Les récepteurs du glutamate de type AMPA (rAMPA) sont les acteurs principaux de la transmission synaptique excitatrice rapide. Leur abondance au niveau de la densité postsynaptique est essentielle pour l'établissement et le maintien de la fonction synaptique, et est le résultat d'un trafic hautement dynamique. De nombreuses études ont permis de caractériser les mécanismes de diffusion membranaire impliqués dans l’adressage des rAMPA jusqu’à la synapse. Le rôle majeur des protéines auxiliaires des rAMPA dans la modulation de cette étape de trafic a été démontré. Par ailleurs, il est suggéré que la localisation synaptique des rAMPA est aussi régulée lors des phases plus précoces du trafic intracellulaire, c’est-à-dire de l'appareil de Golgi vers la membrane plasmique via les vésicules post-Golgiennes. Cependant le trafic vésiculaire post-Golgien des rAMPA n'a jamais été visualisé et reste donc encore très mal compris. En collaboration avec l'équipe de Guus Smit (Amsterdam), j’ai participé à la caractérisation d’une nouvelle protéine auxiliaire des rAMPA, appelée Shisa6. Dans le cadre de ce projet, j’ai pu étudier le rôle de cette protéine sur la diffusion membranaire des rAMPA en utilisant une technique de suivi de particule unique (Quantum dot) développée au laboratoire. Mon projet de thèse principal a consisté à étudier le trafic vésiculaire post-Golgien des rAMPA par le développement d’une nouvelle méthode d’étude. En effet, l'échec dans la visualisation dynamique du trafic vésiculaire des récepteurs pourrait être expliqué par un faible rapport signal/bruit, conséquence d'une faible concentration vésiculaire en rAMPA combinée à un bruit de fond important dû aux marquages provenant du réticulum endoplasmique (RE) et de la membrane plasmique. Dans le but de surpasser cette difficulté, nous avons mis au point un outil ingénieux (système ARIAD) afin de bloquer les rAMPA dans le RE et contrôler, par l'ajout d'un ligand, leur sécrétion du RE jusqu'à la membrane plasmique. Grâce à cet outil, nous avons non seulement augmenté considérablement la concentration des rAMPA dans les vésicules post-Golgiennes, mais aussi éliminé le bruit de fond membranaire. Par la technique de FRAP nous avons pu éliminer le bruit de fond provenant du RE. Une telle approche, combinée à des techniques d'imagerie sur neurones vivants, nous a permis de visualiser pour la première fois le trafic vésiculaire post-Golgien des rAMPA et de l’étudier. / AMPA-type glutamate receptors (AMPAR) are the main actors of the fast excitatory synaptic transmission. Their abundance at the postsynaptic density is essential for the establishment and maintenance of synaptic function, and is the result of a highly dynamic trafficking. Many studies have characterized the membrane diffusion mechanisms involved in the AMPAR synaptic localization, and revealed the critical role of the AMPAR auxiliary proteins in the modulation of this trafficking. Furthermore, it is suggested that AMPAR synaptic localization is also regulated during the early steps of the intracellular trafficking, from the Golgi apparatus to the plasma membrane via the post-Golgi vesicles. However, the post-Golgi vesicular trafficking of AMPAR has never been visualized and therefore remains poorly understood. In collaboration with the Guus Smit team (Amsterdam), I participated in the caracterization of a novel AMPAR auxiliary protein called Shisa6. As part of this project, I studied the role of this protein on the AMPAR membrane diffusion, using a method of single particle tracking (Quantum dot) developed in the laboratory. My main thesis project was to study the post-Golgi vesicular trafficking of AMPAR through the development of a new experimental protocol. Indeed, the failure in the dynamic visualization of the receptor vesicular trafficking could be explained by a low signal/noise ratio resulting of a poor AMPAR vesicular concentration, combined with a high background noise due to receptors localized both in the endoplasmic reticulum (ER) and at the plasma membrane. In order to overcome this difficulty, we have used an ingenious tool (ARIAD system) so as to block AMPAR into the ER and, by adding a ligand, control their trafficking from the ER to the plasma membrane. Thanks to this tool we have not only significantly increased the AMPAR concentration in the post-Golgi vesicles, but also eliminated the plasma membrane background noise. The FRAP imaging technique was used in order to remove the ER background noise. Such methodological approach combined with imaging techniques in living neurons, allowed us to clearly visualize for the first time the post-Golgi vesicular trafficking of AMPAR, and to study the mechanisms involved in this trafficking.

