La libération d'hormones glucocorticoïdes (GC), en réponse au stress, est un mécanisme important du contrôle de la neurogenèse chez l'adulte. Une question non résolue est de savoir si ces hormones agissent directement sur les précurseurs neuronaux (NPCs) ou indirectement, en agissant sur d'autres types cellulaires, modifiant la libération de facteurs de croissance ou l'activité de réseaux neuronaux. Afin de répondre à cette question, nous avons développé un modèle murin dans lequel le gène du récepteur des GC (GR) est invalidé, de façon inductible, dans les précurseurs neuraux adultes. Nous avons montré qu'en présence ou en absence du GR, un traitement chronique avec des GC affecte de façon similaire la différentiation et la survie des neurones nés chez l'adulte. L'effet connu des GC sur la suppression de la neurogenèse adulte n'est donc pas du à une action directe de ces hormones sur les NPCs. L'absence du GR n'affecte pas non plus le comportement des souris mutantes lorsque les GC circulent à un niveau de base. En revanche, un traitement chronique avec des GC induit chez les animaux contrôles un phénotype anxieux (observé dans les tests de novelty-suppressed feeding, light/dark box, and elevated O-maze) alors que les animaux mutés sont préservé de ce changement comportemental. De façon similaire, un traitement chronique avec des GC facilite l'apprentissage des souris contrôles lors d'un test d'apprentissage par la peur. L'invalidation du gène GR dans les NPC bloque cet effet. L'apprentissage des souris. Ces résultats précisent le rôle du GR dans le contrôle de la neurogenèse dans l'hippocampe adulte et dans la modulation des comportements de type anxieux. / Stress hormones are known as one of the strongest and most ecologically relevant mediators of adult neurogenesis. A lingering question in adult neurogenesis is whether these hormones, known as glucocorticoids (CG), act directly on neural progenitor cells (NPCs), or indirectly through secreted factors or changes in network activity. To address these unknowns, we generated a transgenic mouse model whose GC receptors (GRs) could be inducibly inactivated specifically in NPCs. We investigated the effect of this cell-specific GR knockout model on hippocampal survival and differentiation and found them to be similarly affected by chronic GC treatment compared to controls. This implies that GC-suppressed neurogenesis and its impact on morphology is indirect, and GR in other cells may be mediating the effects. Furthermore, mice with GR inactivation in newborn neurons behaved similarly to controls in all tasks observed under basal levels of GC. When mice were chronically treated with GC, however, controls exhibited an anxious phenotype, whereas transgenic mice behaved like untreated control groups in all anxiety measures except latency to feed in NSF. Neither GC nor inactivation of GR in adult-born neurons altered depression-like behaviors in the forced swim test, nor percent freezing in contextual fear discrimination. Lastly, we found that GC increased the rate of learning in 1-trial contextual fear conditioning, an effect not mediated by reducing GR signaling in the neurogenic pool. These results highlight the functional contributions of adult neurogenesis as well as how their GRs mediate anxiety-relevant behaviors irrespective of suppressed neurogenesis.

On constate un regain d’intérêt pour l’étude des potentiels de champs extracellulaires (EFP). Trois principaux rôles fonctionnels des oscillations enregistrées dans le système nerveux ont été proposés : i) le codage d’informations spécifiques ii) la modulation des états attentionnels du cerveau, mais aussi iii) la création d’assemblées dynamiques. Je me suis intéressé aux EFP enregistrés dans les régions du néocortex, de l’hippocampe et de la VTA dans deux cadres expérimentaux dits “contrôlés” - afin de déceler des “motifs” oscillatoires spécifiques dans les mécanismes de mémorisations d’une situation stressante d’une part et dans les prises de décision sous incertitude d’autre part. Nous avons dans un premier temps enregistré et analysé l’activité dans les circuits dopaminergiques de la VTA, le PFC et l’OFC dans un paradigme permettant d’analyser le comportement de souris dans un cadre de prise de décision sous incertitude. Nous avons pu montrer dans un premier temps, que les circuits PFC, OFC et la VTA montrent des séquences d’activations et de synchronisations spécifiques selon le choix de l’individu, en condition incertaine. Dans un second temps, je me suis intéressé à mesurer, chez l’animal éveillé, les effets que pouvait engendrer une situation stressante sur le PFC et l’HPC en fonction de l’âge. Nos résultats mettent en évidence que les principaux effets mesurables aux niveaux des spectres de puissances s’expliquent par l’apparition d’activités électriques de fortes amplitudes dans la gamme (7-12 Hz), dont l’apparition varie en fonction de l’âge et du contexte (repos, stress). / Currently, there is a renewed interest in studying extracellular field potentials (EFP). This signal and the oscillations associated with it are the basis of many studies on the mechanisms underlying cognitive processes in cortical networks. Three key functional roles of oscillations recorded in the nervous system have been proposed: i) encoding specific information ii) modulation of attentional states of the brain, but also iii) creating dynamic assemblies. Although the interest for EFP continues to grow, the interpretation of these signals are sparse. During my prject I focused on the interpretation of EFP patterns under stress and uncertainty and specifically studied neocortex, hippocampus (HPC) and the ventral tegmental area (VTA) signals in these two experimental settings.Firstly, we recorded and analyzed the activity in the dopaminergic circuits including the VTA, PFC (prefrontal cortex) and OFC (orbitofrontal cortex) in a probabilistic decision-making paradigm for mice. We demonstrated that the PFC, OFC and VTA circuit shows specific time-dependent activation sequences depending on the anticipated choice per trial. Secondly, I was interested to measure, in awake animals, the effects caused by a stressful situation at different ages on the PFC and HPC signals. Our results demonstrate major effects at the level of the power spectral analysis. We identified that particularly high amplitudes in the range (7-12 Hz) vary according age and context (rest, stress).

