Chez les rongeurs, les interneurones (INs) corticaux sont issus de l’éminence ganglionnaire (EG) médiale (MGE) et caudale (CGE), expriment une combinaison de facteurs définis et migrent tangentiellement puis radialement pour atteindre leur position laminaire définitive. La diversité et la spécification des sous-types d’INs provenant de la MGE ont suscité de nombreuses études, en revanche les mécanismes moléculaires contrôlant la migration et la spécification des INs issus de la CGE demeurent toujours obscurs. Dans cette étude, les voies de migration de ces INs ont été examinées grâce à une lignée de souris rapportrices des interneurones issus de la CGE avant d’analyser le rôle de deux facteurs de transcription, COUP-TFI et COUP-TFII, hautement exprimés dans la CGE. Deux voies de migration non précédemment caractérisées ont alors été identifiées : une voie dorsale (CLMS) où les INs migrent vers l’EG latérale (LGE) et une voie ventrale (CMMS) où les INs migrent vers la MGE. Le CLMS et le CMMS ont donc été analysés, ainsi que la voie de migration caudale (CMS), à différents stades de développement et l’expression spécifique de certains gènes a pu être identifiée. En inactivant conditionnellement COUP-TFI et/ou COUP-TFII dans les INs, les voies de migration sont altérées ainsi que l’expression des marqueurs moléculaires. Comme probable conséquence, les souris mutantes adultes montrent une distribution altérée des sous-populations d’INs en particulier de celles issues de la CGE. Mon étude a donc permis d’identifier et de caractériser deux nouvelles voies de migration pour les INs provenant de la CGE et a montré que COUP-TFs contribuent à leur modulation. / In rodents, cortical interneurons (INs) originate from the medial (MGE) and caudal ganglionic eminence (CGE) according to precise temporal schedules, express a defined combination of factors, and reach their final laminar position through tangential and radial cell migration. The diversity and fate-specification of MGE-derived interneuron subtypes are well characterized however the molecular mechanisms controlling the migration and specification of CGE-derived INs are still vague. In this study, I have first investigated the migratory paths of cortical INs using a reporter line specific to the CGE, and then I have assessed the involvement of COUP-TFI and COUP-TFII, which are highly expressed in the embryonic CGE during development, in these paths. My data unravelled two major previously non-characterized migratory streams from the subpallium to the pallium: a dorsal stream (CLMS) in which CGE-derived cells migrate to the lateral GE (LGE), and a ventral one (CMMS) in which CGE-derived cells migrate to the MGE. I have characterized both streams and the already well-described caudal stream (CMS) during different stages of development and identified a series of genes expressed in the migrating cells. By inactivating COUP-TFI and/or COUP-TFII in the developing INs, these streams together with their molecular marker expression are perturbed. As a consequence, adult mutant mice have an altered distribution of interneuron subpopulations, particularly the ones derived from the CGE. Taken together, my study identified and characterized two novel CGE-derived interneuron migratory routes to the cortex and showed that COUP-TFs contribute in modulating these paths.

Les interneurones du stratum oriens/alveus (O/As), incluant ceux avec une projection axonale s'étendant jusqu'au stratum lacunosum-moleculare (O-LMs) de l'hippocampe reçoivent des projections inhibitrices locales, et possiblement une projection extrinsèque provenant du septum. Peu de choses sont connues sur les propriétés des synapses inhibitrices sur les O/As. La technique du « patch clamp » a été utilisée pour caractériser les courants inhibiteurs évoqués dans des O/As par stimulation de différentes voies inhibitrices. Les données montrent que les courants évoqués par stimulation des voies inhibitrices locales diffèrent de ceux du septum suggérant que des synapses formées par des voies distinctes sur les O/As se démarquent en propriétés et en plasticité synaptique. De plus, les courants enregistrés dans les O-LMs montrent différentes propriétés cinétiques et de plasticité dépendamment à l'âge s'expliquant par l'incorporation synaptique de GABAARα5 lors de la maturation post-natale, qui peut représenter un mécanisme potentiel pour des modifications dans l'inhibition de l'hippocampe.

