Neuronal plasticity deficits underlie many of the neurobehavioral problems seen in Fetal Alcohol Spectrum Disorders (FASD). Recently, we showed that third trimester alcohol exposure lead to a persistent disruption in ocular dominance (OD) plasticity. For instance, few days of monocular deprivation results in a robust reduction of cortical regions responsive to the deprived eye in normal animals, but not in ferrets exposed early to alcohol. This plasticity deficit can be reversed if alcohol-exposed animals are treated with a phosphodiesterase type 1 (PDE1) inhibitor during the period of monocular deprivation. PDE1 inhibition can increase cAMP and cGMP levels, activating transcription factors such as the cAMP response element binding protein (CREB) and the Serum response factor (SRF). SRF is important for many plasticity processes such as LTP, LTD, spine motility and axonal pathfinding. Here we attempt to rescue OD plasticity in alcohol-treated ferrets using a Sindbis viral vector to express a constitutively active form of SRF during the period of monocular deprivation. Using optical imaging of intrinsic signals and single unit recordings we observed that overexpression of a constitutively active form of SRF (Sindbis SRF+), but neither its dominant negative (SRF-) nor GFP, restored OD plasticity in alcohol-treated animals. Surprisingly, this restoration was observed throughout the extent of the primary visual cortex and most cells infected by the virus were positive for GFAP rather than NeuN. Hence, we further tested whether overexpression of SRF exclusively in astrocytes is sufficient to restore OD plasticity in alcohol-exposed ferrets. To accomplish that, first we exposed cultured astrocytes to the SRF+, SRF- or control GFP viruses. After 24h, these astrocytes were implanted in the visual cortex of alcohol-exposed animals or saline controls one day before MD. Optical imaging of intrinsic signals showed that alcohol-exposed animals that were implanted with astrocytes expressing SRF, but not SRF- or GFP, showed robust restoration of OD plasticity in all visual cortex. These findings suggest that overexpression of SRF exclusively in astrocytes can improve neuronal plasticity in FASD.

Falls in the elderly are a major cause of mortality and morbidity. Elderly people with visual impairment have been found to be at increased risk of falling, with poor visual acuity in one eye causing greater risk than poor binocular visual acuity. The present study investigated whether monocular refractive blur, at a level typically used for monovision correction, would significantly reduce stereoacuity and consequently affect gait parameters when negotiating a raised surface. Fourteen healthy subjects (25.8 +/- 5.6 years) walked up to and on to a raised surface, under four visual conditions; binocular, +2DS blur over their non-dominant eye, +2DS blur over their dominant eye and with their dominant eye occluded. Analysis focussed on foot positioning and toe clearance parameters. Monocular blur had no effect on binocular acuity, but caused a small decline in binocular contrast sensitivity and a large decline in stereoacuity (p < 0.01). Vertical toe clearance increased under monocular blur or occlusion (p < 0.01) with a significantly greater increase under blur of the dominant eye compared with blur of the non-dominant eye (p < 0.01). Increase in toe clearance was facilitated by increasing maximum toe elevation (p < 0.01). Findings indicate that monocular blur at a level typically used for monovision correction significantly reduced stereoacuity and consequently the ability to accurately perceive the height and position of a raised surface placed within the travel path. These findings may help explain why elderly individuals with poor visual acuity in one eye have been found to have an increased risk of falling.

