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.

L'hippocampe est une région du cerveau située dans le lobe temporal médian. Avec d'autres structures limbiques, l'hippocampe est impliqué dans des processus d'apprentissage et de mémorisation et possède un rôle crucial dans le traitement spatial de l'information. Les synapses de l'hippocampe formées entre les fibres moussues (fm) originaires du gyrus denté et les neurones pyramidaux de CA3 ont reçu une attention particulière, compte tenu de la position stratégique occupée par le gyrus denté à l'entrée de l'hippocampe. En outre les synapses fm- CA3 sont distinctes de la plupart des autres synapses excitatrices du système nerveux central par leurs propriétés morphologiques et physiologiques uniques. Cela soulève la question de savoir si ces propriétés uniques reflètent aussi un rôle fonctionnel unique dans le traitement de l'information effectué par cette synapse au sein du microcircuit de l'hippocampe. Malheureusement nous ne savons que peu de choses sur la façon dont les cellules granulaires modulent l'activité des neurones de CA3 dans le réseau intact in vivo (Henze et al, 2002 ; Hagena et Manahan - Vaughan, 2010, 2011). Le manque d'information est dû au fait que la manipulation classique des circuits neuronaux par des approches électriques, pharmacologiques et génétiques manque de précisions spatiale et temporelle in vivo. L'utilisation de la stimulation extracellulaire de fibres moussues peut conduire à l'activation polysynaptique de cellules pyramidales de CA3, qui peuvent ensuite contaminer les réponses enregistrées. Par ailleurs, l'utilisation de critères trop conservateurs peut conduire à l'exclusion des réponses provenant des fibres moussues «purs» aux propriétés méconnues (Henze et al., 2000). Toutefois, le développement récent et rapide de l’optogénétique dans les neurosciences a fourni de nouveaux outils offrant une sélectivité spatiale élevée (activation optique spécifique de la cellule), et une grande précision temporelle (à l'échelle de la milliseconde), permettant la dissection et l'étude des circuits neuronaux in vivo. L'objectif de ma thèse était de mieux comprendre les mécanismes et les conséquences physiologiques de la plasticité synaptique à court terme se produisant à la synapse formée entre les fibres moussues et les neurones pyramidaux de CA3 dans le cerveau de souris intact. La présente thèse se compose de deux parties principales. Dans la première partie, j'ai exploré de nouveaux outils optogénétiques dans le but de contrôler l'activité des cellules granulaires à l’aide d’impulsions de lumière. La stimulation optogénétique repose sur l'activation du canal ionique channelrhodopsin - 2 - lumière fermée ( ChR2 ) par une lumière bleue et induit des potentiels d'action sur une large gamme de fréquences de stimulation. J'ai aussi observé que la stimulation optique peut être utilisée pour déclencher la plasticité à court terme au niveau des synapses fm-CA3.Dans la deuxième partie j'ai affiné la méthodologie de stimulation optogénétique in vivo pour la caractérisation non invasive du fonctionnement synaptique des synapses fm- CA3. La fiabilité de la stimulation optogénétique d'une population neuronale génétiquement ciblée ainsi que la résolution d'une seule cellule obtenue en utilisant des enregistrements de cellules entières sont des étapes importantes vers une meilleure compréhension du rôle fonctionnel des fibres moussues dans le réseau de l'hippocampe in vivo. / The hippocampus is a brain region located in the medial temporal lobe. Along with other limbic structures, the hippocampus is involved in learning and memory processes and has a crucial role in spatial information processing. Within the hippocampus synapses made between mossy fibers (mf) originating from the dentate gyrus and CA3 pyramidal neurons have received particular attention, given the strategic position occupied by the dentate gyrus at the entrance of the hippocampus. Moreover mf-CA3 synapses are distinct from most of other excitatory synapses in the central nervous system for their unusual morphological and physiological properties. This raises the question if these unique properties reflect a unique functional role in information processing carried out by this synapse within the microcircuit of the hippocampus. Unfortunately very little is known on how granule cells modulate the activity of CA3 neurons in the intact network in vivo (Henze et al., 2002; Hagena and Manahan-Vaughan, 2010, 2011). The paucity of information is due to the fact that classical manipulation of neuronal circuits using electrical, pharmacological and genetic approaches lack spatial and temporal precision in vivo. The use of bulk extracellular stimulation may lead to polysynaptic activation of CA3 pyramidal cells, which can subsequently contaminate putative mossy fibers synaptic responses measured in CA3 pyramidal cells. The use of overly conservative criteria on the other side may lead to the exclusion of “pure” mossy fibers responses with unexpected properties (Henze et al., 2000).However the recent and fast growth of optogenetics in neuroscience has provided new tools with high spatial selectivity (cell specific optical activation) and temporal precision (at the millisecond scale), allowing the dissection and