Reproduction de : Thèse de doctorat : Neurosciences : Toulouse 3 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 169-188.

Thèse de doctorat : Sciences de la vie : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. f. 137-153.

La théorie de la formation de la mémoire "en deux étapes" postule que la consolidation mnésique repose sur un dialogue pendant le sommeil entre l'hippocampe, où les traces mnésiques sont initialement formées, et le néocortex (notamment le cortex préfrontal médian, CPm), où elles seraient stockées à long terme. En particulier, la coordination entre oscillations au sein du réseau hippocampo-cortical pendant le sommeil apparaît comme un mécanisme plausible pour la consolidation. Nous avons augmenté la coordination temporelle entre ces deux structures pendant le sommeil suivant un apprentissage d'une tâche de mémoire spatiale limité en temps n'induisant pas de consolidation. Les rats ayant suivi le protocole permettant l'augmentation des intéractions entre ondulations hippocampiques, ondes delta corticales et fuseaux thalamo-corticaux par le biais d'impulsions électriques intra-corticales ont fait preuve d'un haut niveau de performance de rappel 24 h plus tard, contrairement à des rats de contrôle qui ne faisaient pas mieux que le hasard. Ainsi, cette augmentation des intéractions hippocampo-corticales pendant le sommeil a-t-elle stabilisé des traces mnésiques qui autrement n'auraient pas subsisté entre l'entraînement et le test. De plus, nous avons observé une réorganisation des réseaux neuronaux du CPm pendant le sommeil, ainsi qu'une réponse accrue du CPm à la tâche le lendemain. Ces travaux constituent une mise en évidence directe du rôle causal du dialogue hippocampo-cortical pendant le sommeil dans la consolidation mnésique, dont les mécanismes sous-jacents impliquent une coordination temporelle précise entre ondulations, ondes delta et fuseaux (Maingret et al., 2016). / The `two-stage' theory of memory posits that memory consolidation involves a dialogue during sleep between the hippocampus, where traces are initially formed, and the neocortex (notably the prefrontal cortex), where they are stored for long-term retention. Temporally coordinated oscillations in the hippocampo-cortical network could be a key mechanism for sleep-dependent memory consolidation. We dynamically manipulated the temporal coordination between the two structures during sleep following training on a spatial memory task specifically designed to trigger encoding, but not memory consolidation. Reinforcing the endogenous coordination between hippocampal sharp wave-ripples, cortical delta waves and spindles by timed electrical stimulation resulted in a high recall performance on the next day, contrary to control rats which performed at chance levels. Thus, this enhancement of hippocampo-cortical interactions during sleep stabilized memory traces that would have otherwise vanished between training and test. In addition, we observed a reorganization of prefrontal cortical networks during sleep, along with subsequent increased prefrontal responsivity to the task on the next day. These results provide direct evidence for a causal role of a hippocampo-cortical dialogue during sleep in memory consolidation, and indicate that the underlying mechanism involves a fine-tuned coordination between sharp wave-ripples, delta waves and spindles (Maingret et al., 2016).

