Le potentiel d’action cardiaque est un phénomène électrique finement régulé par des modifications du voltage membranaire engendré par l’ouverture de différents canaux ioniques (sodium, calcium, chlore et potassium) présents à la surface des cardiomyocytes. Les transferts d’ions, de part et d’autre de la membrane via ces canaux, génèrent des courants pouvant être mesurés par la technique de patch clamp. L’activité électrique cardiaque est donc la résultante d’un équilibre de différents flux d’ions qui peut également être modulé par les systèmes sympathique et parasympathique afin de permettre l’adaptation du rythme cardiaque. Le courant sodique (I[indice inférieur Na]) est responsable de l’initiation des potentiels d’action (PA) et module sa durée. Il joue donc un rôle prépondérant dans l’excitabilité cardiaque et la conduction de l’influx électrique. De par ce fait, une modification des propriétés biophysiques d’I[indice inférieur Na] lors de conditions physiopathologiques peut engendrer des troubles du rythme. I[indice inférieur Na] est divisé en phases rapide (I[indice inférieur Na] pic) et soutenue (I[indice inférieur NaL]) qui interviennent respectivement dans l’excitabilité et la durée d’un PA (phase de plateau). De plus, notre laboratoire a démontré que les canaux sodiques de types cardiaque ([indice inférieur Na]V1.5) et neuronaux (n[indice inférieur Na]Vs) contribuent à I[indice inférieur Na]. Chacun se différencie par leurs propriétés biophysiques, leurs contributions à I[indice inférieur Na] (pic et soutenu) ainsi qu’à leurs sensibilités à la tétrodotoxine (TTX). Nous avons étudié les effets précoces d’un diabète de type II, de l’exposition in-utero à la nicotine des nouveau-nés, de l’épilepsie et de l’ischémie sur les propriétés biophysiques du courant sodique cardiaque I[indice inférieur Na] responsable de l’impulsion électrique menant au battement cardiaque. Ces pathologies ont comme point commun l’apparition de troubles du rythme cardiaque tels que des bradycardies, des troubles de conduction menant parfois à des blocs auriculo-ventriculaires (BAV), des insuffisances cardiaques ou encore des problèmes d’excitabilité pouvant tous être reliés au courant sodique. Nos résultats montrent que toutes ces conditions physiopathologiques altèrent les propriétés du courant sodique en augmentant l’amplitude du courant I[indice inférieur Na] (diabète, exposition in-utero à la nicotine, épilepsie), l’excitabilité (diabètes, exposition in-utero à la nicotine, épilepsie) ou en augmentant le taux de participation des nNaVs à I[indice inférieur NaL] (épilepsie, ischémie). Nos données concordent avec la littérature et les observations cliniques et permettent d’expliquer en partie l’apparition de ces anomalies de troubles du rythme survenant chez les personnes atteintes de ces pathologies.

Le but de ce mémoire est de valider la microscopie électro-optique Pockels comme méthode de mesure et de cartographie de champ électrique aux échelles micro et nanométriques. Une première partie est dédiée à la description de l’instrumentation d’imagerie mise en jeu. Nous développons ensuite son application en physique et biophysique. Une étude de couches minces monocristallines de 2-methyl-4-nitroaniline (MNA) a permis de sonder localement la variation de champ électrique appliqué, mais aussi d’étudier l’orientation des axes optiques de ce cristal dans l’espace. A l’échelle sub-longueur d’onde nous avons pu isoler la modulation électro-optique de la diffusion de lumière associée à une nanoparticule isolée de KTiOPO4 (KTP) d’une taille de 150nm. La dépendance polaire du signal Pockels sur la polarisation lumineuse incidente a permis de prédire l’orientation de la maille cristalline du KTP dans l’espace. De telles sondes de champs électriques nanométriques peuvent avoir de nombreuses applications en nano-photonique. Dans le cas d’entité biologiques comme des neurones, la propagation de l’information est assurée par celle d’un champ électrique dans les membranes plasmiques. Dans une première étape, nous nous sommes intéressés à l’étude de bicouches artificielles dopées par un colorant non-linéaire, le DI-8-ANEPPS. Un signal électro-optique Pockels y a été mesuré pour la première fois. La caractérisation de l’insertion du colorant dans la membrane a été aussi discutée. La grande sensibilité à la mesure d’un champ électrique assurée par l’interféromètre permet d’envisager des possibilités d’applications dans des cellules vivantes. Des expériences menées sur des cellules de type PC12 ont montré l’existence d’un signal optique qui est associé à la distribution spatiale du champ électrique. L’ensemble de ces travaux montrent