Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Comme son titre l’indique, ce mémoire porte sur la modélisation de l’activation des neurones excitateurs du cerveau, plus particulièrement dans l’hippocampe. L’étude de cette zone est particulièrement importante car elle joue un rôle de premier plan dans les processus de mémorisation et d’apprentissage. À partir d’un cerveau de rat tranché en fines lamelles, quelques synapses (avec leur environnement) ont été reconstruites en trois dimensions. Puis, grâce au logiciel de simulation par éléments finis COMSOL, il a été possible de vérifier l’impact de différents facteurs (pré et postsynaptiques) sur l’activation des récepteurs AMPA et NMDA. Ce qui différencie les présentes simulations, c’est le souci de créer un environnement le plus réaliste possible, principalement en ce qui a trait à la géométrie, à la température ainsi qu’au phénomène de «spillover».

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.

Les élévations calciques sont nécessaires dans plusieurs formes de plasticité synaptique. Toutefois, la dynamique des élévations calciques dendritiques de même que leurs rôles dans les interneurones restent indéterminés. En utilisant une combinaison de patch-clamp et d'imagerie calcique dans les tranches aiguës d'hippocampe de souris, nous avons examiné les mécanismes associés aux élévations calciques dans les dendrites d'interneurones du stratum radiatum (RAD). Les données indiquent que les élévations calciques évoquées par les potentiels d'action rétropropagés sont restreintes à la portion proximale des dendrites. De plus, les élévations calciques démontrent des propriétés spécifiques au type d'interneurone, notamment en ce qui a trait à l'expression des canaux calciques voltage-dépendants. D'autre part, l'entrée de calcium répétitive était suffisante pour induire une potentialisation à long terme aux synapses inhibitrices formées sur les interneurones. Finalement, nos résultats démontrent le rôle central des élévations calciques dans le contrôle de la transmission synaptique dans les interneurones du RAD.

Les études réalisées chez des patients amnésiques et chez les modèles animaux cérébro-lésionnels suggèrent que la formation hippocampique joue un rôle important dans la mémoire et l’apprentissage. Chez le rat, l’hippocampe semble particulièrement impliqué dans les tâches de mémoire spatiale. Toutefois, d’autres expériences montrent que la fonction de l’hippocampe varie selon certaines caractéristiques des stimuli à mémoriser, indépendamment de la dimension spatiale. Afin de tester cette dernière proposition, les travaux empiriques présentés dans ce mémoire évaluent, dans la tâche indicée du labyrinthe radial où chaque couloir est associé à un repère visuel exclusif, l’effet 1) de la distance entre la plate-forme centrale du labyrinthe et les stimuli visuels et 2) de la stabilité des positions relatives de ces stimuli sur la performance de rats avec lésion hippocampique. Les résultats montrent que ces deux variables influencent la performance des rats lésés comparativement à celle de rats contrôles, les taux de succès variant entre intacts ou médiocres selon les conditions expérimentales testées. Les déficits hippocampiques rapportés dans le présent mémoire indiquent donc que même quand une épreuve peut être résolue sans l’aide de la mémoire spatiale, l’intégrité de l’hippocampe peut s’avérer nécessaire. De plus, il semble que le subiculum, une structure adjacente à l’hippocampe, contribue aussi à la performance des rats dans le labyrinthe radial, l’un des constats les plus importants de ce mémoire. Les résultats appuient, dans l’ensemble, l’hypothèse voulant que l’implication de l’hippocampe varie selon les caractéristiques des stimuli à mémoriser, une interprétation également défendue par plusieurs travaux récents.

