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La mastication est une fonction essentielle relevant de la coordination d’un ensemble d’acteurs que sont la mâchoire, la langue et les muscles faciaux. La synchronisation de l’activité des différentes parties relève d’un réseau spécialisé de neurones nommé générateur de patron central (GPC) dont il a été proposé que le coeur rythmogène soit formé des neurones de la partie dorsale du noyau sensoriel principal du trijumeau (NVsnpr). Ces neurones ont la capacité intrinsèque de pouvoir alterner leur patron de décharge entre un mode tonique et rythmique en fonction la concentration extracellulaire de calcium ([Ca2+]e). Autrefois relégués à un rôle passif dans le système nerveux central, les évidences se sont accumulées en faveur d’un rôle actif des astrocytes dans les fonctions physiologiques. À cet effet, dans le NVsnpr, la stimulation des afférences sensorielles trigéminales active les astrocytes qui participent à la genèse du rythme masticateur en libérant la S100β, une protéine chélatrice du Ca2+ extracellulaire. Récemment, il a été démontré que l’activation rythmique des neurones du NVsnpr dorsal menait à une activation rythmique des motoneurones (MNs) innervant les muscles masticateurs. Ceci impliquerait qu’une seule population de neurone au sein du NVsnpr dorsal active de manière concomitante des MNs innervant les muscles antagonistes de la mâchoire. On suppose alors l’activation de la région péritrigéminale (PeriV), un réseau d’interneurones prémoteurs (INs) ceinturant les MNs du trijumeau et adjacente au NVsnpr. Son activation modulerait l’activité des MNs de muscles antagonistes. Les présents travaux réalisés en imagerie calcique indiquent que l’activation du NVsnpr par une baisse de la [Ca2+]e, simulant l’action de la S100β ou la stimulation électrique des afférences sensorielles trigéminales activent les neurones et astrocytes de la partie dorsale du NVsnpr et subséquemment les INs de la PeriV. Les patrons d’activité calcique des INs de la PeriV étaient similaires à ceux observés au sein du NVsnpr. Ces observations supportent par la même occasion la transmission des patrons en provenance du NVsnpr, le générateur du rythme masticateur vers la région prémotrice PeriV. Par ailleurs, les astrocytes péritrigéminaux dont le rôle n’avait jamais été investigué ont également répondu aux activations du NVsnpr dans des patrons d’activité calcique similaires aux astrocytes du NVsnpr dorsal. Ensemble, ces résultats suggèrent l’implication de la région PeriV dans la transmission et la modulation du rythme dans le GPC masticateur. / Mastication is an essential function that involves coordination of the jaw, tongue and facial muscles. Synchronization of the activity of these different parts is assured by a specialized network of neurons known as central pattern generator (CPG), whose rhythmogenic core has been proposed to be formed by neurons in the dorsal part of the trigeminal principal sensory nucleus (NVsnpr). These neurons have the intrinsic ability to alternate their firing pattern between a tonic and rhythmic mode, depending on the extracellular calcium concentration ([Ca2+]e). Once relegated to a passive role in the central nervous system, evidence is accumulating in favor of an active role for astrocytes in physiological functions. In NVsnpr, trigeminal sensory afferents stimulation activates astrocytes, which participate in the genesis of the masticatory rhythm by releasing S100β a calcium-binding protein that lowers [Ca2+]e. Recently, it has been demonstrated that rhythmic activation of dorsal NVsnpr neurons leads to rhythmic activation of motoneurons (MNs) innervating masticatory muscles. This would imply that a single neuron population within the dorsal NVsnpr concomitantly activates MNs innervating antagonistic jaw muscles. We presume that activation of the peritrigeminal region (PeriV), a network of premotor interneurons (INs) surrounding the trigeminal MNs and adjacent to the NVsnpr could modulate the activity of antagonistic muscle MNs. The present calcium imaging work indicates that activation of the NVsnpr by a decrease in [Ca2+]e, simulating the action of S100β, or electrical stimulation of trigeminal sensory afferents activates neurons and astrocytes in the dorsal part of NVsnpr and subsequently the INs of the PeriV. Calcium activity patterns in PeriV INs were similar to those observed in NVsnpr, supporting the transmission of patterns from NVsnpr, the generator of masticatory rhythm, to the PeriV premotor region. In addition, previously uninvestigated peritrigeminal astrocytes also responded to NVsnpr activations with calcium activity patterns similar to those of dorsal NVsnpr astrocytes. Taken together, these results suggest the involvement of the PeriV region in rhythm transmission and modulation in the masticatory CPG.

