Les synapses formées par les fibres moussues (FM) sur les cellules principales de la région CA3 (FM-CA3) jouent un rôle crucial pour la formation de la mémoire spatiale dans l’hippocampe. Une caractéristique des FM est la grande quantité de zinc localisée avec le glutamate dans les vésicules synaptiques recyclées par la voie d’endocytose dépendante de l’AP3. En combinant l’imagerie calcique et l’électrophysiologie, nous avons étudié le rôle des vésicules contenant le zinc dans la neurotransmission aux synapses FM-CA3. Contrairement aux études précédentes, nous n’avons pas observé de rôle pour le zinc dans l’induction des vagues calciques. Nos expériences ont révélé que les vagues calciques sont dépendantes de l’activation des récepteurs métabotropiques et ionotropiques du glutamate. D’autre part, nos données indiquent que les vésicules dérivées de la voie dépendante de l’AP3 forment un groupe de vésicules possédant des propriétés spécifiques. Elles contribuent principalement au relâchement asynchrone du glutamate. Ainsi, les cellules principales du CA3 de souris n’exprimant pas la protéine AP3 avaient une probabilité inférieure de décharge et une réduction de la synchronie des potentiels d’action lors de la stimulation à fréquences physiologiques. Cette diminution de la synchronie n’était pas associée avec un changement des paramètres quantiques ou de la taille des groupes de vésicules. Ces résultats supportent l’hypothèse que deux groupes de vésicules sont présents dans le même bouton synaptique. Le premier groupe est composé de vésicules recyclées par la voie d’endocytose utilisant la clathrine et participe au relâchement synchrone du glutamate. Le second groupe est constitué de vésicules ayant été recyclées par la voie d’endocytose dépendante de l’AP3 et contribue au relâchement asynchrone du glutamate. Ces deux groupes de vésicules sont nécessaires pour l’encodage de l’information et pourraient être importants pour la formation de la mémoire. Ainsi, les décharges de courte durée à haute fréquence observées lorsque les animaux pénètrent dans les places fields pourraient causer le relâchement asynchrone de glutamate. Finalement, les résultats de mon projet de doctorat valident l’existence et l’importance de deux groupes de vésicules dans les MF qui sont recyclées par des voies d’endocytoses distinctes et relâchées durant différents types d’activités. / Mossy fiber-CA3 pyramidal cell synapses play a crucial role in the hippocampal formation of spatial memories. These synaptic connections possess a number of unique features substantial for its role in the information processing and coding. One of these features is presence of zinc co-localized with glutamate within a subpopulation of synaptic vesicles recycling through AP3-dependent bulk endocytosis. Using Ca2+ imaging and electrophysiological recordings we investigated role of these zinc containing vesicles in the neurotransmission. In contrast to previous reports, we did not observe any significant role of vesicular zinc in the induction of large postsynaptic Ca2+ waves triggered by burst stimulation. Moreover, our experiments revealed that Ca2+ waves mediated by Ca2+ release from internal stores are dependent not only on the activation of metabotropic, but also ionotropic glutamate receptors. Nevertheless, subsequent experiments unveiled that the vesicles derived via AP3-dependent endocytosis primary contribute to the asynchronous, but not synchronous mode of glutamate release. Futhermore, knockout mice lacking adaptor protein AP3 had a reduced synchronization of postsynaptic action potentials and impaired information transfer; this was not associated with any changes in the synchronous release quantal parameters and vesicle pool size. These findings strongly support the idea that within a single presynaptic bouton two heterogeneous pools of releasable vesicles are present. One pool of readily releasable vesicles forms via clathrin mediated endocytosis and mainly participates in the synchronous release; a second pool forms through bulk endocytosis and primarily supplies asynchronous release. The existence of two specialized pools is essential for the information coding and transfer within hippocampus. It also might be important for hippocampal memory formation. In contrast to low firing rates at rest, dentate gyrus granule cells tend to fire high frequency bursts once an animal enters a place field. These burst activities, embedded in the lower gamma frequency, should be especially efficient in the triggering of substantial asynchronous glutamate release. Therefore, the results of my PhD project for the first time provide strong evidence for the presence and physiological importance of two vesicle pools with heterogeneous release and recycling properties via separate endocytic pathways within the same mossy fiber bouton.