Ce mémoire présente une nouvelle approche pour la réalisation de modèles biophysiques de neurone. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle électrique compartimental selon le formalisme de Hodgkin-Huxley avec le logiciel NEURON. En second lieu, nous avons procédé à la réalisation de la modélisation biochimique avec des systèmes d’équations différentielles représentant des réactions d’action de masse et des réactions enzymatiques. La modélisation biochimique se fait tant dans un modèle par compartiments avec des équations différentielles ordinaires que dans un modèle spatial avec des équations différentielles partielles. VCell nous a permis de réaliser ce type de modélisation. Le modèle hybride développé présente deux points de jonction entre les formalismes des modèles électrique et biochimique pris indépendemment. Au premier point de jonction, les courants calciques calculés avec les équations de type Hodgkin-Huxley sont convertis en concentration d’ions de calcium. Ce calcium est un messager secondaire pour de nombreuses voies de signalisation cellulaire. Une élévation de la concentration de calcium modifie la dynamique des réactions biochimiques. Le deuxième point de jonction est l’impact de l’activité de kinases sur les propriétés électriques de canaux ioniques. Par la phosphorylation, certaines kinases viennent moduler la réponse électrique du neurone. En intégrant tous ces effets biophysiques et biochimiques dans une même méthodologie de modélisation, nous pouvons modéliser des processus cellulaires complexes dans les neurones. Le cross-talk synaptique est un phénomène physiologique observé, qui consiste en une augmentation de l’excitabilité membranaire suite à l’interaction entre les signaux électrique et biochimique et une communication entre les épines dendritiques du neurone. Cette interaction représente un excellent cas d’étude pour développer et valider notre méthodologie. Cette méthodologie porte sur l’interaction entre le calcium, la MAPK et les canaux KV4.2. Le calcium vient activer la MAPK par l’intermédiaire de différentes molécules. La MAPK vient ensuite phosphoryler les canaux KV4.2 qui sont possiblement responsables d’une augmentation observée de l’excitabilité membranaire. / This master’s thesis presents a new modeling technique for biophysical models of individual neurons that integrates their electrical and biochemical behaviors. First of all, we developped an electrical compartmental model. This model is based on the Hodgkin-Huxley formalism and developped in NEURON, a modeling software tool for neuroscience. Then, we developped a biochemical model. This second model is a system of differential equations based on mass action reations and enzymatic reactions. We implemented two versions of this model, one as a compartmental model with ordinary differential equations (ODE) and the other as a spatial model with partial differential equations (PDE). We used the software tool VCell for the biochemical modeling. The hybrid model combining the electrical and biochemical behaviors has two connection points between the electrical and biochemical models. At the first junction, the calcium curents calculated by the Hodgkin-Huxley equations are converted into a concentration of calcium ions. This calcium is a secondary messenger for numerous cellular signaling pathways and a rise of the calcium concentration modifies the biochemical reaction dynamic. The second junction is the kinases activity on the ionic channel electrical properties. Through phosphorylation, the kinases modulate the electrical response of the neuron. By integrating all these biophysical and biochemical effects in the same methodology, we can build a complex cellular process models. The synaptic crosstalk is a physiological event which leads to a local increase of the membrane excitability that is due to the interaction between electrical and biochemical signals. This interaction represents an excellent case study for the development and the validation of our methodology. Our model includes the regulation of calcium, MAPK the channel KV4.2.

