L’hippocampe joue un rôle central dans la navigation spatiale, la mémoire et l’organisation spatio-temporelle des souvenirs. Ces fonctions sont maintenues par la capacité du gyrus denté (GD) de séparation des patrons d'activité neuronales. Le GD est situé à l’entrée de la formation hippocampique où il reconnaît la présence de nouveaux motifs parmi la densité de signaux afférant arrivant par la voie entorhinale (voie perforante). Le codage parcimonieux est la marque distinctive du GD. Ce type de codage est le résultat de la faible excitabilité intrinsèque des cellules granulaires (CGs) en combinaison avec une inhibition locale prédominante. En particulier, l’inhibition de type « feedforward » ou circuit inhibiteur antérograde, est engagée par la voie perforante en même temps que les CGs. Ainsi les interneurones du circuit antérograde fournissent des signaux GABAergique aux CGs de manière presque simultanée qu’elles reçoivent les signaux glutamatergiques. Cette thèse est centrée sur l’étude des interactions entre ces signaux excitateurs de la voie entorhinale et les signaux inhibiteurs provenant des interneurones résidant dans le GD et ceci dans le contexte du codage parcimonieux et le patron de décharge en rafale caractéristique des cellules granulaires. Nous avons adressé les relations entre les projections entorhinales et le réseau inhibitoire antérograde du GD en faisant des enregistrements électrophysiologiques des CG pendant que la voie perforante est stimulée de manière électrique ou optogénétique. Nous avons découvert un nouvel mécanisme d’inhibition qui apparait à délais dans les CGs suite à une stimulation dans les fréquences gamma. Ce mécanisme induit une hyperpolarisation de longue durée (HLD) et d’une amplitude prononce. Cette longue hyperpolarisation est particulièrement prolongée et dépasse la durée d’autres types d’inhibition transitoire lente décrits chez les CGs. L’induction de HLD crée une fenêtre temporaire de faible excitabilité suite à laquelle le patron de décharge des CGs et l’intégration d’autres signaux excitateurs sont altérés de manière transitoire. Nous avons donc conclu que l’activité inhibitrice antérograde joue un rôle central dans les processus de codage dans le GD. Cependant, alors qu’il existe une multitude d’études décrivant les interneurones qui font partie de ce circuit inhibiteur, la question de comment ces cellules sont recrutées par la voie entorhinale reste quelque peu explorée. Pour apprendre plus à ce sujet, nous avons enregistré des interneurones résidant iii dans la couche moléculaire du GD tout en stimulant la voie perforante de manière optogénétique. Cette méthode de stimulation nous a permis d’induire la libération de glutamate endogène des terminales entorhinales et ainsi d’observer le recrutement purement synaptique d’interneurones. De manière surprenante, les résultats de cette expérience démontrent un faible taux d’activation des interneurones, accompagné d’un tout aussi faible nombre total de potentiels d’action émis en réponse à la stimulation même à haute fréquence. Ce constat semble contre-intuitif étant donné qu’en générale on assume qu’une forte activité inhibitrice est requise pour le maintien du codage parcimonieux. Tout de même, l’analyse des patrons de décharge des interneurones qui ont été activés a fait ressortir la prééminence de trois grands types: décharge précoce, retardée ou régulière par rapport le début des pulses lumineux. Les résultats obtenus durant cette thèse mettent la lumière sur l’important conséquences fonctionnelles des interactions synaptique et polysynaptique de nature transitoire dans les réseaux neuronaux. Nous aimerions aussi souligner l’effet prononcé de l’inhibition à court terme du type prolongée sur l’excitabilité des neurones et leurs capacités d’émettre des potentiels d’action. De plus que cet effet est encore plus prononcé dans le cas de HLD dont la durée dépasse souvent la seconde et altère l’intégration d’autres signaux arrivants simultanément. Donc on croit que les effets de HLD se traduisent au niveau du réseaux neuronal du GD comme une composante cruciale pour le codage parcimonieux. En effet, ce type de codage semble être la marque distinctive de cette région étant donné que nous avons aussi observé un faible niveau d’activation chez les interneurones. Cependant, le manque d’activité accrue du réseau inhibiteur antérograde peut être compensé par le maintien d’un gradient GABAergique constant à travers le GD via l’alternance des trois modes de décharges des interneurones. En conclusion, il semble que le codage parcimonieux dans le GD peut être préservé même en absence d’activité soutenue du réseau inhibiteur antérograde et ceci grâce à des mécanismes alternatives d’inhibition prolongée à court terme. / The hippocampus is implicated in spatial navigation, the generation and recall of memories, as well as their spatio-temporal organization. These functions are supported by the processes of pattern separation that occurs in the dentate gyrus (DG). Situated at the entry of the hippocampal formation, the DG is well placed to detect and sort novelty patterns amongst the high-density excitatory signals that arrive via the entorhinal cortex (EC). A hallmark of the DG is sparse encoding that is enabled by a combination of low intrinsic excitability of the principal cells and local inhibition. Feedforward inhibition (FFI) is recruited directly by the EC and simultaneously with the granule cells (GCs). Therefore, FFI provides fast GABA release and shapes input integration at the millisecond time scale. This thesis aimed to investigate the interplay of entorhinal excitatory signals with GCs and interneurons, from the FFI in the DG, in the framework of sparse encoding and GC’s characteristic burst firing. We addressed the long-range excitation – local inhibitory network interactions using electrophysiological recordings of GCs – while applying an electrical or optogenetic stimulation of the perforant path (PP) in the DG. We discovered and described a novel delayed-onset inhibitory post synaptic potential (IPSP) in GCs, following PP stimulation in the gamma frequency range. Most importantly, the IPSP was characterized by a large amplitude and prolonged decay, outlasting previously described slow inhibitory events in GCs. The long-lasting hyperpolarization (LLH) caused by the slow IPSPs generates a low excitability time window, alters the GCs firing pattern, and interferes with other stimuli that arrive simultaneously. FFI is therefore a key player in the computational processes that occurs in the DG. However, while many studies have been dedicated to the description of the various types of the interneurons from the FFI, the question of how these cells are synaptically recruited by the EC remains not entirely elucidated. We tackled this problem by recording from interneurons in the DG molecular layer during PP-specific optogenetic stimulation. Light-driven activation of the EC terminals enabled a purely synaptic recruitment of interneurons via endogenous glutamate release. We found that this method of stimulation recruits only a subset of interneurons. In addition, the total number of action potentials (AP) was surprisingly low even at high frequency stimulation. This result is counterintuitive, as strong and persistent inhibitory signals are assumed to restrict GC v activation and maintain sparseness. However, amongst the early firing interneurons, late and regular spiking patterns were clearly distinguishable. Interestingly, some interneurons expressed LLH similar to the GCs, arguing that it could be a commonly used mechanism for regulation of excitability across the hippocampal network. In summary, we show that slow inhibition can result in a prolonged hyperpolarization that significantly alters concurrent input’s integration. We believe that these interactions contribute to important computational processes such as sparse encoding. Interestingly, sparseness seems to be the hallmark of the DG, as we observed a rather low activation of the interneuron network as well. However, the alternating firing of ML-INs could compensate the lack of persistent activity by the continuous GABA release across the DG. Taken together these results offer an insight into a mechanism of feedforward inhibition serving as a sparse neural code generator in the DG.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. [92]-94. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2003. / Bibliogr.: f. [57]-64.506. Publié aussi en version électronique.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2003. / Bibliogr.: f. [259]-300. Publié aussi en version électronique.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. 66-83. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Ps.)--Université Laval, 2003. / Bibliogr.: f. 86-94. Publié aussi en version électronique.