Le synaptic scaling est une forme de plasticité homéostatique par lequel les synapses ajustent leur efficacité pour compenser des variations normales ou pathologiques de l'activité neuronale notamment lors des maladies neurodégeneratives ou suite à la perte d’afférences sensorielles après une lésion. Dans un modèle expérimental classique, le traitement chronique des neurones primaires avec la tétrodotoxine (TTX) pour bloquer la propagation des potentiels d'action présynaptiques induit une augmentation significative de l'amplitude des courants miniatures excitateurs transmis par les récepteurs du glutamate AMPA postsynaptiques. Plusieurs voies de signalisation ont été proposées, dont celle impliquant les microARNs (miRs), de petits ARN non-codants qui inhibent la traduction des protéines en se liant aux ARN messagers cibles. Dans ce contexte, nous avons exploré l'hypothèse que le microARN, miR-124, fortement exprimé dans le cerveau, pourrait être un régulateur important de l'homéostasie synaptique en contrôlant l'expression de la protéine synaptopodine, une protéine structurante des épines dendritiques et indispensable à l'expression du synaptic scaling.En combinant des approches de RTq-PCR, d'immunocytochimie et d'électrophysiologie in vitro, nous avons montré dans un premier temps que la privation globale de l'activité des neurones primaires d’hippocampe diminuait le niveau d'expression de miR-124 et augmentait celui de la synaptopodine et des récepteurs AMPA dont la sous-unité GluA2 est une autre cible de miR-124. Par ailleurs, en rendant des synapses individuelles inactives via l’expression présynaptique de la toxine tétanique, nous avons observé que le recrutement synaptique des récepteurs AMPA et de la synaptopodine était spécifique de ces synapses, suggérant une régulation homéostatique locale. Dans un deuxième temps, nous avons trouvé que la surexpression de miR-124 ou l’inhibition de son interaction avec l’ARNm de la synaptopodine ou de GluA2 bloquaient la réponse synaptique homéostatique induite par le traitement TTX. Enfin, des expériences de FRAP ont suggéré que la synaptopodine influençait le trafic des récepteurs AMPA à la membrane probablement en les stabilisant à la synapse, ce qui expliquerait ainsi son rôle pendant la plasticité homéostatique. / Synaptic scaling is a form of homeostatic plasticity where synapses adjust their own efficacy to compensate for normal or pathological variations in neuronal activity such as neurodegenerative disorders or sensory deprivation after a lesion. In a well-established paradigm, the chronic application of tetrodotoxin (TTX) in primary neurons, to block presynaptic action potential propagation, induces a significant upscaling of miniature excitatory postsynaptic currents mediated-AMPA receptors. Numerous regulators of this plasticity have been identified including microRNAs (miR), which are small endogenous non-coding RNAs, inhibiting protein translation by binding to mRNA targets. This led us to hypothesize that the most highly expressed microRNA in the brain, miR-124, could be an important regulator of homeostatic scaling by controlling the expression of synaptopodin, a structural protein of dendritic spines playing a crucial role in homeostatic plasticity.By combining qRT-PCR, immunocytochemistry and in vitro electrophysiology approaches, first we showed that a global 48hrs TTX treatment in hippocampal primary neurons led to a decrease in miR-124 level and an increase in the expression of synaptopodin and synaptic AMPA receptors containing the GluA2 subunit which is another miR-124 target. Moreover, we observed that the synaptic accumulation of AMPA receptors and synaptopodin could be synapse-specific by expressing the tetanus toxin to block the activity of individual presynapses, which suggested a local homeostatic regulation. Importantly, we found that overexpressing miR-124 or inhibiting its interaction with synaptopodin or GluA2 mRNAs blocked the synaptic homeostatic response. In addition, FRAP experiments suggested that synaptopodin controlled AMPA receptor trafficking at the membrane by probably retaining them in dendritic spines, which could explain its role during homeostatic plasticity.