Les neurones sont les éléments constitutifs du système nerveux. Dans le cortex, les neurones peuvent être divisés en cellules principales qui effectuent des calculs excitateurs via des connexions synaptiques locales et à longue distance et des interneurones qui contrôlent tous les domaines subcellulaires des cellules principales. Les interneurones inhibent les cellules principales en hyperpolarisant la membrane postsynaptique via les récepteurs GABA. En plus de contrôler le niveau d’excitabilité de cellules isolées via une inhibition transitoire ou à long terme, elles coordonnent le déclenchement des ensembles cellulaires principaux pour générer des oscillations de réseau qui traversent les zones du cerveau. Le dysfonctionnement des interneurones entraîne des troubles cérébraux comme la schizophrénie, l'autisme et l'épilepsie. Contrairement aux cellules principales, les interneurones présentent un haut niveau de diversité, cohérent avec leurs différents rôles fonctionnels dans les circuits cérébraux. Pour comprendre leurs fonctions de réseau, les neuroscientifiques ont développé plusieurs critères pour classer les interneurones, notamment la cytomorphologie, la connectivité, les propriétés électrophysiologiques et les marqueurs moléculaires. En général, trois types d’interneurones représentent la majorité des interneurones corticaux: les cellules somatostatine (SOM)+ ciblant la dendrite, les cellules parvalbumine (PV)+ ciblant le soma, et les cellules l'interneurone specifique peptide vasoactif intestinal (VIP)+. Dans l'hippocampe, les cellules VIP+ (hormis les cellules VIP+) jouent un rôle unique dans le réseau, car elles innervent de préférence les interneurones mais évitent les cellules principales. Cependant, leur taxonomie et leurs propriétés physiologiques sont moins claires que celles des autres types d’interneurones. Mon projet de thèse a porté sur deux sous-types de cellules VIP: la cellule VIP+ à cellule longue et la cellule à interneurone de type 3 (IS3). Une nouvelle cellule VIP+ à longue projection (VIP-LRP) a été identifiée dans l'hippocampe CA1 Oriens/Alveus (Francavilla et al., 2018). Ces cellules ciblent de manière sélective les interneurones dans la zone hippocampique CA1, mais se projettent également dans le subiculum de la zone voisine. En outre, ils sont plus actifs pendant la période stationnaire d'éveil et silencieux pendant les oscillations thêta ou d'ondulation. Cependant, les marqueurs moléculaires qu'ils expriment n'étaient pas clairs. Pour examiner leurs marqueurs moléculaires et développer des lignées de souris spécifiques de type cellulaire en utilisant une approche génétique combinatoire, j'ai d'abord procédé à une immunohistochimie pour déterminer les marqueurs couramment exprimés, notamment le récepteur muscarinique 2, la cholécystokinine, la calbidine nNOS), calrétinine (CR) et SOM dans les cellules VIP dans les striatum oriens (SO) de CA1. Nous avons constaté que les cellules VIP-LRP étaient négatives pour SOM et nNOS, mais que la moitié d'entre elles exprimaient M2R. De plus, une petite fraction des cellules GFP expriment CCK, CB et CR. La proportion de cellules M2R + VIP-LRP était différente entre différentes souches de souris. Ensuite, nous avons effectué le profilage transcriptomique de VIP-LRP identifiés anatomiquement en utilisant le séquençage d'ARN à cellule unique. J'ai identifié plusieurs marqueurs moléculaires, tels que la proenképhaline, le neuropeptide Y et la nétrine G1, ainsi que de nombreux autres gènes appartenant à plusieurs familles de gènes importantes: canaux ioniques, récepteurs de neurotransmetteurs, neuromodulateurs, molécules d'adhésion cellulaire et de myélinisation. De plus, les LRP VIP partagent des gènes communs lors de la comparaison avec les types de cellules VIP, CR et VIP, CCK dans le néocortex. Ensemble, ces données suggèrent que même si les LRP-VIP représentent un groupe intermédiaire dans le sous-type VIP, ils peuvent exprimer des gènes liés à des caractéristiques spécifiques permettant une coordination à longue distance des activités neuronales dans le CA1 et le subiculum. Après cela, j'ai examiné les propriétés synaptiques excitatrices d'un autre sous-type VIP +, la cellule IS3. Des études antérieures ont montré qu’ils fabriquaient des synapses sur les interneurones dans le SO, qui contrôlent à leur tour l’intégration des apports excitateurs reçus par les dendrites proximales et distales des cellules pyramidales. Cependant, les propriétés des entrées excitatrices véhiculant les cellules IS3 restent inconnues. En utilisant l'enregistrement par patch clamp et le recalage du glutamate à deux photons, nous avons évalué les propriétés synaptiques de deux entrées excitatrices formées sur les cellules IS3 par les collatérales de Schaffer (CA) et la voie temporoammonique (TA) du cortex entorhinal. Les résultats ont montré que les courants postsynaptiques excitateurs (EPSC) évoqués dans les cellules IS3 par stimulation électrique de la voie TA avaient une amplitude, une élévation et un temps de décroissance inférieurs à ceux des synapses SC. De plus, la