Une des caractéristiques remarquables des structures cérébrales en développement est leur propension à exprimer des patrons d’activité neuronale corrélée spontanés (Pour revue : Blankenship and Feller, 2010). Au cours de la première semaine de vie postnatale chez le rongeur, se succèdent des patrons aux caractéristiques spatio-temporelles différentes, portés par des mécanismes cellulaires différents. On identifie donc différents stades de développement d’activité neuronale corrélée constituant une séquence. Notre hypothèse est que cette séquence ne reflète pas uniquement la maturation séquentielle des propriétés intrinsèques et synaptiques des neurones individuels, mais qu’elle participe directement aux processus de maturation. Nous avons testé cette hypothèse au cours de cette thèse, à partir de l’étude de la séquence des patrons d’activité neuronale corrélée de l’hippocampe et du néocortex pendant la première semaine de vie postnatale chezle rongeur. Pour suivre en parallèle la maturation des réseaux et des neurones individuels qui le composent, nous avons suivi la dynamique des activités de réseau en imagerie calcium biphoton et réalisé en parallèle des enregistrement sélectrophysiologiques de neurones ciblés. Nous avons montré que les SPAs, premier patron d’activité neuronale corrélée à s’exprimer au sein de l’hippocampe en développement (Crepel et al., 2007), s’expriment également au sein du néocortex immature avec des caractéristiques spatio-temporelles et des mécanismes similaires à ceux rapportés dans l’hippocampe. Ceci suggère une implication générale des SPAs dans la maturation des réseaux. Nous avons montré en parallèle que les ENOs, oscillations calciques dominant l’activité du néocortex au cours des premiers jours suivant la naissance (Adelsberger et al., 2005; Garaschuk et al., 2000) sont exprimées en même temps que les SPAs. Les ENOs se caractérisent par leur sensibilité à la concentration extracellulaire de glutamate et leur renforcement en condition d’anoxie modérée, suggérant que cette forme d’activité pourrait en réalité être l’expression de conditions pathologiques. Nous avons enfin montré que la séquence de mise enplace des patrons d’activité neuronale corrélée du néocortex se terminait avec l’apparition des GDPs, décrits pour la première fois ici au sein du néocortex et portés par la transmission GABAergique, dépolarisante à ce stade dudéveloppement (Ben Ari et al., 1989; Crepel et al., 2007; Garaschuk et al., 1998). Se basant sur les similarités apparentes de ces patrons d’activités, les ENOs du néocortex étaient considérées comme les homologues néocorticaux des GDPs del’hippocampe. Nous avons montré ici que ENOs et GDPs sont deux patrons d’activité distincts, caractérisés par des mécanismes et des dynamiques spatio-temporelles différents. Nous avons ensuite étudié le devenir et les propriétés morpho-physiologiques des cellules impliquées dans les SPAs en fonction de la maturation du réseau hippocampique. Dans ce but, nous avons mis au point un protocole d’imagerie calciumchronique sur tranches organotypiques d’hippocampe, afin de suivre la même population de neurones jour après jour. Nous avons montré que la majorité des cellules SPAs intégraient le réseau synaptique sous-tendant la genèse des GDPs en quelques jours. Parallèlement, nous avons montré que les interneurones GABAergiques impliqués dans les SPAs présentaient des caractéristiques morpho-physiologiques spécifiques telles qu’un patron de décharge de potentiels d’action immature, une fréquence élevée de courants miniatures postsynaptiques de grande amplitude et la présence de filopodessomatiques, qui les distinguent des interneurones impliqués dans les GDPs.Ces résultats apportent des preuves directes de l’existence d’une corrélation entre la maturation du réseau et celle des neurones individuels qui le constituent et montrent en particulier comment de profonds changements développementaux concernant les propriétés morpho-physiologiques des interneurones GABAergiques annoncent l’émergence des GDPs.1 / Developing cerebral structures generate spontaneous synchronous neuronal activity patterns which are sequencially express during the first postnatal week in rodent. Does this sequence of activity pattens participate in process of neuronal network