Le potentiel d'action est un des événements de signalisation majeurs du cerveau. Ce travail est dédié à l'étude de la génération du potentiel d'action, et son impact dans le potentiel extracellulaire ainsi que dans le réseau local. Pour ce faire nous avons abordé trois questions principales. Premièrement, nous nous sommes intéressés à comprendre pourquoi les potentiels d'action ont souvent un début brutal dans les enregistrements somatiques des neurones de mammifères. Nous avons montré que l'hypothèse du couplage résistive critique explique comment le potentiel d'action est initié dans le segment initial de l'axone pour fournir le 'kink' dans le soma. Deuxièmement, nous avons évalué l'impact de la position du segment initial sur le potentiel extracellulaire. De façon importante, nous démontrons que l’impact de la position du segment initial axonal dans la forme et l’amplitude du potentiel d’action dépend de la distance entre le site d’enregistrement et l’axone, et de sa position par rapport à l’axe soma-segment initial axonal.Finalement, nous avons exploré l’impact d’un seul potentiel d’action dans l’activité de réseau, car cet effet est souvent questionné. Nos montrons qu’un seul potentiel d’action d’un neurone pyramidal hippocampique peut commencer l’activité «sharp-wave ripple” qui consiste en l’activation de multiple interneurones. L’ensemble de nos résultats montre que les potentiels d’action sont des événements complexes modelés par la biochimie de le membrane neuronale et la morphologie de l’axone. De plus, ces caractéristiques neuronales modulent fortement leur impact dans le champ extracellulaire et l’activité de réseau. / The action potential is considered one of the major signaling events in the brain.Although it has been studied for years, many questions remain unanswered. The present work is dedicated to the study of action potential generation, its impact on extracellular field and local network establishment. We considered three questions: Firstly, (i) we asked why mammalian neurons often have characteristically sharp onset in the somatic recordings of action potentials. We show that the Critical Resistive Coupling Hypothesis is sufficient to explain how the action potential is initiated in the axon initial segment to provide for the ‘kink’ in the soma, while the Back propagation Hypothesis is not sufficient to explain it. Next, (ii)we asked how the placement of the axon initial segment might affect the extracellular field. We show that the impact of the axon initial segment position on the shape and amplitude ofextracellular action potential depends on the distance between the recording site andthe axon and on its position along the soma–axon initial segment axis. Finally, (iii)we inquired if a single action potential might have an effect on the network activity. Weshow that a single action potential from a single pyramidal neuron in the hippocampus can trigger sharp-wave ripple activity consisting of the firing of multiple interneurons.Altogether, our results show that action potentials are complex events shaped by the biochemistry of the neuronal membrane and morphology of the axon. In addition these features strongly modulate the neuron’s impact on the extracellular field and network activity.

Le segment initial de l'axone (SIA) joue un rôle dans la maintenance de la polarité neuronale et dans l'initiation du potentiel d'action. Il se construit autour de l'ankyrine G (ankG) qui relie les protéines membranaires au cytosquelette d'actine et de microtubules. Cette structure est dynamiquement régulée par des kinases. S'il a été clairement établi que l'ankG est cruciale à la formation et à la maintenance du SIA, les mécanismes responsables de sa concentration dans la partie proximale de l'axone restent encore inconnus. Il en est de même pour la protéine kinase CK2 qui régule l'interaction entre l'ankG et les canaux sodiques (Nav1). Dans un premier temps, nous avons montré, par des approches de mutagénèse, que le domaine serine-rich (SR), notamment ses 73 premiers acides aminés, porte l'information nécessaire à l'entrée de l'ankG dans l'axone. Mais ce domaine n'est pas suffisant pour le confiner dans la partie proximale de l'axone, cette propriété est portée par le domaine Tail. En plus de la coopération de ces domaines, nous avons aussi observé que l'adressage de l'ankG est régulé par les kinases Cdk5 et PKC. Dans un second temps, nous avons montré que l'accumulation de la CK2 au SIA dépend de l'expression des Nav1. L'existence d'un complexe formé par les Nav1 et la CK2 serait donc importante au recrutement de la protéine kinase CK2 au SIA. En outre, le développement des anticorps phosphospécifiques nous a permis de monter que les Nav1 sont phosphorylés in vivo au niveau de leur motif de liaison à l'ankG. L'ensemble de nos résultats ouvre de nouvelles perspectives dans la compréhension de la formation du SIA et des mécanismes de régulation qui peuvent