Dans le cortex visuel des mammifères, une cellule à panier (BC) qui représente un sous-type majoritaire d’interneurones GABAergiques, innerve une centaine de neurones par une multitude de synapses localisées sur le soma et sur les dendrites proximales de chacune de ses cibles. De plus, ces cellules sont importantes pour la génération des rythmes gammas, qui régulent de nombreuses fonctions cognitives, et pour la régulation de la plasticité corticale. Bien que la fonction des BC au sein des réseaux corticaux est à l'étude, les mécanismes qui contrôlent le développement de leur arborisation complexe ainsi que de leurs nombreux contacts synaptiques n’ont pas été entièrement déterminés. En utilisant les récepteurs allatostatines couplés aux protéines G de la drosophile (AlstR), nous démontrons in vitro que la réduction de l'excitation ainsi que la réduction de la libération des neurotransmetteurs par les BCs corticales individuelles des souris, diminuent le nombre de cellules innervées sans modifier le patron d'innervation périsomatique, durant et après la phase de prolifération des synapses périsomatiques. Inversement, lors de la suppression complète de la libération des neurotransmetteurs par les BCs individuelles avec l’utilisation de la chaîne légère de la toxine tétanus, nous observons des effets contraires selon le stade de développement. Les BCs exprimant TeNT-Lc pendant la phase de prolifération sont caractérisées par des arborisations axonales plus denses et un nombre accru de petits boutons homogènes autour des somas innervés. Toutefois, les cellules transfectées avec TeNT-Lc après la phase de la prolifération forment une innervation périsomatique avec moins de branchements terminaux d’axones et un nombre réduit de boutons avec une taille irrégulière autour des somas innervés. Nos résultats révèlent le rôle spécifique des niveaux de l’activité neuronale et de la neurotransmission dans l'établissement du territoire synaptique des cellules GABAergiques corticaux. Le facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF) est un modulateur puissant de la maturation activité-dépendante des synapses GABAergiques. Grâce à l'activation et à la signalisation de son récepteur tyrosine kinase B (TrkB), la liaison de mBDNF module fortement la prolifération des synapses périsomatiques GABAergiques formés par les BCs. Par contre, le rôle du récepteur neurotrophique de faible affinité, p75NTR, dans le développement du territoire synaptique des cellules reste encore inconnu. Dans ce projet, nous démontrons que la suppression de p75NTR au niveau des BCs individuelles in vitro provenant de souris p75NTRlox induit la formation d'une innervation périsomatique exubérante. BDNF est synthétisé sous une forme précurseur, proBDNF, qui est par la suite clivée par des enzymes, y compris la plasmine activée par tPA, pour produire une forme mature de BDNF (m)BDNF. mBDNF et proBDNF se lient avec une forte affinité à TrkB et p75NTR, respectivement. Nos résultats démontrent qu’un traitement des cultures organotypiques avec la forme résistante au clivage de proBDNF (mut-proBDNF) réduit fortement le territoire synaptique des BCs. Les cultures traitées avec le peptide PPACK, qui inactive tPA, ou avec tPA altèrent et favorisent respectivement la maturation de l’innervation synaptique des BCs. Nous démontrons aussi que l’innervation exubérante formée par les BCs p75NTR-/- n’est pas affectée par un traitement avec mut-proBDNF. L’ensemble de ces résultats suggère que l'activation de p75NTR via proBDNF régule négativement le territoire synaptique des BCs corticaux. Nous avons ensuite examiné si mut-proBDNF affecte l’innervation périsomatique formée par les BCs in vivo, chez la souris adulte. Nous avons constaté que les boutons GABAergiques périsomatiques sont significativement diminués dans le cortex infusé avec mut-proBDNF par rapport à l’hémisphère non-infusé ou traité avec de la saline. En outre, la plasticité de la dominance oculaire (OD) est rétablie par ce traitement chez la souris adulte. Enfin, en utilisant des souris qui ne possèdent pas le récepteur p75NTR dans leurs BCs spécifiquement, nous avons démontré que l'activation de p75NTR via proBDNF est nécessaire pour induire la plasticité de la OD chez les souris adultes. L’ensemble de ces résultats démontre un rôle critique de l'activation de p75NTR dans la régulation et le maintien de la connectivité des circuits GABAergiques, qui commencent lors du développement postnatal précoce jusqu’à l'âge adulte. De plus, nous suggérons que l'activation contrôlée de p75NTR pourrait être un outil utile pour restaurer la plasticité dans le cortex adulte. / Cortical GABAergic basket cells (BC) innervate hundreds of postsynaptic targets with synapses clustered around the soma and proximal dendrites. They are important for gamma oscillation generation, which in turn regulate many cognitive functions, and for the regulation of developmental cortical plasticity. Although the function of BC within cortical networks is being explored, the mechanisms that control the development of their extensive arborisation and synaptic contacts have not been entirely resolved. By using the Drosophila allatostatin G-protein-coupled receptors (AlstR), we show that reducing excitation, and thus neurotransmitter release, in mouse cortical single BC in slice cultures decreases the number of innervated cells without changing the pattern of perisomatic innervation, both at the peak and after the proliferation phase of perisomatic synapse formation. Conversely, suppressing neurotransmitter release in single