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

Le trouble bipolaire est une maladie invalidante caractérisée par une alternance d'épisodes maniaques et dépressifs. Malgré des efforts de recherche notables, la physiopathologie et les mécanismes d'action des traitements du trouble bipolaire demeurent peu connus. La protéine kinase C (PKC) est récemment apparue comme une cible moléculaire potentielle pour le traitement du trouble bipolaire. Dans ce travail de thèse, nous avons cherché à étudier le rôle de la PKC dans les phases maniaque et dépressive du trouble bipolaire. Nous avons montré que l'inhibition de la PKC a un effet antimaniaque non seulement chez le rat naïf, mais aussi dans un modèle de manie basé sur une privation de sommeil, que nous avons validé au cours de notre étude. De plus, les inhibiteurs de la PKC sont capables de rétablir les déficits de prolifération cellulaire hippocampique que présentent les rats privés de sommeil. Ces effets prolifératifs et antimaniaques seraient indépendants, puisque le blocage de la prolifération cellulaire n'abolit pas l'efficacité antimaniaque des inhibiteurs de la PKC dans le modèle de privation de sommeil. En parallèle, nous avons montré que l'activation de la PKC a un effet antidépresseur chez le rat naïf, alors que son inhibition provoque un phénotype pseudodépressif qui s'accompagne d'une diminution de la prolifération cellulaire hippocampique. L'ensemble de ces données révèle une implication de la PKC dans les deux phases du trouble bipolaire, et soutient l'hypothèse qu'une suractivation du système PKC serait à l'origine des perturbations de neuroplasticité associées à la manie.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le trouble bipolaire est une maladie invalidante caractérisée par une alternance d’épisodes maniaques et dépressifs. Malgré des efforts de recherche notables, la physiopathologie et les mécanismes d’action des traitements du trouble bipolaire demeurent peu connus. La protéine kinase C (PKC) est récemment apparue comme une cible moléculaire potentielle pour le traitement du trouble bipolaire. Dans ce travail de thèse, nous avons cherché à étudier le rôle de la PKC dans les phases maniaque et dépressive du trouble bipolaire. Nous avons montré que l’inhibition de la PKC a un effet antimaniaque non seulement chez le rat naïf, mais aussi dans un modèle de manie basé sur une privation de sommeil, que nous avons validé au cours de notre étude. De plus, les inhibiteurs de la PKC sont capables de rétablir les déficits de prolifération cellulaire hippocampique que présentent les rats privés de sommeil. Ces effets prolifératifs et antimaniaques seraient indépendants, puisque le blocage de la prolifération cellulaire n’abolit pas l’efficacité antimaniaque des inhibiteurs de la PKC dans le modèle de privation de sommeil. En parallèle, nous avons montré que l’activation de la PKC a un effet antidépresseur chez le rat naïf, alors que son inhibition provoque un phénotype pseudodépressif qui s’accompagne d’une diminution de la prolifération cellulaire hippocampique. L’ensemble de ces données révèle une implication de la PKC dans les deux phases du trouble bipolaire, et soutient l’hypothèse qu’une suractivation du système PKC serait à l’origine des perturbations de neuroplasticité associées à la manie. / Bipolar disorder is a devastating long-term disease characterized by alternate episodes of mania and depression. Despite extensive research, the molecular and cellular underpinnings of bipolar disorder remain to be fully elucidated. Protein kinase C (PKC) has emerged as a potential molecular target for the treatment of bipolar disorder. The present study investigated the role of PKC in manic- and depressive-like behaviors. Our results showed that PKC inhibition produced an antimanic-like effect not only in naive rats, but also in an animal model of mania based on sleep deprivation, that we have validated in our study. Interestingly, PKC inhibitors rescued the hippocampal cell proliferation deficits displayed by sleep-deprived animals. These proliferative and antimanic effects were independent, since blockade of cell proliferation did not abolish the antimanic efficacy of PKC inhibitors in the sleep deprivation model. At the same time, we showed that PKC activation had an antidepressant-like effect in naive rats, whereas its inhibition caused a depressive-like phenotype accompanied by a decrease in hippocampal cell proliferation. Taken together, our results demonstrate the involvement of the PKC system in regulating opposite facets of bipolar disorder, and support the hypothesis that an overactivation of the PKC signaling system may be crucial for the deficits of neuroplasticity associated with mania.