Thèse doctorat : Aspects Moléculaires et Cellulaires de la Biologie. Neurosciences : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 11 p.

La protéine kinase Ca²⁺/calmoduline-dépendante II (CaMKII) est une enzyme clé dans le processus de la mémoire. Elle est impliquée dans les mécanismes qui régissent la plasticité synaptique et le recrutement de protéines à la synapse. Certaines hypothèses suggèrent que pour y parvenir, la CaMKII se fixe à la densité post-synaptique de manière persistante. Cette localisation pourrait faciliter son rôle de kinase vis-à-vis de ses partenaires et faciliter la transmission synaptique, en permettant l'exocytose des récepteurs AMPA par exemple. L'enzyme peut également se lier aux microtubules de manière plus brève lors des entrées calciques. Cette liaison pourrait à son tour phosphoryler certaines protéines associées aux microtubules et permettre la libération de cargos aux endroits spécifiques. Plusieurs questions sont présentement posées par la communauté scientifique au sujet des rôles de l'enzyme face à la plasticité synaptique. De quelles manières est-elle retenue à la synapse, quelles sont ses mécanismes et ses modes de diffusion, est-elle impliquée dans certains processus d'étiquetage synaptique ? Ce sont là quelques questions auxquelles j'ai tenté de répondre au cours de mes travaux de maîtrise. J'ai donc étudié les dynamiques spatiales et temporelles de la CaMKII de façon à mieux comprendre comment elle intervient au niveau synaptique. J'ai utilisé des cultures d'hippocampe de rats, dans lesquelles j'ai surexprimé la GFP-aCaMKII. J'ai fait du FRAP (fluorescence recovery after photobleaching) et du FLAPA (Fluorescence loss after Photo Activation) ce qui m'a permis d'obtenir de l'information sur la mobilité et la rétention de la CaMKII. J'ai également adapté une méthode d'analyse de régression sur le profil d'intensité en utilisant la méthode des maxima d'entropie. Mes résultats démontrent que suite à une activation synaptique, une plus grande fraction de CaMKII est retenue à la synapse, pour une durée de temps prolongée. Cette rétention, observée sur une longue période, pourrait avoir un rôle important dans les changements plastiques à long terme. J'ai aussi démontré que l'enzyme doit d'être activée via le complexe Ca²⁺/CaM. D'autres résultats m'ont permis de constater que lors des entrées calciques, la CaMKII se fixe aux microtubules. Mes travaux proposent donc que plusieurs dynamiques spatiales et temporelles de la CaMKII sont mises à contribution pour le bon fonctionnement du système de transmission synaptique.

Les axones des cellules granulaires du gyrus dentelé, nommées fibres moussues (FM) établissent des contacts synaptiques avec les neurones du hile et de la région CA3 de l'hippocampe. Les synapses formées par les FM possèdent des propriétés anatomiques et physiologiques uniques qui pourraient jouer un rôle crucial dans la façon dont l'information est transmise par les cellules granulaires. Une de ces caractéristiques particulières est la concentration exceptionnellement élevée de zinc vésiculaire histochimiquement réactif, qui pénètre dans les vésicules par l'intermédiaire d'un transporteur spécifique (ZnT-3). Nous ne savons cependant pas si cette grande concentration de zinc vésiculaire confère aux FM leurs propriétés physiologiques uniques. Nous avons utilisé plusieurs techniques électrophysiologiques afin de mieux comprendre l'implication du zinc dans les mécanismes d'excitabilité neuronale et de transmission synaptique de la région CA3 de l'hippocampe. D'abord, nous avons étudié l'influence du zinc vésiculaire sur l'excitabilité neuronale. En utilisant des tranches d'hippocampe de rats adultes, nous avons montré qu'une diminution de la concentration extracellulaire de zinc ne modifie pas l'excitabilité du réseau neuronal de CA3. Ces données suggèrent que le rôle principal du zinc n'est pas de moduler directement l'activité des cellules de CA3. Nous avons tenté de savoir comment la présence du zinc vésiculaire affecte les mécanismes de libération de neurotransmetteurs des FM. Pour répondre à cette question, nous avons utilisé un modèle expérimental où seul le zinc vésiculaire est absent, soit les souris ZnT-3 KO. Nous avons constaté que l'absence de zinc diminue l'activité excitatrice miniature et engendre une variation de l'amplitude des EPSCs des cellules pyramidales de CA3. Nous avons également découvert que la voie d'endocytose dépendante de l'AP3 est impliquée dans la composition des vésicules contenant du zinc, et que le bon fonctionnement de cette voie est nécessaire pour l'obtention d'EPSCs de large amplitude. Les souris ZnT-3 KO montrent aussi une sensibilité sélective aux chélateurs lents de calcium, indiquant un rôle du zinc vésiculaire dans les dynamiques de libération de neurotransmetteurs. L'ensemble de nos résultats suggère un rôle important du zinc vésiculaire dans les propriétés temporelles de libération de neurotransmetteurs, une donnée qui jette un éclairage nouveau sur le rôle du zinc dans les propriétés fonctionnelles des FM.

