The relatively few serotonin (5-HT) neurons located in the Dorsal Raphe Nucleus (DRN) give rise to an extensive axonal network modulating a wide-range of brain functions and behaviors. In turn, the DRN receives inputs from several brain regions and therefore exhibits the characteristics of a hub network. While recent technological advancements have provided an unprecedented look at the neurobiology of the DRN, important knowledge gaps remain in understanding how the constellation of synaptic inputs to this region confers 5-HT neurons their unique coding features. As a first step towards characterizing the DRN's input processing strategy, we set out to explore the landscape of dendritic operation operating in DRN 5-HT neurons. Using multi-photon microscopy and in vitro electrophysical recordings, we conducted a morphological and electrophysiological survey of 5-HT neurons where we identified two structurally and morphologically distinct types of glutamatergic synapses both expressing small NMDAR-mediated conductance. Our initial findings provide valuable insights on local rules that govern how synaptic inputs to the DRN are being processed to ultimately confer 5-HT neurons their unique coding features.

The majority of fast excitatory neurotransmission in the brain occurs at glutamatergic synapses. The extensive dendritic arborisations of pyramidal neurons in the neocortex and hippocampus harbor thousands of synaptic connections, each formed on tiny protrusions called dendritic spines. Spine synapses are rapidly established during early postnatal development – a key period in neural circuit assembly – and are subject to dynamic activity-dependent plasticity mechanisms that are believed to underlie neural information storage and processing for learning and memory. Recent decades have seen remarkable progress in identifying diverse plasticity mechanisms responsible for regulating synapse structure and function, and in understanding the processes underlying computation of synaptic inputs in the dendrites of individual neurons. These advances have strengthened our understanding of the biological mechanisms underlying brain function but, not surprisingly, they have also raised many new questions. Using a combination of whole-cell electrophysiology, 2-photon imaging and glutamate uncaging in rodent brain slice preparations, I have helped to document the subtype-specific regulation of glutamate receptors during a homeostatic form of synaptic plasticity at CA1 pyramidal neurons of the hippocampus, and have discovered novel synaptic calcium dynamics during a critical period of neural circuit formation. First, we found that during a homeostatic response to prolonged inactivity, both AMPA and NMDA subtypes of glutamate receptors undergo a switch in subunit composition at synapses, but exhibit a divergence in their subcellular localization at extrasynaptic regions of the plasma membrane (this work was published in the Journal of Neuroscience in 2013). In separate series of experiments using 2-photon calcium imaging, I discovered a functional coupling between NMDA receptor activation and intracellular calcium release at dendritic spines and dendrites that is selectively expressed during a critical period of synapse formation. This synaptic calcium signaling mechanism enabled the transformation of distinct spatiotemporal patterns of synaptic input into salient biochemical signals, and is thus apt to locally regulate synapse development along individual dendritic branches. Consistent with this hypothesis, I found evidence for non-random clustering of synapse development between neighboring dendritic spines. Together, these experimental results expand the current understanding of the dynamics of synapse function during homeostatic plasticity and early postnatal development. --- Les synapses glutamatergiques soutiennent la majorité de la neurotransmission excitatrice rapide du cerveau. Des milliers de ces synapses, localisées sur de minuscules saillies appelées épines dendritiques, décorent les vastes arborisations dendritiques des neurones pyramidaux du néocortex et de l'hippocampe. Ces synapses sont formées tôt lors du développement postnatal et sont soumises à des mécanismes dynamiques de plasticité qui sous-tendent, croit-on, les capacités d'apprentissage et de mémoire du cerveau. Les dernières décennies ont vu des progrès remarquables dans l'identification de divers mécanismes de régulation de la structure et de la fonction des synapses sur différentes échelles de temps, et dans la compréhension des processus qui régissent l’intégration des inputs synaptiques