Les travaux de cette thèse ont pour but de mettre en œuvre des outils de modélisation et de simulation numériques de mécanismes sous-tendant l’activité neuronale, afin de promouvoir la découverte de médicaments pour le traitement des maladies du système nerveux. Les modèles développés s’inscrivent à différentes échelles : 1) les modèles dits « élémentaires » permettent de simuler la dynamique des récepteurs, des canaux ioniques, et les réactions biochimiques des voies de signalisation intracellulaires ; 2) les modèles de neurones permettent d’étudier l’activité électrophysiologique de ces cellules ; et 3) les modèles de microcircuits permettent de comprendre les propriétés émergentes de ces systèmes complexes, tout en conservant les mécanismes élémentaires qui sont les cibles des molécules pharmaceutiques. À partir d’une synthèse bibliographique des éléments de neurobiologie nécessaires, et d’une présentation des outils mathématiques et informatiques mis en œuvre, le manuscrit décrit les différents modèles développés ainsi que leur processus de validation, allant du récepteur de neurotransmetteur au microcircuit. D’autre part, ces développements ont été appliqués à trois études visant à comprendre : 1) la modulation pharmacologique de la potentialisation à long terme (LTP) dans les synapses glutamatergiques de l’hippocampe, 2) les mécanismes de l'hyperexcitabilité neuronale dans l'épilepsie mésio-temporale (MTLE) à partir de résultats expérimentaux in vitro et in vivo, et 3) la modulation cholinergique de l'activité hippocampique, en particulier du rythme thêta associé à la voie septo-hippocampique. / The work of this thesis aims to apply modeling and simulation techniques to mechanisms underlying neuronal activity, in order to promote drug discovery for the treatment of nervous system diseases. The models are developed and integrated at different scales: 1) the so-called "elementary models" permit to simulate dynamics of receptors, ion channels and biochemical reactions in intracellular signaling pathways; 2) models at the neuronal level allow to study the electrophysiological activity of these cells; and 3) microcircuits models help to understand the emergent properties of these complex systems, while maintaining the basic mechanisms that are the targets of pharmaceutical molecules. After a bibliographic synthesis of necessary elements of neurobiology, and an outline of the implemented mathematical and computational tools, the manuscript describes the developed models, as well as their validation process, ranging from the neurotransmitter receptor to the microcircuit. Moreover, these developments have been applied to three studies aiming to understand: 1) pharmacological modulation of the long-term potentiation (LTP) of glutamatergic synapses in the hippocampus, 2) mechanisms of neuronal hyperexcitability in the mesial temporal lobe epilepsy (MTLE), based on in vitro and in vivo experimental results, and 3) cholinergic modulation of hippocampal activity, particularly the theta rhythm associated with septo-hippocampal pathway.

La mémoire et l’apprentissage sont des phénomènes complexes dont on ne comprend pas encore bien l’origine au niveau cellulaire et moléculaire. Cependant, il est largement admis que des changements plus simples au niveau synaptique, tels que la potentialisation à long-terme (long-term potentiation ou LTP) pourraient constituer la base cellulaire de la formation des nouveaux souvenirs. Ces mécanismes sont couramment étudiés au niveau de l’hippocampe, une région du lobe temporal reconnue comme étant nécessaire à la formation de la mémoire explicite chez les mammifères. La LTP est classiquement définie comme un renforcement durable de l’efficacité de connexions synaptiques ayant été stimulées de façon répétée et soutenue. De plus, on peut distinguer deux formes de LTP: une LTP précoce, qui repose sur la modification de protéines déjà formées, et une LTP tardive, qui requiert, elle, la synthèse de nouvelles protéines. Cependant, bien que de nombreuses études se soient intéressées au rôle de la traduction pour la maintenance de la LTP, les mécanismes couplant l’activité synaptique à la machinerie de synthèse protéique, de même que l’identité des protéines requises sont encore peu connus. Dans cette optique, cette thèse de doctorat s’est intéressée aux interactions entre l’activité synaptique et la régulation de la traduction. Il est par ailleurs reconnu que la régulation de la traduction des ARNm eukaryotiques se fait principalement au niveau de l’initiation. Nous avons donc étudié la modulation de deux voies majeures pour la régulation de la traduction au cours de la LTP : la voie GCN2/eIF2α et la voie mTOR. Ainsi, nos travaux ont tout d’abord démontré que la régulation de la voie GCN2/eIF2α et de la formation du complexe ternaire sont nécessaires à la maintenance de la plasticité synaptique et de la mémoire à long-terme. En effet, l’activité synaptique régule la phosphorylation de GCN2 et d’eIF2α, ce qui permet de moduler les niveaux du facteur de transcription ATF4. Celui-ci régule à son tour la transcription CREB-dépendante et permet ainsi de contrôler les niveaux d’expression génique et la synthèse de protéines nécessaires pour la