transmission synaptique TA-S3 était médiée par les récepteurs AMPA et NMDA. En outre, les deux AT et SC-EPSC ont montré une facilitation synaptique à court terme en réponse à une stimulation répétitive. Enfin, les voies TA et SC ont montré un degré similaire d'intégration spatiale. Lorsque ces propriétés synaptiques ont été incorporées dans le modèle de calcul IS3 in vivo (Guet-McCreight et al., 2016), l'activation des cellules IS3 peut être provoquée par ces entrées excitatrices au cours des oscillations du thêta et de l'ondulation hippocampique. L'imagerie in vivo à deux photons chez des souris éveillées a montré que le déclenchement des cellules IS3 augmentait pendant le rythme thêta, alors que leurs activités n'étaient pas associées. / Les neurones sont les éléments constitutifs du système nerveux. Dans le cortex, les neurones peuvent être divisés en cellules principales qui effectuent des calculs excitateurs via des connexions synaptiques locales et à longue distance et des interneurones qui contrôlent tous les domaines subcellulaires des cellules principales. Les interneurones inhibent les cellules principales en hyperpolarisant la membrane postsynaptique via les récepteurs GABA. En plus de contrôler le niveau d’excitabilité de cellules isolées via une inhibition transitoire ou à long terme, elles coordonnent le déclenchement des ensembles cellulaires principaux pour générer des oscillations de réseau qui traversent les zones du cerveau. Le dysfonctionnement des interneurones entraîne des troubles cérébraux comme la schizophrénie, l'autisme et l'épilepsie. Contrairement aux cellules principales, les interneurones présentent un haut niveau de diversité, cohérent avec leurs différents rôles fonctionnels dans les circuits cérébraux. Pour comprendre leurs fonctions de réseau, les neuroscientifiques ont développé plusieurs critères pour classer les interneurones, notamment la cytomorphologie, la connectivité, les propriétés électrophysiologiques et les marqueurs moléculaires. En général, trois types d’interneurones représentent la majorité des interneurones corticaux: les cellules somatostatine (SOM)+ ciblant la dendrite, les cellules parvalbumine (PV)+ ciblant le soma, et les cellules l'interneurone specifique peptide vasoactif intestinal (VIP)+. Dans l'hippocampe, les cellules VIP+ (hormis les cellules VIP+) jouent un rôle unique dans le réseau, car elles innervent de préférence les interneurones mais évitent les cellules principales. Cependant, leur taxonomie et leurs propriétés physiologiques sont moins claires que celles des autres types d’interneurones. Mon projet de thèse a porté sur deux sous-types de cellules VIP: la cellule VIP+ à cellule longue et la cellule à interneurone de type 3 (IS3). Une nouvelle cellule VIP+ à longue projection(VIP-LRP) a été identifiée dans l'hippocampe CA1 Oriens/Alveus (Francavilla et al., 2018). Ces cellules ciblent de manière sélective les interneurones dans la zone hippocampique CA1, mais se projettent également dans le subiculum de la zone voisine. En outre, ils sont plus actifs pendant la période stationnaire d'éveil et silencieux pendant lesoscillations thêta ou d'ondulation. Cependant, les marqueurs moléculaires qu'ils expriment n'étaient pas clairs. Pour examiner leurs marqueurs moléculaires et développer des lignées de souris spécifiques de type cellulaire en utilisant une approche génétique combinatoire, j'ai d'abord procédé à une immunohistochimie pour déterminer les marqueurs couramment exprimés, notamment le récepteur muscarinique 2, la cholécystokinine, la calbidine nNOS), calrétinine (CR) et SOM dans les cellules VIP dans les striatum oriens (SO) de CA1. Nous avons constaté que les cellules VIP-LRP étaient négatives pour SOM et nNOS, mais que la moitié d'entre elles exprimaient M2R. De plus, une petite fraction des cellules GFP expriment CCK, CB et CR. La proportion de cellules M2R + VIP-LRP était différente entre différentes souches de souris. Ensuite, nous avons effectué le profilage transcriptomique de VIP-LRP identifiés anatomiquement en utilisant le séquençage d'ARN à cellule unique. J'ai identifié plusieurs marqueurs moléculaires, tels que la proenképhaline, le neuropeptide Y et la nétrine G1, ainsi que de nombreux autres gènes appartenant à plusieurs familles de gènes importantes: canaux ioniques, récepteurs de neurotransmetteurs, neuromodulateurs, molécules d'adhésion cellulaire et de myélinisation. De plus, les LRP VIP partagent des gènes communs lors de la comparaison avec les types de cellules VIP, CR et VIP, CCK dans le néocortex. Ensemble, ces données