Les astrocytes sont des partenaires clés des neurones. Dans l’hippocampe, et tout particulièrement au niveau des synapses CA3-CA1, en libérant la D-sérine, ces cellules gliales régulent l’activité des récepteurs glutamatergiques de type N-methyl-D-aspartate (NMDA) et de ce fait la mémoire synaptique, aussi connue sous le nom de plasticité synaptique à long terme. Cependant, le signal synaptique à l’origine de la libération de la D-sérine par les astrocytes reste à ce jour méconnu. De par des données rapportées dans la littérature nous nous sommes tout particulièrement intéressés aux récepteurs astrocytaires aux ephrins de type B3 (EphB3) et aux endocannabinoïdes de type 1 (CB1). Pour ce faire nous avons principalement utilisé une approche électrophysiologique sur des tranches aiguës d’hippocampe de souris adulte. Dans une première étude, nos données indiquent que l’activation des récepteurs EphB3 augmente la présence de D-sérine synaptique et en conséquence l’activité des récepteurs NMDA synaptiques. A l’inverse, leur inhibition diminue à la fois l’activité des récepteurs NMDA synaptiques et la potentialisation à long-terme qui en dépend (LTP ; une forme de plasticité synaptique à long terme). L’interaction EphB3-ephrinB3 contrôle donc la LTP en contrôlant la disponibilité en D-sérine synaptique. Dans une seconde étude, nous avons utilisé un modèle transgénique permettant d’inhiber l’expression des récepteurs CB1 astrocytaires (souris GFAP-CB1-KO). Nous avons découvert que la suppression de ces récepteurs diminue la disponibilité en D-sérine synaptique. De plus, nos travaux montrent que les récepteurs CB1 astrocytaires sont nécessaires à l’induction de la LTP via la D-serine. En conclusion, ces travaux de Thèse révèlent que les récepteurs astrocytaires EphB3 et CB1 régulent les fonctions dépendantes des récepteurs NMDA via le contrôle qu’ils exercent sur la disponibilité en D-sérine. / Astrocytes are key partners of neurons. In the hippocampus, and more particularly at CA3-CA1 synapses, by releasing D-serine, these glial cells regulate the activity of synaptic Nmethyl-D-aspartate (NMDA) receptors and thus synaptic memory, also known as long-term synaptic plasticity. Yet, the synaptic signal inducing D-serine release by astrocytes is still unknown. Based on interesting data from the literature we have investigated the role of the astrocytic receptors for ephrinB3 (EphB3) and endocannabinoids (CB1). To this end we used electrophysiological approaches on acute hippocampal slices of adult mice. In a first study, our data indicate on one hand that the activation of EphB3 receptors increases synaptic D-serine availability and in consequences the activity of synaptic NMDA receptor activity. On the other hand, inhibition of EphB3 receptors induces a decrease of synaptic NMDA receptor activity as well as the induction of the long-term potentiation (LTP; a form of long-term plasticity). Thus, EphB3-ephrinB3 interaction controls LTP induction through the availability of synaptic D-serine. In a second study, we used a transgenic model allowing the inhibition of CB1 receptors expression in astrocytes (GFAP-CB1-KO mice). We discovered that their deletion reduced synaptic D-serine availability. Our work shows that astrocytic CB1 receptors are necessary for LTP induction via this D-serine. All together, this PhD work reveals that astrocytic EphB3 and CB1 receptors regulate synaptic NMDA receptor functions through the control of D-serine availability.