être associés. / The axon initial segment (AIS) is responsible for both the maintenance of neuronal polarity and the generation of action potentials. The scaffolding protein ankyrin G (ankG) is specifically expressed in the AIS where it links transmembrane proteins to the subjacent actin and microtubule cytosqueletons. Moreover, the AIS is dynamically regulated by kinases. Although, it has been clearly established that ankG directs AIS assembly and maintenance, the mechanisms regulating ankG proper transport and tethering remain unclear. Another AIS component, the protein kinase CK2 is also playing an important role via the phosphorylation of the ankG-binding motif (ABM) on sodium channels (Nav1) to strengthen their interaction with ankG. But, the mechanism regulating its targeting and anchoring to the AIS remain still unknown. Here, we report that the first 73 residues of the serine-rich domain are necessary for the targeting of ankG to the axon and the tail domain for the proper positioning along the proximal axon. We also observed that ankG axonal localization is modulated by post-translational modifications. Using phosphospecific antibodies and inhibition/depletion approaches, we also provide evidence that the ABM of Nav1 are phosphorylated in vivo and that CK2 accumulation at the AIS depends on Nav1 expression, with which they form tight complexes. This suggests that CK2-mediated phosphorylation participates in Nav1 clustering in vivo and that its specific localization at the AIS is dependent on Nav1 expression. Altogether, our results open new perspectives in understanding the formation of AIS and regulatory mechanisms that may be involved.

Le segment initial de l’axone (SIA) est un sous-domaine fonctionnel du neurone localisé dans l’axone proximal, qui assure deux fonctions : l’initiation du potentiel d’action et le maintien de l’identité axonale. Le maintien et la stabilité du SIA sont des éléments fondamentaux de l’excitabilité du neurone et la nature dynamique de l’organisation fonctionnelle du SIA a été mise en évidence. Les objectifs de mes travaux de thèse ont été d’étudier les mécanismes responsables du maintien du SIA, en condition physiologique ou pathologique et d’identifier de nouveaux acteurs impliqués dans ces mécanismes. Dans un premier temps, nous avons identifié et caractérisé l’expression d’une nouvelle protéine au SIA : la protéine Scrib1. En utilisant une approche par ARN interférent nous avons montré que Scrib1 est nécessaire au maintien de la morphologie du SIA. Les conséquences fonctionnelles de l’absence de Scrib1 sont une diminution de l’excitabilité neuronale. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux mécanismes pouvant être à l’origine de l’expression ectopique du canal Nav1.8 observée dans certaines pathologies démyélinisantes. Nous avons montré que Nav1.8 possède un site d’interaction à l’ankyrine G. Ce motif d’interaction est suffisant pour adresser un canal chimérique au SIA et perturber l’expression des Nav1 endogènes. A l’inverse des Nav1 du système nerveux central, l’interaction entre Nav1.8 et l’ankyrine G n’est pas régulée par la CK2. Cette interaction constitutive entre Nav1.8 et l’ankyrine G pourrait expliquer son expression ectopique dans le système nerveux central. / The axonal initial segment (AIS) is a unique sub-domain that plays a central role in the physiology of the neuron, as it orchestrates both electrogenesis and the maintenance of neuronal polarity. The maintenance and the stability of the AIS after assembly ensure a reliable generation of action potentials. However, new mechanisms affecting AIS protein-protein interaction and composition have been shown to modulate the electrogenesis of the neuron. Moreover, recent findings highlight that the AIS is capable of homeostatic plasticity through an activity–dependent change either in its location along the proximal axon or in its length. The objectives of my thesis were to study the mechanisms responsible for AIS maintenance in physiological or pathological condition and to identify new players involved in these mechanisms.First we identified and characterized the expression of a novel protein in AIS: the protein Scrib1. Using an shRNA approach we showed that Scrib1 is necessary to maintain the AIS morphology. The functional consequence of the absence of Scrib1 is a decreased of neuronal excitability.Second, we are interested in the mechanisms that cause the ectopic expression of Nav1.8 channel observed in demyelinating diseases. We found that Nav1.8 constitutively interacts with ankG in contrast to Nav1.2, which requires CK2 phosphorylation to bind ankG. Furthermore, when Nav1.8 ankyrin-binding domain was expressed in hippocampal neuron, it clustered at the AIS where it acted as a dominant negative for endogenous Nav1. This constitutive interaction between Nav1.8 and ankG could explain the ectopic expression of Nav1.8 in the central nervous system.