suggèrent que même si les LRP-VIP représentent un groupe intermédiaire dans le sous-type VIP, ils peuvent exprimer des gènes liés à des caractéristiques spécifiques permettant une coordination à longue distance des activités neuronales dans le CA1 et le subiculum. Après cela, j'ai examiné les propriétés synaptiques excitatrices d'un autre sous-type VIP +, la cellule IS3. Des études antérieures ont montré qu’ils fabriquaient des synapses sur les interneurones dans le SO, qui contrôlent à leur tour l’intégration des apports excitateurs reçus par les dendrites proximales et distales des cellules pyramidales. Cependant, les propriétés des entrées excitatrices véhiculant les cellules IS3 restent inconnues. En utilisant l'enregistrement par patch clamp et le recalage du glutamate à deux photons, nous avons évalué les propriétés synaptiques de deux entrées excitatrices formées sur les cellules IS3 par les collatérales de Schaffer (CA) et la voie temporoammonique (TA) du cortex entorhinal. Les résultats ont montré que les courants postsynaptiques excitateurs (EPSC) évoqués dans les cellules IS3 par stimulation électrique de la voie TA avaient une amplitude, une élévation et un temps de décroissance inférieurs à ceux des synapses SC. De plus, la transmission synaptique TA-IS3 était médiée par les récepteurs AMPA et NMDA. En outre, les deux AT et SC-EPSC ont montré une facilitation synaptique à court terme en réponse à une stimulation répétitive. Enfin, les voies TA et SC ont montré un degré similaire d'intégration spatiale. Lorsque ces propriétés synaptiques ont été incorporées dans le modèle de calcul IS3 in vivo (Guet-McCreight et al., 2016), l'activation des cellules IS3 peut être provoquée par ces entrées excitatrices au cours des oscillations du thêta et de l'ondulation hippocampique. L'imagerie in vivo à deux photons chez des souris éveillées a montré que le déclenchement des cellules IS3 augmentait pendant le rythme thêta, alors que leurs activités n'étaient pas associées. / Neurons are the building blocks of nervous system. In the cortex, neurons can be divided into principal cells that perform excitatory computations through local and long-range synaptic connections and interneurons that controls all subcellular domains of principal cells. Interneurons inhibit principal cells by hyperpolarizing the postsynaptic membrane via GABA receptors. In addition to controlling the level of excitability of single cells via transient or long-lasting inhibition, they coordinate the firing of principal cell ensembles to generate network oscillations that travel across brain areas. The malfunction of interneurons leads to severe brain disorders such as schizophrenia, autism and epilepsy. In contrast to principal cells, interneurons display high level of diversity, consistant with their various functional roles in the brain circuitry. To understand their network functions, neuroscientists have developed several criteria to classify interneurons, including cytomorphology, connectivity, electrophysiological properties, andmolecular markers. In general, three interneuron types account for the majority of cortical interneurons: dendrite-targeting somatostatin (SOM)+ cells, soma-targeting parvalbumin (PV)+ cells, and interneuron-specific vasoactive intestinal peptide (VIP)+ cells. In the hippocampus, VIP+ cells (excluding VIP+ basket cell) play a unique role in the network, since they preferentially innervate interneurons but avoid principal cells. However, their taxonomy and physiological properties are less clearcompared to other interneuron types. My PhD project focused on two subtype of VIP cells: VIP+ long- projecting cell and type 3 interneuron-specific (IS3) cell. A novel long-projecting VIP+cell (VIP-LRP) has been identified in the hippocampal CA1 Oriens/Alveus (Francavilla et al., 2018). These cells selectively target interneurons in the hippocampal CA1 area, but also project to the neighbouring area subiculum. In addition, they are more active during the stationary period of wakefulness, and silent during theta or ripple oscillations. However, the molecular markers they express were unclear. To examine their molecular markers and develop cell-type specific mouselines using combinatorial genetic approach, I first performed immunohistochemistry to profile commonly expressed markers including muscarinic receptor 2 (M2R), cholecystokinin (CCK), calbidin (CB), neuronal nitric oxide synthase (nNOS), calretinin (CR), andSOM in VIP cells in the striatum oriens(SO) of CA1. We found that VIP-LRP cells were negative or SOM and nNOS but half of them