Pour mieux comprendre les processus moléculaires à la base de la communication synaptique, il est nécessaire de pouvoir observer et contrôler l’activité synaptique avec une grande précision temporelle (ms) et spatiale (échelle nanométrique). Mon projet propose d’utiliser une technique de stimulation optique localisée basée sur l’excitation plasmonique de nanoparticules d’or (Nanoparticle Assisted Localized Optical Stimulation – NALOS) afin de produire une stimulation synaptique localisée sur une seule synapse. NALOS peut être réalisé en utilisant un microscope confocal équipé d’un laser infrarouge femtoseconde pour stimuler des nanoparticules d’or déposées sur les neurones en culture. Il a été démontré qu’il est possible d’induire avec NALOS une augmentation transitoire de Ca2+ intracellulaire sur une dendrite, mesurée avec l’aide de GCaMP6s, un indicateur de Ca2+ génétiquement encodé1 . Afin de mieux comprendre les effets physiologiques de NALOS sur les neurones, la première partie de mon projet vise à caractériser le mécanisme sous-jacent à la technique. Pour ce faire, nous avons varié la puissance de la stimulation laser sur les nanoparticules d’or pour caractériser les différentes réponses calciques transitoires intracellulaires obtenues ainsi que la possible formation de trous sur la membrane. Nous avons ensuite identifié les principaux récepteurs et canaux ioniques pouvant être stimulés avec NALOS en utilisant différents antagonistes. Nous avons ensuite appliqué NALOS pour générer une stimulation synaptique. Pour y parvenir, nous avons stimulé localement un axone et observé la réponse calcique reliée à une stimulation synaptique par relâchement naturel de glutamate via des vésicules de la zone active présynaptique. Cet outil permettra donc de stimuler et d’observer, une synapse à la fois, des changements structurels et moléculaires reliés à la communication synaptique. / To better understand the molecular processes underlying synaptic communication, it is necessary to be able to observe and control synaptic activity with high temporal (ms) and spatial (nanoscale) precision. My project proposes using a localized optical stimulation technique based on the plasmonic excitation of gold nanoparticles (Nanoparticle Assisted Localized Optical Stimulation – NALOS) to produce synaptic stimulation localized at a single synapse. NALOS can be performed using a confocal microscope equipped with an infrared femtosecond laser to stimulate gold nanoparticles deposited on cultured neurons. It has been shown that NALOS can induce a transient stimulation of intracellular Ca2+ on a dendrite, measured with the help of GCaMP6s, a genetically encoded Ca2+ indicator1 . For a better understanding the physiological effects of NALOS on neurons, the first part of my project aims to characterize the mechanism underlying this technique. To do this, we varied the power of laser stimulation on gold nanoparticles to decipher the different intracellular transient Ca2+ responses obtained as well as to investigate the possible formation of holes on the membrane. We then determined the main receptors and ion channels that can be stimulated with NALOS. We then applied NALOS to generate synaptic stimulation. To do this, we locally stimulated an axon and look at the Ca2+ response related to synaptic stimulation by natural release of glutamate via vesicles of the presynaptic active zone. This tool will thus make it possible to stimulate and observe, one synapse at a time, structural and molecular changes related to synaptic communication

La corne dorsale de la moelle épinière contient une population diversifiée de neurones qui sont responsables de l'intégration et de la transmission de l'information liée à la douleur vers le cerveau. L'excitabilité de ces neurones est largement contrôlée par l'acide γ- aminobutyrique (GABA) et la glycine, les deux principaux neurotransmetteurs inhibiteurs du système nerveux central. L'inhibition synaptique conventionnelle est médiée par des récepteurs GABAA et glycine perméables aux chlorures, situés à l’opposé des terminaux présynaptiques. Cependant, un sous-ensemble différent de ces récepteurs est situé à l'extérieur de la