investigation of neuronal circuits in vivo. The aim of my thesis was to gain insight into the mechanisms and the physiological consequences of short-term synaptic plasticity occurring at mossy fibers to CA3 pyramidal neurons synapses in the intact mouse brain. The present thesis consists of two main parts. In the first part I explored new optogenetic tools to control the activity of granule cells with pulses of light. Optogenetic stimulation, which relies on the activation of the light-gated ion channel channelrhodopsin-2 (ChR2) by blue light reliably induced action potentials over a wide range of frequencies of stimulation. I also found that optical stimulation can be used to trigger short term plasticity at mf-CA3 synapses. In the second part I refined optogenetic stimulation methodology in vivo for non-invasive characterization of synaptic functioning of the mf-CA3 synapses. The reliability of optogenetic stimulation of a genetically targeted neuronal population together with the single cell resolution obtained using whole-cell recordings are important steps towards a better understanding of the functional role of the mossy fibers in the hippocampal network in vivo.

Il a maintenant été établi, par plusieurs études anatomiques, physiologiques et biochimiques, que les composantes du cortex cérébelleux, telles que les cellules de Purkinje et les afférences des fibres moussues, sont organisées selon une compartimentalisation parasagittale. Dans le but d’établir si les limites de ces diverses zones longitudinales se conforment à un même plan d'organisation, nous avons comparé, chez le rat adulte, la distribution de la projection cérébelleuse des fibres moussues du noyau réticulaire latéral (NRL), obtenue par l’injection d’un traceur antérograde, à la compartimentation des cellules de Purkinje révélée par l’anticorps monoclonal mabQ113. Nos résultats suggèrent que les afférences réticulocérébelleuses démontrent une subdivision parasagittale plus fine que celle établie par les cellules de Purkinje. Il s’avère donc possible que ce raffinement des afférences du noyau réticulaire latéral corresponde fonctionnellement aux microzones du cervelet suggérées par Oscarsson (1976), et que des mécanismes compétitifs puissent conduire à cette fine subdivision. / Québec Université Laval, Bibliothèque 2019

Le glutamate est le principal neurotransmetteur excitateur du système nerveux central.<br />Il agit sur trois grands types de récepteurs ionotropiques, les récepteurs AMPA, NMDA et<br />kainate. Les récepteurs AMPA sont les principaux médiateurs de la transmission synaptique<br />excitatrice dans le système nerveux. Récemment, ce rôle a également été attribué aux<br />récepteurs kainate mais dans des conditions d'activation synaptique intense lorsque de<br />grandes quantités de glutamate sont libérées. La question s'est alors posé de savoir si ces<br />récepteurs participaient à la transmission synaptique excitatrice dans des conditions d'activité<br />plus physiologiques.<br />La première partie de ce travail a consisté à réexaminer les conditions d'activation des<br />récepteurs kainate post-synaptiques dans les cellules pyramidales de la région CA3 et dans les<br />interneurones de la région CA1 de l'hippocampe de rat contrôle. Nos résultats montrent que<br />les récepteurs kainate peuvent être activés par de faibles quantités de glutamate libéré dans<br />ces deux types cellulaires. Nos quantifications révèlent que, dans ces conditions de faible<br />libération de glutamate, leur participation à la transmission synaptique excitatrice est très<br />significative. Nous montrons également que dans les cellules pyramidales de CA3 les<br />récepteurs AMPA et KA sont spécifiquement co-activés au niveau post-synaptique au niveau<br />des fibres moussues en provenance des cellules granulaires.<br />Un bourgeonnement pathologique des fibres moussues est observé dans les modèles<br />animaux et chez les patients atteints d'épilepsie du lobe temporal, une des formes les plus<br />fréquentes d'épilepsie chez l'homme. Après bourgeonnement, les fibres moussues viennent<br />former des synapses aberrantes sur les cellules granulaires. Dans une seconde partie de ce<br />travail nous nous sommes demandés si ce bourgeonnement pouvait modifier la transmission<br />synaptique portée par les récepteurs kainate dans les cellules granulaires dans un modèle<br />animal d'épilepsie du lobe temporal. Nos résultats montrent que, contrairement aux cellules<br />granulaires de rats contrôles, la transmission synaptique excitatrice passe par l'activation de<br />récepteurs kainate dans les cellules granulaires d'animaux épileptiques chroniques. Nos<br />quantifications montrent que dans ces cellules la transmission synaptique portée par les<br />récepteurs kainate est très significative et est directement liée au bourgeonnement des fibres<br />moussues caractéristique des épilepsies du lobe temporal.<br />En conclusion, ces travaux montrent le rôle important des récepteurs kainate dans la<br />transmission synaptique dans des conditions physiologiques. Nos travaux montrent également<br />que la plasticité post-lésionnelle peut induire une transmission synaptique aberrante portée par l'activation des récepteurs kainate dans un modèle animal d'épilepsie du lobe temporal.