A fundamental goal in neurobiology is to understand the development and organization of neural circuits that drive behavior. In the embryonic spinal cord, the first motor activity is a slow coiling of the trunk that is sensory-independent and therefore appears to be centrally driven. Embryos later become responsive to sensory stimuli and eventually locomote, behaviors that are shaped by the integration of central patterns and sensory feedback. In this thesis I used a simple vertebrate model, the zebrafish, to investigate in three manners how developing spinal networks control these earliest locomotor behaviors. For the first part of this thesis, I characterized the rapid transition of the spinal cord from a purely electrical circuit to a hybrid network that relies on both chemical and electrical synapses. Using genetics, lesions and pharmacology we identified a transient embryonic behavior preceding swimming, termed double coiling. I used electrophysiology to reveal that spinal motoneurons had glutamate-dependent activity patterns that correlated with double coiling as did a population of descending ipsilateral glutamatergic interneurons that also innervated motoneurons at this time. This work (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2014) suggests that double coiling is a discrete step in the transition of the motor network from an electrically coupled circuit that can only produce simple coils to a spinal network driven by descending chemical neurotransmission that can generate more complex behaviors. In the second part of my thesis, I studied how spinal networks filter sensory information during self-generated movement. In the zebrafish embryo, mechanosensitive sensory neurons fire in response to light touch and excite downstream commissural glutamatergic interneurons to produce a flexion response, but spontaneous coiling does not trigger this reflex. I performed electrophysiological recordings to show that these interneurons received glycinergic inputs during spontaneous fictive coiling that prevented them from firing action potentials. Glycinergic inhibition specifically of these interneurons and not other spinal neurons was due to the expression of a unique glycine receptor subtype that enhanced the inhibitory current. This work (Knogler & Drapeau, Frontiers in Neural Circuits, 2014) suggests that glycinergic signaling onto sensory interneurons acts as a corollary discharge signal for reflex inhibition during movement. v In the final part of my thesis I describe work begun during my masters and completed during my doctoral degree studying how homeostatic plasticity is expressed in vivo at central synapses following chronic changes in network activity. I performed whole-cell recordings from spinal motoneurons to show that excitatory synaptic strength scaled up in response to decreased network activity, in accordance with previous in vitro studies. At the network level, I showed that homeostatic plasticity mechanisms were not necessary to maintain the timing of spinal circuits driving behavior, which appeared to be hardwired in the developing zebrafish. This study (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2010) provided for the first time important in vivo results showing that synaptic patterning is less plastic than synaptic strength during development in the intact animal. In conclusion, the findings presented in this thesis contribute widely to our understanding of the neural circuits underlying simple motor behaviors in the vertebrate spinal cord. / Un objectif important en neurobiologie est de comprendre le développement et l'organisation des circuits neuronaux qui entrainent les comportements. Chez l'embryon, la première activité motrice est une lente contraction spontanée qui est entrainée par l'activité intrinsèque des circuits spinaux. Ensuite, les embryons deviennent sensibles aux stimulations sensorielles et ils peuvent éventuellement nager, comportements qui sont façonnées par l'intégration de l'activité intrinsèque et le rétrocontrôle sensoriel. Pour cette thèse, j'ai utilisé un modèle vertébré simple, le poisson zèbre, afin d'étudier en trois temps comment les réseaux spinaux se développent et contrôlent les comportements locomoteurs embryonnaires. Pour la première partie de cette thèse j'ai caractérisé la transition rapide de la moelle épinière d'un circuit entièrement électrique à un réseau hybride qui utilise à la fois des synapses chimiques et électriques. Nos expériences ont révélé un comportement embryonnaire transitoire qui précède la natation et qu'on appelle « double coiling ». J'ai démontré que les motoneurones spinaux présentaient une activité dépendante du glutamate corrélée avec le « double coiling » comme l'a fait une population d'interneurones glutamatergiques ipsilatéraux qui innervent les motoneurones à cet âge. Ce travail (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2014) suggère que le « double coiling » est une étape distincte dans la transition du réseau moteur à partir d'un circuit électrique très simple à un réseau spinal entrainé par la neurotransmission chimique pour générer des comportements plus complexes. Pour la seconde partie de ma thèse, j'ai étudié comment les réseaux spinaux filtrent l'information sensorielle de mouvements auto-générés. Chez l'embryon, les neurones sensoriels mécanosensibles sont activés par un léger toucher et ils excitent en aval des interneurones sensoriels pour produire une réponse de flexion. Par contre, les contractions spontanées ne déclenchent pas ce réflexe même si les neurones sensoriels sont toujours activés. J'ai démontré que les interneurones sensoriels reçoivent des entrées glycinergiques pendant les contractions spontanées fictives qui les