique d’ouverture du canal de GluD2 en démontrant que l’activation de mGlu1 déclenche l’ouverture du canal de GluD2 pour une voie intracellulaire, aussi bien dans un système d’expression en culture que dans les tranches aigues de cervelet murin. Cela nous permettra d’étudier la contribution du courant médié à travers GluD2 dans la plasticité à long terme, avec des perspectives totalement nouvelles. L’expression de Pannexine 1 par les CPs se superpose aux stries Zebrine II- immunopositives du cervelet. Les CPs adultes constituent une population hétérogènes, les différents sous-types étant organisés sur le plan parasagittal. Nous avons montré que l’expression des protéines Pannexine 1 (Panx1) We have shown that Pannexin1 (Panx1) déssine un gradient rostrocaudal discontinu dans les lobules de tranches parasagittales. Sur les coupes coronales, leur distribution forme une série de bandes parasagittales. Les canaux Panx1 médient la libération d’ATP en réponse à divers stimuli et pourrais de cette façon contribuer à une activité neuronale orientée sur le plan parasagittal en réponse aux signaux des fibres parallèles. Caractérisation de l’activité GABAergique des CPs immatures dans les souris néonatales. Le cortex cérébelleux entre les jours postnataux P0 et P4 consistent principalement en une multicouche dense de CPs fortement interconnectées. A cet âge, les CPs sont remplies de GABA extrasynapstique qui est libéré dans le milieu extracellulaire par un mécanisme qui n’est pas clairement identifié. Nos recherches préliminaires sur la première semaine de développment postnatal, nous montrons que l’activation de récepteur au GABA de type A induit une réponse excitatrice chez les CPs. Avec notre préparation, cet effet est indépendant de la présence de corps cétoniques ou de lactate comme substrats énergétiques dans le milieu extracellulaire. (...) / The cerebellum is a little brain in the brain. It houses more than half the total number of neurons in the brain. Its crystalline structure is very well known but, still, its function remain unclear to date. Its mainly postnatal development in rodents allows the study of the physiology of activity-dependent neuronal wiring. It is also the place of many types of neuronal plasticity, making it an ideal model to study both developmental and adult synaptic plasticity. In this thesis, using mainly patch-clamp and extracellular recordings in cerebellar slices as well as immunohistochemistry in mice, I have studied three important actors of synaptic plasticity and development in the Purkinje cells, the principal neurons of the cerebellar cortex. We have established that the type 1metabotropic glutamate receptor (mGlu1) triggers the gating of GluD2, a receptor necessary for Purkinje cells (PCs) synapses development and synaptic plasticity. We have also shown that the Pannexins 1, some channels likely involved in neuronal synchronization that have been recently discovered but yet remain poorly characterized, are expressed by Zebrin II immmunopositive Purkinje cells in the classical Zebra stripes formed by microdomains of the cerebellum. Last, we have studied the physiology of the primitive cerebellar cortex in neonatal mice, establishing the first elements of the neuronal activity of this very particular developing cortex at a stage still very poorly characterized. The mGlu1-mediated gating of Glu2D receptors at Parallel Fiber to PC (PF-PC) synapse. GluD2 are classified among ionotropic glutamate receptors, but no ligand has proved capable of gating their channel. We have identified for the first time a physiological mechanism of gating GluD2 channels by demonstrating that the activation of mGlu1 triggers the opening of GluD2 channels through intracellular pathways, both in expression systems and in acute murine cerebellar slices. This will allow us to study the contribution of GluD2-mediated current in long-term plasticity in a totally new way. Expression of Pannexin1 by PCs matches with adult Zebrin II immunopositive cerebellar stripes. Adult PCs constitute an heterogeneous population, the different subtypes being parasagittaly organized. We have shown that Pannexin1 (Panx1) proteins expression by PCs, draw a rostrocaudal discontinuous gradient in lobules of parasagittal slices. In transverse slices, their distribution forms an array of parasagittal stripes. Panx1 channels mediate ATP release in response to various stimuli and may in this way contribute to parasagittally oriented response to PF inputs. Characterization of GABAergic activity of immature Purkinje cells of newborn mice. The cerebellar cortex during postnatal days P0 to P4 essentially consists in a dense multilayer and highly interconnected network of PCs. At this age, PCs are filled with extrasynaptic GABA which is released in the extracellular space by a mechanism that is not clear. In our preliminary investigation of first week postnatal development, we show that activation of GABA-A receptors leads to excitatory responses in PCs. In our preparation, this effect is independent of the presence of keton bodies or lactate as energetic substrates in the extracellular medium. The complete inhibition of spontaneous discharge of PCs by Panx1 channel blockers, suggests that they mediate ion fluxes or release of neuromediators, such as ATP or GABA.

La décharge des cellules de Purkinje (CP), neurone de sortie du cortex cérébelleux, joue un rôle majeur dans le contrôle moteur. Les CP reçoivent des entrées excitatrices provenant des cellules des grains (CG), lesquelles génèrent également une inhibition antérograde sur les CP via l’activation d’interneurones de la couche moléculaire (IN). Lors de ma thèse, j’ai étudié l’influence simultanée de la balance excitation-inhibition (E/I) et des plasticités à court terme aux synapses CG-IN-CP sur la décharge des CP, par des techniques d’électrophysiologie, d’optogénétique et de simulation. Ces travaux démontrent l’existence d’une hétérogénéité d’E/I dans le cortex cérébelleux ainsi qu’une grande diversité de modulation des CP en réponse à la stimulation de CG. Le nombre de stimulation des CG influence fortement la direction et l’intensité de la modulation observée. Enfin, la combinaison de plasticités à court terme et d’E/I génère dans la décharge des CP des motifs de réponses complexes mais reproductibles, ayant sans doute un rôle essentiel dans l’encodage sensoriel. / Rate and temporal coding in Purkinje cells (PC), the sole output of the cerebellar cortex, play a major role in motor control. PC receives excitatory inputs from granule cells (GC) which also provide feedforward inhibition on PC through the activation of molecular layer interneurons (MLI). In this thesis, I studied the influence of the combined action of excitation/inhibition (E/I) balance and short-term plasticity of GC-MLI-PC synapses on PC discharge, by using electrophysiological recordings, optogenetic stimulation and modelling. This work demonstrates that E/I balances are not equalized in the cerebellar cortex and showed a wide distribution of PC discharge modulation in response to GC inputs, from an increase to a shut down of the discharge. The number of stims in GC bursts strongly controls the strength and sign of PC modulation. Lastly, the interplay between short-term plasticity and E/I balance implements complex but reproducible output patterns of PC responses to GC inputs that should play a key role in stimulus encoding by the cerebellar cortex.