Short-term synaptic plasticity results from use-dependent activity, lasts on the timescale of milliseconds to minutes, and is thought to underlie working memory and neuronal information processing. Here, we focus on two forms of short-term plasticity: 1) post-tetanic potentiation (PTP), which is induced by high-frequency stimulation, and 2) presynaptic ionotropic receptor-activated synaptic enhancement, which can be produced by the activation of presynaptic glycine receptors. Potentiation of evoked and spontaneous responses is thought to arise from elevations in presynaptic residual Ca2+, which activates one or more molecular targets to increase neurotransmitter release. However, the Ca2+ sensor protein has not yet been identified. The overall goal of this work is to elucidate the Ca2+-dependent mechanisms of short-term plasticity.

La plasticité synaptique est une importante propriété du système nerveux, impliquée dans l’intégration de l’information. Cette plasticité a généralement été décrite par des changements aux niveaux pré et postsynaptiques. Notamment, l’efficacité présynaptique, soit la probabilité de libération de neurotransmetteurs associée au contenu quantique d’une synapse, peut être augmentée ou diminuée selon l’activité antérieure de la synapse. Malgré cette caractérisation, les mécanismes à l’origine de la détermination de l’efficacité présynaptique demeurent obscurs. Également, la plasticité synaptique reste encore mal définie au niveau glial, limitant, de ce fait, notre compréhension de l’intégration de l’information. Pourtant, la dernière décennie a mené à une redéfinition du rôle des cellules gliales. Autrefois reléguées à un rôle de support passif aux neurones, elles sont désormais reconnues comme étant impliquées dans la régulation de la neurotransmission. Notamment, à la jonction neuromusculaire (JNM), les cellules de Schwann périsynaptiques (CSPs) sont reconnues pour moduler l’efficacité présynaptique et les phénomènes de plasticité. Un tel rôle actif dans la modulation de la neurotransmission implique cependant que les CSPs soient en mesure de s’adapter aux besoins changeants des JNMs auxquelles elles sont associées. La plasticité synaptique devrait donc sous-tendre une forme de plasticité gliale. Nous savons, en effet, que la JNM est capable de modifications tant morphologiques que physiologiques en réponse à des altérations de l'activité synaptique. Par exemple, la stimulation chronique des terminaisons nerveuses entraîne une diminution persistante de l’efficacité présynaptique et une augmentation de la résistance à la dépression. À l’opposé, le blocage chronique des récepteurs nicotiniques entraîne une augmentation prolongée de l’efficacité présynaptique. Aussi, compte tenu que les CSPs détectent et répondent à la neurotransmission et qu’elles réagissent à certains stimuli environnementaux par des changements morphologiques, physiologiques et d’expression génique, nous proposons que le changement d'efficacité présynaptique imposé à la synapse, soit par une stimulation nerveuse chronique ou par blocage chronique des récepteurs nicotiniques, résulte en une adaptation des propriétés des CSPs. Cette thèse propose donc d’étudier, en parallèle, la plasticité présynaptique et gliale à long-terme, en réponse à un changement chronique de l’activité synaptique, à la JNM d’amphibien. Nos résultats démontrent les adaptations présynaptiques de l’efficacité présynaptique, des phénomènes de plasticité à court-terme, du contenu mitochondrial et de la signalisation calcique. De même, ils révèlent différentes adaptations gliales, notamment au niveau de la sensibilité des CSPs aux neurotransmetteurs et des propriétés de leur réponse calcique. Les adaptations présynaptiques et gliales sont discutées, en parallèle, en termes de mécanismes et de fonctions possibles dans la régulation de la neurotransmission. Nos travaux confirment donc la coïncidence de la plasticité présynaptique et gliale et, en ce sens, soulèvent l’importance des adaptations gliales pour le maintien de la fonction synaptique. / Synaptic plasticity is a major property of the nervous system, believed to be at the basis of neuronal information processing. This plasticity has been generally described with pre and postsynaptic adaptations. Notably, presynaptic efficacy, referring to the probability of transmitter release associated with the quantal content of a synapse, can be increased or decreased according to the previous history of synapses. Despite this characterization, the mechanisms implicated in the activity-dependent determination of synaptic efficacy remain unknown. Moreover, synaptic plasticity has never been described in terms of glial adaptations, thus limiting our comprehension of neuronal information processing. Nevertheless, the past decade has lead to a redefinition of glial cells functions. Relegated to a passive role of neuronal support in the past, glial cells are now known to be involved in the regulation of neurotransmission. For instance, at the neuromuscular junction (NMJ), perisynaptic Schwann cells (PSCs) are believed to modulate synaptic efficacy and plasticity. Such an active role requires, however, that PSCs adapt to the changing needs of NMJs. Thus, synaptic plasticity must underlie glial plasticity. At the NMJ, changes in synaptic activity result in several morphological and physiological adaptations. Among others, chronic nerve stimulation was shown to decrease synaptic efficacy and short-term depression. Conversely, chronic blockade of postsynaptic nicotinic receptors increases synaptic efficacy. Given that PSCs can detect and respond to neurotransmission with a calcium elevation and that they react to environmental stimuli with morphological, physiological and gene expression adaptations, we propose that prolonged changes in synaptic efficacy, induced by chronic nerve stimulation or chronic blockade of nicotinic receptors, would lead to PSCs adaptations. Thus, in this thesis, we studied, in parallel, long-term presynaptic and glial plasticity, in response to chronic changes in synaptic activity, at the amphibian NMJ. Our results show presynaptic adaptations of synaptic efficacy, short-term plasticity, mitochondrial content and calcium signalling. They also reveal several adaptations of PSCs, related to their sensitivity to neurotransmitters and their calcium responses properties. These presynaptic and glial adaptations are discussed, in parallel, in terms of possible mechanisms and functions in the regulation of neurotransmission. Our work also confirms the coincidence of presynaptic and glial plasticity and, therefore, raises the importance of glial adaptations for the maintenance of synaptic function.

