L'hippocampe est une région du cerveau située dans le lobe temporal médian. Avec d'autres structures limbiques, l'hippocampe est impliqué dans des processus d'apprentissage et de mémorisation et possède un rôle crucial dans le traitement spatial de l'information. Les synapses de l'hippocampe formées entre les fibres moussues (fm) originaires du gyrus denté et les neurones pyramidaux de CA3 ont reçu une attention particulière, compte tenu de la position stratégique occupée par le gyrus denté à l'entrée de l'hippocampe. En outre les synapses fm- CA3 sont distinctes de la plupart des autres synapses excitatrices du système nerveux central par leurs propriétés morphologiques et physiologiques uniques. Cela soulève la question de savoir si ces propriétés uniques reflètent aussi un rôle fonctionnel unique dans le traitement de l'information effectué par cette synapse au sein du microcircuit de l'hippocampe. Malheureusement nous ne savons que peu de choses sur la façon dont les cellules granulaires modulent l'activité des neurones de CA3 dans le réseau intact in vivo (Henze et al, 2002 ; Hagena et Manahan - Vaughan, 2010, 2011). Le manque d'information est dû au fait que la manipulation classique des circuits neuronaux par des approches électriques, pharmacologiques et génétiques manque de précisions spatiale et temporelle in vivo. L'utilisation de la stimulation extracellulaire de fibres moussues peut conduire à l'activation polysynaptique de cellules pyramidales de CA3, qui peuvent ensuite contaminer les réponses enregistrées. Par ailleurs, l'utilisation de critères trop conservateurs peut conduire à l'exclusion des réponses provenant des fibres moussues «purs» aux propriétés méconnues (Henze et al., 2000). Toutefois, le développement récent et rapide de l’optogénétique dans les neurosciences a fourni de nouveaux outils offrant une sélectivité spatiale élevée (activation optique spécifique de la cellule), et une grande précision temporelle (à l'échelle de la milliseconde), permettant la dissection et l'étude des circuits neuronaux in vivo. L'objectif de ma thèse était de mieux comprendre les mécanismes et les conséquences physiologiques de la plasticité synaptique à court terme se produisant à la synapse formée entre les fibres moussues et les neurones pyramidaux de CA3 dans le cerveau de souris intact. La présente thèse se compose de deux parties principales. Dans la première partie, j'ai exploré de nouveaux outils optogénétiques dans le but de contrôler l'activité des cellules granulaires à l’aide d’impulsions de lumière. La stimulation optogénétique repose sur l'activation du canal ionique channelrhodopsin - 2 - lumière fermée ( ChR2 ) par une lumière bleue et induit des potentiels d'action sur une large gamme de fréquences de stimulation. J'ai aussi observé que la stimulation optique peut être utilisée pour déclencher la plasticité à court terme au niveau des synapses fm-CA3.Dans la deuxième partie j'ai affiné la méthodologie de stimulation optogénétique in vivo pour la caractérisation non invasive du fonctionnement synaptique des synapses fm- CA3. La fiabilité de la stimulation optogénétique d'une population neuronale génétiquement ciblée ainsi que la résolution d'une seule cellule obtenue en utilisant des enregistrements de cellules entières sont des étapes importantes vers une meilleure compréhension du rôle fonctionnel des fibres moussues dans le réseau de l'hippocampe in vivo. / The hippocampus is a brain region located in the medial temporal lobe. Along with other limbic structures, the hippocampus is involved in learning and memory processes and has a crucial role in spatial information processing. Within the hippocampus synapses made between mossy fibers (mf) originating from the dentate gyrus and CA3 pyramidal neurons have received particular attention, given the strategic position occupied by the dentate gyrus at the entrance of the hippocampus. Moreover mf-CA3 synapses are distinct from most of other excitatory synapses in the central nervous system for their unusual morphological and physiological properties. This raises the question if these unique properties reflect a unique functional role in information processing carried out by this synapse within the microcircuit of the hippocampus. Unfortunately very little is known on how granule cells modulate the activity of CA3 neurons in the intact network in vivo (Henze et al., 2002; Hagena and Manahan-Vaughan, 2010, 2011). The paucity of information is due to the fact that classical manipulation of neuronal circuits using electrical, pharmacological and genetic approaches lack spatial and temporal precision in vivo. The use of bulk extracellular stimulation may lead to polysynaptic activation of CA3 pyramidal cells, which can subsequently contaminate putative mossy fibers synaptic responses measured in CA3 pyramidal cells. The use of overly conservative criteria on the other side may lead to the exclusion of “pure” mossy fibers responses with unexpected properties (Henze et al., 2000).However the recent and fast growth of optogenetics in neuroscience has provided new tools with high spatial selectivity (cell specific optical activation) and temporal precision (at the millisecond scale), allowing the dissection and investigation of neuronal circuits in vivo. The aim of my thesis was to gain insight into the mechanisms and the physiological consequences of short-term synaptic plasticity occurring at mossy fibers to CA3 pyramidal neurons synapses in the intact mouse brain. The present thesis consists of two main parts. In the first part I explored new optogenetic tools to control the activity of granule cells with pulses of light. Optogenetic stimulation, which relies on the activation of the light-gated ion channel channelrhodopsin-2 (ChR2) by blue light reliably induced action potentials over a wide range of frequencies of stimulation. I also found that optical stimulation can be used to trigger short term plasticity at mf-CA3 synapses. In the second part I refined optogenetic stimulation methodology in vivo for non-invasive characterization of synaptic functioning of the mf-CA3 synapses. The reliability of optogenetic stimulation of a genetically targeted neuronal population together with the single cell resolution obtained using whole-cell recordings are important steps towards a better understanding of the functional role of the mossy fibers in the hippocampal network in vivo.

