L'hippocampe est une région du cerveau importante pour la formation de mémoire. Des études récentes ont montré que la zone CA2 de l'hippocampe, longtemps ignorée, joue un rôle clef dans certaines formes de mémoire et notamment dans la mémoire sociale. De plus, des études post-mortem ont révélé des altérations spécifiques à la région CA2 chez les patients schizophrènes. Cependant, l’implication des neurones de CA2 dans les circuits de l'hippocampe reste peu connu, tant dans des conditions physiologiques que pathologiques. En combinant pharmacologie, génétique et électrophysiologie sur tranches d’hippocampe de souris, nous avons étudié comment les neurones pyramidaux (NP) CA2 sont recrutés dans les circuits hippocampiques après des changements d’inhibition et comment le recrutement des NP CA2 pourrait moduler l’information sortant de l'hippocampe. D’autre part, nous avons examiné les altérations fonctionnelles de la zone CA2 dans le modèle murin Df(16)A+/- de la microdélétion 22q11.2, le facteur génétique de risque de schizophrénie le plus élevé. Dans la région CA2 de l’hippocampe, les synapses inhibitrices contrôle les afférences des collatérales de Schaeffer (CS) et expriment une dépression à long-terme (DLTi) unique qui dépendant des récepteurs delta-opioïdes (RDO). Contrairement aux synapses CS-CA1, les synapses excitatrices CS-CA2 n’expriment pas de potentialisation à long-terme après application des protocoles d'induction. Cependant, nous avons constaté que différents types d'activités induisent une augmentation durable de l’amplitude des potentiels post-synaptiques (PPS) évoqués aussi bien par une stimulation des CS que des afférences distales des NP CA2, et ceci via une modulation de la balance excitation/inhibition. Nous avons démontré que ces augmentations du rapport excitation/inhibition sont les conséquences directes de la DLTi RDO-dépendante. De plus, la DLTi permet le recrutement des NP CA2 par les NP CA3 alors qu’une inhibition intacte empêche complètement leur activation en réponse aux stimulations des CS. Par ailleurs, le recrutement des pyramides de CA2 par les CS après disinhibition activité-dépendante ajoute une composante polysynaptique (SC-CA2-CA1) au PPS monosynaptique (SC-CA1) dans les NP CA1 et augmente leur activité. De plus, l’inactivation des interneurones exprimant la parvalbumine à l’aide d’outils pharmacogénétiques, a montré que ces cellules inhibitrices contrôlent fortement l'amplitude du PPS et l’activité des NP CA2 en réponse à la stimulation des CS et qu’elles sont nécessaires à l'augmentation RDO-dépendante du rapport excitation/inhibition entre CA3 et CA2. Enfin, l'étude de la zone CA2 chez les souris Df(16)A+/- a révélé plusieurs modifications dépendantes de l'âge dont une réduction de l'inhibition, une altération de la plasticité du rapport excitation/inhibition entre CA3 et CA2 et une hyperpolarisation NP CA2. Ces modifications cellulaires peuvent expliquer les déficiences de mémoire sociale que nous observons chez les souris Df(16)A+/- adultes. L’ensemble de nos études a permis de mettre en évidence le rôle des neurones CA2 dans les circuits de l'hippocampe. Enfin pour conclure, nous postulons que le recrutement des neurones CA2 dans les réseaux neuronaux sous-tend des aspects particuliers de la fonction de l'hippocampe. / The hippocampus is a region of critical importance for memory formation. Recent studies have shown that the long-overlooked hippocampal region CA2 plays a role in certain forms of memory, including social recognition. Furthermore, post-mortem studies of schizophrenic patients have revealed specific changes in area CA2. As yet, the role of CA2 neurons in the hippocampal circuitry remains poorly understood under both normal physiological and pathological conditions. By combining pharmacology, mouse genetics and electrophysiology, we investigated how CA2 pyramidal neurons (PNs) could be recruited in hippocampal circuits in mice hippocampal slices following an activity-dependent change in the strength of their inhibitory inputs. We further investigated how subsequent recruitment of CA2 PNs could modulate hippocampal output. Moreover, we examined the functional alterations of area CA2 in the Df(16)A+/- mouse model