maturation ? We follow the dynamic of network activity using biphoton calcium imaging and electrophysiological recordings of targeted neurons. We describe the sequence of activity pattern in developing neocortex the we show that the first activity pattern of this sequence, the SPA, common to hippocampus and neocortex, has specific morpho-physiological properties, different from the ones of the next activity pattern : the GDPs. Moreover, the majority of SPA cells integrate the synaptic network of GDPs in few days. These results bring direct evidences that sequential activity patterns during development participate in the neuronal network maturation

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La perception sensorielle dépend d'une interaction constante entre plusieurs zones corticales. Typiquement, pour chaque sens il y a une zone primaire qui reçoit directement des informations sensorielles du thalamus et une zone secondaire qui associe cette information avec des centres cognitifs plus élaborés (information descendante). Pourtant, les propriétés synaptiques et les microcircuits impliqués dans ces différents processus ne sont toujours pas élucidés. Nous savons que le récepteur cannabinoïde de type 1 (CB1) est exprimé à un plus grand niveau dans les cortex sensoriels secondaires. Ce récepteur est principalement exprimé par des cellules paniers inhibitrices qui expriment aussi le peptide cholecystokinin (CCK). En utilisant des enregistrements entre des paires d'IN CCK/CB1 et NP dans la couche 2/3 (C2/3) des centres visuels primaires (V1) et secondaires (V2) de souris adultes, nous avons demontré que dans le V1 les IN CCK projettent quasiment exclusivement dans leur propre couche, tandis que dans le V2 ils projettent aussi dans la couche 4 (C4). Malgré cette difference morphologique, ces IN avaient les mêmes signatures électrophysiologiques, suggérant qu'il s'agisse bien d'un type cellulaire homogène. En revanche, les connections synaptiques avec les NP étaient nettement plus petites et non fiable dans la C2/3 de V2. Cette différence disparut avec l'application d'un antagoniste de CB1, suggérant que ce récepteur médie une inhibition tonique qui est spécifique à une zone et couche corticale. Cette étude montre ainsi qu'il existe des microcircuits inhibiteurs particuliers dans les aires primaires et secondaires visuelles. / During sensory processing, the correct subjective representation and interpretation of the external world is accomplished by a constant bi-directional communication between primary and secondary sensory cortices. Yet, the specific microcircuit players involved in these distinct cortical areas are still poorly characterized. After finding that the cannabinoid receptor (CB1) is more widely expressed in secondary than in primary sensory areas, we asked whether the neurons expressing CB1 had different properties in the two areas. CB1 is mainly expressed in large inhibitory basket cells that target the soma of other neurons. Using whole-cell patch clamping in acute brain slices from adult mice, we found that in layer 2/3 of the primary visual area of mice (V1), CB1+ interneurons exerted strong and reliable inhibition onto pyramidal cells, in contrast with the small and unreliable inhibition in secondary visual area (V2). Interestingly, pharmacological blocking of CB1Rs in V2 led to a potentiation of inhibition, while in V1 this effect was not observed, suggesting that CB1 interneurons in V2 are ‘doped’ by tonically or constitutively activated receptors. Differences in CB1 mediated plasticity also support this hypothesis. In V2, CB1+ interneurons projected their axons both within their cortical layer and to deeper layers, while in V1 these projections were principally intralaminar. Strikingly, infra laminar connections in V2 shared synaptic characteristics with those of L2/3 in V1. This study therefore suggests that different visual areas exhibit differential CB1-mediated modulation of perisomatic inhibition onto layer 2/3 and 4 principal neurons.