L’orientation spatiale et la fonction de navigation sont des processus contrôlés par des circuits et éléments neuronaux bien précis. Le présubiculum, aire cortical de transition de la région parahippocampique, est situé entre l’hippocampe et le cortex entorhinal. Le présubiculum est impliqué dans la navigation spatiale à la fois chez l’animal et l’Homme. Plus de la moitié des neurones du présubiculum sont des cellules de direction de la tête qui déchargent en fonction de la direction prise par la tête de l’animal. Le présubiculum est un carrefour majeur pour le transfert d’information de direction de la tête et de l’information visuelle aux régions de la formation hippocampique et parahippocampique et sous-corticale. Malgré son importance fonctionnelle, le traitement de l’information au sein du circuit présubiculaire à 6 couches reste encore peu connu. Au cours de ma thèse, j’ai étudié les éléments inhibiteurs qui composent le microcircuit présubiculaire à partir de tranches aigües de cerveau de souris en utilisant la technique du patch-clamp. J’ai caractérisé les propriétés anatomique et électriques des interneurones ainsi que leur connectivité locale et à distances avec d’autres régions corticales.Dans un premier temps, j’ai étudié la diversité des interneurones exprimant la parvalbumine et la somatostatine à partir de lignées de souris transgéniques exprimant une protéine fluorescente dans les interneurones. J’ai montré l’existence des cellules en panier à décharge rapide exprimant la parvalbumine et des cellules de Martinotti à bas seuil d’activation exprimant la somatostatine. J’ai également décrit un troisième groupe atypique avec des propriétés électriques intermédiaires et des morphologies hétérogènes. L’existence de ce groupe transitionnel pourrait s’expliquer par la présence d’interneurones exprimant à la fois la parvalbumine et la somatostatine. Ainsi, le microcircuit inhibiteur du présubiculum semble partager toute la complexité des autres aires corticales. Dans un second temps, je me suis intéressée à l’intégration des entrées thalamiques par les neurones excitateurs et inhibiteurs dans les couches superficielles du présubiculum à l’aide de la technique du double patch-clamp. J’ai montré que les axones thalamiques innervent sélectivement les couches superficielles et plus particulièrement, contactent directement les cellules de projection vers le cortex entorhinal ainsi que les interneurons exprimant la parvalbumine dans la couche 3 du présubiculum. En revanche, les interneurons exprimant la somatostatine sont indirectement recrutés par les cellules pyramidales du microcircuit. Ces interneurones joueraient un double rôle à la fois dans l’inhibition latérale et le maintien d’une décharge soutenue des cellules principales. Du fait de la forte probabilité de connexion entre les cellules principales et les interneurones exprimant la parvalbumine, ces derniers seraient impliqués dans l’inhibition de type feed-forward. Mon travail de thèse a permis d’apporter des connaissances fondamentales concernant l’inhibition au sein du présubiculum. Il a permis de dévoiler une diversité d’interneurones GABAergiques et de montrer l’existence de circuits neuronaux canoniques de type « feedforward » et « feedback » qui seraient recrutés à différents moments de la signalisation de la direction de la tête. / Spatial orientation and navigation are controlled by specific neuronal circuits and elements. The presubiculum, a transitional cortical area of the parahippocampal formation, is located between the hippocampus and the entorhinal cortex, and it participates in spatial navigation in animals and humans. More than half of presubicular neurons are head direction cells that fire as a function of the directional heading. The presubiculum is thought to be a crucial node for transferring directional heading information to the entorhinal-hippocampal network, and feeding back visual landmark information to upstream regions of the head directional circuit. Despite its functional importance, information processing within the 6-layered presubicular microcircuit remains not completely understood. During my PhD, I studied inhibitory neurons of the presubicular microcircuit in the slice preparation using patch-clamp recordings. I characterized their anatomo-physiological properties as well as their functional connectivity with local principal neurons. In the first part, I examined the diversity of two major populations of GABAergic neurons, the parvalbumin (PV) and somatostatin (SOM) expressing interneurons in mouse presubiculum. Using transgenic mouse strains Pvalb-Cre, Sst-Cre and X98, where interneurons were fluorescently labeled, I showed the existence of typical PV fast-spiking basket-like interneurons mainly in the Pvalb-Cre line and SOM low-threshold spiking Martinotti cell-like interneurons in the X98 and Sst-Cre line. Unsupervised cluster analysis based on electrophysiological parameters further revealed a transitional group containing interneurons from either Pvalb-Cre or Sst-cre lines with quasi-fast-spiking properties and heterogeneous morphologies. A small subpopulation of ~6% of interneurons co-expressed PV and SOM in mouse presubiculum. The presubiculum appears to share the whole complexity of other cortical areas in term of inhibition. In the second part, I investigated the integration of thalamic inputs by principal neurons as well as PV and SST interneurons in the presubiculum using double patch-clamp recordings. I found that thalamic axons selectively innervated superficial layers and made direct synaptic contacts with pyramidal neurons that project to medial entorhinal cortex and also with PV interneurons in superficial layer 3. In contrast, SST interneurons were indirectly recruited by presubicular pyramidal cells in a facilitating and frequency dependent manner. They may mediate lateral inhibition onto nearby principal cells, and at the same time, preserve sustained firing of principal neurons. In paired recording experiments, I found that PV cells inhibit neighboring pyramidal neurons with a high connection probability. PV interneurons are rapidly recruited by thalamic excitation and mediate feed-forward inhibition in presubicular pyramidal neurons. My PhD work brought fundamental knowledge about the presubicular inhibitory microcircuit. It has unraveled different populations of GABAergic interneurons and revealed canonical feedforward and feedback inhibitory motifs that are likely to be recruited at different times during head direction signaling.