Les récepteurs N-méthyl-D-aspartate (NMDA) sont des récepteurs ionotropiques du glutamate jouant un rôle clé dans la plasticité synaptique et les fonctions cognitives. En conséquence, la perturbation de leur activité est impliquée dans de nombreux troubles neurologiques et psychiatriques tels que l'épilepsie et la schizophrénie. La particularité de ces récepteurs est qu'ils nécessitent pour être activés la liaison simultanée de leur agoniste, le glutamate, et d'un co-agoniste. La glycine fut le premier co-agoniste identifié mais plus récemment, de nombreuses études ont révélé que la D-sérine joue également ce rôle dans de nombreuses régions cérébrales, notamment dans l'hippocampe. Toutefois il restait à définir si les fonctions de ces deux co-agonistes étaient régulées au cours du développement ou si elles étaient spécifiques à certaines synapses. Dans la première partie de mon travail, j'ai montré que la D-sérine est le co-agoniste préférentiel des synapses SC-CA1 matures alors que la glycine est le co-agoniste préférentiel des synapses mPP-DG. De plus, le remplacement des récepteurs NMDA composés de sous-unités GluN2B par des récepteurs contenant GluN2A au cours du développement post-natal survient au même moment qu'un changement dans l'identité du co-agoniste préférentiel des synapses SC-CA1. Dans la seconde partie de mon travail, je me suis intéressée à la contribution de la D-sérine en conditions pathologiques sur un modèle murin d'épilepsie chimio-induite par la pilocarpine. J'ai ainsi montré l'implication de la D-sérine dans l'activité épileptique initiée par la pilocarpine. / N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors are glutamate-gated ionotropic receptors which play a crucial role in synaptic plasticity and cognitive functions. As a consequence, disturbance in their activity is correlated with a broad range of neurological and psychiatric disorders including epilepsy and schizophrenia. The major particularity of NMDA receptors is the requirement of simultaneous binding of their agonist, glutamate, and a co-agonist to be activated. Glycine was the first co-agonist identified but more recently several studies showed that D-serine is also playing this role in many brain areas including the hippocampus. Whether the identity of the co-agonist is synapse specific or developmentally regulated remains unexplored. In the first part of my work I showed that D-serine is the preferred co-agonist at SC-CA1 mature synapses while glycine is the preferred one at mPP-DG synapse. Moreover, we showed that during postnatal development, the replacement of GluN2B by GluN2A-containing NMDA receptors at SC-CA1 synapses parallels a change in the co-agonist identity from glycine to D-serine. In the second part of my work I investigated the contribution of D-serine in pathological conditions. By using a model of acute intoxication of pilocarpine, I demonstrated that D-serine is implicated in epileptiform activity initiated after pilocarpine perfusion.