au niveau des dendrites individuelles. Ces progrès ont renforcé notre compréhension des éléments fondamentaux régissant la fonction cérébrale et ont ouvert de nouvelles voies d’investigations neurophysiologiques. En utilisant une combinaison d’électrophysiologie cellulaire, d'imagerie à deux-photons et de photolibération de glutamate sur des neurones pyramidaux de la région CA1 de l'hippocampe de rats, j’ai contribué à la découverte et à la caractérisation de nouvelles régulations des récepteurs du glutamate durant la plasticité synaptique homéostatique. J’ai également découvert un nouveau type de dynamique de calcium synaptique relié à une organisation spatiale du développement des synapses pendant une période critique de l’ontogénie des circuits neuronaux. Dans la première étude, nous avons constaté que lors d'une plasticité de type homéostatique induite par une inactivité prolongée, les récepteurs de glutamate de types AMPA et NMDA sont soumis à un changement important dans la composition de leurs sous-unités. De plus, nous avons observé un ciblage différentiel de ces récepteurs vers des compartiments subcellulaires spécifiques des neurones. Dans une série d'expériences séparée utilisant l’imagerie calcique à deux-photons, j’ai découvert un couplage fonctionnel durant le développent entre l'activation des récepteurs NMDA et une libération de calcium intracellulaire qui envahit tant les épines dendritiques que les dendrites. J’ai également trouvé que ce mécanisme de signalisation de calcium synaptique transforme des motifs spatiotemporels d’activités synaptiques spécifiques en signaux biochimiques post-synaptiques de manière à potentiellement réguler l’organisation spatiale des synapses durant le développement. Conformément à cette hypothèse, j’ai observé des manifestations fonctionnelles claires de regroupement dans l’espace de synapses de forces similaires le long de branches dendritiques individuelles. Ensemble, ces résultats expérimentaux élargissent notre compréhension actuelle de de la fonction des synapses durant la plasticité homéostatique ainsi que durant le développement postnatal du cerveau. En étudiant les mécanismes neurophysiologiques de base, il sera possible d'avoir un aperçu plus profond du fonctionnement du cerveau et de ses pathologies.

Le cervelet est indispensable à la coordination motrice ainsi qu’au maintien de la posture. Le traitement de l’information dans le cortex cérébelleux repose sur une organisation modulaire : chaque module est impliqué dans le contrôle de muscles spécifiques. Des lésions focales du cervelet entrainent des troubles moteurs dans une région précise du corps, conduisant à des pathologies telles que l’ataxie. Ce travail vise à comprendre comment les modules cérébelleux traitent l’information sensorimotrice, communiquent entre eux et leur implication dans la coordination motrice chez la souris. Des approches optiques et électrophysiologiques ont permis d’établir les cartes de connexions synaptiques entre différents modules. L’étude du développement de ces cartes a démontré que la mise en place des synapses entre des modules distants coïncide avec l’émergence de la locomotion. L’emploi de modèles de perturbation de la locomotion a démontré que les cartes synaptiques sont réorganisées suite à l’adaptation de la coordination motrice. Ce projet apporte de nouvelles hypothèses quant au contrôle de la coordination motrice en conditions normales et pathologiques. / The cerebellum is essential for motor coordination and to learn new motor skills. In the cerebellar cortex, information processing is based on a modular organization: each module is involved in the control of specific motor units. Localized lesions of the cerebellum impair coordinated movements in only one part of the body and lead to movement disorders like ataxia. This project aims to understand how cerebellar modules communicate, process incoming information and how they relate to coordinated movements in mice. We combine optical and electrophysiological approaches in vitro in order to determine the functional synaptic maps between different modules. The development of these maps revealed that the establishment of connections between distant modules coincide with the appearance of motor coordination in mice. Using models of motor alteration, we showed that synaptic maps are reorganized following motor adaptation. The results bring new hypotheses about the control of motor coordination in normal and pathological conditions. Future directions will be to assess how a specific activation of identified modules may compensate for motor impairments.