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Pendant des décennies, la plasticité synaptique a été considérée comme le substrat principal de la plasticité fonctionnelle cérébrale. Récemment, plusieurs études expérimentales indiquent que des régulations à long terme de l’excitabilité intrinsèque participent à la plasticité dépendante de l’activité. En effet, la modulation des canaux ioniques dépendants du potentiel, lesquels régulent fortement l’excitabilité intrinsèque et l’intégration des entrées synaptiques, a été démontrée essentielle dans les processus d’apprentissage. Cependant, la régulation, dépendante de l’activité, du courant ionique activé par l’hyperpolarisation (Ih) et ses conséquences sur l’induction de futures plasticités reste à éclaircir, tout comme la présence d’une régulation de conductances dépendantes du potentiel dans les neurones inhibiteurs. Dans la première partie de ma thèse, nous caractérisons les mécanismes d’induction et d’expression de la plasticité à long terme de l’excitabilité (LTP-IE) dans les interneurons en panier de la région CA1 exprimant la parvalbumine. Dans une seconde partie, le rôle de Ih dans la régulation homéostatique de l’excitabilité neuronale induite par des manipulations de l’activité neuronale dans sa globalité a été étudié. Dans la troisième étude, nous montrons que la magnitude de la Dépression à Long Terme (LTD) détermine le sens de la régulation de Ih dans les neurones pyramidaux de CA1. En conclusion, cette thèse montre qu’à la fois dans les neurones excitateurs et inhibiteurs, les régulations des conductances dépendantes du potentiel aident à maintenir une relative stabilité dans l’activité du réseau. / Synaptic plasticity has been considered for decades as the main substrate of functional plasticity in the brain. Recently, experimental evidences suggest that long-lasting regulation of intrinsic neuronal excitability may also account for activity-dependent plasticity. Indeed, voltage-dependent ionic channels strongly regulate intrinsic excitability and inputs integration and their regulation was found to be essential in learning process. However, activity-dependent regulation of the hyperpolarization-activated ionic current (Ih) and its consequences for future plasticity remain unclear, so as the presence of any voltage-dependent conductances regulation in inhibitory neurons. In the first part of this thesis, we report the characterization of the induction and expression mechanisms of Long-Term Potentiation of Intrinsic Excitability (LTP-IE) in CA1 parvalbumin-positive basket interneurons. In a second part, the role of Ih in the homeostatic regulation of intrinsic neuronal excitability induced by global manipulations of neuronal activity was reported. In the third experimental study, we showed that the magnitude of Long-term Depression (LTD) determines the sign of Ih regulation in CA1 pyramidal neurons. In conclusion, this thesis shows that in both excitatory and inhibitory neurons, activity-dependent regulations of voltage-dependent conductances help to maintain a relative stability in the network activity.

Les neurones propriospinaux C3-C4, situés au niveau des cervicales C3-C4, sont connectés de façon excitatrice ou inhibitrice aux motoneurones des membres supérieurs. Ils reçoivent des signaux périphériques et descendants, communiquent avec de multiples interneurones de la moelle et envoient une copie de leurs efférences au cervelet. Les neurones propriospinaux excitateurs sont sous le contrôle d'interneurones inhibiteurs. Les neurones propriospinaux pourraient servir à assister les commandes motrices provenant de structures supérieures, ainsi que l'initiation et la terminaison du mouvement. Des études comportementales chez l'animal ont montré que ce système influence particulièrement les mouvements d'atteinte de cible visuellement guidés du membre antérieur (reaching), ainsi que des mouvements de préhension demandant de la dextérité (precision grip). Le but de cette thèse est de confirmer le rôle du système propriospinal dans la transmission de la commande motrice du bras chez l'Homme. Ce travail a été divisé en deux parties. Dans la première partie, nous avons étudié les effets d'une activation du système propriospinal sur la contraction d'un muscle fléchisseur du poignet (FCR) au cours de tâches dynamiques et visuo-guidées du bras et de la main (reach to grasp et reach to point). Nous avons activé les neurones propriospinaux à l'aide de stimulations magnétiques transcraniennes (TMS) et de stimulations électriques du