empêchaient de générer des potentiels d'action. L'inhibition glycinergique de ces interneurones, mais pas des autres neurones spinaux, est due à l'expression d'un sous-type de récepteur glycinergique unique qui augmente iii le courant inhibiteur. Ce travail (Knogler & Drapeau, Frontiers in Neural Circuits, 2014) suggère que la signalisation glycinergique chez les interneurones sensoriels agit comme un signal de décharge corolaire pour l'inhibition des réflexes pendant les mouvements auto- générés. Dans la dernière partie de ma thèse, je décris le travail commencé à la maîtrise et terminé au doctorat qui montre comment la plasticité homéostatique est exprimée in vivo aux synapses centrales à la suite des changements chroniques de l'activité du réseau. J'ai démontré que l'efficacité synaptique excitatrice de neurones moteurs spinaux est augmentée à la suite d’une diminution de l'activité du réseau, en accord avec des études in vitro précédentes. Par contre, au niveau du réseau j'ai démontré que la plasticité homéostatique n'était pas nécessaire pour maintenir la rythmicité des circuits spinaux qui entrainent les comportements embryonnaires. Cette étude (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2010) a révélé pour la première fois que l'organisation du circuit est moins plastique que l'efficacité synaptique au cours du développement chez l'embryon. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à notre compréhension des circuits neuronaux de la moelle épinière qui sous-tendent les comportements moteurs simples de l'embryon.

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De nombreuses fonctions cérébrales dépendent de la capacité de réseaux de neurones à générer une activité rythmique. Les réseaux neuronaux, nommés générateurs de patron centraux (GPCs), contrôlant les patrons de mouvements répétitifs comme la locomotion, la respiration et la mastication en sont un exemple important. Des travaux antérieurs ont montré que le noyau sensoriel principal du trijumeau (NVsnpr), qui fait partie du GPC de la mastication, contient des neurones qui peuvent décharger de façon rythmique et que les astrocytes et leur protéine S100ß étaient nécessaires pour cette rythmogénèse neuronale. Cependant, l’effet de l’activation directe des astrocytes sur la décharge des neurones du NVsnpr n’a jamais été investigué. De plus, comme les astrocytes forment des réseaux bien définis dans le NVsnpr, nous avons émis l’hypothèse que l’activation de ces réseaux pourrait contribuer à synchroniser l’activité rythmique de groupes de neurones. Pour investiguer ces deux questions, nous avons utilisé des enregistrements en mode cellules entières de neurones et d’astrocytes du NVsnpr lors de stimulations optogénétiques des astrocytes chez des souris transgéniques. Différentes lignées de souris transgéniques ont été utilisées pour exprimer des protéines photosensibles comme la channelrhodopsin (ChR2) ou le récepteur adrénergique α-1 dans les astrocytes du NVsnpr dans le but de pouvoir les stimuler par l’exposition à la lumière. De ces lignées, seul le croisement de souris S100β-Cre à des souris ChR2-lox donna des réponses significatives. Ces résultats démontrent que la stimulation optogénétique des astrocytes du NVsnpr cause divers effets sur la décharge neuronale, dont la genèse de bouffées rythmiques. Cependant, l’enregistrement de paires de neurones n’a pas permis de confirmer l’implication des astrocytes dans la synchronisation de l’activité rythmique des neurones de NVsnpr. Ces résultats permettent d’affiner les méthodes d’études des astrocytes dans le système trigéminal ainsi que de confirmer l’implication des astrocytes dans une activité rythmique, une implication qui pourrait potentiellement être observée dans d’autres structures du système nerveux central comme les GPCs de la locomotion ou de la respiration. / Several cerebral functions depend on the capacity of neural network to generate a rhythmic activity. One prominent example of this is the neural networks, named central pattern generators (CPGs), controlling repetitive movements patterns like locomotion, breathing and chewing. Previous studies have shown that the trigeminal main sensory nucleus (NVsnpr), which is part of the masticatory CPG, contains neurons that can rhythmically discharge and that the astrocytes and their protein, S100β, were essential for this neuronal rhythmogenesis. However, the effect of the activation of astrocytes on neuronal discharge of the NVsnpr remains uninvestigated. Additionally, since astrocytes form well-defined networks in the NVsnpr, we hypothesized that the activation of these networks could help synchronize the rhythmic activity of groups of neurons. To investigate these questions, we used whole cell recordings of neurons and astrocytes of the NVsnpr during optogenetic stimulation of astrocytes in transgenic mice. Different mice strains have been used to express photosensitive proteins such as channelrhodopsin (ChR2) or the α-1 adrenegic receptor in NVsnpr astrocytes to enable their stimulation with light. Of all these strains, only the S100β-Cre X ChR2-lox hybrids provided significant responses. Optogenetic stimulation of NVsnpr astrocytes produced various effects on neuronal discharge, including the genesis of rhythmic bursts. However, the recording of pairs of neurons did not confirm the involvement of astrocytes in the synchronization of the rhythmic activity of NVsnpr neurons. These results contribute to the refinement of methods used to study astrocytes in the trigeminal system and confirm the involvement of astrocytes in rhythmogenesis, an involvement that could be observed in other structures of the central nervous system such as the CPGs for respiration or locomotion.