of the 22q11.2 microdeletion, a spontaneous chromosomal deletion that is the highest known genetic risk factor for developing schizophrenia. In area CA2, inhibitory synapses exert a powerful control of Schaffer collateral (SC) inputs and undergo a unique long-term depression (iLTD) mediated by delta-opioid receptor (DOR) activation. Unlike SC-CA1 synapses, SC-CA2 excitatory synapses fail to express long-term potentiation after classical induction protocols. However, we found that different patterns of activity persistently increase both the SC and the distal input net excitatory drive onto CA2 PNs via a modulation of the balance between excitation and inhibition. We demonstrated that increases in the excitatory/inhibitory ratio are direct consequences of the DOR-mediated iLTD. Interestingly, we found that the inhibition in area CA2 completely preventing CA3 PNs to activate CA2 PNs, and following iLTD, SC stimulation allows CA2 PNs to fire action potentials. Moreover, the recruitment of CA2 PNs by SC intra-hippocampal inputs after their activity-dependent disinhibition adds a delayed SC-CA2-CA1 response to the SC-CA1 monosynaptic post-synaptic potential (PSP) in CA1 and increases CA1 PN activity. Furthermore, pharmaco-genetic silencing of parvalbumin-expressing interneurons revealed that these inhibitory cells control the PSP amplitude and the firing of CA2 PNs in response to SC stimulation and are necessary for the DOR-mediated increase in excitatory/inhibitory balance between CA3 and CA2. Finally, we found several age-dependent alterations in area CA2 in Df(16)A+/- mouse model of the 22q11.2 microdeletion. These included a reduction in inhibition, an impaired activity-dependent modulation of the excitatory drive between CA3 and CA2 and a more hyperpolarized CA2 PN resting potential. These cellular disruptions may provide a potential mechanism for the social memory impairment that we observe in Df(16)A+/- adult mice. Altogether, our studies highlight the role of CA2 neurons in hippocampal circuitry. To conclude, we postulate that the recruitment of CA2 neurons in neuronal networks underlies key aspects of hippocampal function.

Le gène SYNGAP1 code pour la protéine Synaptic Ras GTPase-Activating protein 1 et est essentiel pour le développement normal de la fonction synaptique et de la cognition. Les mutations dans le gène SYNGAP1 qui provoquent la perte d'une seule copie du gène (haplo-insuffisance) sont associées à un handicap intellectuel, comorbide avec un trouble du spectre autistique et l'épilepsie. Les individus présentant des mutations SYNGAP1 montrent un large éventail de caractéristiques phénotypiques telles que l'encéphalopathie épileptique, des déficits moteurs, des déficits sensoriels et d'autres anomalies comportementales et cognitives. De manière intéressante, les modèles de souris transgéniques Syngap1 haplo-insuffisantes reproduisent les déficits comportementaux et cognitifs observés chez les individus SYNGAP1. Plusieurs études se sont concentrées sur le rôle de Syngap1 dans les synapses glutamatergiques, révélant qu'il est un régulateur négatif de Ras, impliqué dans le trafic des récepteurs AMPA au niveau de la membrane postsynaptique des neurones excitateurs. Syngap1 est fortement impliqué dans la maturation des épines dendritiques et dans la régulation de la plasticité synaptique et de l'homéostasie neuronale. Toutefois, le rôle de Syngap1 dans les neurones GABAergiques est moins bien exploré. Les interneurones GABAergiques forment une population hétérogène, les sous-types dominants étant les interneurones exprimant la Parvalbumine (PV) et la Somatostatine (SST) dérivés de l'éminence ganglionnaire médiane (MGE). Des études récentes ont révélé le rôle multifacette de Syngap1 dans les interneurones GABAergiques, notamment son implication dans la migration des interneurones, le branchement axonal des cellules PV et la régulation des synapses inhibitrices sur les somas postsynaptiques. Cependant, si et comment Syngap1 affecte les types cellulaires spécifiques d’interneurones dérivés de MGE tels que les interneurones PV et/ou SST n’est pas connu, et cela est exploré dans ma thèse. De plus, nous avons exploré si et comment l'haplo-insuffisance de Syngap1 