Le présent mémoire corrobore l'hypothèse selon laquelle l'hippocampe, le cortex préfrontal et le noyau reuniens du thalamus constituent un réseau fonctionnel dans lequel le noyau reuniens servirait d'interfacé entre l'hippocampe et le cortex pré frontal. Bien que la voie hippocampo-corticale de ce réseau ait été abondamment étudiée, cela n'est pas le cas pour la voie reuniens-préfrontale. Nous décrivons ici, pour la première fois, la réponse de neurones du cortex préfrontal médian aux stimulations du noyau reuniens. Chez des chats sous anesthésie (kétamine-xylazine), nous avons effectué simulatanément 1) des enregistrements intra- et extracellulaires dans le cortex préfrontal médian et 2) des stimulations du noyau reuniens ou de l'hippocampe à l'aide d'électrodes bipolaires. Nous avons ainsi démontré que la réponse de neurones du cortex préfrontal médian aux stimulations du noyau reuniens est distincte des réponses évoquées par des stimulations hippocampiques, que la voie reuniens-préfrontale est sujette à la plasticité à court terme et qu'une région restreinte du cortex préfrontal médian sert de relai à la voie hippocampo-cortico-thalamique.

L’expression synaptique de la sous-unité α5 des récepteurs GABAA (α5-RGABAA) a été montrée dans les interneurones (INs) inhibiteurs de la zone CA1 de l’hippocampe. Cependant, les types de synapses qui expriment cette α5-RGABAA et son rôle fonctionnel n’ont pas encore été déterminés. En utilisant une association d’enregistrements de "patch-clamp" en configuration cellule entière, d’optogénétique et de la technique d’immunohistochimie, nous avons étudié l’expression synaptique de la α5-RGABAA et ses modifications dans un modèle animal d’épilepsie du lobe temporal (ELT). Nos données montrent que la α5-RGABAA est exprimée aux synapses inhibitrices formées par le réseau de cellules qui expriment la calrétinine (CR+) sur différents types d’INs du stratum oriens-alveus (O/A) de l’hippocampe. De plus, nous avons observé un déclin précoce de la α5-RGABAA dans les INs de l’O/A pendant l’ELT ce qui pourrait contribuer à la désinhibition et à l’hyperexcitabilité de ces INs et aurait donc des conséquences sur l’activité du réseau entier.

Un dispositif de thermographie par contact permettant une utilisation de liquides a été développé et caractérisé. Une chambre de perfusion a été conçue à même le dispositif et permet le développement d'applications in vitro en neurobiologie. Une résolution thermique de 2,7 mK est obtenue lors d'études sur une tranche d'hippocampe sous perfusion à température ambiante. Sa résolution spatiale (52 um) et sa fréquence d'acquisition (30 Hz) devrait permettre d'enregistrer la composante métabolique de réchauffement entraîné par l'activité cellulaire dans un tissu. Étant donné la dynamique du métabolisme cellulaire, on peut prévoir d'utiliser certaines techniques d'amplification du rapport signal sur bruit. La complémentarité du système d'imagerie thermique développé avec d'autres techniques de mesure est avantageux et les applications variées. Nous avons démontré de façon préliminaire que le capteur pouvait être utilisé afin d'étudier la diffusivité thermique et visualiser les différences structurelles à l'intérieur d'un tissu biologique.

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