expressed M2R. Moreover, a small fraction of GFP cells express CCK, CB, and CR. The proportion of M2R+ VIP-LRP cells was different between different mouse strains. Next, we performed transcriptomic profiling of anatomically identified VIP-LRPs using single-cell RNA sequencing. I identified several molecular markers, such as proenkephalin, neuropeptide Y and netrin G1, as well as many other genes that belong to several important gene families including ion channels, neurotransmitter receptors, neuromodulators, cell adhesion and myelination molecules. In addition, VIP-LRPs share common genes when comparing with VIP; CR and VIP; CCK cell types in the neocortex. Together, these data suggest that although VIP-LRPs represent an intermediate group within the VIP subtype, they may express genes related to specific features that allow for long-distance coordination of neuronal activities in the CA1 and the subiculum. After that, I examined the excitatory synaptic properties of another VIP+ subtype-the IS3 cell. Previous studies showed that they make synapses on interneurons in SO, which in turn control the integration of excitatory inputs received by the proximal and distal dendrites of pyramidal cells. However, the properties of excitatory inputs conveying on IS3 cells remain unknown. Using patch clamp recording and two-photon glutamate uncaging, we evaluated the synaptic properties of two excitatory inputs formed on the IS3 cells by the Schaffer collaterals (SC) from CA3 and the Temporoammonic (TA) pathway from entorhinal cortex. The results showed that the excitatory postsynaptic currents(EPSCs) evoked in IS3 cells by electrical stimulation of the TA pathway had a smaller amplitude, slower rise and decay time compared to that of the SC synapses. In addition, TA-IS3 synaptic transmission was mediated by AMPA and NMDA receptors. Furthermore, both TA and SC-EPSCs showed short-term synaptic facilitation in response to repetitive stimulation. Finally, TA and SC pathways displayed similar degree of spatial integration. When these synaptic properties were incorporated into the in vivo-like IS3 computational model (Guet-McCreight et al., 2016), The activation of IS3 cells can be driven by these excitatory inputs during hippocampal theta and ripple oscillations. In vivo two-photon imaging in awake mice showed that the firing of IS3 cells increased during theta rhythm, whereas their activites were not associated with ripples. Together, these data shows that while excitatory inputs are able to drive the firing of IS3 cells during theta, additional mechanisms, such as local inhibition and subcortical modulation may account for the silence of IS3 cells during ripples.

Un récent courant de recherches appuyé par des données anatomiques et comportementales laisse présager que la portion dorsale de l’hippocampe est responsable de la mémoire spatiale alors que la portion ventrale joue un rôle prédominant dans les comportements d’anxiété et de peur. L’expérience présentée dans ce mémoire vise à évaluer cette hypothèse en comparant un groupe de rats avec lésion de l’hippocampe dorsal, un groupe de rats avec lésion de l’hippocampe ventral et un groupe de rats contrôles dans deux tâches de mémoire de travail spatiale: la version classique du labyrinthe radial et la tâche de non appariement spatial dans le labyrinthe en T. Contrairement à la lésion ventrale, la lésion dorsale provoque un déficit d’apprentissage dans les deux tâches. Toutefois, les analyses histologiques démontrent que c’est un dommage involontaire au subiculum dorsal, combiné à la lésion de l’hippocampe dorsal, qui est responsable du déficit obtenu dans la tâche de non appariement spatial. / Recently, evidences from anatomical and behavioral studies have suggested that the dorsal portion of the hippocampus assume spatial memory function where as the ventral portion of the hippocampus is involved in fear and anxiety-related behaviors. This experiment was aimed at testing this hypothesis. Two groups of rats, one with dorsal hippocampal lesions and one with ventral hippocampal lesions were compared to sham-operated controls in two spatial working memory tasks: the standard version of the radial arm maze and the nonmatching-to-place task in the T-maze. Performance of dorsal hippocampal lesioned rats was impaired in both tasks whereas ventral hippocampal lesions did not affect learning in either task. Further histological analyses showed that damage to th e nearby dorsal subiculum combined with the lesions to the dorsal hippocampus accounts for the deficit in the nonmatching-to-sample task.