Les chansons lient naturellement des mélodies à des paroles. Elles représentent l’une des formes les plus utilisées de l’expression musicale. De façon intéressante, les chansons nécessitent l’intégration simultanée d’informations verbales (les paroles) et d’informations musicales (la mélodie) pour former une seule trace mnésique. Le lobe temporal médian a été identifié comme région clé pour la mémoire épisodique et en particulier pour le processus de binding, qui consiste en la liaison de plusieurs éléments d’un souvenir. Néanmoins, les mécanismes par lesquels le cerveau réalise la liaison entre paroles et mélodies dans la mémoire des chansons restent peu connus. L’objectif de cette thèse est de montrer le rôle du lobe temporal médian dans le processus de binding de paroles et mélodies pour la création d’un souvenir unifié d’une chanson. Premièrement, nous avons étudié les effets d’une sclérose unilatérale de l’hippocampe associée à une épilepsie du lobe temporal sur le processus de mémorisation des chansons en IRM fonctionnelle (étude 1). Les patients avec une sclérose de l’hippocampe gauche avaient un déficit d’adaptation aux paroles et de la représentation intégrée des chansons. Puis, nous avons étudié l’organisation fonctionnelle de la mémoire des chansons dans une étude d’IRM fonctionnelle chez des volontaires sains (étude 2). Les résultats ont montré l’implication de l’hippocampe dans le processus de binding en mémoire des chansons ainsi que l’implication d’autres structures comme le gyrus frontal inférieur, les ganglions de la base et le cervelet. Enfin, dans une dernière étude (étude 3), nous avons examine la mémoire des chansons et plus particulièrement la mémoire de l’association (binding) des paroles au contexte musical chez des patients ayant bénéficié d’une résection unilatérale du lobe temporal médian pour traiter une épilepsie pharmacorésistante. La mémoire des paroles ainsi que celle du contexte mélodique des chansons a été testé dans une tâche explicite de reconnaissance. Un fort déficit en reconnaissance de paroles a été constaté chez les patients avec une lésion temporale gauche, et à un moindre degré chez les patients avec une lésion temporale droite. Ce déficit a été corrélé avec des déficits de la mémoire verbale. L'étude 3 suggère, en outre, que les structures du lobe temporal médian peuvent être cruciales pour le codage de la liaison détaillée entre les paroles et leur contexte mélodique, tandis que les effets implicites d'une représentation intégrée de la chanson peuvent être épargnés après des lésions du lobe temporal médian. Pour conclure, ces trois études ont apporté de nouvelles données sur le rôle du lobe temporal médian dans le processus de binding dans le domaine musical. Ce travail a également permis d’identifier un vaste réseau de régions corticales et sous-corticales impliqué dans l’encodage de nouvelles chansons avant de discuter les implications théoriques et cliniques de ces recherches. / Songs naturally couple music with language, constituting one of the most broadly used forms of music expression. Interestingly, songs require the simultaneous and integrated process of verbal (lyrics) and musical (melody) information to form a single memory trace. The medial temporal lobe has been identified as the key region for the integration of features of an event in episodic memory, also called the binding function. Nevertheless, the mechanisms by which the brain binds lyrics and melodies in song memory remain poorly understood. The purpose of this thesis is to elucidate the role of the MTL on the binding of lyrics and melodies for the creation of a unified song memory trace. First, the effects of unilateral hippocampus sclerosis on song processing were investigated in an fMR-adaptation study (Study 1). Patients with left hippocampal sclerosis showed adaptation deficits in response to lyrics as well as to the integrated representation of songs. To further explore the relation of these results with the emergence of memory for songs, the functional architecture of song memory was examined in a subsequent memory fMRI study (Study 2). The results support the implication of the hippocampus in song binding. Furthermore, the role of other structures, including the Inferior Frontal Gyrus (IFG), the Basal Ganglia (BG) and cerebellum was highlighted and discussed. Finally, Study 2 was adapted to test binding in patients following a unilateral temporal lobe excision for the relief of intractable temporal lobe epilepsy behaviorally in Study 3. Memory for lyrics as well for their melodic context was tested in an explicit recognition task. A strong deficit in lyrics recognition was found in patients with a left temporal lesion, and to a smaller degree in patients with a right temporal lesion. This deficit was correlated with deficits in verbal memory. Evidence from Study 3 further suggests that MTL structures may be crucial for encoding the detailed binding of lyrics with their melodic context, whereas implicit effects of an integrated representation of the song may be spared after MTL lesions. Altogether the studies presented in this thesis provide novel evidence for the role of the medial temporal lobe structures in binding lyrics and melodies for song memory. The present thesis proposes a comprehensive network of cortical and subcortical regions cooperating to successfully encode new songs. Finally, theoretical and clinical implications of these findings are considered.

Les états de veille sont composés d’états cérébraux distincts, corrélés avec différents comportements et caractérisés par des oscillations spécifiques observables dans le potentiel de champ local (Local Field Potential, LFP). Bien que les différents états cérébraux et leur signature dans le LFP aient été caractérisés, les mécanismes cellulaires sous-jacents restent à ce jour peu connus. Des changements des propriétés de neurones uniques seraient corrélés avec, et pourraient participer à la génération de ces changements d’états cérébraux. L’activité coordonnée et synchronisée de neurones facilite certains processus cognitifs tels que la mémoire. L’hippocampe joue un rôle essentiel dans les mémoires spatiale et épisodique, et dans l’hippocampe, CA3 est important pour la formation d’associations facilitant l’encodage rapide de la mémoire. De plus, les informations provenant du cortex entorhinal, du gyrus denté, et de CA3 même sont comparées et intégrées dans CA3 avant d’être transmises à CA1. Lors de périodes de repos, le LFP hippocampique présente une activité large et irrégulière (Large Irregular Activity, LIA), ponctuée par des oscillations plus rapides, les sharp-wave ripples, jouant un rôle dans la consolidation de la mémoire. Lors de périodes exploratoires, le LFP hippocampique oscille aux fréquences theta (6-12 Hz) et