Caspr2 est une molécule d'adhérence impliquée dans diverses pathologies neurologiques telles que l'autisme et l'encéphalite limbique (EL). Les mécanismes pathogéniques restent inconnus. Caspr2 est associé aux canaux potassiques Kv1.1/1.2 aux juxtaparanoeuds et au segment initial (SI). Dans un premier article publié dans Front. Cell. Neurosci. (2015), nous avons mis en évidence que les autoanticorps anti-Caspr2 issus de patients atteints d'EL ciblent majoritairement les neurones GABAergiques. Caspr2 est localisé au niveau des axones et des terminaisons présynaptiques inhibitrices dans les neurones d'hippocampe en culture. De plus, nous avons généré une chimère Caspr2-Fc soluble qui a permis d’identifier TAG-1 comme récepteur de Caspr2 localisé au niveau du compartiment somato-dendritique postsynaptique. Les neurones incubés avec des IgGs de patients, présentent une densité diminuée des clusters de Géphyrine marqueur des post-synapses inhibitrices. Ces anticorps sont d'isotype IgG4 et reconnaissent le plus communément des épitopes de la région Discoïdine-LaminineG1. Un blocage fonctionnel de Caspr2 au niveau synaptique permettrait de comprendre l'hyperexcitabilité associée à l'EL. Dans un second article en préparation, nous avons étudié la régulation de l’expression de Caspr2 au SI. Nous avons utilisé différentes constructions et identifié les domaines LamineG2-EGF1 extracellulaires de Caspr2 requis pour son expression axonale. De plus, les domaines cytoplasmiques de liaison aux protéines 4.1B et PDZ sont impliqués dans la rétention de Caspr2 et MPP2 au SI. Notablement, l'expression de TAG-1 ou ADAM22 induit des effets opposés sur l'expression de Caspr2 au SI. / Caspr2 is a cell adhesion molecule associated with neurologic diseases, such as autism spectrum disorders and limbic encephalitis. The underlying pathogenic mechanisms are still unknown. Caspr2 is associated with the voltage-gated potassium channels Kv1.1/1.2 localized at the axon initial segment (AIS) and the juxtaparanodes in myelinated axons. In a first paper published in Front. Cell. Neurosci. (2015), we characterized anti-Caspr2 autoantibodies from limbic encephalitis (LE) patients and showed that these autoantibodies preferentially targeted GABAergic neurons. Caspr2 was localized along axons and at the presynaptic terminals of inhibitory neurons in hippocampal cultures. Next, we generated a soluble Caspr2-Fc chimera to identify TAG-1 as a receptor for Caspr2 localized at the somato-dendritic compartment and post-synapses. We determined that neurons displayed decreased synaptic gephyrin clusters when incubated with anti-Caspr2 IgGs from LE patients. The autoantibodies mainly bound the N-terminal Discoidin-LamininG1 domains and were of the IgG4 isotype. They may exert functional blocking activity on inhibitory connections underlying the hyperexcitability linked with LE. In a second article in preparation, we examined the regulated expression of Caspr2 at the AIS using deletion and reporter constructs. We mapped the LamininG2 and EGF1 modules in the ectodomain as implicated in the axonal distribution of Caspr2 and the cytoplasmic motifs for binding to 4.1B and PDZ proteins as implicated in Caspr2 AIS retention together with MPP2. Strikingly, co-expression with TAG-1 and ADAM22 induced opposite effects on AIS Caspr2 distribution.