stabilisation à long-terme des modifications synaptiques. De plus, la régulation de la voie mTOR et de la traduction spécifique des ARNm 5’TOP semble également jouer un rôle important pour la plasticité synaptique à long-terme. La modulation de cette cascade par l’activité synaptique augmente en effet spécifiquement la capacité de traduction des synapses activées, ce qui leur permet de traduire et d’incorporer les protéines nécessaires au renforcement durable des synapses. De telles recherches permettront sans doute de mieux comprendre la régulation des mécanismes traductionnels par l’activité synaptique, ainsi que leur importance pour la maintenance de la potentialisation à long-terme et de la mémoire à long-terme. / Learning and memory are complex processes that are not yet fully understood at the cellular and molecular levels. It is however widely accepted that persistent modifications of synaptic connections, like long-term potentiation (LTP), could be responsible for the encoding of new memories. These changes are frequently studied in the hippocampus, a temporal lobe structure that as been shown to be necessary for explicit memory in mammals. Long-term potentiation is classically defined as a persistent and stable modification of synaptic connections that have been repeatedly stimulated. Moreover, there are two different phases of LTP: an early-LTP, that only requires the modification of pre-existing proteins, and a late-LTP, that requires the synthesis of new proteins. Numerous studies have evaluated the role of new protein synthesis for the persistence of LTP, however, the mechanisms coupling synaptic activity and the translational machinery, as well as the identity of the necessary proteins are not yet fully understood. From this perspective, this Ph.D. thesis has evaluated the interactions between synaptic activity and the regulation of translation. As it is widely accepted that the regulation of translation is primarily at the initiation level, we therefore investigated the modulation of two major pathways for the regulation of translation during LTP: the GCN2/eIF2α pathway and the mTOR pathway. First, our studies have shown that the regulation of the GCN2/eIF2α pathway and of the ternary complex formation are necessary for the long-term maintenance of synaptic plasticity and memory. Indeed, synaptic activity regulates GCN2 and eIF2α phosphorylation, which modulates the transcription factor ATF4 levels. ATF4 in turn regulates CREB-dependent transcription, and therefore controls the levels of genetic expression and the synthesis of new proteins necessary for the long-term stabilization of synaptic modifications. Moreover, the regulation of the mTOR pathway and of the specific translation of 5’TOP mRNAs likely also play an important role for long-term synaptic plasticity. Modulation of this cascade by synaptic activity specifically increases the translational capacity of activated synapses, allowing them to translate and incorporate the necessary proteins for the lasting reinforcement of synapses. These studies will undoubtedly help to understand the regulation of translational mechanisms by synaptic activity and their significance for the maintenance of long-term potentiation and long-term memory.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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La mémoire explicite émerge de l’acheminement approprié de l’information à travers les circuits hippocampiques, et la formation d’un engramme qui encode cette mémoire. Les interneurones inhibiteurs régulent le flot d’information à travers ce réseau par leur contrôle dynamique des différents compartiments des cellules principales, ce qui contribue probablement à la formation de l’engramme. À cet égard, les interneurones somatostatinergiques (SOM-INs) et parvalbuminergiques (PV-INs), représentant les deux groupes majeurs de neurones inhibiteurs de l’hippocampe, sont particulièrement intéressants, car ils démontrent plusieurs formes de plasticité à long terme. Cette thèse a pour objectif d’étudier le rôle spécifique des SOM-INs et PV-INs de l’aire CA1 ainsi que leurs plasticités à long terme dans le contrôle dynamique des réseaux de l’hippocampe et la formation de la mémoire. Les SOM-INs expriment une potentialisation à long terme (PLT) à leurs synapses excitatrices venant des cellules pyramidales locales. Cette PLT a pour conséquence l’augmentation de l’inhibition des cibles des SOM-INs, les cellules pyramidales et interneurones locaux, ce qui contribue à la métaplasticité des circuits synaptiques de CA1. La PLT des SOM-INs contribue à la consolidation de la mémoire de peur contextuelle et la mémoire spatiale aversive. Cependant, nous ne savons pas si : 1) cette PLT est suffisante pour la formation de ces types de mémoire, ni si elle est impliquée dans la formation de la mémoire non aversive 2) si cette PLT est induite lors de l’acquisition ou de la consolidation de ces mémoires. Pour l’étude de la PLT des SOM-INs, nous avons utilisé l’optogénétique afin d’avoir un contrôle sur la localisation et le moment des modifications de l’activité des SOM-INs. Nous avons montré que l’activité de ces interneurones était nécessaire durant l’apprentissage de la mémoire de peur