Cette thèse a pour objectif spécifique d’explorer les événements précoces pouvant être à l’origine du bourgeonnement aberrant des fibres moussues (FM) du gyrus denté, une réorganisation majeure dans l’Epilepsie du Lobe Tempora (ELT). Nous avons utilisé le modèle pilocarpine d’ELT chez le rat afin de montrer que la transmission GABAergique jouait un rôle prépondérant dans la formation des FM aberrantes au cours de l’épileptogenèse. Ceci étant due à une altération de l’homéostasie chlore, suite à une augmentation de l’expression du co-transporteur NKCC1 et une diminution du co-transporteur KCC2. Nos résultats ont démontré que le récepteur aux neurotrophines p75NTR était un médiateur de l’action trophique de la réponse GABAergique dépolarisante sur le bourgeonnement aberrant des FM. Le blocage de l’action dépolarisante de la transmission GABAergique via l’utilisation de la bumétanide, a permis de réduire le bourgeonnement aberrant des MF en réduisant l’expression de p75NTR. Enfin, l’application transitoire de la bumétanide au cours de l’épileptogenèse a abouti à la réduction du nombre de crises récurrentes et spontanées au cours de la phase chronique d’ELT chez le rat. Ce travail a permis de dévoiler les mécanismes moléculaires sous-jacents de la réorganisation du réseau neuronal glutamatergique consécutif à une crise inaugurale dans un modèle d’ELT. Dans l'ensemble, cette thèse apporte un éclairage nouveau sur l’importance de l’interaction de la signalisation GABAergique avec les neurotrophines afin d’orchestrer la plasticité réactive au sein de l’hippocampe dans TLE. / The present dissertation undertakes to investigate the early triggering events of the mossy fiber sprouting (MFS) in the dentate gyrus, a hallmark of hippocampal reactive plasticity in Temporal Lobe Epilepsy (TLE). We used the rat pilocarpine model of TLE to show that altered GABAA receptor-mediated transmission play a key role in the formation of early ectopic MFS during epileptogenesis. This is likely due to a compromised chloride homeostasis, as a result of increased expression of chloride loader NKCC1 and downregulation of the neuronal chloride extruder KCC2. We next addressed the mechanistic action of depolarizing GABAAR responses with regard to neurotrophin signaling. Our findings uncovered that the pan neurotrophin receptor p75 (p75NTR) mediated the sculpting action of depolarizing GABAAR responses on the ectopic MFS. Blockade of depolarizing GABAAR responses using the loop diuretic bumetanide reduced abnormal p75NTR subsequently decreased the ectopic MFS. Finally, transitory application of bumetanide during epileptogenesis resulted in reduction of spontaneous and recurrent seizures during the chronic phase of TLE. The rationale of this work is that unveiling the molecular mechanisms underlying the hippocampal post-seizure glutamatergic network rewiring will help to drive future novel therapeutic avenues involving chloride homeostasis and neurotrophin interplay. Overall, this dissertation shed a new light on how GABAergic transmission and neurotrophin signaling crosstalk can orchestrate reactive hippocampal plasticity in TLE.