gamma (30-100 Hz). Les cellules pyramidales (CP) de CA3 jouent un rôle important dans chacun de ces états ; elles sont nécessaires pour les sharp wave lors de périodes de repos, et les oscillations gamma lors de comportements exploratoires. Dans le but d’étudier les modulations intracellulaires des CP de CA3, nous avons réalisé des enregistrements de patch-clamp en configuration cellule entière chez l’animal éveillé. Nous avons associé ces enregistrements avec des mesures du diamètre pupillaire et de la vitesse de locomotion de l’animal, ainsi qu’avec l’enregistrement de l’activité oscillatoire du LFP dans l’hippocampe. Nos résultats montrent que certaines CP de CA3 sont sensibles à la modulation intracellulaire lors de différents rythmes hippocampiques, et ont tendance à diminuer leur potentiel de membrane moyen, leur excitabilité, leur variance et leur décharge de potentiel d’action lors des oscillations theta par rapport aux périodes de LIA. De futures études permettront de déterminer si ces changements sont dus à des changements d’entrées synaptiques et/ou de neuromodulateurs. Ces modulations pourraient jouer un rôle dans l’émergence des rythmes oscillatoires du LFP, et permettre à CA3 de réaliser différentes fonctions mnésiques à différents moments. / Wakefulness is comprised of distinct brain states, correlated with different behaviors and characterized by specific oscillatory patterns in the local field potential (LFP). While much work has characterized different brain states and their LFP signatures, the underlying cellular mechanisms are less known. Changes in single cell properties are thought to correlate with and possibly result in these changes in brain state. Synchronized and coordinated activity among distributed neurons supports cognitive processes such as memory. The hippocampus is essential for spatial and episodic memory, and within the hippocampus, area CA3 is important for rapid encoding of one-trial memory. Additionally, CA3 is the site where information from the entorhinal cortex, dentate gyrus, and CA3 itself is compared and integrated before output to CA1. During quiet wakefulness, the hippocampal LFP displays large irregular activity (LIA) punctuated by sharp-wave ripples, which play a role in memory consolidation. During exploratory behaviors, hippocampal LFP oscillates at both theta and gamma frequencies. CA3 pyramidal cells (PCs) play an important role in each of these brain states; they are necessary for both sharp waves during quiet wakefulness and for gamma oscillations during exploratory behavior. We explored the changes that occur in the intracellular dynamics of CA3 PCs during changes in brain state, by using whole-cell patch-clamp recordings from CA3 PCs in awake head-fixed mice. We combined those recordings with measurements of pupil diameter, treadmill running speed and LFP recordings of oscillatory activity. Our findings show that some CA3 PCs are prone to intracellular modulation during brain rhythms, and tend to decrease their average membrane potential, excitability, variance and output firing during theta as compared to LIA. Future studies will demonstrate whether these effects are due to changes in synaptic and/or neuromodulatory inputs. This modulation at the single-cell level in CA3 could play a role in the emergence of oscillations, and underlie the ability of CA3 to perform different memory functions during different brain states.

Les formes oligomériques du peptideβ-amyloïde (oAβ) sont toxiques pour les synapses et engendrent la perte de mémoire lors de la phase précoce de la maladie d’Alzheimer (MA). La MA est aussi associée à une dérégulation de l’axe du stress engendrant une augmentation des glucocorticoïdes (GCs) qui activent les récepteurs associés (GRs). Nous avons montré que, dans un modèle murin de la MA, les Tg2576 (Tg+), l’inhibition des GRs prévient les déficits de mémoire et de plasticité synaptique (Lanté et al. 2015). Nous avons continué à étudier le rôle des GRs dans la physiopathologie de la MA. La dérégulation de l’axe du stress dans les souris Tg+ est caractérisée par des niveaux élevés de GCs et la perte de la boucle de rétroaction négative. Aussi, nous avons croisé les souris Tg+ avec des souris GR floxées pour générer des double mutants GRlox/lox Tg+. Ces souris exhibaient plusieurs phénotypes non-anticipés et nous avons décidé de mettre fin à cette lignée de souris. Nous avons aussi analysé la relation fonctionnelle spécifique entre les GRs et oAβ à la synapse en utilisant un traitement aigu d’oAβ. Dans des cultures de neurones, ce traitement a favorisé une augmentation des niveaux de GRs à la synapse. Aussi, nous avons montré que bloquer l’activité des GRs par pharmacologie ou par ablation génétique neutralise l’effet inhibiteur d’oAβ sur la potentialisation synaptique étudiée sur tranches d’hippoccampe. En conclusion, nos résultats sur souris Tg+ suggèrent la présence d’une dérégulation en début de MA. Aussi, nous mettons en évidence une relation fonctionnelle entre oAß et GRs à la synapse, les GRs jouant en rôle clé dans la synapto-toxicité induite par oAß. / Strong evidence shows that oligomeric forms of the amyloid-ß peptide (oAß) cause synapse dysfunction promoting loss of hippocampus-dependent memories in the early phase of Alzheimer’s disease (AD). AD is also associated with Hypothalamus-Pituitary-Adrenal (HPA) axis dysfunction which results in an increase of glucocorticoids (CORT) activating glucocorticoid receptors (GRs). We showed that subchronic GR antagonist in 4 month Tg2576 (Tg+) mice could rescue the synaptic deficit and memory impairment (Lanté et al., 2015).In this context, we studied the contribution of GRs to AD physiopathology. Dysregulated HPA axis was characterized by increased CORT levels at 4 and 6 months of age and by loss of CORT feedback inhibition in the Tg+ mice. We further crossed the Tg+ with GRlox/lox to produce GRlox/loxTg+ mice. These mice innately exhibited high CORT levels from weaning period and due to other several unforeseen reasons, we discontinued using this new mouse model. Instead, to identify the functional relationship between the GRs and oAß at synapses, we shifted to acute oAß treatment in neurons in vitro and ex-vivo hippocampus slices. In neuron cultures, GR levels increased in the post synaptic density upon acute oAß treatment. Further, treatment of oAß on ex-vivo hippocampus slices after either pharmacological blocking of GR or genetic ablation, prevented the oAβ-dependent LTP impairment. To conclude, our results with the Tg+ mice suggest that a neuroendocrine dysregulation occurs during the onset of AD pathology. Additionally, we have evidence for a functional relationship between oAß and GRs with GRs at the synapse playing an important role in acute Aß-induced synapto-toxicity.