Dans 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.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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.

Les travaux de l'équipe sont centrés sur la régulation de l'excitabilité et de la plasticité des réseaux neuronaux. La modulation de l'intégration synaptique est étudiée au niveau cortical où il s'agit de déterminer quels sont les acteurs de la plasticité homéostatique et comment l'action spécifique de certains types de récepteurs (cholinergique, sérotoninergique) peut moduler la balance excitation/inhibition déterminée dans des neurones pyramidaux de couche 5 qui génèrent les signaux de sortie du cortex visuel.

L'épilepsie-absence est un syndrome épileptique dont le principal symptôme est une altération transitoire de la conscience, avec décharges pointes-ondes généralisées, qui ont pour origine un dysfonctionnement dans la boucle cortico-thalamique, et naissant dans une sous-population de neurones pyramidaux localisée dans les couches profondes du cortex somatosensoriel. A l'aide d'enregistrements EEG et intracellulaires in vivo dans un modèle animal: les Genetic Absence Epilepsy Rats from Strasbourg, j'ai examiné comment l'excitation initiale des neurones ictogèniques lors des crises est suivie par une hyperpolarisation synaptique chlore-dépendante, concomitante d'une décharge en bouffées dans les interneurones GABAergiques locaux. Le système GABA exerce un effet strictement inhibiteur et contraint la décharge des neurones ictogéniques dans une fenêtre temporelle étroite. Dans une deuxième étude chez l'homme et chez le GAERS, j'ai exploré comment des informations sensorielles sont traitées au cours des DPO. Chez l'enfant épileptique, des stimulations visuelles résultent en des potentiels évoqués occipitaux, plus amples que chez les sujets non-épileptiques. Des stimulations tactiles chez le GAERS induisent lors des crises des potentiels évoqués dans l'EEG et, dans les neurones pyramidaux sous-jacents, des potentiels synaptiques excitateurs plus amples que dans la condition inter-critique. Les troubles de la conscience lors des absences ne résultent donc pas d'un filtrage des informations sensorielles. L'ensemble des recherches fournit des données nouvelles sur les propriétés fonctionnelles des circuits corticaux exprimant les paroxysmes électriques lors des crises d'absence

Dans le hilus du gyrus denté de l'hippocampe, les cellules moussues excitatrices et les interneurones GABAergiques constituent des acteurs clés du réseau. Cependant, en raison en partie de leur grande diversité, la fonction des interneurones GABAergiques du hilus dans la physiologie du gyrus denté reste peu détaillée. Nous avons utilisé des souris transgéniques GAD67-GFP, exprimant la GFP sous le contrôle du promoteur de la GAD67, et évalué les densités de neurones GABAergiques marqués pour la Calretinine (CR), Parvalbumine (PV), Somatostatine (SOM), Neuropeptide Y (NPY) et l'oxyde nitrique synthase (NOS-1) dans le hilus et la couche granulaire. Pour mieux caractériser les différentes populations d'interneurones, nous avons caractérisé les propriétés de 123 neurones en utilisant la technique de RT-PCR sur cellule unique sur des tranches de cerveaux de souris C57Bl6 âgées de 2 à 3 mois. Une analyse non supervisée en clusters basée sur 18 paramètres électrophysiologiques et 7 paramètres moléculaires a clairement mis en évidence un cluster de cellules moussues excitatrices (n=67) et 3 clusters de cellules GABAergiques (n=56). Les deux premiers clusters d'interneurones GABAergiques comprennent des neurones (n=18 et n=16) qui co-expriment le NPY et la SOM mais se différencient clairement par leurs propriétés élcetrophysiologiques. Le troisième cluster d'interneurones comprend des neurones à décharge rapide exprimant soit la PV (n=9) soit la NOS-1 (n=13). Cette caractérisation multiparamétrique supporte l'existence de classes fonctionnelles distinctes parmi les interneurones GABAergiques du gyrus denté