contextuelle et de la mémoire spatiale épisodique non aversive. Nous avons établi un protocole de stimulation optogénétique capable d’induire in vitro une PLT aux synapses des cellules pyramidales de CA1 sur les SOM-INs. Nous avons démontré que cette PLT était nécessaire et suffisante pour moduler les réseaux synaptiques du CA1 in vitro, ainsi que les deux types de 3 mémoires étudiées. De plus, nous avons démontré de façon directe que l’induction de cette PLT induisait la synthèse protéique via l’activation de mTORC1 dans les SOM-INs in vitro. Les PV-INs expriment également une PLT à leurs synapses excitatrices venant majoritairement des cellules pyramidales de l’aire CA3 à la suite d’un conditionnement à la peur, qui est nécessaire à la consolidation de cette mémoire. In vitro, la stimulation haute fréquence des afférences de CA3 entraine une PLT de l’excitabilité intrinsèque des PV-INs. Cependant, nous ne savons pas si cette forme de plasticité est également nécessaire pour la mémoire de peur contextuelle. Pour l’étude de la PLT de l’excitabilité intrinsèque des PV-INs, nous avons d’abord établi qu’une perte de fonction hétérozygote et homozygote de mTORC1 dans les PV-INs ne change pas les propriétés de décharge de base de ces neurones, mais diminue la fréquence d’une décharge répétée et bloque l’induction de la PLT de l’excitabilité intrinsèque. De plus, nous avons montré que cette forme de PLT des PV-INs n’est pas nécessaire à la consolidation ni la discrimination de la mémoire de peur contextuelle. En conclusion, ces travaux suggèrent que la plasticité synaptique des interneurones étudiés est nécessaire à la formation de la mémoire explicite. Celle des SOM-INs est nécessaire durant l’apprentissage, celle des PV-INs durant la consolidation. L’ensemble de nos résultats mettent en évidence les rôles spécifiques des divers types de plasticité des interneurones inhibiteurs dans les fonctions mnésiques et soulignent leur rôle critique dans la régulation de la mémoire. / Explicit memory emerges from the proper routing of information through hippocampal circuits, and the formation of an engram encoding this memory. Inhibitory interneurons regulate the flow of information in these networks by their dynamic control of the different compartments of pyramidal cells, which is likely to contribute to engram formation. In this regard, somatostatinergic (SOM-INs) and parvalbuminergic (PV-INs) interneurons, representing major groups of hippocampal inhibitory neurons, are particularly interesting because of the multiple forms of longterm plasticity they demonstrate. The objective of this thesis is to study the specific roles of SOM-INs and PV-INs from hippocampal CA1 area, as well as their long-term plasticity in the dynamic control of the network and memory formation. SOM-INs demonstrate long-term potentiation (LTP) at their excitatory synapses coming from local pyramidal cells. This LTP results in increased inhibition of SOM-INs targets, the local pyramidal cells and interneurons, which contributes to the metaplasticity of CA1 synaptic circuits. SOM-IN LTP is also involved in contextual fear memory and aversive spatial memory consolidation. However, it remains to be determined: 1) if this LTP is sufficient for the formation of these memory types, and if it is implicated in non-aversive memory formation; 2) if this LTP is induced during the acquisition or consolidation of these memories. For studying SOM-IN LTP, we used optogenetics to control the place and time of SOM-IN activity. We showed that the activity of these interneurons is necessary during learning of contextual fear memory and non-aversive spatial episodic memory. We established an optogenetic stimulation protocol enabling us to induce LTP at synapses from CA1 pyramidal cells to SOM-INs in vitro. We demonstrated that this LTP is necessary and sufficient to modulate CA1 synaptic networks in vitro, as well as the two memory types studied. Moreover, we demonstrated a direct link between this LTP and mTORC1-dependent protein synthesis in SOM-INs in vitro. PV-INs also express LTP at their excitatory synapses mainly coming from CA3 pyramidal cells after contextual fear conditioning, necessary for the consolidation of this memory. High frequency stimulation of CA3 afferents leads to PV-IN LTP of intrinsic excitability in vitro. Yet, we don’t know if this form of plasticity is also necessary for contextual fear memory. To study PV-INs LTP of intrinsic excitability, we established that heterozygous or homozygous mTORC1 loss of function in PV-INs did not change basic firing properties of these neurons but decreased repeated firing frequency and blocked LTP of intrinsic excitability. Besides, we showed that this form of PV-IN LTP is not necessary for the consolidation or discrimination of contextual fear memory. In conclusion, these works suggest that synaptic plasticity of the studied interneurons is necessary for explicit memory formation. SOM-IN synaptic LTP is necessary during learning, while PV-INs LTP is necessary during consolidation. Overall, our results highlight the specific roles of the various inhibitory interneuron plasticity in memory functions and emphasize their critical role in the regulation of memory.

