L'inhibition joue un rôle important dans l'organisation spatio-temporelle de l’activité synchronisée des réseaux, ce qui est important pour la performance cognitive. Cependant, la compréhension de l'inhibition corticale a été une tâche difficile, car ce processus est exécuté par une grande diversité de neurones GABAergiques locaux et à longue portée (LRP) (Soltesz, 2006). Dans l'hippocampe, les interneurones spécifiques aux interneurones (IS) exprimant le peptide vasoactif intestinal (VIP+) jouent un rôle de désinhibition local et sont divisés en deux groupes: les interneurones spécifiques de type 2 (IS2) et de type 3 (IS3). Récemment, une nouvelle cellule VIP+ à projection longue portée (VIP-LRP) avec un soma située dans le stratum oriens / alveus (O/A) de la corne d’Ammon (CA1) de l'hippocampe et dont l'axone projette vers le subiculum (SUB) a été découverte. Comme les cibles postsynaptiques et la fonction des cellules GABAergiques à projection sont inconnues pendant différents états chez des animaux éveillés, nous visions à déterminer les cibles des VIP-LRP dans le CA1 et le SUB. J'ai d'abord effectué une libération de glutamate par stimulation à deux photons en combinant la photoactivation des cellules VIP-GFP+ dans le O/A du CA1 et l’enregistrement par patch-clamp de leurs cibles. Nous avons constaté que les VIP-LRP agissent contactent différentes classes d'interneurones dans le O/A et le stratum radiatum (RAD). Cependant, distalement dans le SUB, ils étaient en contact avec cellules pyramidals (PCs) et les interneurones. Ensuite, pour étudier le rôle fonctionnel de ces cellules, nous avons effectué de l’imagerie calcique (Ca2 +) à deux photons in vivo de l'activité des interneurones VIP+ chez des souris fixées par la tête sur un tapis roulant. Nous avons constaté que les cellules VIP-LRPs étaient recrutées pendant les périodes d'immobilité et réduisent leur activité au cours des épisodes thêta lors de la locomotion. Avec ces résultats, nous pouvons considérer les VIP-LRPs comme des régulateurs clés du processus mnémonique, tels que la récupération de la mémoire nécessitant une cohérence entre le CA1 et le SUB lors d'états calmes (Jackson et al., 2011; Roy et al., 2017). Dans l'hippocampe, on sait peu de choses sur l'implication des cellules IS3 dans les comportements dépendant de l'hippocampe tels que la mémoire spatiale et l'anxiété. En utilisant un water T-maze (WTM) pour étudier l'apprentissage spatial, nous avons constaté que pendant l’extinction de ces cellules, la souris offrait sa pire performance. Dans le contexte de la mémoire, la sous-unité α5 des GABAAR (α5-GABAAR) a été considéré comme l'une des cibles pharmacologiques les plus intéressantes, car son blocage améliore la mémoire dépendante de l'hippocampe (Atack et al., 2006; Caraiscos et al., 2004; Collinson et al., 2002). Le blocage de cette sous-unité chez des souris effectuant un WTM a sauvé la perte de mémoire induite par la désactivation de l'entrée du signal des VIP+ confirmant l'implication de l'inhibition tonique dans la régulation de l'apprentissage spatial. Cependant, cette amélioration des performances cognitives est associée à une augmentation de l'anxiété, indiquant que l’activité de ces cellules peut être impliquée dans la régulation de l'anxiété. Finalement, les déficits de mémoire et le déclin cognitif sont considérés comme la marque du vieillissement du cerveau. Jusqu’à présent, il était reporté que les interneurones positifs à la calrétinine (CR) figuraient parmi les premières cibles de modèles de souris associés à l’âge tel que la maladie d'Alzheimer (AD) (Baglietto-Vargas et al., 2010). Compte tenu de ce qui précède, j'ai effectué des enregistrements par patch-clamp d’IS3s pour étudier leur implication dans le déclin de la mémoire lié à l'âge. Les résultats montrent que la morphologie de ces cellules est préservée pendant le vieillissement, mais montre aussi une durée plus longue des potentiels d’action et une réduction du taux de décharge. Ces modifications entraînent une augmentation de l'inhibition des interneurones du O/A ciblés par les cellules IS3. Cela pourrait expliquer l'hyperactivité des PCs associée à une déficience cognitive et une augmentation du risque pour l’AD (Bakker et al., 2012; Busche et al., 2012; El-Hayek et al., 2013). En conclusion, cette étude a révélé de nouvelles propriétés et motifs d’activités des neurones VIP+ de l’hippocampe pendant des états comportementaux spécifiques durant toute la vie de l’animal. Cela devrait être important pour comprendre les mécanismes de l’apprentissage et la mémoire ainsi que les déficiences cognitive pendant le vieillissement / Inhibition plays an important role in the spatio-temporal organization of synchronized network activity, which is important for cognitive performance. However, understanding cortical inhibition has been a challenging task as it is executed through a large diversity of local and long-range projecting (LRP) GABAergic neurons (Soltesz, 2006). In the hippocampus, the interneuron-selective (IS) vasoactive intestinal peptide (VIP)-expressing (VIP+) interneurons play a role of local disinhibition and are subdivided into 2 groups: type 2 and type 3 interneuron-specific (IS2, IS3) cells. Recently, a novel long-range projecting VIP+ cell (VIP-LRP) with the soma located in the hippocampal cornu ammonis (CA1) stratum oriens/alveus (O/A) and axon innervating CA1 and the subiculum (SUB) has been discovered. Since little is known about the postsynaptic targets and function of GABAergic projecting cells during different network states in awake animals, we aimed to determine the targets of VIP-LRP cells in CA1 and SUB. I first performed single-cell two-photon glutamate uncaging-based mapping of connections by combining the photoactivation of CA1 O/A VIP-GFP+ cells and patch-clamp recordings of interneuron and PCs targets. We found that VIP-LRP cells locally act as disinhibitory cells contacting different classes of inhibitory interneurons, either in the O/A or in the stratum radiatum (RAD). However distally in the SUB, they were contacting both pyramidal cells (PCs) and interneurons. Next, to study the functional role of these cells we performed in vivo two-photon calcium (Ca2+) imaging of VIP+ interneuron activity in head-restrained awake mice running on a treadmillI. We found that VIP-LRP cells were recruited during immobility periods and were behaving as theta-off cells, decreasing their activity during theta-run episodes. Based on these findings we can consider VIP-LRPs as important key regulator of mnemonic process such as memory retrieval requiring coherency between hippocampal CA1 and SUB areas during quiet states (Jackson et al., 2011; Roy et al., 2017). Furthermore, in the hippocampal CA1 area, VIP+ IS interneurons, in particular IS3 cells have been characterized intensively based on their cell identity, physiological properties and connectivity pattern (Chamberland et al., 2010; Tyan et al., 2014). However, differently from neocortical VIP+ interneurons very little is known about the involvement of IS3 in hippocampus-dependent behaviors, such as spatial memory and anxiety. Using a water T-maze (WTM) to investigate egocentric and allocentric spatial learning, we found that silencing VIP+ cells worsens mouse performance. This data indicated clearly the involvement of hippocampal VIP+ IS cell in hippocampus-dependent memory tasks. In the context of memory, the alpha5 subunit-containing GABAA receptor (α5-GABAAR) has been seen as one of the most interesting pharmacological targets, as blocking this subunit improves hippocampus-dependent memory (Atack et al., 2006; Caraiscos et al., 2004; Collinson et al., 2002). Blocking the α5-GABAAR subunit in mice performing WTM successfully rescued the memory impairment induced by silencing of VIP+ input, confirming the involvement of tonic inhibition in the regulation of spatial learning. However this improvement in cognitive performance is associated with an increase in anxiety, indicating that phasic inhibition by the α5-GABAAR-containing VIP+ inputs onto CA1 interneurons may be involved in regulating anxiety. Finally, memory deficits and cognitive decline are considered a hallmark of the aging brain, with neocortical circuits being affected the most during age-dependent functional decline (Murman, 2015). So far, it has been reported that calretinin (CR)-positive IS interneurons were among the early targets in mouse models of age-related disorders, such as Alzheimer’s disease (AD) (Baglietto-Vargas et al., 2010). Considering the above, I performed patch-clamp recordings from IS3 cells to study their involvement in age-related memory decline. The results showed that, while the morphology of these cells was preserved during aging, functional remodelling occurred, such as a longer duration of the action potential as well as reduction in the firing rate. These modifications led to an increase inhibitory drive onto O/A interneurons targeted by IS3 cells. This could account for the hyperactivity of PCs associated with cognitive impairment and could increase the risk for AD development (Bakker et al., 2012; Busche et al., 2012; El-Hayek et al., 2013). In conclusion, this study reveals new properties and activity patterns of hippocampal VIP+ neurons during specific behavioral states and across the animal lifespan, which should be important for understanding the circuit mechanisms of learning and memory, as well as cognitive impairments during aging.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019 / La signalisation calcique dendritique joue un rôle important dans la régulation de mécanismes neuronaux, tels que la plasticité synaptique et l’intégration de l’information transmise. Bien compris chez les neurones principaux, ce processus de régulation est moins étudié chez les divers types d’interneurones GABAergiques qui modulent l’acquisition et l’envoi de signaux neuronaux. Chez les interneurones à décharge rapide, un type d’interneurone commun dans les circuits corticaux, il a été démontré qu’il y a absence de rétropropagation des potentiels d’action dans les dendrites distales (Hu et al., 2010). Cette découverte a des implications fonctionnelles, car la rétropropagation des potentiels d’action est un signal important pour l’induction des formes de plasticité synaptique