que la microscopie électro-optique s’avère constituer un outil important pour la physique et biophysique. / The aim of this thesis is to validate the electro-optical Pockels microscopy as a powerful technique for electric field imaging at nano and micrometer scales. A first part of this manuscript is dedicated to the instrumental aspects of this new microscope modality. Then we discuss its application in physical and biophysical domains. We have investiguqted 2-methyl-4-nitroaniline(MNA) monocrystalline molecular thin films where the electric field distribution could be imaged, and crystal orientation retrieved. At sub-wavelength scale, we were able to isolate the electro-optical modulation of light scattered by isolated 150nm size KTiOP04 (KTP) nanoparticles. Using the angular dependency of the Pockels response to the polarization of light we could determine the a priori random, spatial orientation of the nanocrystal. Such electric-field nano-probe configuration could find its way in various applications. In the case of biological entities such as neurons, information is transmitted via an electric field signal, propagating through the plasmid membrane. We concentrated first on a model artificial membrane doped with the DI-8-ANEPPS nonlinear dye, evidencing for the first time a Pockels electro-optical response. A relatively high sensitivity to the electric field allows to envision interesting applications in living cells. Experiences performed with PC 12 cells have shown an optical response that reflects the electric field spatial distribution. This work demonstrates that the electro-optical microscopy is emerging as a new powerful tool for sub-wavelength investigation of electro-optical properties in physics and biology.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires sécrètent du Cl- via le canal CFTR. La fibrose kystique est une maladie génétique fatale causée par des mutations de ce canal. La mutation la plus fréquente en Amérique du Nord, ∆F508, met en péril la maturation de la protéine et affecte les mécanismes d’activation du canal. Au cours des dernières années, plusieurs molécules ont été identifiées par criblage à haut débit qui peuvent rétablir l’activation de protéines CFTR mutées. Ces molécules sont nommées potentiateurs. Les canaux K+ basolatéraux, dont KCa3.1, jouent un rôle bien documenté dans l’établissement d’une force électromotrice favorable à la sécrétion de Cl- par CFTR dans les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires. Il a par exemple été démontré que l’application de 1-EBIO, un activateur de KCa3.1, sur des monocouches T84 résulte en une augmentation soutenue de la sécrétion de Cl- et que cette augmentation était réversible suite à l’application de CTX, un inhibiteur de KCa3.1(Devor et al., 1996). Dans le cadre d’une recherche de potentiateurs efficaces en conditions physiologiques et dans un contexte global de transport trans-cellulaire, il devient essentiel de considérer les effets des potentiateurs de CFTR sur KCa3.1. Une caractérisation électrophysiologique par la méthode du patch clamp et structurelle via l’utilisation de canaux modifiés par mutagenèse dirigée de différents potentiateurs de CFTR sur KCa3.1 fut donc entreprise afin de déterminer l’action de ces molécules sur l’activité de KCa3.1 et d’en établir les mécanismes. Nous présentons ici des résultats portant sur les effets sur KCa3.1 de quelques potentiateurs de CFTR possédant différentes structures. Un criblage des effets de ces molécules sur KCa3.1 a révélé que la genisteine, le SF-03, la curcumine et le VRT-532 ont des effets inhibiteurs sur KCa3.1. Nos résultats suggèrent que le SF-03 pourrait agir sur une protéine accessoire et avoir un effet indirect sur KCa3.1. La curcumine aurait aussi une action inhibitrice indirecte, probablement via la membrane cellulaire. Nos recherches sur les effets du VRT-532 ont montré que l’accessibilité au site d’action de cette v molécule est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1. L’absence d’effets inhibiteurs de VRT-532 sur le mutant constitutivement actif V282G indique que cette molécule pourrait agir via l’interaction CaM-KCa3.1 et nécessiter la présence de Ca2+ pour agir. Par ailleurs, un autre potentiateur de CFTR, le CBIQ, a des effets potentiateurs sur KCa3.1. Nos résultats en canal unitaire indiquent qu’il déstabilise un état fermé du canal. Nos travaux montrent aussi que CBIQ augmente la probabilité d’ouverture de KCa3.1 en conditions sursaturantes de Ca2+, ainsi que son affinité apparente pour le Ca2+. Des expériences où CBIQ est appliqué en présence ou en absence de Ca2+ ont indiqué que l’accessibilité à son site d’action