Le cerveau est formé d’un réseau complexe de neurones responsables de nos fonctions cognitives et de nos comportements. Les neurones reçoivent via des contacts spécialisés nommés « synapses », des signaux d’autres neurones.[...] Le mécanisme par lequel les neurones reçoivent, intègrent et transmettent ces informations est très complexe et n'est toujours pas parfaitement compris. Dans les synapses excitatrices, les récepteurs AMPA (AMPARs) sont responsables de la transmission synaptique rapide. Les récents développements en microscopie de super résolution ont permis à la communauté scientifique de changer la vision de la transmission synaptique. Une première avancée fait suite à l’observation que les AMPARs ne sont pas distribués de façon homogène dans les synapses, mais sont organisés en nanodomaines de ~ 80 nm de diamètre contenant ~ 20 récepteurs. Ce contenu est un facteur important pour déterminer l'amplitude de la réponse synaptique. En raison de la basse affinité des AMPARs pour le glutamate, un AMPAR ne peut être activé que lorsqu'il est situé dans une zone de ~ 150 nm en face du site de libération des neurotransmetteurs. Récemment, il a été montré que les nanodomaines d’AMPARs sont situés en face de ces sites de libération, formant des nano-colonnes trans-synaptiques à l'état basal. Cette organisation précise à l’échelle nanométrique semble être un facteur clé dans l'efficacité de la transmission synaptique. Une autre avancée a été l'observation que les AMPARs diffusent à la surface des neurones et sont immobilisés à la synapse pour participer à la transmission synaptique. L'échange dynamique entre le pool diffusif d’AMPARs et les récepteurs immobilisés dans les nanodomaines participe au maintien de l’efficacité de la réponse synaptique lors de stimulations à hautes fréquences. L'objectif de ma thèse a été de déterminer le rôle des paramètres indiqués ci-dessus sur les propriétés de la transmission synaptique, à l'état basal et au cours de phénomènes dits de plasticité synaptique. Tout d'abord, nous avons identifié le rôle crucial de la Neuroligine dans l'alignement des nanodomaines d’AMPARs avec les sites de libération du glutamate. En plus de cela, nous avons mis en évidence l’impact de cet alignement sur l’efficacité de la transmission synaptique en perturbant celui-ci. En parallèle, nous avons démontré que les AMPARs désensibilisés sont plus mobiles à la membrane plasmatique que les récepteurs ouverts ou fermés, et ce, en raison d'une diminution de leur affinité pour les sites d’immobilisation synaptiques. Nous avons montré que ce mécanisme permettait aux synapses de récupérer plus rapidement de la désensibilisation et d'assurer la fidélité de la transmission synaptique lors de stimulations à hautes fréquences. Enfin, les synapses peuvent moduler leurs intensités de réponse grâce à des mécanismes de plasticité synaptique à long terme, et plus particulièrement, la dépression à long terme (LTD) qui correspond à un affaiblissement durable de ce poids synaptique. [...] À la suite des découvertes précédentes concernant le rôle de la nano-organisation dynamique des AMPARs pour réguler le poids et la fiabilité de la transmission synaptique, j'ai décidé d'étudier leur rôle dans l'affaiblissement et la sélection des synapses. J'ai découvert que la quantité d’AMPAR par nanodomaine diminue rapidement et durablement. Cette première phase semble due à une augmentation de l’internalisation des AMPARs. Dans un deuxième temps, la mobilité des AMPARs augmente suite à une réorganisation moléculaire de la synapse. Ce changement de mobilité des AMPARs permet aux synapses déprimées de maintenir leur capacité à répondre aux signaux neuronaux à hautes fréquences. Ainsi, nous proposons que l'augmentation de la mobilité des AMPARs au cours de la LTD permet de transmettre une réponse fidèle dans les synapses stimulées à hautes fréquences et donc de sélectivement les maintenir tout en éliminant les synapses inactives. / The brain is a complex network of interconnected neurons responsible for all our cognitive functions and behaviors. Neurons receive inputs at specialized contact zones named synapses which convert an all or none electrical signal to a chemical one, through the release of neurotransmitters. This chemical signal is then turned back in a tunable electrical signal by receptors to neurotransmitters. However, a single neuron receives thousands of inputs coming from several neurons in a spatial- and temporal-dependent manner. The precise mechanism by which neurons receive, integrate and transmit this synaptic inputs is highly complex and is still not perfectly understood. At excitatory synapses, AMPA receptors (AMPARs) are responsible for the fast synaptic transmission. With the recent developments in super-resolution microscopy, the community has changed its vision of synaptic transmission. One breakthrough was the discovery that AMPARs