La polarité cellulaire planaire (PCP) est une voie de signalisation conservée au fil de l’évolution et qui joue un rôle crucial dans l’établissement de la polarité des cellules et tissues en régulant la dynamique du cytosquelette. De nombreuses études ont démontré l’implication de la PCP dans les mécanismes développementaux importants comme la gastrulation ou la neurulation chez les mammifères, et la mutation des gènes centraux qui composent la PCP mène à de sévères malformations de nombreux organes, et par conséquent une mort néonatale. Van Gogh-like 2 (vangl2) est un des gènes centraux de la PCP et code pour une protéine transmembranaire de la voie de la PCP, et sa mutation conduit à une absence de fermeture de la gouttière neurale et la mort à la naissance chez les mammifères, y compris l'homme. Certaines études suggèrent que Vangl2 jouerait un rôle dans le guidage axonal, mais aussi l’arborisation dendritique des neurones de l’hippocampe et le nombre des épines dendritiques.Dans ce travail, je montre que Vangl2 est enrichi dans l’hippocampe adulte de souris, et plus précisément dans le gyrus denté (DG) et le stratum lucidum du CA3. De nombreuses études suggèrent que le réseau formé par ces sous-structures sous-tend des processus cognitifs spécifiques impliqués dans l’encodage et le rappel de la mémoire : le pattern separation et le pattern completion. Le pattern separation est un processus d’encodage d’informations similaires en représentations différentes, permettant la formation de souvenirs distincts malgré les similitudes entre les évènements. Le processus de pattern completion permet, à partir de stimuli partiels, de se remémorer un souvenir dans son intégralité. De récentes études suggèrent que la maturation des nouveaux neurones issus de la neurogenèse adulte dans le DG joue un rôle critique dans le maintien d'une balance qui existerait entre ces deux processus cognitifs. Bien que les mécanismes qui sous-tendent les deux processus soient encore mal compris, la connectivité du DG et du CA3 semble essentielle.J’ai ainsi formulé et testé l'hypothèse selon laquelle l'absence d'expression de Vangl2 affecterait ces processus mnésiques. Pour ceci, j'ai généré plusieurs mutants murins n'exprimant pas le gène vangl2 dans différentes régions du cerveau, que j'ai ensuite testé dans des paradigmes comportementaux requérant l’utilisation des processus de pattern separation et de pattern completion. Mes résultats suggèrent que Vangl2 dans le DG est essentiel dans le maintien d'une balance existante entre les deux processus, en régulant la maturation des neurones du DG. / Planar cell polarity (PCP) signaling is an evolutionary conserved pathway known to play a crucial role in the establishment of tissue polarity via a regulation of cytoskeleton dynamics. PCP signaling is essential during critical developmental stages, such as gastrulation or neurulation, to shape tissues and organs, and disruption of core PCP genes in mammals leads to severe malformations and neonatal death. Van Gogh-like 2 (vangl2) is one of the core PCP genes coding for a transmembrane protein, and its mutation leads to a failure of the neural tube closure in mammals, including humans. It has also been suggested that Vangl2 plays a role in axonal guidance, dendritic arborization of hippocampal neurons and dendritic spines number. I showed that Vangl2 protein is enriched in the hippocampus in the adult stage, precisely in the dentate gyrus (DG) and CA3 stratum lucidum subregions. These subregions have been proposed to sustain two cognitive processes involved in memory functions: pattern separation and pattern completion. Pattern separation allows the encoding of similar or overlapping inputs in distinct neuronal representations, allowing formation of new memory without interference of a previous similar encountered event. Pattern completion is described as the ability to guide the recall of an entire memory using partial sensory cues. Recent studies suggest a critical role for the maturation of adult-born granule neurons of the DG in the balance that may exist between pattern completion and pattern separation. Although the mechanisms of both cognitive processes are still debated, the connectivity between DG and CA3 appears to be essential. I thereby tested the hypothesis that in absence of Vangl2 in the brain, these two processes would be affected. I generated several conditional mutant mice in order to excise vangl2 gene in specific areas of the hippocampus, and tested them in behavioral paradigms requiring pattern separation or pattern completion processes. My data support my hypothesis that Vangl2 in the DG is essential for a balance between pattern separation and pattern completion, through the regulation of the maturation of DG neurons.