est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1, mais que la présence de Ca2+ est nécessaire à son action. Ces résultats sont compatibles avec une action de CBIQ déstabilisant un état fermé du canal. Finalement, des expériences en Ba2+ nous ont permis d’investiguer la région du filtre de sélectivité de KCa3.1 lors de l’action de CBIQ et nos résultats pointent vers une action de CBIQ dans cette région. Sur la base de nos résultats nous concluons que CBIQ, un potentiateur de CFTR, aurait un effet activateur sur KCa3.1 via la déstabilisation d’un état fermé du canal à travers une action sur sa ‘gate’ au niveau du filtre de sélectivité. De plus, les potentiateurs de CFTR ayant montré des effets inhibiteurs sur KCa3.1 pourraient agir via la membrane ou via une protéine accessoire du canal ou sur l’interaction CaM-KCa3.1. Dans l’optique de traitements potentiels de la fibrose kystique, nos résultats indiquent que le CBIQ pourrait être un potentiateur efficace pusiqu’il est capable de trimuler à la fois KCa3.1 et CFTR. Par contre, dans les cas du VRT-532 et du SF-03, une inhibition de KCa3.1 pourraient en faire des potentiateurs moins efficaces. / Airway epithelial cells are the site of Cl- secretion through CFTR. Cystic fibrosis is a fatal genetic disease caused by mutations in CFTR. The most frequent mutation in North America (∆F508) results in impaired maturation and altered channel gating of the protein. In the last years, several small molecules were identified by high throughput screening that could restore mutated CFTR function. Compounds addressing CFTR gating defects are referred to as potentiators. The basolateral K+ channel KCa3.1 has been documented to play a prominent role in establishing a suitable driving force for CFTR-mediated Clsecretion in airway epithelial cells. It has been shown, for example, that the application of 1-EBIO on T84 monolayers results in a sustained increase of Clsecretion and that this current can be reversed by application of CTX, a KCa3.1 inhibitor (Devor et al., 1996). Thus, in a global approach of transepithelial transport, the research for physiologically relevant CFTR potentiators should also consider their effects on the KCa3.1 channel. Electrophysiological patch clamp measurements and channel structural modification by site directed mutagenesis were used to characterize the action of CFTR potentiators on KCa3.1 and study their molecular mode of action. In this work we present results on the effects on KCa3.1 of several CFTR potentiators of different structures. We observed that the CFTR potentiators genistein, curcumin, SF-03 and VRT-532 could inhibit KCa3.1 activity at concentrations known to activate CFTR. Our results suggest that SF- 03 could act indirectly on KCa3.1 through a mechanism involving an accessory protein. Curcumin would also have an indirect inhibitory effect, probably mediated by the plasma membrane, as documented for other ion channels. A detailed study of VRT-532 revealed that this molecule has access to its binding site in a state independent manner, and is poorly effective on the V282G mutant of KCa3.1, which is constitutively active. These results suggest that VRT-532 could act through the CaM/KCa3.1 complex and require the presence of Ca2+ to inhibit channel activity. In contrast, CBIQ, another CFTR potentiator, succeeded to activate KCa3.1. Our results in single channel show that CBIQ vii destabilizes a non conducting state of the channel. We also showed that this molecule increases the apparent Ca2+ affinity as well as the channel open probability, even in saturating Ca2+ conditions. Experiences in which Ba2+ was used as a probe were also performed to determine if the action mechanism of CBIQ involves an effect on the selectivity filter. Our results showed that Ba2+ could displace CBIQ from its interacting site, suggesting that the increases in channel activity induced by CBIQ could result from a change in the energetics of the channel at the level of the selectivity filter. On the basis of our results, we conclude that CBIQ, a CFTR potentiator, could activate KCa3.1 by destabilizing a non conducting state of the channel, probably through an action near the selectivity filter region. Also, CFTR potentiators having an inhibitory effect on KCa3.1 are likely to act through the plasmic membrane, the CaM/KCa3.1 interaction or an accessory protein of the channel. In a perspective of future treatments for CF, our results indicate that CBIQ could be an efficient potentiator since this product stimulates KCa3.1 as well as CFTR. Conversly, the VRT-532 and SF-03 could be less efficient than on CFTR alone, due to their inhibition of KCa3.1.