are not randomly distributed at synapses but are organized in nanodomains of ~80 nm of diameter containing ~20 receptors. This content is an important factor since it will determine the intensity of the synaptic response. Due to their mM affinity for glutamate, AMPARs can only be activated when located in an area of ~150 nm in front of the neurotransmitter release site. Recently, AMPAR nanodomains have been shown to be located in front of glutamate release sites and to form trans-synaptic nanocolumns at basal state. Thus, the nanoscale organization of AMPARs regarding release sites seems to be a key parameter for the efficiency of synaptic transmission. Another breakthrough in the field was the observation that AMPARs diffuse at the cell surface and are immobilized at synapses to participate to synaptic transmission. The dynamic exchange between AMPAR diffusive pool and the receptors immobilized into the nanodomains participates to maintain the efficiency of synaptic response upon high-frequency stimulation.The overall aim of my PhD has been to determine the role of each above listed parameters on the intimate properties of synaptic transmission both at basal state and during synaptic plasticity. First, we identified the crucial role of Neuroligin in the alignment of AMPAR nanodomains with glutamate release sites. In addition, we managed to break this alignment to understand its impact on synaptic transmission properties. In parallel, we demonstrated that, due to a decrease in their affinity for synaptic traps, desensitized AMPARs diffuse more at the plasma membrane than opened or closed receptors. This mechanism allows synapses to recover faster from desensitization and ensure the fidelity of synaptic transmission upon high-frequency release of glutamate. Finally, synapses can modulate their strength through long-term synaptic plasticity, in particular, Long-Term Depression (LTD) corresponds to a long-lasting weakening of synaptic strength and is thought to be important in some cognitive processes and behavioral flexibility through synapse selective elimination. Following the previous discoveries about the impact of AMPAR dynamic nano-organization at synapses on the regulation of the synaptic transmission strength and reliability, I decided to investigate their role in the weakening of synapses. I found that AMPAR nanodomain content drops down rapidly and this depletion last several minutes to hours. The initial phase seems due to an increase of endocytosis events, but in a second phase, AMPAR mobility is increased following a reorganization of the post-synaptic density. This change in mobility allows depressed synapses to maintain their capacity to answer to high-frequency inputs. Thus, we propose that LTD-induced increase in AMPAR mobility allows to conduct a reliable response in synapses under high-frequency stimulation and thus to selectively maintain them while eliminating the inactive ones.

Les champs récepteurs corticaux se réorganisent en réponse aux changements de l'environnement. Par exemple, suite à une lésion périphérique, les modalités sensorielles préservées gagnent de l'espace cortical au détriment de celles lésées. L'étude du cortex somatosensoriel en tonneau des rongeurs a fourni des données importantes pour la compréhension des mécanismes synaptiques à l'origine de cette réorganisation corticale. En condition normale, les neurones de chaque colonne corticale répondent préférentiellement à la stimulation d'une seule vibrisse principale ("Principal Whisker, PW"). Au contraire, suite à l'amputation de l'ensemble des vibrisses sauf une ("Single Whisker Experience, SWE"), les neurones des colonnes associées aux vibrisses amputées répondent à la stimulation de la vibrisse conservée, à l'origine du renforcement et de l'expansion des représentations corticales des vibrisses conservées. Bien que des preuves indirectes aient révélées un rôle de la potentialisation à long terme ("Long-Term Potentiation, LTP") de synapses préexistantes dans la modification des cartes corticales, probablement via une augmentation du nombre des récepteurs AMPA (AMPARs) aux synapses, un lien direct entre la LTP, la réorganisation des cartes corticales, et l'adaptation des comportements sensori-moteurs suite à une altération des entrées sensorielles n'a pas encore été démontré. L'objectif de cette thèse a donc été de mettre en évidence cette relation de façon expérimentale et en condition physiologique. Pour cela, nous avons mis au point une stratégie in vivo combinant des enregistrements électrophysiologiques, de l'imagerie biphotonique et l'analyse du comportement d'exploration chez la souris contrôle ("Full Whisker Experience, FWE) et amputée de certaines vibrisses (SWE). Nous avons d'abord confirmé que la stimulation rythmique de la PW ("Rhytmic Whisker Swtimulation, RWS") renforce les synapses excitatrices (RWS-LTP) in vivo des souris