L’hippocampe joue un rôle majeur dans la cognition spatiale. Des neurones hippocampiques (les cellules de lieu) sont actifs quand l’animal occupe un lieu particulier de l’environnement. D’autres neurones sont ‘silencieux’. Récemment, une étude a montré que les cellules de lieu présentaient une activité secondaire quand les rats attendaient une récompense dans une zone-but. L’activité principale correspondrait à l’élaboration d’une représentation de l’espace. En revanche, la nature de l’activité secondaire au but est encore méconnue. Afin de tester si l’activité au but reflète une représentation spatiale du but ou un signal lié à la récompense, nous avons mis au point une tâche de navigation dans laquelle les rats peuvent choisir entre deux zones-buts pour obtenir une récompense. La quantité de récompense associée à chaque zone était modulée, ce qui modifiait leur valeur. Nous avons enregistré l’activité unitaire des neurones de CA1 et CA3 chez des rats réalisant cette tâche. Les rats localisent les deux emplacements et adaptent leurs choix en fonction de la valeur des buts. Une majorité de cellules de lieu et de cellules ‘silencieuses’, dans CA1 et CA3, présentent une activité liée au but. Cette activité est indépendante de la valeur des buts et des choix des rats. Enfin, la plupart des neurones ne présentent cette activité que pour l’un des deux buts, ce qui indique un codage spatial.Nos résultats suggèrent que l’hippocampe code les informations pertinentes concernant l’aspect spatial du but. Une telle représentation du but pourrait être utilisée en coopération avec des structures impliquées dans la prise de décision pour optimiser la navigation dirigée vers un but. / The hippocampus plays an important role in spatial cognition, as supported by the location-specific firing of hippocampal place cells. In random foraging tasks, each place cell fires at a specific position (‘place field’) while other hippocampal pyramidal neurons remain silent. A recent study evidenced a reliable extra-field activity in most CA1 place cells of rats waiting for reward delivery in an uncued goal zone. While the location-specific activity of place cells is thought to underlie a flexible representation of space, the nature of this goal-related signal remains unclear.To test whether hippocampal goal-related activity reflects a representation of goal location or a reward-related signal, we designed a two-goal navigation task in which rats were free to choose between two uncued spatial goals to receive a reward. The magnitude of reward associated to each goal zone was modulated, therefore changing the goal value. We recorded CA1 and CA3 unit activity from rats performing this task. Behaviourally, rats were able to remember each goal location and flexibly adapt their choices to goal values. Electrophysiological data showed that a large majority of CA1-CA3 place and silent cells expressed goal-related activity. This activity was independent from goal value and rats’ behavioural choices. Importantly, a large proportion of cells expressed a goal-related activity at one goal zone only.Altogether, our findings suggest that the hippocampus processes and stores relevant information about the spatial characteristics of the goal. This goal representation could be used in cooperation with structures involved in decision-making to optimise goal-directed navigation.