Les canaux potassiques dépendants du voltage sont formés de quatre sous-unités, chacune possédant six segments transmembranaires (S1-S6) et une boucle (p-loop) qui se trouve entre le cinquième et le sixième segment au niveau du pore. Il est connu que le segment senseur du voltage (S1-S4) subit un mouvement lorsque le potentiel membranaire change. Pour ouvrir le canal, il est nécessaire de transférer l'énergie du senseur du voltage (généré par le mouvement des charges positives de S4) au pore. Le mécanisme exact de ce couplage électromécanique est encore sous étude. Un des points de liaison entre le senseur de voltage et le pore est le lien physique fait par le segment S4-S5 (S45L). Le but de cette étude est de déterminer l'influence de la flexibilité du segment S45L sur le processus de couplage. Dans le S45L, trois glycines sont distribuées dans des positions différentes. Elles sont responsables de la flexibilité des hélices-alpha. Ces glycines (mais pas leurs positions exactes) sont conservées pour tous les canaux potassiques dépendants de potentiel. En utilisant la technique de mutagènes dirigé, la glycine a été remplacée dans chacune de ces différentes positions par une alanine et dans une deuxième étape, par une proline (pour introduire un angle dans l'hélice). Pour étudier le comportement des canaux dans cette nouvelle conformation, on a appliqué la technique de « patch clamp » pour déterminer les effets lors de l'ouverture du pore (courant ionique). Avec le « cut-open oocyte voltage-clamp », nous avons étudié les effets sur le mouvement du senseur de voltage (courant “gating”) et la coordination temporelle avec l'ouverture du pore (courant ionique). Les données ont montré qu’en réduisant la flexibilité dans le S45L, il faut avoir plus d'énergie pour faire ouvrir le canal. Le changement pour une proline suggère que le mouvement du senseur est indépendant du pore pendant l'ouverture du canal. / Voltage-gated potassium channels are formed of four subunits, each one with six transmembrane segments (S1-S6) and a loop (p-loop) between S5 and S6 at the level of the pore. It is known that the voltage sensitive segment (S1-S4) undergoes a movement upon membrane potential changes. To open the channel, it is necessary to transfer the energy of the voltage sensor (generated by the displacement of the positive charges of S4) to the pore. The exact mechanism of this “electromechanical coupling” is still under investigation. The voltage sensor and pore are physically linked by the S4-S5 linker (S45L). The aim of this study is to determine the influence of S45L flexibility on the coupling process. In the S45L, three glycines are distributed at different positions and are responsible for the flexibility of the alpha-helix. These glycines (but not their exact position) are conserved within the potassium voltage-gated ion channels. The glycines were each replaced by an alanine using point mutagenesis. In a second step, a proline was introduced at the position in order to introduce a break in the helix. To study the behaviour of channels in this new conformation, we used the patch clamp technique to determine the effects during the pore opening (ionic current). With the cut-open voltage-clamp we determined the effects on voltage sensor movement (gating current) as well as the temporal correlation with the pore opening (ionic current). The data showed that when the flexibility of the S45L is reduced, the channel needs more energy to open. Exchange with proline suggests that the movement of the sensor is independent of pore opening.