hebbiennes. Par contre, il a été suggéré que l’activité dendritique locale pourrait compenser pour l’absence de rétropropagation des potentiels d’action. En conséquence, ce travail porte sur l’étude des évènements calciques dans les dendrites distales des interneurones à décharge rapide. Nous avons cherché à déterminer s’il est possible de générer ces signaux calciques par stimulation dendritique locale, à étudier les mécanismes responsables de ces signaux et à déterminer si ces signaux jouent un rôle dans la régulation de la plasticité synaptique à ces synapses. Pour atteindre ces objectifs, nous avons utilisé une combinaison de méthodes électrophysiologiqes (patch-clamp en mode cellule entière), d’imagerie calcique deux-photons et de modélisation computationnelle. Nous avons pu établir qu’il est possible de générer des évènements calciques postsynaptiques supralinéaires dans les synapses excitatrices étudiées par stimulation électrique locale. Ces signaux sont médiés par l’influx calcique provenant de l’activation des récepteurs AMPA perméables au Ca2+, qui déclenche à son tour le relâchement de Ca2+ par les récepteurs ryanodine présents sur réserves calciques intracellulaires. Ces signaux comprennent aussi une contribution calcique mineure des récepteurs NMDA, et ils restent locaux (pas de propagation dans l’arbre dendritique). De plus, nous avons déterminé que ces évènements calciques supralinéaires produisent un revirement de la plasticité synaptique, car ils induisent la dépression à long-terme dans les synapses étudiées, alors que les signaux calciques de basse amplitude induisent la potentiation à long-terme. Nous avons aussi examiné si ces évènements calciques supralinéaires étaient générés de façon équivalente dans les dendrites apicales et basales, qui reçoivent des synapses de différentes sources. Nous avons observé que les signaux des dendrites apicales avaient une plus grande amplitude et étaient associés à un plus haut niveau de dépolarisation. À partir de la modélisation, nous avons pu prédire le nombre de synapses nécessaires à la génération de ces signaux et la contribution potentielle des mécanismes d’extrusion du Ca2+. Finalement, nous avons étudié la spécificité cellulaire des mécanismes d’intégration dendritique en combinant l’imagerie calcique et la modélisation dans un type différent d’interneurone, les interneurones spécifiques aux interneurones type III. En conclusion, nous avons prouvé qu’il existe dans certains interneurones des mécanismes alternatifs, médiés par des hausses de Ca2+ locales, permettant la régulation de la plasticité aux synapses excitatrices. / Dendritic Ca2+ signaling plays an important role in the regulation of neuronal processes, such as synaptic plasticity and input integration. Well-studied in principal neurons, this form of regulation is not well understood in the various types of GABAergic interneurons that modulate activity in neuronal networks. In fastspiking (FS) interneurons, a common interneuron type in cortical circuits, it has been shown that there is a lack of action potential (AP) backpropagation in distal dendrites (Hu et al., 2010). This discovery has functional implications, AP backpropagation is an important signal for the induction of Hebbian forms of synaptic plasticity. However, it has been suggested that local dendritic activity could compensate for the absence of AP backpropagation. Consequently, this work focuses on the study of Ca2+ transients in distal dendrites of FS interneurons. We sought to determine whether it is possible to generate supralinear Ca2+ transients through local dendritic stimulation, to study the mechanisms responsible for those transients and to determine whether those signals play a role in the regulation of synaptic plasticity at those synapses. To reach those objectives, we used a combination of electrophysiological methods (whole-cell patch-clamp recordings), two-photon Ca2+ imaging and of computational modeling. We were able to establish that supralinear postsynaptic Ca2+ transients can be generated through local electrical stimulation of excitatory synapses in distal dendrites. These Ca2+ transients were mediated by Ca2+ influx from the activation of Ca2+-permeable AMPA receptors, which triggers Ca2+ release through ryanodine receptors present on intracellular Ca2+ stores (Ca2+-induced Ca2+ release). These Ca2+ signals also contain a minor contribution from NMDA receptors, and stay localized (no significant propagation in the dendritic arbor). In addition, we determined that these supralinear Ca2+ signals constitute a switch in the expression of synaptic plasticity, as they induce long-term depression in local synapses, while low-amplitude Ca2+ signals induced synaptic long-term potentiation. We also examined whether these supralinear Ca2+ transients were generated in both apical and basal dendrites, which receive synaptic contacts from different sources (Schaffer collaterals vs local collaterals). We observed that Ca2+ transients in apical dendrites had a higher amplitude and were associated with a higher level of somatic depolarization. We were also able to predict, through computational modeling, the number of synapses necessary to the generation of those signals and the potential contribution of Ca2+ extrusion mechanisms. Finally, we studied the cell-specificity of dendritic integration mechanisms by combining Ca2+ imaging and modeling in a different interneuron type, interneuron-specific interneurons type III. In conclusion, we were able to prove that certain interneurons possess alternative mechanisms, mediated through local Ca2+ transients, that allow for the regulation of plasticity at excitatory synapses.