Dans l'hippocampe, les processus de mémoire et d'apprentissage dépendent fortement de l'inhibition GABAergique, qui est fournis par une population hétérogène d'interneurones (INs) via l'activation de sous-types spécifiques de récepteurs GABA. La sous-unité alpha5-GABAAR (α5-GABAAR) est fortement exprimée dans l'hippocampe de la souris, du singe et du cerveau humain. Il a été rapporté que, dans les cellules pyramidales CA1, cette sous-unité est principalement localisée sur les sites extrasynaptiques, où elle est responsable de la génération de la conductance inhibitrice tonique. Si la sous-unité α5-GABAAR peut être ciblée sur des types spécifiques de synapses dans des types cellulaires distincts reste inconnue. En utilisant l'immunohistochimie dans des coupes d'hippocampe de souris, nous avons étudié l'expression spécifique de la sous-unité α5-GABAAR dans les cellules et les synapses de l’oriens/alveus de le région CA1. Nos résultats démontrent que la sous-unité α5-GABAAR est principalement exprimée dans les INs positifs à la somatostatine. De plus, la densité de sous-unité était plus élevée dans les dendrites proximales et diminuait avec la distance par rapport au soma, ce qui correspond à une diminution de la densité des synapses inhibitrices dépendant de la distance. De plus, l'α5-GABAAR ciblait les synapses formées par les entrées exprimant le peptide intestinal vasoactif (VIP+) et la calrétinine (CR+) et, dans une moindre mesure, celles produites par les projections exprimant de la parvalbumine (PV+). En résumé, nos résultats montrent que la sous-unité α5-GABAAR présente une expression spécifique à la cellule et à la synapse dans l'hippocampe CA1. Comme la sous-unité α5-GABAAR a été impliquée dans plusieurs maladies, comprenant la maladie d'Alzheimer et le syndrome de Down, les nouvelles connaissances sur la localisation de l'α5-GABAAR seront importantes pour le développement de la thérapie cellulaire spécifique. / In the hippocampus, memory and learning processes are highly dependent on the GABAergic inhibition, which is provided by a heterogeneous population of interneurons (INs) via activation of specific sub-types of GABA receptors. The alpha5-GABAAR subunit (α5-GABAAR) is highly expressed in the hippocampus of the mouse, monkey and human brain. It has been reported that, in the CA1 pyramidal cells, this subunit is predominantly located at extrasynaptic sites, where it is responsible for generation of tonic inhibitory conductance. Whether the α5-GABAAR subunit can be targeted to specific types of synapses in distinct cell types remains unknown. Using immunohistochemistry and electophysiological approach in mouse hippocampal slices, we studied the cell- and synapse-specific expression of the α5-GABAAR subunit in the CA1 oriens/alveus INs. Our results demonstrate that the α5-GABAAR subunit is mainly expressed in the somatostatin-positive INs. In addition, the subunit density was higher in proximal dendrites and declined with distance from the soma, consistent with a distance-dependent decrease in the density of inhibitory synapses. Furthermore, the α5-GABAAR was targeted to synapses made by the vasoactive intestinal peptide (VIP+)- and calretinin (CR+)-expressing inputs and to a lesser extent to those made by the parvalbumin-positive (PV+) projections. In summary, our results show that the α5-GABAAR subunit exhibits a cell- and input-specific expression in the CA1 hippocampus. As the α5-GABAAR subunit has been implicated in several diseases, including Alzheimer’s disease and Down syndrome, the new insights into the α5-GABAAR localization will be important for the development of cell- and site-specific therapy.

Le but de cette thèse est d'étudier le rôle des propriétés des stimuli dans la fonction mnémonique de la formation hippocampique chez le rat. Les neufs expériences rapportées dans ce texte comparent la performance de rats avec une lésion du fomix (FX) à celle d'animaux contrôles avec lésion simulée (SH) dans des tâches de mémoire spatiale (labyrinthe radial) et non spatiale (labyrinthe radial et épreuves de reconnaissance d'odeurs). Dans la version spatiale de la tâche du labyrinthe radial, le déficit des rats du groupe FX s'explique à la fois par l'organisation des stimuli et par le maintien des informations en mémoire de travail. Dans d'autres versions inédites et non exclusivement spatiales de la tâches du labyrinthe radial, des résultats tout à fait inattendus montrent que l'apprentissage des groupes FX dépend en partie de l'emplacement des stimuli pertinents, mais aussi de la stabilité de leurs positions relatives. Enfin, tant dans les tâches spatiales que non spatiales, des résultats indiquent que les groupes FX ont des difficultés à reconnaître des stimuli qui présentent des chevauchements avec d'autres stimuli. Donc, la fonction mnémonique de la formation hippocampique n'est pas exclusivement spatiale puisque diverses propriétés des stimuli y sont traitées.