anesthésiées FWE. Au contraire des souris FWE, les neurones pyramidaux des souris SWE présentent une augmentation de l'excitabilité neuronale et une absence de RWS-LTP, indiquant ainsi que les synapses corticales associées à la vibrisse intacte ont été potentialisées en réponse au protocole SWE. Pour mieux comprendre l'implication de la RWS-LTP dans la réorganisation des cartes corticales et l'adaptation des comportements sensori-moteurs, nous avons développé une nouvelle approche pour manipuler la LTP in vivo grâce à l'immobilisation des AMPARs par des anticorps extracellulaires ("cross-linking"). En effet, notre équipe a montré précédemment que le cross-linking des AMPARs empêche la LTP in vitro. Par ailleurs, une accumulation des AMPARs au niveau post-synaptique a été démontrée in vivo par imagerie biphotonique au cours d'une stimulation RWS, suggérant un rôle de la mobilité de ces récepteurs dans cette RWS-LTP. Au cours de cette thèse, nous avons démontré que le cross-linking des AMPARs in vivo bloque également l'expression de la RWS-LTP, mais sans affecter la transmission synaptique basale, ni l'induction de la RWS-LTP, indiquant ainsi que la mobilité des AMPARs est également fondamental pour l'expression de la LTP in vivo. De façon importante, le cross-linking des AMPARs de façon chronique, au cours du SWE, permet non seulement de rétablir la RWS-LTP et l'excitabilité neuronale, et donc de bloquer la réorganisation corticale, mais aussi de modifier les capacités de récupération sensori-motrices des souris amputées. Dans l'ensemble, nos données démontrent pour la première fois un rôle critique et direct de la RWS-LTP dans le réarrangement des circuits en réponse à l'amputation de certaines vibrisses. La réorganisation des cartes corticales serait ainsi assurée par le renforcement de la transmission synaptique, et constituerait alors un mécanisme compensatoire pour optimiser le comportement sensorimoteur de l'animal lors de l'altération des entrées sensorielles. / Neuronal receptive fields in the cerebral cortex change in response to peripheral injury, with active modalities gaining cortical space at the expense of less active ones. Experiments on the mouse whisker-to-barrel cortex system provided important evidences about the synaptic mechanisms driving this cortical remapping. Under normal conditions, neurons in each barrel-column have receptive fields that are strongly tuned towards one principal whisker (PW). However, trimming all the whiskers except one (single-whisker experience, SWE) causes layer (L) 2/3 pyramidal neurons located in the deprived and spared-related columns to increase their response towards the spared input. This results in a strengthening and expansion of the spared whisker representation within the barrel sensory map. Indirect evidences suggest that these cortical alterations might depend on the activity-dependent potentiation of pre-existing excitatory synapses (LTP), likely through increased levels of postsynaptic AMPA receptors (AMPARs). However, a clear link between LTP, cortical remapping, and the adaptation of sensorimotor skills following altered sensory experience has not yet convincingly been demonstrated. Here, we combined in vivo whole-cell recordings, 2-Photon calcium imaging and a whisker-dependent behavior protocol to directly demonstrate this relationship. It has been described that rhythmic whisker stimulation potentiates cortical synapses (RWS-LTP) in vivo. An accumulation of postsynaptic AMPARs during similar sensory stimulation was also reported by imaging evidences. Our data demonstrates that this potentiation is occluded by SWE, suggesting that cortical synapses are already potentiated by this trimming protocol. This is translated into an increased neuronal excitability in the spared column and sensorimotor recovery by the spared whisker. To better understand the implication of LTP in cortical remapping, we developed a novel approach to manipulate LTP in vivo without affecting overall circuit properties. Our team showed previously that the blockage of AMPARs synaptic recruitment by extracellular antibody cross-linking prevents LTP in vitro. Here, we report that in vivo cross-linking of AMPARs blocks the expression but not the induction of RWS-LTP, suggesting that the synaptic recruitment of AMPARs is fundamental for in vivo LTP as well. Moreover, chronic AMPAR cross-linking during SWE reverts RWS-LTP occlusion and the increased neuronal excitability caused by whisker trimming. As consequence, the sensorimotor performance by the spared whisker is permanently impaired by the blockage of cortical remapping. Altogether, these evidences led us to define a critical role for synaptic LTP on circuit re-arrangement after whisker trimming. Our data shows that LTP-driven cortical remapping is a compensatory mechanism to optimize animal’s sensorimotor behavior upon altered sensory experience.