induite pré- ou post-natalement spécifiquement dans les sous-types d'interneurones PV et SST contribue aux modalités comportementales, cognitives et sensorielles chez les souris adultes. Des stratégies génétiques ont été utilisées pour induire l'haplo-insuffisance de Syngap1, 1. pré-natalement dans les cellules PV et SST en utilisant la lignée de souris Nkx2.1_Cre, 2. pré-natalement dans les cellules SST en utilisant la ligne de souris SST_Cre et 3. post-natalement dans les cellules PV en utilisant la lignée de souris PV_Cre. Nous avons constaté que la réduction de Syngap1 pré-natalement dans les cellules PV et SST (en utilisant le promoteur Nkx2.1 pour cibler les interneurones dérivés de MGE) influence le traitement sensoriel auditif, en augmentant notamment les oscillations gamma de base, en affectant l'entraînement auditif et en échouant à s'habituer aux sons répétitifs. De plus, ces souris présentent des déficits de comportement social et une flexibilité cognitive altérée dans le comportement d'extinction de la peur. De telles altérations du traitement sensoriel, ainsi que des déficits comportementaux et cognitifs, n'ont pas été observés observés lorsque Syngap1 a été supprimé dans les cellules SST prénatales (en utilisant le promoteur SST). La suppression postnatale de Syngap1 dans les cellules PV montre quant à elle une habituation auditive accrue. Cependant, ces souris transgéniques ne présentent aucun déficit de comportement social ou d'extinction de la peur. Ces résultats suggèrent que les cellules PV pré- et/ou péri-natales sont particulièrement vulnérables à l'haplo-insuffisance de Syngap1 pendant une fenêtre temporelle sensible précoce lors du développement cérébral chez la souris. Alors que des modèles de souris conditionnelles spécifiques aident à comprendre la fonction biologique fondamentale de Syngap1, ils n'englobent pas la complexité du trouble génétique causé par SYNGAP1-ID. Nous avons donc étendu notre étude pour comprendre si les cellules PV sont altérées dans un modèle murin d'haplo-insuffisance germinale de Syngap1. En raison de leur innervation unique du soma et des dendrites proximales de leurs cibles postsynaptiques, les cellules PV influencent fortement l'activité du réseau et sont impliquées dans des fonctions cognitives supérieures telles que l'attention sélective, la mémoire de travail et la flexibilité cognitive, en particulier dans le cortex préfrontal (PFC). Nous avons étudié la connectivité synaptique des cellules PV et avons constaté qu'elles reçoivent des entrées excitatrices réduites dans les cortex préfrontal et auditif adultes. En parallèle, nous avons montré une connectivité réduite des cellules PV sur les cellules excitatrices avec moins de recrutement dans le PFC des souris adultes. Les souris transgéniques germinales présentent également des déficits de flexibilité cognitive (comme dans le comportement d'extinction de la peur) et dans l'apprentissage de la peur contextuelle. Ces résultats suggèrent un déséquilibre global entre l'excitation et l'inhibition dû à des altérations dans la connectivité des cellules PV. Nos études explorent donc le rôle de Syngap1 dans des lignées transgéniques haplo-insuffisantes conditionnelles et germinales en se concentrant sur des types cellulaires GABAergiques distincts (cellules PV et/ou SST), et montrent que les déficits des cellules PV, pendant une fenêtre de développement précoce, sont un facteur prédominant contribuant à la physiopathologie sous-jacente des mutations de Syngap1. Une meilleure compréhension du rôle de Syngap1 dans différents types cellulaires et stades de développement aidera à concevoir des stratégies d'intervention thérapeutique optimales. / SYNGAP1 gene encodes for the Synaptic Ras GTPase-Activating protein 1, and is critical for the normal development of synaptic function and cognition. Mutations in SYNGAP1 gene that cause loss of single copy of the gene (haploinsufficiency) are associated with intellectual disability, comorbid with autism spectrum disorder and epilepsy. Individuals with SYNGAP1 mutations show a broad spectrum of phenotypic features such as epileptic encephalopathy, motor deficits, sensory deficits and other behavioral and cognitive