Les interneurones du stratum oriens/alveus (O/As), incluant ceux avec une projection axonale s'étendant jusqu'au stratum lacunosum-moleculare (O-LMs) de l'hippocampe reçoivent des projections inhibitrices locales, et possiblement une projection extrinsèque provenant du septum. Peu de choses sont connues sur les propriétés des synapses inhibitrices sur les O/As. La technique du « patch clamp » a été utilisée pour caractériser les courants inhibiteurs évoqués dans des O/As par stimulation de différentes voies inhibitrices. Les données montrent que les courants évoqués par stimulation des voies inhibitrices locales diffèrent de ceux du septum suggérant que des synapses formées par des voies distinctes sur les O/As se démarquent en propriétés et en plasticité synaptique. De plus, les courants enregistrés dans les O-LMs montrent différentes propriétés cinétiques et de plasticité dépendamment à l'âge s'expliquant par l'incorporation synaptique de GABAARα5 lors de la maturation post-natale, qui peut représenter un mécanisme potentiel pour des modifications dans l'inhibition de l'hippocampe.

Les neurones encodent l’information dans le nombre et la fréquence des potentiels d’action qu’ils déchargent. Les patrons de décharge de potentiels d’action enregistrés dans les animaux vivants varient fortement dans leur nombre et leur fréquence. Les variations dans la fréquence et le nombre de potentiel d’action déchargés affectent drastiquement la plasticité à court terme et le transfert de l’information vers la cellule postsynaptique. Comment les terminaux présynaptiques décodent la fréquence et le nombre de potentiel d’action par des dynamiques calciques spécifiques demeure inconnu. Afin d’explorer cette question, nous avons combiné l’imagerie calcique par microscopie deux photons à accès aléatoire avec l’électrophysiologie dans les tranches aiguës d’hippocampe. Nous avons procédé à l’analyse de l’ultrastructure des terminaux synaptique par immunohistochimie et microscopie électronique. Nous avons découvert que la propagation des potentiels d’action des cellules granulaires aux cellules principales du CA3 était dépendante du nombre de potentiel d’action dans une bouffée, mais était indépendante de la fréquence moyenne des potentiels d’action dans la bouffée. Le nombre de potentiel d’action dans une bouffée était encodé par le terminal présynaptique dans l’homogénéisation spatiale des microdomaines calciques. Cette globalisation des microdomaines calciques dans les terminaux présynaptiques supportait le recrutement de site de relâchements additionnels, suffisant pour augmenter grandement l’amplitude des courants postsynaptiques. De plus, les canaux calciques de type P/Q couplés faiblement aux senseurs calciques et localisés à une distance plus grande des zones actives étaient l’élément clé permettant l’homogénéisation des microdomaines calciques et le recrutement de sites de relâchement additionnels. Ainsi, les fibres moussues de l’hippocampe propagent les potentiels d’action vers les cellules principales du CA3 en fonction du nombre de potentiel d’action dans la bouffée, indépendamment de leur fréquence. Cette transmission est possible grâce à la dynamique calcique présynaptique hautement spécialisée qui optimise l’utilisation d’un grand nombre de sites de relâchement. / Neurons encode information in the number and frequency of action potentials they discharge. Action potentials typically occur in bursts of varying number and frequency, with variations in these two parameters dramatically affecting short-term plasticity and the transfer of information to the postsynaptic neuron. How presynaptic terminals decode the frequency and the number of action potentials through calcium dynamics to gate neurotransmitter remains unknown. To investigate this question, we combined random-access two-photon presynaptic calcium imaging in large mossy fiber terminals and electrophysiology in acute hippocampal slices. We further probed the ultrastructure of the mossy fiber terminals using immunohistochemistry and electron microscopy. We found that action potential propagation from hippocampal granule cells to postsynaptic CA3 pyramidal cells was dependent on the number of action potentials (AP) in the granule cell burst, but was independent of the AP burst average frequency. Interestingly, the number of action potentials in a burst was encoded in presynaptic terminals by the spatial homogenization of calcium microdomains. This globalization of calcium microdomains within single presynaptic terminals supported the recruitment of additional release sites, sufficient to increase the EPSC amplitude several fold. Additionally, loosely-coupled P/Q-type VGCCs from calcium sensors provided the functional basis for the homogenization of calcium microdomains and proved essential for the recruitment of additional release sites. Therefore, hippocampal mossy fiber terminals propagate action potentials to CA3 pyramidal cells as a function of the number of action potentials in the burst, but not the frequency. This counting logic is made possible through specialized spatiotemporal calcium dynamics which optimize the use of a large number of release sites.