BCs by using the tetanus toxin light-chain can have completely opposite effects depending on the developmental stage. Basket cells expressing TeNT-Lc during the peak of the proliferation were characterized by denser axonal arbors and an increased number of smaller, homogenous boutons around the innervated somatas compared with control cells. However, after the peak of the synapse proliferation, TeNT-Lc transfected BCs formed perisomatic innervation with fewer terminal axon branches and fewer irregular-sized boutons around innervated somatas. Our results reveal a remarkably specific and age-dependent role of neural activity and neurotransmission levels in the establishment of the synaptic territory of cortical GABAergic cells. Brain derived neurotrophic factor (BDNF) has been shown to be a strong modulator of activity-dependent-maturation of GABAergic synapses. Through the activation and signaling of their receptor Tropomyosin-related kinase B (TrkB), mBDNF binding strongly modulates the proliferation of GABAergic perisomatic synapses formed by BCs. Whether the low-affinity neurotrophin-receptor p75NTR also play a role in the development of basket cell synaptic territory is unknown. Here, we show that single-cell deletion of p75NTR in BCs in cortical organotypic cultures from p75NTRlox mice induce the formation of exuberant perisomatic innervations by the mutant basket cells, in a cell-autonomous fashion. BDNF is synthesized as a precursor, proBDNF, which is cleaved by enzymes, including tPA-activated plasmin, to produce mature (m)BDNF. mBDNF and proBDNF bind with high-affinity to TrkB and p75NTR, respectively. Our results show that treating organotypic cultures with cleavage-resistant proBDNF (mut-proBDNF) strongly reduces the synaptic territory of BCs. Treating cultures with the tPA-inactivating peptide PPACK or with tPA impairs and promotes the maturation of BC synaptic innervations, respectively. We further show that the exuberant innervations formed by p75NTR-/- basket cells are not affected by mut-proBDNF treatment. All together, these results suggest that proBDNF-mediated p75NTR activation negatively regulates the synaptic territory of BCs. We next examined if mut-proBDNF affects perisomatic innervation formed by BCs in vivo, in the adult mouse. We found that perisomatic GABAergic boutons are significantly decreased in the cortex infused with mut-proBDNF as compared to non-infused or saline-treated hemispheres. Further, ocular dominance (OD) plasticity is restored by this treatment in adult mice. Finally, we found that proBDNF-mediated activation of p75NTR is necessary to induce OD plasticity in the adult mice, by using mice that lack p75NTR specifically in BCs. All together, these results demonstrate a critical role of p75NTR activation in regulating and maintaining GABAeric circuit connectivity from early postnatal development to adulthood. Further, we suggest that controlled activation of p75NTR could be a useful tool to restore plasticity in adult cortex.

La plasticité cérébrale est régulée de façon dynamique au cours d’une vie : atteignant des sommets au cours de l’enfance, elle est réduite chez l’adulte. Toutefois, des circonstances particulières appellent à vouloir stimuler la malléabilité du cerveau adulte : pour favoriser la réhabilitation suite à un accident vasculaire cérébral ou un traumatisme crânien, pour aider l’adaptation spécifique nécessaire pour vivre avec une nouvelle prothèse ou encore pour améliorer l’efficacité de la thérapie cognitivo-comportementale suite à un traumatisme émotionnel qui a laissé un souvenir de peur qui s’est développé en syndrome de choc post-traumatique. Toutes ces situations demandent des capacités d’adaptation et une flexibilité exceptionnelles au système nerveux central. Or, pour retrouver une plasticité cérébrale telle qu’au niveau juvénile, la littérature nous apprend qu’il faut diminuer la puissance inhibitrice générée par un type d’interneurones particuliers, ceux exprimant la parvalbumine (PV+). Les fonctions des interneurones PV+ dépendent autant de leur patron de connectivité que de l’environnement extracellulaire dans lequel ils évoluent. En effet, en innervant des centaines de neurones cibles, délivrant une forte inhibition périsomatique en formant de multiples synapses autour de leur corps cellulaire et de leurs dendrites proximales, ils ont été impliqués dans l’intégration synaptique des neurones pyramidaux et dans la synchronisation des circuits corticaux. Toute manipulation ciblant cette arborescence axonale complexe pourrait s’avérer efficace à l’augmentation de la plasticité cérébrale en diminuant l’inhibition qu’elle génère. Ainsi, comprendre la signalisation moléculaire restreignant la croissance de l’arborescence axonale et la formation de boutons fonctionnels au cours de la longue phase développementale qui caractérise les interneurones PV+ aiderait à identifier des méthodes efficaces afin d’activer cette signalisation moléculaire chez l’adulte. De plus, comprendre les régulations épigénétiques liées au développement et à la maturation structurelle et fonctionnelle des interneurones PV+ offrirait une cible de choix afin de dématurer ces circuits inhibiteurs et lever un frein sur la plasticité cérébrale adulte. Nous démontrons ici que l’expression du récepteur des neurotrophines p75NTR chez les interneurones PV+ au cours de leur développement restreint la maturation de leur arborescence axonale, autant in vitro que in vivo, ainsi que l’agglomération des filets périneuronaux, autour de leur corps cellulaire. Aussi, en utilisant