La plasticité synaptique est une importante propriété du système nerveux, impliquée dans l’intégration de l’information. Cette plasticité a généralement été décrite par des changements aux niveaux pré et postsynaptiques. Notamment, l’efficacité présynaptique, soit la probabilité de libération de neurotransmetteurs associée au contenu quantique d’une synapse, peut être augmentée ou diminuée selon l’activité antérieure de la synapse. Malgré cette caractérisation, les mécanismes à l’origine de la détermination de l’efficacité présynaptique demeurent obscurs. Également, la plasticité synaptique reste encore mal définie au niveau glial, limitant, de ce fait, notre compréhension de l’intégration de l’information. Pourtant, la dernière décennie a mené à une redéfinition du rôle des cellules gliales. Autrefois reléguées à un rôle de support passif aux neurones, elles sont désormais reconnues comme étant impliquées dans la régulation de la neurotransmission. Notamment, à la jonction neuromusculaire (JNM), les cellules de Schwann périsynaptiques (CSPs) sont reconnues pour moduler l’efficacité présynaptique et les phénomènes de plasticité. Un tel rôle actif dans la modulation de la neurotransmission implique cependant que les CSPs soient en mesure de s’adapter aux besoins changeants des JNMs auxquelles elles sont associées. La plasticité synaptique devrait donc sous-tendre une forme de plasticité gliale. Nous savons, en effet, que la JNM est capable de modifications tant morphologiques que physiologiques en réponse à des altérations de l'activité synaptique. Par exemple, la stimulation chronique des terminaisons nerveuses entraîne une diminution persistante de l’efficacité présynaptique et une augmentation de la résistance à la dépression. À l’opposé, le blocage chronique des récepteurs nicotiniques entraîne une augmentation prolongée de l’efficacité présynaptique. Aussi, compte tenu que les CSPs détectent et répondent à la neurotransmission et qu’elles réagissent à certains stimuli environnementaux par des changements morphologiques, physiologiques et d’expression génique, nous proposons que le changement d'efficacité présynaptique imposé à la synapse, soit par une stimulation nerveuse chronique ou par blocage chronique des récepteurs nicotiniques, résulte en une adaptation des propriétés des CSPs. Cette thèse propose donc d’étudier, en parallèle, la plasticité présynaptique et gliale à long-terme, en réponse à un changement chronique de l’activité synaptique, à la JNM d’amphibien. Nos résultats démontrent les adaptations présynaptiques de l’efficacité présynaptique, des phénomènes de plasticité à court-terme, du contenu mitochondrial et de la signalisation calcique. De même, ils révèlent différentes adaptations gliales, notamment au niveau de la sensibilité des CSPs aux neurotransmetteurs et des propriétés de leur réponse calcique. Les adaptations présynaptiques et gliales sont discutées, en parallèle, en termes de mécanismes et de fonctions possibles dans la régulation de la neurotransmission. Nos travaux confirment donc la coïncidence de la plasticité présynaptique et gliale et, en ce sens, soulèvent l’importance des adaptations gliales pour le maintien de la fonction synaptique. / Synaptic plasticity is a major property of the nervous system, believed to be at the basis of neuronal information processing. This plasticity has been generally described with pre and postsynaptic adaptations. Notably, presynaptic efficacy, referring to the probability of transmitter release associated with the quantal content of a synapse, can be increased or decreased according to the previous history of synapses. Despite this characterization, the mechanisms implicated in the activity-dependent determination of synaptic efficacy remain unknown. Moreover, synaptic plasticity has never been described in terms of glial adaptations, thus limiting our comprehension of neuronal information processing. Nevertheless, the past decade has lead to a redefinition of glial cells functions. Relegated to a passive role of neuronal support in the past, glial cells are now known to be involved in the regulation of neurotransmission. For instance, at the neuromuscular junction (NMJ), perisynaptic Schwann cells (PSCs) are believed to modulate synaptic efficacy and plasticity. Such an active role requires, however, that PSCs adapt to the changing needs of NMJs. Thus, synaptic plasticity must underlie glial plasticity. At the NMJ, changes in synaptic activity result in several morphological and physiological adaptations. Among others, chronic nerve stimulation was shown to decrease synaptic efficacy and short-term depression. Conversely, chronic blockade of postsynaptic nicotinic receptors increases synaptic efficacy. Given that PSCs can detect and respond to neurotransmission with a calcium elevation and that they react to environmental stimuli with morphological, physiological and gene expression adaptations, we propose that prolonged changes in synaptic efficacy, induced by chronic nerve stimulation or chronic blockade of nicotinic receptors, would lead to PSCs adaptations. Thus, in this thesis, we studied, in parallel, long-term presynaptic and glial plasticity, in response to chronic changes in synaptic activity, at the amphibian NMJ. Our results show presynaptic adaptations of synaptic efficacy, short-term plasticity, mitochondrial content and calcium signalling. They also reveal several adaptations of PSCs, related to their sensitivity to neurotransmitters and their calcium responses properties. These presynaptic and glial adaptations are discussed, in parallel, in terms of possible mechanisms and functions in the regulation of neurotransmission. Our work also confirms the coincidence of presynaptic and glial plasticity and, therefore, raises the importance of glial adaptations for the maintenance of synaptic function.