Savoir différiencier les différentes types de tissus représente un aspect important lors d’interventions médicales, que ce soit pour aider au diagnostic d’une maladie ou pour le guidage chirurgical. Il est généralement très difficile de distinguer les tissus sains des tissus pathologiques à l’oeil nu et la navigation chirurgicale peut parfois être difficile dans les grands organes où la structure ciblé se trouve enfouie profondément. De nouvelles méthodes susceptibles d’accroître la réussite de telles interventions médicales suscitent actuellement de l’intérêt chez les professionnels de la santé. La spectroscopie optique, en analysant les interactions lumière-tissu dans une plage spectrale définie, est un outil permettant de différencier les tissus avec une résolution et une sensibilité bien supérieures à celles de l’oeil humain. Tout au long de cette thèse, je détaillerai comment la spectroscopie optique a été utilisée pour créer et améliorer un système de guidage optique utilisé pour la stimulation cérébrale profonde en neurochirurgie, en particulier pour le traitement de la maladie de Parkinson. Pour commencer, je montrerai comment les informations spectroscopiques peuvent fournir une rétroaction peropératoire en temps réel à un neurochirurgien, au cours de la phase d’implantation de la procédure, avec une sonde qui n’induit aucune invasion supplémentaire. Je présenterai l’investigation de deux modalités spectroscopiques différentes pour la discrimination tissulaire pour le guidage, soit la spectroscopie à réflectance diffuse et la spectroscopie de diffusion Raman anti-Stokes cohérente. Les avantages et les inconvénients des deux techniques, ainsi que leurs aptitude à la traduction prometteuse pour cette application seront abordés. Par la suite, je présenterai une nouvelle technique d’analyse de données pour extraire l’oxygénation des tissus à partir de spectres de réflectance diffus dans le but d’améliorer la précision de mesure en spectroscopie rétinienne et ultimement de porter un diagnostique. Bien que conçu pour la rétine, l’algorithme peut également être utilisé pour analyser les spectres acquis lors d’une neurochirurgie afin de fournir des informations à la fois discriminantes et diagnostiques. Finalement, je montrerai des preuves de diffusion anisotrope de la lumière dans les axones myélinisés de la moelle épinière et discuterai des conséquences que cela pourrait avoir sur les simulations actuelles de la propagation des photons dans le cerveau, qui feront partie intégrante d’un guidage optique efficace. / Differentiating tissue types is an important aspect of guiding medical interventions whether it be for disease diagnosis or for surgical guidance. However, diseased and healthy tissues are often hard to discriminate by human vision alone and surgical navigation can be difficult to accomplish in large organs where the target structure lies deep within the body. New methods that can increase certainty in such medical interventions are therefore of great interest to healthcare professionals. Optical spectroscopy is a tool which can be exploited to probe discriminatory information in tissue by analyzing light-tissue interactions with a spectral range, resolution and sensitivity much greater than the human eye. Throughout this thesis, I will explain how I have leveraged optical spectroscopy to create, and improve, an optical guidance system for deep brain stimulation neurosurgery, specifically for the treatment of Parkinson’s disease. I will begin by describing how spectroscopic information can provide real-time feedback to a surgeon during the procedure, in the hopes of ultimately improving treatment outcome. To this end, I will present the investigation of two different spectroscopic modalities for optical guidance: diffuse reflectance spectroscopy, and coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy. The advantages and disadvantages of both techniques will be discussed along with their promising translatability for this application. Following this, I will present a novel data analysis technique for extracting the tissue oxygenation from diffuse reflectance spectra with the aim of improved diagnostic information in retinal spectroscopy. While designed for the retina, the algorithm can also be used to analyze spectra acquired during a neurosurgery to provide both discriminatory and diagnostic information. Lastly, I will show evidence of anisotropic light scattering in the myelinated axons of the spinal cord and discuss the implications this may have on current photon propagation simulations in the brain, which will be integral for effective optical guidance.