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Networks of interneurons within the spinal cord coordinate the rhythmic activation of muscles during locomotion. These networks are subject to extensive neuromodulation, ensuring appropriate behavioural output. Astrocytes are proposed to detect neuronal activity via Gαq-linked G-protein coupled receptors and to secrete neuromodulators in response. However, there is currently a paucity of evidence that astrocytic information processing of this kind is important in behaviour. Here, it is shown that protease-activated receptor-1 (PAR1), a Gαq-linked receptor, is preferentially expressed by glia in the spinal cords of postnatal mice. During ongoing locomotor-related network activity in isolated spinal cords, PAR1 activation stimulates release of adenosine triphosphate (ATP), which is hydrolysed to adenosine extracellularly. Adenosine then activates A1 receptors to reduce the frequency of locomotor-related bursting recorded from ventral roots. This entails inhibition of D1 dopamine receptors, activation of which enhances burst frequency. The effect of A1 blockade scales with network activity, consistent with activity-dependent production of adenosine by glia. Astrocytes also regulate activity by controlling the availability of D-serine or glycine, both of which act as co-agonists of glutamate at N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs). The importance of NMDAR regulation for locomotor-related activity is demonstrated by blockade of NMDARs, which reduces burst frequency and amplitude. Bath-applied D-serine increases the frequency of locomotor-related bursting but not intense synchronous bursting produced by blockade of inhibitory transmission, implying activity-dependent regulation of co-agonist availability. Depletion of endogenous D-serine increases the frequency of locomotor-related but not synchronous bursting, indicating that D-serine is required at a subset of NMDARs expressed by inhibitory interneurons. Blockade of the astrocytic glycine transporter GlyT1 increases the frequency of locomotor-related activity, but application of glycine has no effect, indicating that GlyT1 regulates glycine at excitatory synapses. These results indicate that glia play an important role in regulating the output of spinal locomotor networks.

Spinal neurons are important in several aspects motor control. For example, the neurons essential for locomotor movements reside in the ventral spinal cord. In this thesis, different motor control functions are being related to neuronal populations defined by their common expression of a gene. First, a targeted disruption of the gene for vesicular glutamate transporter 2 (Vglut2/ Slc17a6) is described. The mutant animals die at birth because of their inability to breathe. The neuronal network in the brainstem, responsible for inspiration, was shown to become non-functional by the targeted deletion of Vglut2. To our surprise, it was still possible to induce rhythmic activity with normal left/right alternation in spinal cords isolated from VGLUT2-null embryos. Inconsistent reports of Vglut1 expression in the spinal cord made us re-evaluate the Vglut1 and Vglut2 expressions. While Vglut2 expression was widespread in the spinal cord, Vglut1 expression was restricted to a few cells dorsal to the central canal.  Taken together, the data suggest that, glutamatergic signaling is mandatory to drive the bilateral breathing, but not needed for coordination of basal alternating spinal locomotor rhythm. Next, a screen for genes with restricted ventral expression was made. Some of the genes found could be connected to the characteristics of specific neuronal cell populations. For example, fast motor neurons were shown to express the genes Calca and Chodl. Further, we found the Chrna2 expression selectively in putative Renshaw cells. It seems likely that the gene product, the alpha2 subunit of the nicotinergic receptor, could be linked to the unique connection of motor neurons to Renshaw cells. We used the Chrna2 promoter to drive expression of Cre recombinase in a transgenic mouse. The Cre activity was present in most neurons labeled with Renshaw cell markers, which should make it a useful tool for functional studies of this population. The studies presented here show how the genes expressed in subsets of neurons can be used to target populations of neurons for functional studies of neuronal systems.

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