Le système dopaminergique (DA) méso-corticolimbique du cerveau, qui prend son origine dans l'aire tegmentaire ventrale (ATV), est fortement impliqué dans les comportements motivés et la toxicomanie. Les drogues d'abus activent ce système et y induisent une plasticité synaptique de longue durée. Les neurones DA de l'ATV reçoivent sur leur arborisation dendritique une grande densité de terminaisons glutamatergiques. Les drogues d'abus induisent une potentialisation à long terme (PLT) de ces contacts glutamatergiques. La PLT est une augmentation prolongée de la transmission synaptique, qui semble sous-tendre la mémoire et l'apprentissage. Les endocannabinoïdes (ECs) sont des neurotransmetteurs qui agissent de façon rétrograde sur des récepteurs présynaptiques (CB1) pour diminuer la libération des neurotransmetteurs comme le glutamate. Les neurones libèrent les ECs à partir de leur compartiment somatodendritique suite à une stimulation des afférences et la dépolarisation membranaire qui s’ensuit. La neurotensine (NT) est un neuropeptide retrouvé de façon abondante dans le système DA du cerveau. Il a été découvert que la NT peut induire la libération des ECs dans le striatum. En faisant appel à une combinaison d’approches immunohistochimique, électrophysiologique et pharmacologique chez la souris, nous avons confirmé dans la première étude de cette thèse la présence des récepteurs CB1 sur les terminaisons glutamatergiques des neurones DA de l'ATV, et avons montré que leur activation induit une diminution de la libération de glutamate. Par ailleurs, nous avons montré que des trains de stimulation peuvent induire la libération des ECs. Nous avons découvert qu'en présence d'un antagoniste des récepteurs CB1, il y a facilitation de l’induction de la PLT. Cette observation suggère que les ECs ont un effet inhibiteur sur l’induction de la PLT, plutôt que sur son expression. Nous avons déterminé que le 2-arachidonoylglycerol (2-AG) est l’EC qui est principalement responsable de cette action inhibitrice. Finalement, la PLT induite en présence d’un antagoniste CB1 est aussi dépendante d'une activation des récepteurs NMDA du glutamate. Les travaux réalisés dans la deuxième étude de cette thèse ont montré que la NT est présente dans une sous-population de terminaisons axonales glutamatergiques dans l’ATV. Une application exogène de NT induit une diminution prolongée de l'amplitude des courants postsynaptiques excitateurs (CPSEs). Cette diminution est bloquée en présence d'un antagoniste non-sélectif des récepteurs à la NT, ainsi qu'en présence d'un antagoniste sélectif pour le récepteur de NT de type 1 (NTS1). Confirmant l’implication d’une production d’ECs, la baisse des CPSEs par la NT a été bloquée en présence d’un antagoniste des récepteurs CB1 ou d’un bloqueur de la synthèse de 2-AG. La chélation du calcium intracellulaire n'empêchait pas l’effet inhibiteur de la NT sur les CPSEs, cependant, l'inhibition des protéines G ou de la phospholipase C a complètement bloqué la dépression synaptique induite par la NT. Par ailleurs, nos travaux ont montré que la nature prolongée de la dépression synaptique induite par la NT exogène s’explique par une libération soutenue des ECs, et non pas à une activation prolongée des NTR. Finalement, notre observation qu’un antagoniste des récepteurs de la NT ne facilite pas l’induction de la PLT, comme le fait un antagoniste du récepteur CB1, suggère que la stimulation répétitive des afférences glutamatergiques nécessaire à l’induction de la PLT n’induit pas de libération des ECs via la libération de NT, nous permettant ainsi de conclure que la sécrétion de NT n'agit pas dans ces conditions comme un facteur de régulation négative de la PLT. / The meso-corticolimbic dopamine (DA) system of the brain, originating in the ventral tegmental area (VTA), is strongly implicated in reward, motivation and drug addiction. Drugs of abuse activate this system and cause significant long term plasticity. DA neurons in the VTA receive are densely innervated by glutamatergic inputs. All major classes of drugs of abuse have been found to cause a long term potentiation (LTP) of glutamate transmission onto DA neurons of the VTA. LTP is an enduring increase of synaptic transmission, hypothesized to underlie memory and learning. Endocannabinoids (ECs) are transmitters that act in a retrograde fashion on pre-synaptic receptors leading to a decrease in neurotransmitter release. DA neurons can release ECs from their somatodendritic compartment in response to afferent stimulation or depolarization. Neurotensin (NT) is a neuropeptide that presents an extensive interaction with the DA system. It was discovered that NT can induce production of ECs in the striatum. In the first study of this thesis, we used a combination of immunohistochemical, pharmacological and electrophysiological techniques in mouse brain slices to demonstrate that CB1 EC receptors are present on glutamatergic afferents to DA neurons. Their activation induces a depression of glutamate release. We further showed that trains of afferent stimulation induce EC release from DA neurons and that in the presence of the CB1 antagonist