abnormalities. Interestingly, transgenic Syngap1 haploinsufficient mouse models phenocopy the behavioral and cognitive deficits as in SYNGAP1 individuals. Several studies have focused on the role of Syngap1 in glutamatergic synapses and revealed it to be a negative regulator of Ras, involved in the trafficking of AMPA receptors at the postsynaptic membrane of excitatory neurons. Syngap1 is strongly implicated in dendritic spine maturation and in regulating synaptic plasticity and neuronal homeostasis. The role of Syngap1 in GABAergic neurons however is less well explored. GABAergic interneurons form a heterogenous population, the dominant subtypes being the Parvalbumin (PV) and Somatostatin (SST) expressing interneurons derived from Medial Ganglionic Eminence (MGE). Recent studies have divulged the multi-faceted role of Syngap1 in GABAergic interneurons such as its involvement with interneuron migration, PV cell axonal branching, and regulation of inhibitory synapses onto postsynaptic somata. However, whether and how Syngap1 affects specific MGE-derived interneuron cell types such as PV and/or SST interneurons is unknown and explored in my thesis. Further, we explored whether and how Syngap1 haploinsufficiency induced either pre- or postnatally specifically in PV and SST interneuron subtypes, contributes to behavioral, cognitive and sensory related modalities in adult mice. Genetic strategies were used to induce Syngap1 haploinsufficiency, 1. prenatally in PV and SST cells using the Nkx2.1_Cre driver line, 2. prenatally in SST cells using SST_Cre driver line and 3. postnatally in PV cells using the PV_Cre driver line. We found that reduction of Syngap1 prenatally in both PV and SST cells (using the Nkx2.1 promoter to target MGE-derived interneurons) influences auditory sensory processing, in particular increasing the baseline gamma oscillations, affecting auditory entrainment and failing to habituate to repetitive sounds. In addition, these mice show deficits in social behavior and impaired cognitive flexibility in fear extinction behavior. Such sensory processing alterations, as well as behavioral and cognitive deficits were not observed when Syngap1 was deleted in prenatal SST cells (using the SST promoter). Postnatal deletion of Syngap1 in PV cells in turn showed increased auditory habituation, however these transgenic mice show no deficits in either social or fear extinction behavior. These results suggest that pre- and/or perinatal PV cells are particularly vulnerable to Syngap1 haploinsufficiency at an early sensitive time window during mouse brain development. While specific conditional mouse models help in understanding the fundamental biological function of the Syngap1, they do not encompass the complexity of the genetic disorder caused in SYNGAP1-ID. We therefore extended our study to understand whether PV cells are altered in a mouse model of germline Syngap1 haploinsufficiency. Due to their unique innervation of the soma and proximal dendrites of their postsynaptic targets, PV cells strongly influence network activity and are involved in higher cognitive functions such as selective attention, working memory and cognitive flexibility particularly in the prefrontal cortex (PFC). We investigated PV cell synaptic connectivity and found that they receive reduced excitatory inputs in the adult prefrontal and auditory cortex. In parallel, we showed reduced PV connectivity onto excitatory cells with less recruitment in the PFC of adult mice. The germline transgenic mice also showed deficits in cognitive flexibility (such as in fear extinction behavior) and cued contextual fear conditioning. These results suggest an overall E/I imbalance due to alterations in PV cell connectivity. Our studies therefore explore the role of Syngap1 in both conditional and germline haploinsufficient transgenic lines focusing on distinct GABAergic cell types (PV and/or SST cells), and shows that PV cell deficits, during an early developmental window, is a predominant contributing factor to the pathophysiology underlying Syngap1 mutations. A better understanding of the role of Syngap1 in different cell types and developmental stages will help in designing optimal therapeutic intervention strategies.