L'inhibition joue un rôle important dans l'organisation spatio-temporelle de l’activité synchronisée des réseaux, ce qui est important pour la performance cognitive. Cependant, la compréhension de l'inhibition corticale a été une tâche difficile, car ce processus est exécuté par une grande diversité de neurones GABAergiques locaux et à longue portée (LRP) (Soltesz, 2006). Dans l'hippocampe, les interneurones spécifiques aux interneurones (IS) exprimant le peptide vasoactif intestinal (VIP+) jouent un rôle de désinhibition local et sont divisés en deux groupes: les interneurones spécifiques de type 2 (IS2) et de type 3 (IS3). Récemment, une nouvelle cellule VIP+ à projection longue portée (VIP-LRP) avec un soma située dans le stratum oriens / alveus (O/A) de la corne d’Ammon (CA1) de l'hippocampe et dont l'axone projette vers le subiculum (SUB) a été découverte. Comme les cibles postsynaptiques et la fonction des cellules GABAergiques à projection sont inconnues pendant différents états chez des animaux éveillés, nous visions à déterminer les cibles des VIP-LRP dans le CA1 et le SUB. J'ai d'abord effectué une libération de glutamate par stimulation à deux photons en combinant la photoactivation des cellules VIP-GFP+ dans le O/A du CA1 et l’enregistrement par patch-clamp de leurs cibles. Nous avons constaté que les VIP-LRP agissent contactent différentes classes d'interneurones dans le O/A et le stratum radiatum (RAD). Cependant, distalement dans le SUB, ils étaient en contact avec cellules pyramidals (PCs) et les interneurones. Ensuite, pour étudier le rôle fonctionnel de ces cellules, nous avons effectué de l’imagerie calcique (Ca2 +) à deux photons in vivo de l'activité des interneurones VIP+ chez des souris fixées par la tête sur un tapis roulant. Nous avons constaté que les cellules VIP-LRPs étaient recrutées pendant les périodes d'immobilité et réduisent leur activité au cours des épisodes thêta lors de la locomotion. Avec ces résultats, nous pouvons considérer les VIP-LRPs comme des régulateurs clés du processus mnémonique, tels que la récupération de la mémoire nécessitant une cohérence entre le CA1 et le SUB lors d'états calmes (Jackson et al., 2011; Roy et al., 2017). Dans l'hippocampe, on sait peu de choses sur l'implication des cellules IS3 dans les comportements dépendant de l'hippocampe tels que la mémoire spatiale et l'anxiété. En utilisant un water T-maze (WTM) pour étudier l'apprentissage spatial, nous avons constaté que pendant l’extinction de ces cellules, la souris offrait sa pire performance. Dans le contexte de la mémoire, la sous-unité α5 des GABAAR (α5-GABAAR) a été considéré comme l'une des cibles pharmacologiques les plus intéressantes, car son blocage améliore la mémoire dépendante de l'hippocampe (Atack et al., 2006; Caraiscos et al., 2004; Collinson et al., 2002). Le blocage de cette sous-unité chez des souris effectuant un WTM a sauvé la perte de mémoire induite par la désactivation de l'entrée du signal des VIP+ confirmant l'implication de l'inhibition tonique dans la régulation de l'apprentissage spatial. Cependant, cette amélioration des performances cognitives est associée à une augmentation de l'anxiété, indiquant que l’activité de ces cellules peut être impliquée dans la régulation de l'anxiété. Finalement, les déficits de mémoire et le déclin cognitif sont considérés comme la marque du vieillissement du cerveau. Jusqu’à présent, il était reporté que les interneurones positifs à la calrétinine (CR) figuraient parmi les premières cibles de modèles de souris associés à l’âge tel que la maladie d'Alzheimer (AD) (Baglietto-Vargas et al., 2010). Compte tenu de ce qui précède, j'ai effectué des enregistrements par patch-clamp d’IS3s pour étudier leur implication dans le déclin de la mémoire lié à l'âge. Les résultats montrent que la morphologie de ces cellules est préservée pendant le vieillissement, mais montre aussi une durée plus longue des potentiels d’action et une réduction du taux de décharge. Ces modifications entraînent une augmentation de l'inhibition des interneurones du O/A ciblés par les cellules IS3. Cela pourrait expliquer l'hyperactivité des PCs associée à une déficience cognitive et une augmentation du risque pour l’AD (Bakker et al., 2012; Busche et al., 2012; El-Hayek et al., 2013). En conclusion, cette étude a révélé de nouvelles propriétés et motifs d’activités des neurones VIP+ de l’hippocampe pendant des états comportementaux spécifiques durant toute la vie de l’animal. Cela devrait être important pour comprendre les mécanismes de l’apprentissage et la mémoire ainsi que les déficiences cognitive pendant le vieillissement / Inhibition plays an important role in the spatio-temporal organization of synchronized network