nerf ulnaire, pour en observer les effets sur la contraction musculaire du FCR au cours des différentes tâches. Nous avons montré que le système propriospinal facilitait la contraction du FCR lors du reach to grasp mais pas lors du reach to point. Nous avons aussi montré que durant le reach to grasp, la facilitation propriospinale n'avait lieu que durant la phase de reaching mais pas pendant la phase de grasping. En augmentant l'intensité de stimulation du nerf ulnaire, la facilitation disparaissait. Nous avons émis l'hypothèse que cette différence de facilitation propriospinale entre les différentes tâches et entre les différentes phases du mouvement soit due à une différence de retours proprioceptifs ainsi qu'à une différence de commandes descendantes. Nous avons suggéré que le contrôle des neurones propriospinaux diffère selon que la tâche soit statique (levée d'inhibition feedback) ou dynamique (renforcement de la commande descendante sur les neurones propriospinaux). Nous avons proposé que le système propriospinal soit un élément important pour l'expression de la dextérité en aidant notamment la stabilisation du bras. La seconde partie consistait à mettre en évidence l'existence d'une relation entre les neurones propriospinaux inhibiteurs et le cortex moteur primaire (M1) et le cortex pré-moteur ventral (PMv). Pour cela, nous avons réalisé des expériences de convergence de volées sur les neurones propriospinaux inhibiteurs à l'aide de stimulations électriques du nerf médian et de TMS appliquée sur M1 ou PMv. Nous avons réussi à démontrer l'existence d'une interaction entre PMv et les neurones propriospinaux inhibiteurs, mais pas entre ces neurones et M1. Cette interaction pourrait se faire par des projections cortico-spinales issues de PMv ou en passant par M1. Nous avons donc inhibé transitoirement M1 par un traitement de double continuous theta burst tout en testant les interactions entre PMv et les neurones propriospinaux inhibiteurs. Les données préliminaires montrent que l'interaction avec PMv subsiste toujours : il est possible que des projections cortico-spinales issues du PMv projette (directement ou indirectement) sur les neurones propriospinaux inhibiteurs.

Die Neurone des Neokortex lassen sich in exzitatorische und inhibitorische Neurone unterteilen. Bei den inhibitorischen Neuronen, die 20-30% der Neurone ausmachen, handelt es sich um GABA freisetzende Interneurone, die anhand ihrer morphologischen, elektrophysiologischen und molekularen Merkmale voneinander unterschieden werden können. Man unterscheidet drei große Gruppen von GABAergen Interneuronen, die Parvalbumin (PV)-exprimierenden, die Somatostatin (SOM)-exprimierenden und die ionotropen Serotonin-Rezeptor 5HT3a-exprimierenden Interneurone. Die 5HT3a-Rezeptor-exprimierenden Interneurone stellen eine sehr heterogene Gruppe dar und bestehen zu 40% aus vasoaktives intestinales Polypeptid (VIP)-exprimierenden Interneuronen. Für die vorliegende Studie wurde die transgene VIPcre/tdTomato-Maus verwendet, die mit Hilfe der Cre/loxP-Technik generiert wurde. In dieser Maus sollten VIP-exprimierende Zellen mit dem fluoreszenten tdTomato-Protein markiert sein. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die VIP-exprimierenden Neurone im somatosensorischen Kortex (Barrel-Kortex) mittels Immunhistochemie und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung neurochemisch zu charakterisieren. Dafür wurden die Proteine vasoaktives intestinales Polypeptid, Somatostatin, Parvalbumin, Glutamatdecarboxylase (GAD 67) und der vesikuläre Glutamattransporter 1 (VGLUT1) als zu identifizierende molekulare Bestandteile genutzt. Ferner konnten Aussagen über die Zelldichte und Zellverteilung von VIP/tdTomato-positiven Zellen in den Schichten I-VI des Barrel-Kortex getroffen werden, um eine schichtenspezifische Charakterisierung der VIPcre/tdTomato-Maus durchzuführen. Außerdem wurde nach möglichen Kolokalisationen zwischen VIP und SOM und VIP und PV gesucht. Durch den Einsatz der Sonden Gad1 und Vglut1 konnten Rückschlüsse auf die exzitatorischen bzw. inhibitorischen Eigenschaften von VIP-exprimierenden Interneuronen gezogen werden. Durch den Einsatz zweier verschiedener VIP-Antikörper und einer Vip-Sonde konnte nachgewiesen werden, dass es sich bei den tdTomato-fluoreszenten