synapse et offre une diversité fonctionnelle supplémentaire d'inhibition. Les études présentées dans cette thèse ont utilisé une grande variété d'approches pour explorer deux composantes non conventionnelles de l'inhibition dans la régulation de la transmission liée à la douleur dans la corne dorsale de la moelle épinière. Le premier est le rôle des récepteurs GABAergiques non synaptiques qui produisent une inhibition tonique; le seconde est la régulation des gradients de chlorure intracellulaire qui déterminent la force de l'inhibition GABAergique. Les résultats montrent qu'il existe un gradient d'inhibition à travers la corne dorsale, avec une inhibition plus faible dans les niveaux superficiels, et de plus en plus forte en profondeur. Ceci est démontré par une contribution différentielle des récepteurs GABAA contenant des sous-unités α5 (α5GABAAR) à l'inhibition tonique à travers la corne dorsale de la moelle épinière. L'activité basale de ces récepteurs n'est pas assez forte pour contraindre la sensibilisation à l'information liée à la douleur, mais contribue à la récupération de ces états sensibilisés. Le renforcement de l'activité de αGABAARs ne limite pas non plus la sensibilisation. En revanche, l'activité d'autres récepteurs GABAA producteurs d'inhibition tonique, à savoir ceux contenant des sous-unités δ (δGABAAR), peut être améliorée pour diminuer la sensibilisation dans la corne dorsale. D'autre part, il y a aussi un gradient dans l'homéostasie du chlorure, qui affecte la façon dont les différents neurones intègrent les entrées synaptiques. En fait, j'ai decouvert que l'homéostasie du chlorure module la propension et la stabilité de la plasticité synaptique. Une activité plus élevée de l'extrudeur neuronal du chlorure (KCC2), telle que celle présente dans les niveaux plus profonds de la corne dorsale, est directement liée à une reduction de la potensialisation a long-terme (LTP). Inversement, une faible capacité d'extrusion de chlorure dans les niveaux superficiels conduit à une LTP accentué dans la corne dorsale. En conclusion, j'ai découvert un gradient d'inhibition à travers la corne dorsale qui détermine la sensibilisation de l'information nociceptive. Une inhibition faible aux niveaux superficiels conduit à une plasticité synaptique améliorée et sans contrainte, alors qu'une inhibition plus forte contraint la plasticité aux niveaux plus profonds de la corne dorsale. / The dorsal horn of the spinal cord contains a diverse population of neurons that are responsible for the integration and transmission of pain-related information into the brain. The excitability of these neurons is largely controlled by γ-aminobutyric acid (GABA) and glycine, the two main inhibitory neurotransmitters in the central nervous system. Conventional synaptic inhibition is mediated by chloride-permeable GABAA and glycine receptors, located directly opposite to presynaptic terminals. However, a different subset of these receptors is located outside the synapse and provides further functional diversity of inhibition. The studies presented in this thesis employed a wide variety of approaches to explore two non-conventional components of inhibition in the regulation of pain-related transmission in the dorsal horn of the spinal cord. The first is the role of non-synaptic GABAergic receptors that produce tonic inhibition; the second is the regulation of intracellular chloride gradients that determine the strength of GABAergic inhibition. The results show that there is a gradient of inhibition across the dorsal horn, with weaker inhibition in superficial levels, and increasingly stronger in deeper levels. This is evidenced by a differential contribution of α5 subunit-containing GABAA receptors (α5GABAARs) to tonic inhibition across the dorsal horn of the spinal cord. Importantly, the basal activity of these receptors is not strong enough to counter sensitization of pain-related information but contributes to the recovery from these sensitized states. Enhancing the activity of α5GABAARs also does not constrain sensitization. In contrast, the activity of other tonicinhibition- producing GABAA receptors, namely those that contain δ subunits (δGABAARs), can