Les convulsions fébriles (CF) surviennent chez 2 à 5 % des jeunes enfants. La grande majorité de ces épisodes sont complètement bénins et aucune conséquence ne découle de ces convulsions. Une récente étude a par contre démontré qu'au sein d'une population pédiatrique atteinte d'épilepsie du lobe temporal (ELT), plusieurs enfants ont développé des CF avant l'apparition de ce trouble neurologique. De plus, cette étude a démontré une prévalence élevée de double pathologie chez ces enfants (sclérose de l'hippocampe et malformation corticale), suggérant un lien de causalité entre les CF, la malformation corticale et le développement de l'ELT. En se basant sur ces observations cliniques, la présente étude a pour but d'étudier les changements morphologiques et métaboliques cérébraux survenant suite aux convulsions hyperthermiques chez un modèle raton atteint de dysplasie corticale focale. Pour ce faire, une analyse du changement d'intensité de signal IRM en pondération-T[indice inférieur 2] et de multiples images TEP obtenues à l'aide de différents radiotraceurs([[indice supérieur 18]F]-FDG, [[indice supérieur 13]N]-NH[indice inférieur 3], [[indice supérieur 11]C]-acétoacétate) a été effectuée. De plus, un suivi longitudinal du développement volumétrique de l'hippocampe et des ventricules latéraux a été effectué. Les résultats de cette étude présentent une atteinte plus prononcée de l'hippocampe suite aux convulsions hyperthermiques chez le cerveau avec dysplasie corticale. En effet, 5 h après l'induction des convulsions hyperthermiques, un hyposignal IRM T[indice inférieur 2] est présent dans l'hippocampe de ce groupe comparativement au groupe contrôle atteint de dysplasie corticale seule. Les images TEP acquises pendant des convulsions hyperthermiques prolongées révèlent une inhomogénéité importante de captation du [[indice supérieur 18]F]-FDG au sein des structures cérébrales. L'hippocampe est d'ailleurs la structure avec la plus faible captation de [[indice supérieur 18]F]-FDG. À P38, une atrophie de l'hippocampe dorsal et une dilatation des ventricules latéraux sont mesurées au sein du groupe d'intérêt. Nos observations nous amènent à poser l'hypothèse que les perturbations remarquées chez le rat adulte sont causées par une vascularisation immature et inhomogène de l'hippocampe à P10 causant une atteinte hypoxique durant l'épisode de convulsion fébrile atypique. Ces résultats suggèrent donc que l'hypoxie durant un épisode de convulsions fébrile atypique mérite d'être davantage investiguée afin de développer de nouvelles avenues thérapeutiques pouvant diminuer l'impact des convulsions fébriles atypiques sur le développement cérébral.

Cette thèse s’inscrit dans la thématique de l’identification des bases neurobiologiques du déclin de la mémoire déclarative (MD) lié au vieillissement. Deux difficultés principales sont à noter : 1) la modélisation animale de la MD, mémoire typiquement humaine et 2) le manque d’intégration des différents niveaux d’analyse du fonctionnement cérébral. Nos travaux ont contribué à résoudre ces deux problèmes par le développement d’un modèle murin du déclin de MD lié au vieillissement, associé une approche d’imagerie fonctionnelle de l’expression de la protéine Fos. Une première série de résultats montre que la perturbation du système cholinergique au cours du vieillissement s’accompagne d’une modification de l’activité des systèmes de mémoire. Une deuxième série montre que le déficit de MD observé au cours du vieillissement est attribuable au dysfonctionnement d’un composant de la mémoire à court terme/de travail, le tampon épisodique, sous-tendu par le CA1 hippocampique. / Abstract