activity, which is important for cognitive performance. However, understanding cortical inhibition has been a challenging task as it is executed through a large diversity of local and long-range projecting (LRP) GABAergic neurons (Soltesz, 2006). In the hippocampus, the interneuron-selective (IS) vasoactive intestinal peptide (VIP)-expressing (VIP+) interneurons play a role of local disinhibition and are subdivided into 2 groups: type 2 and type 3 interneuron-specific (IS2, IS3) cells. Recently, a novel long-range projecting VIP+ cell (VIP-LRP) with the soma located in the hippocampal cornu ammonis (CA1) stratum oriens/alveus (O/A) and axon innervating CA1 and the subiculum (SUB) has been discovered. Since little is known about the postsynaptic targets and function of GABAergic projecting cells during different network states in awake animals, we aimed to determine the targets of VIP-LRP cells in CA1 and SUB. I first performed single-cell two-photon glutamate uncaging-based mapping of connections by combining the photoactivation of CA1 O/A VIP-GFP+ cells and patch-clamp recordings of interneuron and PCs targets. We found that VIP-LRP cells locally act as disinhibitory cells contacting different classes of inhibitory interneurons, either in the O/A or in the stratum radiatum (RAD). However distally in the SUB, they were contacting both pyramidal cells (PCs) and interneurons. Next, to study the functional role of these cells we performed in vivo two-photon calcium (Ca2+) imaging of VIP+ interneuron activity in head-restrained awake mice running on a treadmillI. We found that VIP-LRP cells were recruited during immobility periods and were behaving as theta-off cells, decreasing their activity during theta-run episodes. Based on these findings we can consider VIP-LRPs as important key regulator of mnemonic process such as memory retrieval requiring coherency between hippocampal CA1 and SUB areas during quiet states (Jackson et al., 2011; Roy et al., 2017). Furthermore, in the hippocampal CA1 area, VIP+ IS interneurons, in particular IS3 cells have been characterized intensively based on their cell identity, physiological properties and connectivity pattern (Chamberland et al., 2010; Tyan et al., 2014). However, differently from neocortical VIP+ interneurons very little is known about the involvement of IS3 in hippocampus-dependent behaviors, such as spatial memory and anxiety. Using a water T-maze (WTM) to investigate egocentric and allocentric spatial learning, we found that silencing VIP+ cells worsens mouse performance. This data indicated clearly the involvement of hippocampal VIP+ IS cell in hippocampus-dependent memory tasks. In the context of memory, the alpha5 subunit-containing GABAA receptor (α5-GABAAR) has been seen as one of the most interesting pharmacological targets, as blocking this subunit improves hippocampus-dependent memory (Atack et al., 2006; Caraiscos et al., 2004; Collinson et al., 2002). Blocking the α5-GABAAR subunit in mice performing WTM successfully rescued the memory impairment induced by silencing of VIP+ input, confirming the involvement of tonic inhibition in the regulation of spatial learning. However this improvement in cognitive performance is associated with an increase in anxiety, indicating that phasic inhibition by the α5-GABAAR-containing VIP+ inputs onto CA1 interneurons may be involved in regulating anxiety. Finally, memory deficits and cognitive decline are considered a hallmark of the aging brain, with neocortical circuits being affected the most during age-dependent functional decline (Murman, 2015). So far, it has been reported that calretinin (CR)-positive IS interneurons were among the early targets in mouse models of age-related disorders, such as Alzheimer’s disease (AD) (Baglietto-Vargas et al., 2010). Considering the above, I performed patch-clamp recordings from IS3 cells to study their involvement in age-related memory decline. The results showed that, while the morphology of these cells was preserved during aging, functional remodelling occurred, such as a longer duration of the action potential as well as reduction in the firing rate. These modifications led to an increase inhibitory drive onto O/A interneurons targeted by IS3 cells. This could account for the hyperactivity of PCs associated with cognitive impairment and could increase the risk for AD development (Bakker et al., 2012; Busche et al., 2012; El-Hayek et al., 2013). In conclusion, this study reveals new properties and activity patterns of hippocampal VIP+ neurons during specific behavioral states and across the animal lifespan, which should be important for understanding the circuit mechanisms of learning and memory, as well as cognitive impairments during aging.