be enhanced to decrease sensitization in the dorsal horn. On the other hand, there is a also gradient in chloride homeostasis, which affects how different neurons integrate synaptic inputs. In fact, I found that chloride homeostasis modulates the propensity and stability of synaptic plasticity. As such, higher activity of the neuronal chloride extruder (KCC2), such as that present in deeper levels of the dorsal horn, is directly linked to a stable, or constrained, long-term potentiation (LTP). Conversely, low chloride extrusion capacity in superficial levels leads to enhanced and unstable LTP in the dorsal horn. In conclusion, I uncovered a gradient of inhibition across the dorsal horn that shapes the sensitization of nociceptive information. Weak inhibition at superficial levels leads to enhanced and unconstrained synaptic plasticity, whereas stronger inhibition stabilizes plasticity at deeper levels of the dorsal horn

Thèse de doctorat : Informatique : Nancy 1 : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

Le présente mémoire fournit des nouvelles évidences montrant la modulation de l’excitabilité neuronale intrinsèque et synaptique, et la conséquence de cette modulation sur l’activité neuronale durant à la fois, les oscillations lentes du sommeil, et les crises électrographiques in vivo chez des animaux anesthésiés. Nous effectuons des enregistrements intracellulaires simultanés de neurones corticaux et des potentiels de champs locaux au niveau du gyrus suprasylvien à l’intérieur du cortex associatif pariétal (aires : 5, 7 et 21). Nous suggérons que la fluctuation de la concentration extracellulaire du calcium durant les oscillations lentes du sommeil module à la fois, l’excitabilité intrinsèque et synaptique des neurones corticaux, ainsi par conséquent, elle module affecte la relation d’input-output de ces neurones. L’apparition durant les oscillations lentes du sommeil, des crises de type Lennex-Gastaut qui sont générées corticalement, nous a permet d’étudier les propriétés spatio-temporelles des ondes paroxysmiques rapides associées avec ce type de crises. Nous suggérons que les ondes paroxysmiques rapides apparaissent comme des oscillations quasi-indépendantes même dans les localisations corticales voisines, suggérant leur origine focal. / The present memoir provides new evidences showing the modulation of intrinsic and synaptic excitability of cortical neurons, and the consequence of this modulation on neuronal activity during both slow sleep oscillations and electrographic seizures in vivo in anaesthetized animals. We performed simultaneous recordings of cortical neurons with local field potentials in suprasylvian gyrus within parietal associative cortex (area 5, 7 and 21). We suggest that the fluctuation of extacellular calcium concentration during slow sleep oscillations, modulates both intrinsic and synaptic excitability cortical neurons, thus by consequence modulates the input-output relationship of these neurons. The occurrence during slow-wave sleep of cortically generated Lennox-Gastaut type of seizures admits us to study the spatio-temporal properties of paroxysmal fast runs associated with this type of seizures. We suggest that fast runs appeared as quasi-independent oscillations even in neighbouring cortical locations suggesting their focal origin.

Comme son titre l’indique, ce mémoire porte sur la modélisation de l’activation des neurones excitateurs du cerveau, plus particulièrement dans l’hippocampe. L’étude de cette zone est particulièrement importante car elle joue un rôle de premier plan dans les processus de mémorisation et d’apprentissage. À partir d’un cerveau de rat tranché en fines lamelles, quelques synapses (avec leur environnement) ont été reconstruites en trois dimensions. Puis, grâce au logiciel de simulation par éléments finis COMSOL, il a été possible de vérifier l’impact de différents facteurs (pré et postsynaptiques) sur l’activation des récepteurs AMPA et NMDA. Ce qui différencie les présentes simulations, c’est le souci de créer un environnement le plus réaliste possible, principalement en ce qui a trait à la géométrie, à la température ainsi qu’au phénomène de «spillover».