La plasticité synaptique activité-dépendante forme la base physiologique de l’apprentissage et de la mémoire dépendants de l’hippocampe. Le rôle joué par les différents sous-types d’interneurones dans l’apprentissage et la mémoire hippocampiques reste inconnu, mais repose probablement sur des mécanismes de la plasticité spécifique aux synapses de certains sous-types d’interneurones. Les synapses excitatrices établies sur les interneurones de l’oriens-alveus dans l’aire CA1 exhibent une forme persistante de potentialisation à long terme induite par la stimulation chimique des récepteurs métabotropiques du glutamate de type 1 (mGluR1) [mGluR1-mediated chemical late long-term potentiation (cL-LTPmGluR1)]. Le présent projet de recherche avait pour objectifs d’identifier les sous-types d’interneurones de l’oriens-alveus exprimant la cL-LTPmGluR1 et d’examiner les mécanismes d’induction et d’expression de celle-ci. Nous avons déterminé que la stimulation répétée des mGluR1 induit de la cL-LTPmGluR1 aux synapses excitatrices établies sur le sous-type d’interneurones exprimant le peptide somatostatine (SOM-INs). Des enregistrements électrophysiologiques couplés à des inhibiteurs pharmacologiques et à un knock-out fonctionnel de mammalian target of rapamycin complexe 1 (mTORC1) ont montré que l’induction de la cL-LTPmGluR1 (qui consiste en trois applications de l’agoniste des mGluR1/5, le (S)-3,5-dihydroxyphénylglycine (DHPG) en présence de l’antagoniste des récepteurs métabotropiques du glutamate de type 5 (mGluR5), le 2-méthyl-6-(phényléthynyl)-pyridine (MPEP)) des SOM-INs requiert les voies de signalisation des mGluR1, de extracellular signal-regulated protein kinase (ERK) et de mTORC1. L’ensemble de nos résultats montre qu’une forme persistante de plasticité synaptique sous-tendue par mTORC1 est induite par la stimulation répétée des mGluR1 dans les interneurones hippocampiques exprimant le peptide somatostatine. La connaissance des mécanismes sous-tendant la cL-LTPmGluR1, couplée à l’utilisation de modèles animal in vivo, rendront maintenant possible le blocage de la cL-LTPmGluR1 dans les SOM-INs et l’examen de son rôle dans l’apprentissage et la mémoire dépendants de l’hippocampe. / Hippocampus-dependent learning and memory are mediated by activity-dependent synaptic plasticity. The role that different subtypes of interneurons play in hippocampal learning and memory remains largely unknown, but likely relies on cell type-specific plasticity mechanisms at interneuron synapses. Excitatory synapses onto CA1 oriens-alveus interneurons show persistent long-term potentiation induced by chemical stimulation of metabotropic glutamate receptor 1 (mGluR1) [mGluR1-mediated chemical late long-term potentiation (cL-LTPmGluR1)]. The objectives of this project were to identify the oriens-alveus interneuron subtypes expressing cL-LTPmGluR1 and examine its induction and expression mechanisms. We determined that repeated mGluR1 stimulation induces cL-LTPmGluR1 at excitatory synapses onto the somatostatin-expressing interneuron subtype (SOM-INs). Electrophysiological recordings coupled to pharmacological inhibitors and a functional knock-out of mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) showed that SOM-INs cL-LTPmGluR1 induction (which consisted of three applications of the mGluR1/5 agonist (S)-3,5-dihydroxyphenylglycine (DHPG) in the presence of metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) antagonist 2-methyl-6-(phenylethynyl)-pyridine (MPEP)) requires mGluR1, extracellular signal-regulated protein kinase (ERK) and mTORC1 signaling pathways. Collectively, our results show that persistent synaptic plasticity mediated by mTORC1 is induced by repeated mGluR1 stimulation in somatostatin-expressing hippocampal interneurons. Knowledge of cL-LTPmGluR1’s underlying mechanisms, coupled to in vivo models, will now make it possible to interfere with SOM-INs cL-LTPmGluR1 and examine its role in hippocampal-dependent learning and memory.