La potentialisation synaptique dans les neurones d'hippocampes repose sur l'activation du récepteur NMDA (NMDAR) et l'influx de Ca²⁺. Des changements dans le Ca²⁺ cytosolique sont détectés par des effecteurs tels que la calpaïne et la protéine kinase II Ca²⁺/calmoduline-dépendante (CaMKII), transformant ces informations en signaux qui induisent une potentialisation synaptique. Une fois activée par l'influx de Ca²⁺, la calpaïne clive de nombreuses protéines cytosoliques, récepteurs et protéines d'échafaudage, remodelant ainsi la structure synaptique, ainsi que l'activité et/ou la dynamique de nombreuses protéines. Le rôle de la calpaïne au cours du processus de plasticité synaptique a été documenté, mais le mécanisme moléculaire est loin d'être clair. Dans cette étude, nous avons examiné le lien possible entre la calpaïne et CaMKII dans la médiation de la potentialisation à long terme (LTP). Nous avons utilisé des inhibiteurs pharmacologiques de la calpaïne pour interférer avec son activation lors de la potentialisation synaptique induite chimiquement dans des cultures dissociées d'hippocampe de rat. Nous avons d'abord confirmé que l'activité de la calpaïne est essentielle pour l'induction de la LTP dans les cultures neuronales dissociées. Nous montrons que l'activité de la calpaïne est essentielle pour de nombreux processus moléculaires importants pour la LTP. L'inhibition de l'activité de la calpaïne a bloqué la phosphorylation de ERK et l'insertion des récepteurs synaptiques AMPA; deux processus régulés par CaMKII impliqués dans la potentialisation synaptique. De plus, nous montrons que la calpaïne est essentielle pour l'autophosphorylation de CaMKII en utilisant un anticorps contre pCaMKII (Thr286). En mesurant le temps de vie par fluorescence (FLIM) avec un capteur basé sur le transfert d'énergie par résonance de fluorescence (FRET) (Camui) de l'activation de CaMKII, nous montrons que l'inhibition de la calpaïne empêche le changement dépendant de l'activité de la conformation de l'holoenzyme CaMKII et donc l'activation de la kinase. Nous avons aussi utilisé l'imagerie time-lapse et avons découvert que la translocation CaMKII post-synaptique dépendante de l'activité est diminuée par les inhibiteurs de la calpaïne. De plus, nous avons mesuré les taux de diffusion de CaMKII par SPT-PALM en utilisant CaMKII-meos2 et les résultats indiquent que l'inhibition de la calpaïne empêche la diminution dépendante de l'activité de la mobilité de l'holoenzyme. Nos résultats montrent clairement que les inhibiteurs de la calpaïne affectent la dynamique de CaMKII. Cela suggère que la calpaïne affecte directement CaMKII ou agit en amont de CaMKII. En effectuant des expériences dans des cellules HEK qui n'ont pas de CaMKII endogène, nous avons démontré que la calpaïne n'affecte pas directement CaMKII. Nous avons émis l'hypothèse que la calpaïne joue un rôle dans le processus de plasticité en amont de CaMKII. Nous avons étudié l'influx Ca²⁺ dépendant de l'activité en utilisant l'imagerie GCaMP6 et nos résultats indiquent que l'activité de la calpaïne est essentielle pour cette l'augmentation de Ca²⁺. En disséquant davantage la voie de signalisation, utilisant différents protocoles de stimulation (dépolarisation synaptique ou globale), nous montrons que la calpaïne affecte l'afflux de Ca²⁺ dépendant de NMDA et non l'influx de Ca²⁺ dépendant de la dépolarisation. Ainsi, notre étude montre que la calpaïne joue un rôle essentiel dans la LTP d'une manière dépendante du NMDAR et que l'inhibition de la calpaïne interfère dans les premières étapes de la signalisation médiée par le Ca²⁺ conduisant à l'induction du LTP. En discutant de ces résultats, nous fournissons des résultats préliminaires qui peuvent nous éclairer au niveau de l'impact de l'inhibition pharmacologique de la calpaïne sur la fonction des récepteurs NMDA. / Synaptic potentiation in hippocampal neurons relies on NMDA receptor (NMDAR) activation and Ca²⁺ influx. Changes in cytosolic Ca²⁺ are detected by effectors such as calpain and Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII), transforming this information into signals inducing synaptic potentiation. Once activated by Ca²⁺ influx, calpain cleaves many cytosolic proteins, receptors, and scaffolding proteins, thereby remodeling the synaptic structure, as well as the activity and/or dynamics of many proteins. The role of calpain during the synaptic plasticity process has been documented, but the molecular mechanism is far from clear. In this study, we examined the possible link between calpain and CaMKII in the mediation of Long Term Potentiation (LTP). We used pharmacological inhibitors of calpain to interfere with its activation during chemically induced synaptic potentiation in rat hippocampal dissociated cultures. We first confirmed that calpain activity is essential for LTP induction in dissociated neuronal cultures. We show that calpain activity is essential for many molecular processes important for LTP. Inhibition of calpain activity blocked ERK phosphorylation and insertion of synaptic AMPA receptors - two CaMKII-regulated processes involved in synaptic potentiation. Further, we show that calpain is essential for CaMKII autophosphorylation by using an antibody against pCaMKII (Thr286). By performing Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) with a fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based sensor (Camui) of CaMKII activation, we show that calpain inhibition prevents activity-dependent change in the conformation of the CaMKII holoenzyme and thus the activation of the kinase. We further used time-lapse imaging and found that activity-dependent post-synaptic CaMKII translocation is decreased by calpain inhibitors. Furthermore, we measured diffusion rates of CaMKII by SPT-PALM using CaMKII-meos2 and the results indicate that calpain inhibition prevents the activity-dependent decrease in the mobility of the holoenzyme. Our results clearly show that calpain inhibitors affect CaMKII dynamics. This suggests that either calpain affects CaMKII directly or is upstream to CaMKII. By performing experiments in HEK cells that do not have endogenous CaMKII, we demonstrated that calpain does not affect CaMKII directly. We hypothesized that calpain plays a role in the plasticity process at an upstream level to CaMKII. We investigated activity-dependent Ca²⁺ influx using GCaMP6 imaging and our results indicate that calpain activity is essential for this increase in Ca²⁺. Further dissecting the pathway, using different stimulation protocols (synaptic or global depolarisation), we show that calpain affects NMDA-dependent Ca²⁺ influx and not the depolarisation dependent Ca²⁺ influx. Thus, our study shows that calpain plays an essential role in LTP in an NMDAR dependent manner and that inhibiting calpain interferes in the early steps of Ca²⁺- mediated signaling leading to LTP induction. In discussing these results, we provide preliminary results that may shed light on the impact of pharmacological inhibition of calpain on NMDA receptor function.