Pendant le développement embryonnaire, les cellules de l'Eminence Ganglionnaire Médiane (EGM) gagnent le cortex cérébral et s'y dispersent largement par migration tangentielle, puis s'y différencient en interneurones. Mon travail de thèse a consisté à analyser le comportement migratoire des cellules d'EGM dans un modèle in-vitro. Ces cellules présentent un cycle de migration en deux phases que j'ai contribué à caractériser. Premièrement, un renflement contenant le centrosome et l'appareil de Golgi se forme à partir du compartiment somatique et migre dans le neurite de tête, jusqu'à 30μm du noyau resté à l'arrière. La deuxième phase du cycle correspond à la translocation rapide du noyau vers le centrosome et l'appareil de Golgi. Les translocations nucléaires sont bloquées par la Blebbistatine, un inhibiteur spécifique de la myosine II non-musculaire, suggérant que les contractions du système d'acto-myosine jouent un rôle déterminant dans les mouvements du noyau vers le centrosome. J'ai examiné le rôle des microtubules dans le contrôle de la forme et de la motilité des cellules d'EGM par des études pharmacologiques. J'ai utilisé du nocodazole, drogue qui altère l'instabilité dynamique des microtubules à faible dose ou les déstabilise à forte dose. De faibles doses (100nM) de nocodazole n'affectent pas ou peu la motilité des cellules d'EGM en migration, mais simplifient leur arborisation neuritique et déstabilisent leur polarité ; de fortes doses (1μM) de nocodazole induisent un comportement migratoire dit multipolaire, avec une vitesse de migration diminuée de moitié. Ces résultats suggèrent que la stabilité des microtubules est cruciale pour maintenir la polarité et contrôler la directionnalité des cellules d'EGM en migration, alors que des mécanismes complémentaires contrôlent leur motilité. J'ai ensuite caractérisé le rôle de la myosine II et d'une de ses voies activatrices, la voie Rho. Le traitement des cellules d'EGM en migration par des doses modérées de Blebbistatine (20μM) ou par un inhibiteur spécifique de la Rho-kinase ROCK (Y27632), ont montré que l'activation de la myosine II non seulement contrôle l'amplitude et la fréquence des translocations nucléaires, mais aussi le positionnement du centrosome à l'avant. L'étude d'un mutant hypomorphe pour l'isoforme B de la myosine II, menée avec Nathalie Nériec, a confirmé ce rôle de la myosine dans le contrôle des mouvements du noyau et du centrosome. Les mouvements relatifs du noyau et du centrosome dans les cellules d'EGM en migration suggèrent une organisation particulière du réseau de microtubules. J'ai étudié cette organisation par tomographie électronique. J'ai mis en évidence deux réseaux de microtubules dans les cellules d'EGM: 1) un réseau de microtubules ancrés aux centrioles et dirigés majoritairement vers l'avant de la cellule 2) des microtubules non-centrosomaux. Le noyau est entouré par des microtubules non-centrosomaux. A l'avant du noyau, des microtubules peuvent former un rail sur lequel glisse la membrane nucléaire. Pendant le cycle de migration des cellules d'EGM, les centrioles présentent des changements de localisation subcellulaire associés à des transformations ultrastructurales inattendues. Le centriole père est capable de s'associer à la membrane plasmique où il peut former un cil. Mes études ultrastructurales montrent que l'ancrage membranaire du corps basal et la formation du cil ont lieu pendant la phase stationnaire du noyau, à distance de celui-ci dans le renflement. Ainsi, dans les futurs interneurones corticaux, l'adressage cyclique d'un centriole/corps basal à la membrane plasmique est corrélé au cycle de migration. Ce processus inédit contrôle probablement la migration des interneurones par un mécanisme qui reste à identifier. Ce comportement caractéristique des centrioles et la régulation dynamique de l'ancrage des microtubules au centrosome pourraient en outre expliquer l'organisation particulière des microtubules dans ces neurones.