Dans le cerveau adulte, la signalisation liée à l’adénosine facilite ou inhibe la libération vésiculaire de neurotransmetteurs suite à l’activation des récepteurs de l’adénosine de type 2A ou 1 (A2AR ou A1R), respectivement. Cependant, son rôle dans le développement est mal connu. Au cours de ma thèse, j’ai étudié le rôle de la signalisation adénosine dans la synaptogenèse GABAergiques de l’hippocampe. Nous avons mis en évidence (i) une sécrétion activité-dépendante accrue d’adénosine et d’ATP pendant la période de synaptogenèse, (ii) un pic d’expression de l’enzyme limitant la formation de l’adénosine à partir de l’ATP extracellulaire, l’ecto-5’-nucleotidase, aux synapses pendant cette période critique, et (iii) un pic d’expression péri/post- synaptique du A2AR concomitant de la période de synaptogenèse. Cette expression développementale des molécules clés de la signalisation adénosine dépendante du A2AR corrélait avec un rôle de ce récepteur dans la stabilisation des synapses GABAergiques naissantes, une régulation restreinte à la période de synaptogenèse. De plus, la suppression de A2AR par une approche shRNA dans des neurones isolés conduisait à une perte de synapses GABAergiques équivalente à celle observée après un blocage pharmacologique de l’activité du A2AR, signifiant que la stabilisation synaptique médiée par le A2AR est un processus « cellule autonome » indépendant de l’activité du réseau neuronal et qu’elle requiert l’activation du A2AR dans la cellule post-synaptique.L’ATP et l’adénosine sont secrétés par la glie et les neurones ; cependant, nous avons montré in vitro que la libération neuronale activité-dépendante suffit à stabiliser les synapses GABAergiques naissantes. En utilisant la vidéomicroscopie sur cellules vivantes, nous avons montré que la signalisation adénosine stabilise les synapses actives. Puis, nous avons caractérisé le mécanisme moléculaire sous-jacent. Nous rapportons la contribution de la cascade adénylate cyclase/adénosine monophosphate cyclique/protéine kinase A et nous avons identifié une ciblé clé, la géphrine, la molécule d’ancrage postsynaptique des récepteurs GABAA. Enfin, nous avons mis en évidence que la stabilisation de l’élément présynaptique requiert probablement le complexe trans-synaptique Slitrk3-PTPd.Puisque le GABA exerce une fonction similaire au cours du développement et que le GABA et l’adénosine sont co-libérés à certaines synapses, j’ai étudié l’interaction entre ces deux voies de signalisation. Mes résultats favorisent l’hypothèse que la signalisation GABA, en activant la calcium-calmoduline, converge vers la signalisation adénosine en potentiant les adenylates cyclases sensibles au calcium. Mon travail m’a permis de proposer que, au cours d’une période clé du développement, les A2ARs postsynaptiques agissent comme des senseurs de l’activité des terminaisons présynaptiques GABAergiques pour stabiliser les synapses actives. En absence d’activité et donc de libération d’adénosine/ATP, les synapses seraient éliminées. / In the adult brain, adenosine signaling facilitates or inhibits neurotransmitter vesicular release mainly through activation of type 2A or 1 adenosine receptors (A2AR or A1R), respectively. However, its role in development remains to be elucidated. During my PhD, I addressed the role of A2AR-mediated signalling in GABAergic synaptogenesis in the hippocampus. We found (i) a larger activity-dependent release of ATP and adenosine during the period of synaptogenesis in the hippocampus, (ii) a peak of expression of the ecto-5’-nucleotidase, the rate-limiting enzyme for the formation of adenosine from extracellular ATP in synapses during this critical period, and (iii) a peak of peri/post-synaptic expression of A2AR concomitant with the period of synaptogenesis. This developmental expression of the key molecules of the adenosine A2AR signalling pathway correlated with a role of A2AR in the stabilization of nascent GABA synapses, a regulation restricted to the period of synaptogenesis. Furthermore, suppressing A2AR with a shRNA approach in isolated neurons led to a loss of synapses equivalent to that seen upon A2AR activity blockade, reporting that the A2AR-mediated synapse stabilization is a cell autonomous process that requires A2AR activation in the postsynaptic cell. ATP/adenosine can be secreted by both glia and neurons; however, we found that activity-dependent release of neuronal adenosine is sufficient to stabilize newly formed GABA synapses in vitro. Using live cell imaging, we showed adenosine signalling stabilizes active synapses. We then characterized the molecular mechanism downstream postsynaptic A2AR. We report the contribution of adenylyl cyclase/cyclic adenosine monophosphate/protein kinase A signalling cascade and we identified a key target, the postsynaptic scaffolding molecule gephyrin. We further showed the A2AR-mediated stabilization of the presynaptic compartment most probably requires the trans-synaptic Slitrk3-PTPd complex. Since GABA exerts a similar function during development and GABA and adenosine are co-released at some synapses, I further investigated the interplay between these two pathways. My results support the hypothesis that GABA signalling converge onto the adenosine signalling pathway by potentiating calcium-sensitive adenylyl cyclases through the activation of calmodulin.Altogether these results let us propose that, during a key developmental period, postsynaptic A2ARs act as sensors of the activity of GABAergic presynaptic terminals to stabilize active nascent GABAergic synapses. In absence of activity and therefore secretion of adenosine/ATP, synapses will be eliminated.