AM251, there is a marked facilitation of the induction of LTP, suggesting that ECs produced in response to activation of glutamate synapses normally negatively regulate the induction, but not the expression of LTP. Finally, we found that 2-arachidonoylglycerol (2-AG) is the main EC implicated in this negative regulation of LTP and that LTP induced in the presence of a CB1 receptor antagonist is otherwise also dependent on NMDA glutamate receptors. In the second study, we report that NT is present in a subset of glutamatergic axon terminals in the VTA and that activation of NT receptors by exogenous NT induces a long-lasting decrease of the amplitude of excitatory postsynaptic currents (EPSCs) in VTA DA neurons. This decrease was blocked by a broad-spectrum NTR antagonist, as well as by a specific antagonist of the type 1 NT receptor NTS1. The decrease was also blocked when CB1 receptors or 2-AG synthesis were blocked. Chelating intracellular calcium had no effect, but inhibiting G-proteins or phospholipase C blocked NT-mediated synaptic depression. The long-lasting nature of the synaptic depression induced by NT was due to protracted EC release and not to prolonged NT receptor activation. Finally, our observation that a NT receptor antagonist did not facilitate LTP induction, as did a CB1 receptor antagonist, suggests that repetitive stimulation of glutamatergic afferents required to induce LTP does not cause EC production through the release of NT, thus allowing us to conclude that secretion of NT does not act under such conditions as a negative regulator of LTP.

<p>Intricate neural circuits underlie all brain functions. However, these neural circuits are highly dynamic. The ability to change, or the plasticity, of the brain has long been demonstrated at the level of isolated single synapses under artificial conditions. Circuit organization and brain function has been extensively studied by correlating neuronal activity with information input. The primary visual cortex has become an important model brain region for the study of sensory processing, in large part due to the ease of manipulating visual stimuli. Much has been learned from studies of visual cortex focused on understanding the signal-processing of visual inputs within neural circuits. Many of these findings are generalizable to other sensory systems and other regions of cortex. However, few studies have directly demonstrated the orchestrated neural-circuit plasticity occurring during behavioral experience. </p> <p>It is vital to measure the precise circuit connectivity and to quantitatively characterize experience-dependent circuit plasticity to understand the processes of learning and memory formation. Moreover, it is important to study how circuit connectivity and plasticity in neurological and psychiatric disease states deviates from that in healthy brains. By understanding the impact of disease on circuit plasticity, it may be possible to develop therapeutic interventions to alleviate significant neurological and psychiatric morbidity. In the case of neural trauma or ischemic injury, where neurons and their connections are lost, functional recovery relies on neural-circuit repair. Evaluating whether neurons are reconnected into the local circuitry to re-establish the lost connectivity is crucial for guiding therapeutic development.</p> <p>There are several major technical hurdles for studies aiming to quantify circuit connectivity. First, the lack of high-specificity circuit stimulation methods and second, the low throughput of the gold-standard patch-clamp technique for measuring synaptic events have limited progress in this area. To address these problems, we first engineered the patch-clamp experimental system to automate the patching process, increasing the throughput and consistency of patch-clamp electrophysiology while retaining compatibility of the system for experiments in <i>ex vivo </i>brain slices. We also took advantage of optogenetics, the technology that enables control of neural activity with light through ectopic expression of genetically encoded photo-sensitive channels in targeted neuronal populations. Combining optogenetic stimulation of pre-synaptic axonal terminals and whole-cell patch-clamp recording of post-synaptic currents, we mapped the distribution and strength of synaptic connections from a specific group of neurons onto a single cell. With the improved patch-clamp efficiency using our automated system, we efficiently mapped a significant number of neurons in different experimental conditions/treatments. This approach yielded large datasets, with sufficient power to make meaningful comparisons between groups.