Synaptic plasticity describes efficacy changes in synaptic transmission and ranges in duration from tens to hundreds of milliseconds (short-term), to hours and days (long-term). Short-term plasticity plays crucial roles in synaptic computation, information processing, learning, working and short-term memory as well as its dysfunction in psychiatric and neurodegenerative diseases. The main aim of my PhD thesis was to determine the molecular mechanisms of different forms of presynaptic plasticity. Short-term facilitation increases neurotransmitter release in response to a high-frequency pair (paired-pulse facilitation; PPF) or train (train facilitation; TF) of presynaptic stimuli. Synaptotagmin 7 (Syt7) has been shown to act as residual calcium (Ca$_{res}$) sensor for PPF and TF at various synapses. Syt7 also seems to be involved in recovery from depression, whereas its role in neurotransmission remains controversial. My aim was to express Syt7 in a synapse where it is not normally found and determine how it affects short-term synaptic plasticity. Immunohistochemistry indicated that Syt7 is not localized to cerebellar climbing fibers (CFs). Wild-type (WT) and Syt7 knockout (KO) recordings at CF to Purkinje cell (CF-PC) synapses established that at near-physiological external calcium (Ca$_{ext}$) levels both genotypes displayed similar recovery from paired-pulse depression. In low Ca$_{ext}$,WT CF-PC synapses showed robust PPF, which turned out to be independent of Syt7. All my experiments strongly suggested that WT CFs do not express native Syt7, but display low Ca$_{ext}$ CF-PC PPF and TF. Thus, channelrhodopsin-2 and Syt7 were bicistronically expressed via AAV9 virus in CFs. This ectopic Syt7 expression in CFs led to big increases in low-Ca$_{ext}$ CF-PC facilitation, more than doubling PPF and more than tripling TF. While overexpression of Syt7 might turn out to have an effect on the initial release probability (pr), the observed CF-PC facilitation increase still critically depended on presynaptic Syt7 expression. And when comparing only cells in a defined EPSC1 amplitude range, the Syt7-induced increase in low-Ca$_{ext}$ PPF could not be accounted for by changes in initial pr, suggesting a general role for Syt7 as calcium sensor for facilitation. Another form of short-term plasticity, post-tetanic potentiation (PTP), is believed to be mediated presynaptically by calcium-dependent protein kinase C (PKC) isoforms that phosphorylate Munc18-1 proteins. It is unknown how generally applicable this mechanism is throughout the brain and if other proteins might be able to modulate PTP. Combining genetic (PKCαβy triple knockout [TKO] and Munc18-1SA knock-in [Munc18 KI] mice, in which Munc18- 1 cannot get phosphorylated) with pharmacological tools (PKC inhibitor GF109203), helped us show that PTP at the cerebellar parallel fiber to Purkinje cell (PF-PC) synapse seems to depend on PKCs but seems mostly independent of Munc18-1 phosphorylation. In addition, compared to WT animals, genetic elimination of presynaptic active zone protein Liprin-α3 led to similar PF-PC PTP and paired-pulse ratios (PPRs). At the hippocampal CA3-CA1 synapse previous pharmacological studies suggested that PKC mediates PTP. A genetic approach helped to show that calcium dependent PKCs do not seem to be required for CA3-CA1 PTP. Pharmacologically inhibiting protein kinase A as well as genetically eliminating Syt7 also had no effect on CA3-CA1 PTP. In addition, Ca IM-AA mutant mice, in which Ca$_{v}$2.1 channels have a mutated IQ-like motif (IM) so that it cannot get bound by calcium sensor proteins any more, not only displayed regular PTP, but also normal PPF and TF at CA3-CA1 synapses. In conclusion, my PhD thesis helped further characterize different forms of presynaptic plasticity, underlined that short-term synaptic plasticity can be achieved through diverse mechanisms across the Mammalian brain and supported a potentially general role for synaptotagmin 7 acting as residual calcium sensor for facilitation.