Les oscillations fournissent le matériel expérimental pour observer la structure dynamique de l'activité cérébrale (Baillet, 2017 ; Buzsaki et Draguhn, 2004 ; Silva, 2013). Entre le repos et la réalisation d'une tâche, les propriétés du signal des oscillations (fréquence, phase et amplitude) varient selon les régions du cerveau, en fonction de l'état mental et de la tâche en cours. Il a été proposé que le couplage phase-amplitude entre la phase des oscillations thêta et l'amplitude des oscillations gamma soit un mécanisme que le cerveau implémente pour permettre la rétention d'informations en mémoire. Cependant, le rôle du couplage thêta-gamma dans la mémoire à court terme doit encore être démontré. Dans cette étude, nous avons cherché à savoir si le couplage phase-amplitude thêta-gamma dans l'hippocampe soutient la rétention de l'information en mémoire, par rapport à la simple perception, et si le couplage thêta-gamma dans l'hippocampe humain est lié la performance comportementale dans un tâche de mémoire à court terme. Des enregistrements EEG stéréotaxiques ont été obtenus chez 16 patients épileptiques pharmaco-résistants qui ont effectué des tâches de comparaison de séquences sonores et une condition de contrôle d'écoute passive avec le même matériel. Pour étudier la mémoire à court terme, la durée de la période silencieuse de rétention entre les séquences à comparer (2000, 4000, 8000 ms) ainsi que la charge en mémoire (3 - 6 éléments à encoder) ont été manipulées. Les analyses de Temps-Fréquence pendant la période d'encodage de la tâche montrent que chaque note a été encodée par une bouffée gamma transitoire dans le cortex auditif, tandis que la séquence entière a induit des oscillations thêta soutenues dans la voie auditive ventrale (à partir du gyrus temporal supérieur jusqu'au gyrus frontal inférieur en incluant des régions du lobe temporal médian). Pendant la période de rétention, le couplage thêta-gamma était augmenté dans l'hippocampe gauche pendant les essais de mémoire par rapport aux essais de perception. Il est important de noter que la force du couplage thêta-gamma était corrélée à la performance des participants et qu'une forte stabilité du couplage (bouffée gamma imbriquée dans la phase ascendante de l'oscillation thêta) a été observée dans l'hippocampe gauche et le cortex auditif secondaire. Ce résultat suggère que le couplage thêta-gamma dans l'hippocampe favorise la rétention des éléments mémorisés dans une tâche de mémoire auditive à court terme. Cela élargit nos connaissances sur le rôle général du couplage inter-fréquentiel en tant que mécanisme biologique global pour le traitement et l'intégration des informations dans le cerveau humain. / Brain oscillations provide the experimental material to observe the dynamical structure of brain activity (Baillet, 2017; Buzsaki and Draguhn, 2004; Silva, 2013). Between rest and task performance, the signal properties of oscillations (frequency, phase, and amplitude) vary across brain regions, according to the mental state and the ongoing task performed. Phase Amplitude Coupling between theta and gamma oscillations has been hypothesized to implement the retention of information during short-term memory. However, the role of theta-gamma coupling in short-term memory functions still needs to be demonstrated. In this study, we investigated if hippocampal theta-gamma PAC supports auditory memory retention, as compared to simple perception, and if theta-gamma coupling in the human hippocampus can correlate with behavioural performance in a short-term auditory memory task. Stereotaxic EEG recordings were obtained from 16 pharmaco-resistant epileptic patients who performed delayed match-to-sample tasks for tone sequences, and a passive listening perception condition with the same material. To investigate short-term memory functions, the duration of the silent retention period between the to-be-compared sequences (2000, 4000, 8000 ms) as well as the memory load (3, 6 tones) were manipulated. Time-frequency analyses during the encoding period of the task show that each tone was encoded by a transient gamma burst in the auditory cortex, while the entire sequence elicited sustained theta oscillations in the ventral auditory stream (from the superior temporal gyrus to the inferior frontal gyrus including regions of the medial temporal lobe). During the retention period, theta-gamma coupling increased in the left hippocampus during memory trials as compared to perception trials. Importantly, theta-gamma coupling strength was correlated with participant's performance and high coupling stability/consistency (gamma burst nested to the ascending phase of the theta oscillation) was observed in both the left hippocampus and secondary auditory cortex. This study suggests that hippocampal theta-gamma coupling supports the retention of memorized items in auditory short-term memory. This expands our knowledge of the general role of cross-frequency coupling as a global biological mechanism for brain information processing and integration in the human brain.