Les études GWAS associent les variantes du gène Fxr1 à la schizophrénie, les maladies bipolaires, l’insomnie et la durée du sommeil. Gsk3β peut directement phosphoryler et ainsi réguler négativement Fxr1. De plus, les interactions fonctionnelles entre Gsk3β et Fxr1 sont associées avec la stabilité émotionnelle chez les humains. Comment Gsk3β-Fxr1 régule l’activité neuronale, la plasticité et le comportement reste inconnu. Gsk3β peut être activé en aval des récepteurs D2 de dopamine. L’activité de Gsk3β peut être modulée par les stabilisateurs d’humeur, les antipsychotiques et les antidépresseurs en régulant des comportements. Néanmoins, les corrélations neuroanatomiques de Gsk3β en aval des récepteurs D2 restent inexplorées. Nous avons étudié, en premier lieu, les relations de Gsk3β-Fxr1 avec l’activité neuronale et les comportements. Nous avons découvert que Fxr1 et son régulateur négatif Gsk3β affectent les comportements liés à l’anxiété ainsi que la neurotransmission glutamatergique via la régulation des récepteurs AMPA synaptiques. Deuxièmement, nous avons exploré l’Implication de Gsk3β-Fxr1 dans la plasticité synaptique et le sommeil. Nous avons constaté que Fxr1 est le régulateur central («maître») de la mise à l’échelle synaptique homéostatique. D’ailleurs, il est aussi engage dans l’homéostasie du sommeil et module la force synaptique en régulant les transcripts impliqués dans la synthèse locale des protéines et la structure synaptique. Troisièmement, dans le but de comprendre les corrélations neuroanatomiques nous avons généré une carte des neurones exprimant des récepteurs D2 de tout le cortex et leurs projections. En quatrième lieu, nous avons visé d’investiguer les fonctions de Gsk3β en aval des récepteurs D2 dépendamment de leur emplacement anatomique. L’invalidation (knockout) intersectoriel de Gsk3β dans les neurones D2 du cortex préfrontal murin par CRISPR/Cas9 nous a permis de révéler sa contribution dans la régulation des comportements cognitifs, sociaux et de ceux associés à l’humeur. En résumé, cette thèse de doctorat élucide les fonctions de Fxr1 dans le cerveau tout en démontrant l’utilité du CRISPR/Cas9 dans le ciblage génétique ayant pour but d’explorer les fonctions des gènes spécifiquement dans un circuit donné. / Variants in Fxr1 gene are GWAS-associated to schizophrenia, bipolar disorders, insomnia, and sleep duration. Gsk3β can directly phosphorylate and negatively regulate Fxr1. Moreover, functional interaction between Gsk3β and Fxr1 is associated with emotional stability in humans. How Gsk3β-Fxr1 regulates neuronal activity, plasticity and behaviors remains unclear. Gsk3β can be activated downstream of dopamine D2 receptors. Gsk3β activity can be modulated by mood stabilizers, antipsychotics and antidepressants to regulate behaviors. Nevertheless, neuroanatomical correlates of Gsk3β functions downstream of D2 receptors remain elusive. First, we investigated the relationship of Gsk3β-Fxr1 to neuronal activity and behaviors. We discovered that Fxr1 and its negative regulator Gsk3β affect anxiety-related behaviors and glutamatergic neurotransmission via regulation of synaptic AMPA receptors. Second, we addressed the involvement of Gsk3β-Fxr1 in synaptic plasticity and sleep. We discovered that Fxr1 is a master regulator of homeostatic synaptic scaling. Moreover, it is engaged during sleep homeostasis to modulate synaptic strength via regulation of transcripts involved in local protein synthesis and synaptic structure. Third, to understand neuroanatomical correlates of D2 receptor signaling we generated a cortex-wide map of D2 expressing neurons and their projection targets. Fourth, we aimed to understand anatomically defined functions of Gsk3β downstream of D2 receptors. CRISPR/Cas9 mediated intersectional knockout of Gsk3β in D2 neurons of mPFC elucidated its contribution to the regulation of cognitive, social and mood-related behaviors. Overall, this thesis sheds light on brain functions of a GWAS-identified risk gene Fxr1 and shows the utility of intersectional CRISPR/Cas9 mediated genetic targeting for the interrogation of circuitspecific functions of genes.