une version modifiée du test de ligation de proximité, nous avons résolu une controverse et démontré que le récepteur est toujours exprimé chez les interneurones PV+ du cortex adulte. Enfin, l’activation de la signalisation via p75NTR des interneurones PV+ par son ligand proBDNF est suffisante pour déstabiliser leur connectivité et restaurer la plasticité du cortex visuel suite à une privation monoculaire. Également, l’inactivation d’un régulateur épigénétique, l’histone déacétylase Hdac2, spécifiquement chez les interneurones PV+ suffit à diminuer leur connectivité efférente ainsi que l’agglomération des filets périneuronaux autour de leurs corps cellulaire tout en augmentant la rétention de l’extinction des souvenirs de peur, témoignant d’une augmentation de la plasticité cérébrale adulte. Par le séquençage d’ARNm en cellule unique, suivi de l’hybridation in situ RNAscope, nous avons identifié le gène Acan, codant pour aggrécane, une composante protéique des filets périneuronaux, comme étant exprimé de façon autonome à la cellule par les interneurones PV+ du cortex préfrontal adulte. Enfin, nous avons démontré qu’une seule injection d’un nouvel inhibiteur spécifique pour Hdac2 avant le paradigme d’extinction suffit à augmenter la rétention des souvenirs d’extinction chez l’adulte, tout en réduisant l’expression de Acan et l’agglomération des filets périneuronaux dans le cortex préfrontal. En somme, nos travaux ont montré que le remodelage des circuits des interneurones PV+ en ciblant soit le récepteur p75NTR, soit l’histone déacétylase Hdac2, peut efficacement augmenter la plasticité cérébrale chez l’adulte. / Brain plasticity is dynamically regulated during a lifespan: it reaches a peak during juvenile age and decreases in adulthood. However, exceptional circumstances can drive the need to foster adult brain plasticity: to help rehabilitation after a stroke or a head trauma, to increase the adaptability of an individual facing a new life with a prosthetic, to improve the efficiency of cognitive behavioral therapy to cope with the indelible fear memory trace created by an emotional trauma. All these situations require exceptional adaptation capabilities and cognitive flexibility. Several studies have suggested that reducing inhibitory drive, in particular of a specific GABAergic interneuron population, the parvalbumin-expressing interneurons (PV+), could be an effective approach to recover juvenile brain plasticity, thereby increasing adult brain plasticity. PV+ interneuron functions depend on their axonal connectivity pattern as well as their specific extracellular environment. Indeed, by contacting hundreds of postsynaptic neurons and delivering a strong perisomatic inhibitory drive by forming multiple synapses on their somata and proximal dendrites, PV+ interneurons strongly regulate pyramidal cell synaptic integration and cortical circuit synchronisation. PV+ interneuron maturation is a prolonged process, which reaches plateau only after the end of adolescence, and correlates with the decline of developmentally regulated- brain plasticity. We hypothesize that manipulations specifically targeting PV+ interneuron highly complex axonal arborisation, and thus reducing their inhibitory drive, could be efficient tools to foster adult brain plasticity. Understanding the molecular signalling that restricts PV+ cell axonal arborisation growth and the formation of functional presynaptic boutons during their long developmental phase may help identifying efficient methods to activate this molecular pathway, thus reducing PV+ interneuron connectivity, in adults. In addition, understanding the epigenetic regulation of structural and functional maturation of PV+ interneurons may offer a choice target to dematurate these inhibitory circuits and lift a brake on adult brain plasticity. Here, we demonstrate that the expression levels of neurotrophin receptor p75NTR during PV+ interneurons development constrain the maturation of their connectivity as well as the perineuronal net agglomeration around their cell bodies in a cell-autonomous fashion, both in vitro and in vivo. Also, by using a modified version of the proximity ligand assay, we solve a long-standing debate by demonstrating p75NTR expression in PV+ interneurons in adult cortex. Finally, we show that promoting p75NTR signalisation in PV+ cortical interneurons by its ligand proBDNF is sufficient to destabilize their connectivity and restore cortical plasticity following monocular deprivation in the adult visual cortex. We further show that the deletion of the epigenetic regulator histone deacetylase 2 (Hdac2), specifically in PV+ interneurons, is sufficient to decrease their efferent connectivity and perineuronal net agglomeration around their cell bodies, while increasing fear extinction retention, a measure of brain plasticity. By single-cell RNA sequencing, followed by RNAscope in situ hybridization, we found that the Acan gene, which encodes for aggrecan, a critical perineuronal net protein component, is expressed cell-autonomously by PV+ interneurons in adult prefrontal cortex. Finally, we showed that a single injection of a novel Hdac2 specific inhibitor before extinction training is sufficient to increase fear extinction retention in adults, while reducing Acan expression and perineuronal net agglomeration in prefrontal cortex. In summary, our work shows that increasing remodeling of PV+ interneuron circuits by targeting either p75NTR receptor or histone deacetylase Hdac2 efficiently foster adult brain plasticity.

No description available.