Thèse doctorat : Neurosciences : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 27 p.

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.

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.

Dans les processus d'apprentissage corticaux complexes, divers mécanismes inhibiteurs GABAergiques jouent un rôle crucial, avec le récepteur GABA$\sf{_A}$ contenant la sous-unité alpha5 (α5-GABA$\sf{_A}$R) occupant le devant de la scène. Ce récepteur est situé de manière proéminente dans le domaine extrasynaptique des cellules pyramidales hippocampiques CA1 et néocorticales de la couche 5, où il orchestre la conductance inhibitrice tonique, influençant potentiellement la plasticité synaptique et différents types d'apprentissage. Malgré son importance, l'expression synaptique et la fonction spécifique de l'α5-GABA$\sf{_A}$R restent inconnues. Pour répondre à ces questions, nous avons d'abord mené une étude approfondie dans le stratum oriens/alveus (O/A) de la région hippocampique CA1 en utilisant l'immunohistochimie, des enregistrements patch-clamp de cellules entières et une stimulation optogénétique dans des tranches d'hippocampe de souris. Nos résultats ont révélé une expression préférentielle de l'α5-GABA$\sf{_A}$R dans les synapses inhibitrices formées par les terminaisons positives au peptide intestinal vasoactif (VIP+) et la calrétinine (CR) sur les dendrites des interneurones exprimant la somatostatine (SOM). À l'inverse, les synapses formées par les entrées inhibitrices positives de la parvalbumine (PV) présentaient une expression minime ou inexistante de l'α5-GABA$\sf{_A}$R. En approfondissant les implications fonctionnelles, nous avons exploré le rôle spécifique de l'α5-GABA$\sf{_A}$R dans l'apprentissage spatial et le comportement lié à l'anxiété à l'aide de tests comportementaux et de manipulations chimiogénétiques. Notamment, l'inhibition de l'α5-GABA$\sf{_A}$R chez les souris contrôles a amélioré l'apprentissage spatial mais a induit un comportement anxieux. Par contre, chez les souris avec les interneurones VIP inactivées, l'amélioration de l'apprentissage spatial a été maintenue sans l'anxiété associée, mettant l'accent sur le rôle de l'α5-GABA$\sf{_A}$R localisé au niveau des synapses VIP+ dans l'anxiété. Deuxièmement, en nous concentrant sur les circuits corticaux, nous avons étudié l'équilibre délicat entre l'excitation et l'inhibition dans le cortex moteur en relation avec les troubles neurologiques génétiques. Notre étude a révélé une hyperexcitabilité du circuit chez des souris femelles asymptomatiques portant l'expansion répétée du cadre de lecture ouvert 72 (C9orf72) du chromosome 9 associée à la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et au trouble de dégénérescence lobaire fronto-temporale (DLFT). Malgré l'absence de symptômes du SLA manifestes, ces souris présentaient une anomalie du cortex moteur, caractérisée par une réduction du nombre de neurones pyramidaux de la couche 5 du cortex moteur primaire (M1). Les neurones survivants présentaient une fonction préservée de l'α5-GABA$\sf{_A}$R mais une diminution de l'inhibition, ce qui entraînait une activation accrue de M1 lors de la locomotion animale à grande vitesse. Collectivement, cette double exploration de la fonction α5-GABA$\sf{_A}$R