La maladie d’Alzheimer (MA) est la forme la plus commune de démence chez les personnes âgées. La maladie se caractérise par des pertes de fonctions cognitives et plusieurs études ont montré une étroite relation entre la neuroinflammation, les déficits synaptiques et la perte des fonctions cognitives dans la MA. L'importance de la composante neuroinflammatoire a été démontrée essentiellement grâce à des données épidémiologiques rapportant une prévalence diminuée de 40 à 70% chez des patients traités chroniquement par des anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS) pour d'autres pathologies. Les AINS sont des inhibiteurs des enzymes de synthèse des prostaglandines. Les prostaglandines sont des métabolites de l’acide arachidonique. Parmi ces prostaglandines, la PGE2 est connue pour moduler la transmission et les plasticités synaptiques dans l’hippocampe et son expression est fortement augmentée dans la maladie d’Alzheimer. De nombreux travaux rapportent l'existence de déficits synaptiques dans la MA, notamment dans l'hippocampe, siège de la mémoire et de l’apprentissage. Ces travaux se sont focalisés sur les déficits postsynaptiques à la synapse archétypique formée entre les cellules pyramidales CA3 et CA1. A l'inverse, la synapse formée entre les fibres moussues et les cellules pyramidales CA3 (FM-CA3) exprime des plasticités présynaptiques atypiques, à court et à long terme, indépendantes des récepteurs NMDA et il n'existe que très peu d'études concernant ces plasticités dans le contexte de MA. L’objectif de cette étude a été de montrer l’implication de PGE2 dans les déficits synaptiques à la synapse FM-CA3 dans un modèle murin de la MA, la souris double transgénique APPswe/PS1ΔE9 (APP/PS1). Nos résultats montrent que l’application exogène de PGE2 chez des souris sauvages entraîne un déficit de plasticité uniquement sur la potentialisation à long terme (PLT) exprimée présynaptiquement via l’activation spécifique du récepteur EP3. Nous montrons aussi que dans la souris APP/PS1, seule cette PLT présynaptique est impactée à partir de 12 mois. Enfin, ce déficit de la PLT présynaptique pour la souris APP/PS1 est réversé par un inhibiteur spécifique des récepteurs EP3 montrant ainsi un rôle clé pour la signalisation PGE2 - EP3 dans les déficits synaptiques hippocampaux de ce modèle murin de la maladie d’Alzheimer. / Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of dementia in elder people characterized by a loss of cognitive function linked to synaptic deficits. There is considerable evidence that neuroinflammation and AD are intimately linked. The key role of neuroinflammation in the course of the disease was figured out by epidemiological studies reporting a reduced prevalence to develop AD for patients chronically treated with Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drugs (NSAIDs). Prostaglandins are lipidic mediators derived from arachidonic acid and their synthesis is inhibited by NSAIDs. Among prostaglandins, PGE2 is known to modulate synaptic transmission and plasticity in the hippocampus and its concentration is higher in brains from AD patients. Numerous studies have reported synaptic deficits in the course of AD, mainly in the hippocampus which is essential for cognitive functions like learning or memory formation. The vast majority of these studies were focused on postsynaptic deficits at the canonical CA3-CA1 synapse. On the opposite, the synapse between mossy fiber and CA3 pyramidal cell (Mf-CA3) that express presynaptic short-term and long-term plasticity, was poorly studied in the context of AD. The aim of my project was to decipher the involvement of PGE2 in synaptic deficits in a mouse model of AD, the APPswe/PS1ΔE9 (APP/PS1). Our results show that acute application of PGE2 on wild type young mice impairs only presynaptic long term potentiation (LTP) at the Mf-CA3 synapse via the specific activation of EP3 receptor. In APP/PS1 mice, we demonstrate that the sole deficit at the Mf-CA3 synapse is an impairment of the presynaptic LTP at 12 months of age. Finally we demonstrate that the impaired presynaptic LTP in APP/PS1 mice can be rescued by the acute application of a specific EP3 receptor antagonist, pointing out the key role of PGE2 - EP3 signaling pathway in synaptic deficits in hippocampus in a mouse model of AD.