</p> <p>Using this method, we first studied visual experience-dependent circuit plasticity in the primary visual cortex. We measured the connectivity of local feedback and recurrent neural projections in a Fragile X syndrome mouse model and their healthy counterparts, with or without a specific visual experience. We found that repeated visual experience led to increased excitatory drive onto inhibitory interneurons and intrinsically bursting neurons in healthy animals. Potentiation at these synapses was absent or abnormal in Fragile X animals. Furthermore, recurrent excitatory input onto regular spiking neurons within the same layer remained stable in healthy animals but was depressed in Fragile X animals following repeated visual experience. These results support the hypothesis that visual experience leads to selective circuit plasticity which may underlie the mechanism of visual learning. This circuit plasticity process is impaired in a mouse model of Fragile X syndrome. </p> <p>In a separate study, in collaboration with the laboratory of Dr. Gong Chen, we applied the circuit-mapping method to measure the effect of a novel brain-repair therapy on functional circuit recovery following ischemic injury, which locally kills neurons and creates a glial scar. By directly reprogramming astrocytes into neurons within the region of the glial scar, this gene-therapy technology aims to restore the local circuit and thereby dramatically improve behavioral function after devastating neurological injury. We found that direct reprogramming converted astrocytes into neurons, and importantly, we found that these newly reprogrammed neurons integrated appropriately into the local circuit. The reprogramming also improved connections between surviving endogenous neurons at the injury site toward normal healthy levels of connectivity. Connections formed onto the newly reprogrammed neurons spontaneously remodeled, the process of which resembled neural development. By directly demonstrating functional connectivity of newly reprogrammed neurons, our results suggest that this direct reprogramming gene-therapy technology holds significant promise for future clinical application to restore circuit connectivity and neurological function following brain injury.</p>

A key function of the nervous system is to sample data from the external world, generate internal signals, and transform them into meaningful information that can be used to trigger behaviour. In order to gain insight into the underlying mechanism for signal transformation, the visual system has been extensively studied: partly owing to the stimulus being reliably presentable, and the anatomy being well described. The Drosophila visual system is one such system, with the added advantage of genetic tractability. In this thesis, I studied the filtering property of visual neurons at two levels, biophysical and circuit levels. The first study looks at signal transformation at the biophysical level, at the input of the visual system, in photoreceptors. Voltage-gated potassium channels counteract the depolarization caused by opening of light sensitive channels, and the heterogeneous properties of their kinetics can fine-tune the photoreceptor’s frequency response to fulfill the animal’s ecological requirements. Shaker (Kv1) and Shab (Kv2) have been identified as fast and slow inactivating components of the photoreceptor’s outward currents, however a current with intermediate kinetics (IKf) has not been molecularly identified, but had been postulated to be Shal (Kv4). I focused on characterizing this current using whole-cell patch clamp in wild type and mutants, and using antibodies for Shal. My results from whole-cell patch clamp indicated that IKf in adult R1-6 cells are not Shal, from their voltage dependence and insensitivity to a Kv4 blocker. This calls for alternative molecular basis for IKf, which is likely to be a slow inactivating component of Shaker, or a combination of its many splice variants. The second study looks at signal transformation at the circuit level, at the output end, in the third optic neuropil, lobula. Visual projection neurons project from the lobula to the central brain, and have been proposed to carry behaviourally relevant visual features to higher brain regions. It was recently shown that optogenetic activation of individual visual projection neuron types could induce distinct behaviours such as takeoff and backward walking, linking these visual neurons to specific behavioural programs downstream. Using in vivo two-photon calcium imaging, I recorded visually evoked calcium responses from three of these cell types. Cell types that showed induced takeoff and backward walking preferentially responded to dark looming stimuli or fragmented expanding local features, suggesting their role in behaviours triggered by object approach. To explore how this visual information is transformed in the downstream circuit, we identified several candidate neurons that receive input from this cell type by anatomical overlap, and then validated their connections using optogenetic activation and calcium imaging. One downstream cell-type that projects bilaterally had very similar response properties to its upstream partner, whereas another cell-type that projects ipsilaterally seemed to filter out some information from its upstream partner. This is one of the first studies that functionally characterizes lobula visual projection neurons and their downstream partners in Drosophila, and their response properties agree with the general idea that visual information becomes increasingly selective as it is sent to higher brain regions.