dans les circuits hippocampiques et néocorticaux fait non seulement progresser notre compréhension des mécanismes inhibiteurs aux niveaux moléculaires et synaptiques, mais contribue également à une vision globale du paysage complexe des troubles neurologiques génétiques et de leurs mécanismes sous-jacents. / In the intricate landscape of cortical learning processes, diverse GABAergic inhibitory mechanisms play a crucial role, with the alpha5 subunit-containing GABA$\sf{_A}$ receptor (α5-GABA$\sf{_A}$R) taking center stage. This receptor is prominently situated in the extrasynaptic domain of CA1 hippocampal and layer 5 neocortical pyramidal cells, where it orchestrates tonic inhibitory conductance, potentially influencing synaptic plasticity and different types of learning. Despite its significance, the synaptic expression and site-specific function of α5-GABA$\sf{_A}$R remain elusive. To unravel this mystery, we, first, conducted a comprehensive investigation in the CA1 stratum oriens/alveus (O/A) utilizing immunohistochemistry, whole-cell patch-clamp recordings, and optogenetic stimulation in mouse hippocampal slices. Our findings revealed a preferential targeting of α5-GABA$\sf{_A}$R to inhibitory synapses formed by vasoactive intestinal peptide (VIP)- and calretinin (CR)-positive terminals onto dendrites of somatostatin-expressing interneurons. Conversely, synapses established by parvalbumin-positive (PV+) inhibitory inputs showed minimal or no presence of α5-GABA$\sf{_A}$R. Delving deeper into the functional implications, we explored the input-specific role of α5-GABA$\sf{_A}$R in spatial learning and anxiety-related behavior using behavioral testing and chemogenetic manipulations. Intriguingly, inhibiting α5-GABA$\sf{_A}$R in control mice enhanced spatial learning but induced anxiety-like behavior. Remarkably, in mice with inactivated CA1 VIP input, spatial learning improvement was maintained without the associated anxiety, emphasizing the role of α5-GABA$\sf{_A}$R in phasic inhibition via VIP input to interneurons regulating anxiety. Second, shifting our focus to cortical circuits, we investigated the delicate balance between excitation and inhibition in the motor cortex in relation to genetic neurological disorders. Our study uncovered circuit hyperexcitability in asymptomatic female mice carrying the chromosome 9 open reading frame 72 (C9orf72) repeat expansion associated with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar degeneration (FTLD) spectrum disorder. Despite lacking overt symptoms, these mice exhibited abnormal motor cortex output, characterized by a reduction in the number of primary motor cortex (M1) layer 5 pyramidal neurons. Surviving neurons displayed preserved function of the α5-GABA$\sf{_A}$R but decreased inhibitory drive, resulting in heightened M1 output during high-speed animal locomotion. Collectively, this dual exploration of the α5-GABA$\sf{_A}$R function in hippocampal and neocortical circuits not only advances our understanding of molecular and synaptic inhibitory mechanisms but also contributes to a comprehensive insight into the intricate landscape of genetic neurological disorders and their underlying mechanisms.

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.