Le neurone est une cellule polarisée qui se divise en deux compartiments spécialisés : le compartiment somato-dendritique et le compartiment axonal. Généralement, le premier reçoit l'information en provenance d'autres neurones et le second génère un message en sortie lorsque la somme des entrées dépasse une valeur seuil au segment initial de l'axone. Ce signal de nature discrète appelé potentiel d'action (PA) est propagé activement jusqu'à la terminaison synaptique où il déclenche la transmission chimique de l'information. Cependant, la fonction axonale ne se résume pas à la simple transmission des séquences de PA à l'image d'un câble de télégraphe. L'axone est également capable de transmettre des variations continues de signaux électriques infraliminaires dit analogues et les combiner avec l'information digitale véhiculée par le PA. J'ai consacré la majorité de mon travail de thèse à l'étude de ce nouvel aspect de la fonction axonale dans le cadre de la transmission synaptique entre les neurones pyramidaux au sein du réseau excitateur CA3 de l'hippocampe de rat. Les résultats obtenus à partir d'enregistrements de paires de neurones pendant ma thèse mettent en évidence deux sortes de signalisation analogue et digitale qui aboutissent à la facilitation de la transmission synaptique. La facilitation analogue-digitale (FAD) a été observée lors d'une dépolarisation prolongée, mais également à la suite d'une hyperpolarisation transitoire au niveau du corps cellulaire. Ce sont deux versants d'une même plasticité à court-terme qui découle de l'état biophysique des canaux ioniques sensibles au voltage étant à l'origine du PA. / The neuron is a polarised cell divided into two specialized compartments: the somato-dendritic and the axonal compartment. Generally, the first one receives information arriving from other neurones and the second generates an output message, when the sum of inputs exceeds a threshold value at the axon initial segment. This all-or-none signal, called the action potential (AP) is propagated actively to the synaptic terminal where it triggers chemical transmission of information. However, axonal function is not limited to transmission of AP sequences like a telegraph cable. The axon is also capable of transmitting continuously changing sub-threshold electric signals called analogue signals and to combine them with the digital information carried by the AP. I devoted the majority of my thesis work to the study of these novel aspects of axonal function in the framework of synaptic transmission between pyramidal neurons in the CA3 excitatory network of the rat hippocampus. The results obtained through paired recordings brought to light two kinds of analogue and digital signalling that lead to a facilitation of synaptic transmission. Analogue-digital facilitation (ADF) was observed during prolonged presynaptic depolarization and also after a transient hyperpolarization of the neuronal cell body. These are two sides of the same form of short-term synaptic plasticity depending on the biophysical state of voltage gated ion channels responsible for AP generation. The first variant of ADF induced by depolarization (ADFD) is due to AP broadening and involves Kv1 potassium channels.

Les neurones émettent des impulsions électriques suivant une loi dite ''tout-ou-rien'' : un potentiel d'action stéréotypé est généré et propagé pour des amplitudes suffisamment grandes du stimulus, autrement aucune décharge n'a lieu. L'amplitude minimale au-delà de laquelle une impulsion est générée est appelée seuil d'excitabilité. Des expériences in vivo récentes, dans lesquelles l'activité membranaire des neurones du système nerveux central a été enregistrée, ont mis en évidence une variabilité significative de ce seuil. De plus, il a été observé une adaptation du seuil à la dynamique de l'activité membranaire précédant l'initiation des impulsions. Ces observations nous ont intéressées car elles concernaient à la fois les hypothèses fondamentales de la biophysique de l'excitabilité et les conceptions classiques de l'intégration synaptique. Nous nous sommes alors demandé dans quelle mesure et comment les différents mécanismes biophysiques impliqués dans l'excitabilité contribuent à la variabilité du seuil. Nous nous sommes aussi demandé quelle est l'influence spécifique sur la dynamique du seuil d'un mécanisme classique de régulation de la décharge, l'inactivation du canal sodium. Nous avons abordé ces questions à partir d'analyses mathématiques et de simulations numériques de modèles d'excitabilité. Nous avons montré qu'il est possible d'obtenir un seuil variable dans le cadre des hypothèses classiques et de le prédire quantitativement à partir des variables biophysiques de l'excitabilité. Nous avons aussi confirmé que l'inactivation du canal sodium permet de rendre compte des différentes caractéristiques du seuil. Ainsi, notre travail confirme la pertinence des modèles à seuil pour décrire la dynamique de l'excitabilité neuronale.

L'interaction entre la biologie et l électronique est une discipline en pleine essort. De nombreux systèmes électroniques tentent de s interconnecter avec des tissus ou des cellules vivantes afin de décoder l information biologique. Le Potentiel d action (PA) est au cœur de codage biologique et par conséquent il est nécessaire de pouvoir les repérer sur tout type de signal bio-logique. Par conséquent, nous étudions dans ce manuscrit la possibilité de concevoir un circuit électronique couplé à un système de microélectrodes capable d'effectuer une acquisition, une détection des PAs et un enregistrement des signaux biologiques. Que ce soit en milieu bruité ou non, nous considérons le taux de détection de PA et la contrainte de temps réel comme des notions primordiales et la consommation en silicium comme un prix à payer. Initialement développés pour l étude de signaux neuronaux et pancréatiques, ces systèmes conviennent parfaitement pour d autres type de cellules.