Hyperpolarization-activated, cyclic-nucleotide gated ion channels (HCN channels) are activated by membrane hyperpolarization and modulated by cyclic nucleotides. HCN channels are important to maintain the resting membrane potential and input resistance in neurons and have important physiological functions in the brain and heart. Four mammalian HCN isoforms, HCN1-4, and the isoform cloned from sea urchin, spHCN, have been extensively studied. Among these, only spHCN channel shows a voltage dependent inactivation. Previous studies have shown that the ligand binding in mHCN2 channel is activity dependent: cAMP binding increases along with channel opening or channels in the open state have higher binding affinity for cAMP. But to date, information pertaining to the ligand binding to an inactivated ion channel or desensitized receptor is lacking. To address this gap, we used fluorescently labelled cAMP analogues in conjunction with patch clamp fluorometry (PCF) to study the ligand binding to the spHCN channel in various conformational states. We show that inactivated spHCN channel shows reduced binding affinity for cAMP, compared to that of the closed or open channel. Parallelly, we noticed significant changes to channel function when a combination of laser and photosensitizer was used to study ligand binding. A reactive oxygen species called singlet oxygen has been confirmed to be the major player in this process. Both photo-dynamically generated and chemically generated singlet oxygen modifies spHCN channel by removing the inactivation. The effect of singlet oxygen on channel can be abolished by the mutation of a key histidine (H462) residue in the ion conducting pore. Taken together, these two projects expanded our understanding about the physicochemical nature of fluorophores from two aspects: (i) the release of photon as a valuable tool to study the conformational dynamics in proteins; (ii) the generation of singlet oxygen as an effective modulator of protein function.

Les récepteurs ionotropes du GABA (GABARs) sont inhibés par des insecticides tels que les phénylpyrazoles (fipronil). Deux facteurs susceptibles de modifier leur sensibilité au fipronil ont été examinés : 1) l'édition de l'ARNm d'une sous-unité de GABAR (RDL) et 2) la phosphorylation par la PKC. La sous-unité RDL de drosophile présente des mutations (A301êS/G et/ou T350êM) induisant une résistance aux insecticides, ainsi que des sites d'édition dont un dans le domaine N-terminal (R122êG). Les effets fonctionnels de l'édition R122êG ont été testés par expression de divers isoformes de la sous-unité RDL (mutés ou non, édités ou non) dans des ovocytes de xénope. Les résultats montrent que l'édition R122êG entraîne une réduction de la sensibilité des récepteurs RDL au GABA et au fipronil. Deux types de récepteurs (GABAR1 et GABAR2) sont exprimés à la surface des neurones DUM isolés de Periplaneta americana, les GABAR2 étant régulés positivement par la CaMKII. Ce modèle cellulaire a été utilisé pour étudier, par la technique du patch-clamp, la régulation des GABARs par la PKC et ses conséquences sur les effets du fipronil. Les GABAR2 apparaissent plus sensibles à l'inhibition par des PKC que les GABAR1, et la potentialisation de l'activité des GABAR2 par la CaMKII s'exerce via l'inhibition d'une PKC. Les GABAR2 étant plus sensibles au fipronil que les GABAR1, leur blocage sélectif par une PKC entraîne une réduction importante de l'inhibition exercée par le fipronil. Le clonage de la sous-unité RDL dans la chaîne nerveuse de la blatte et dans les neurones DUM révèle la présence de sites potentiels de phosphorylation par la PKC et la CaMKII ainsi que l'existence de deux variants différant par vingt résidus dans la boucle M3-M4.