Zellen tatsächlich um VIP-exprimierende Interneurone handelt. Zwischen den VIP/tdTomato-positiven Zellen und dem PV-Antikörper bzw. der Pvalb-Sonde wurde niemals eine Kolokalisation nachgewiesen. Für den SOM-Antikörper bzw. die Sst-Sonde konnte nur eine ganz geringe Anzahl an Kolokalisationen mit den VIP/tdTomato-Zellen gezeigt werden. Dadurch bestätigt sich, dass es sich bei der VIPcre/tdTomato-Maus um ein verlässliches Mausmodell zur Untersuchung von VIP-exprimierenden Interneuronen handelt. Die Vglut1-Sonde hatte niemals eine VIP/tdTomato-Zelle markiert, wodurch sich exzitatorische Eigenschaften der VIP-Zellen nicht nachweisen ließen. Hingegen markierte die Gad1-Sonde den Großteil aller VIP/tdTomato-Zellen, wodurch sich bestätigen lässt, dass es sich bei den VIP-exprimierenden Interneuronen um inhibitorische GABAerge Interneurone handelt. Die größte Population an GABAergen Interneuronen in der VIPcre/tdTomato-Maus stellen die PV-exprimierenden Interneurone dar. In den Schichten IV und Vb wurden die meisten PV-positiven Zellen nachgewiesen. Die SOM-exprimierenden Interneurone stellen die zweitgrößte Zellpopulation dar. Die meisten SOM-positiven Zellen befinden sich in den neokortikalen Schichten Vb und VI. Bei den VIP-exprimierenden Interneuronen konnte die größte Anzahl an Zellen in Schicht II/III gefunden werden.

Les interneurones GABAergiques constituent une population mineure de cellules par rapport aux neurones glutamatergiques dans le néocortex. Cependant ils contrôlent fortement l'excitabilité neuronale, la dynamique des réseaux neuronaux et la plasticité synaptique. L'importance des circuits GABAergiques dans le processus fonctionnel et la plasticité des réseaux corticaux est soulignée par des résultats récents qui montrent que des modifications très précises et fiables des circuits GABAergiques sont associées à divers troubles du développement neurologique et à des défauts dans les fonctions cérébrales. De ce fait, la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires impliquant le développement des circuits GABAergiques est la première étape vers une meilleure compréhension de la façon dont les anomalies de ces processus peuvent se produire. La molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM) appartient à la super-famille des immunoglobulines de reconnaissance cellulaire et est impliquée dans des interactions homophiliques et hétérophiliques avec d’autres molécules. Même si plusieurs rôles de NCAM ont été démontrés dans la croissance neuronale, la fasciculation axonale, la formation et la maturation de synapses, de même que dans la plasticité cellulaire de plusieurs systèmes, le rôle de NCAM dans la formation des synapses GABAergiques reste inconnu. Ce projet visait donc à déterminer le rôle précis de NCAM dans le processus de maturation des synapses GABAergiques dans le néocortex, en modulant son expression à différentes étapes du développement. L’approche choisie a été de supprimer NCAM dans des cellules GABAergiques à paniers avant la maturation des synapses (EP12-18), pendant la maturation (EP16-24), ou durant le maintien de celles-ci (EP24-32). Les méthodes utilisées ont été le clonage moléculaire, l’imagerie confocale, la culture de coupes organotypiques et des techniques morphométriques de quantification de l’innervation GABAergique. Nos résultats montrent que l’inactivation de NCAM durant la phase de maturation des synapses périsomatiques (EP16-24) cause une réduction du nombre de synapses GABAergiques périsomatiques et du branchement de ces axones. En revanche, durant la phase de maintien (EP26-32), l’inactivation de NCAM n’a pas affecté ces paramètres des synapses GABAergiques. Or, il existe trois isoformes de NCAM (NCAM120, 140 et 180) qui pourraient jouer des rôles différents dans les divers types cellulaires ou à des stades développementaux différents. Nos données montrent que NCAM120 et 140 sont nécessaires à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Cependant, NCAM180, qui est l’isoforme la plus étudiée et caractérisée, ne semble pas être impliquée dans ce processus. De plus, l’inactivation de NCAM n’a pas affecté la densité des épines dendritiques ou leur longueur. Elle est donc spécifique aux synapses périsomatiques GABAeriques. Finalement, nos résultats suggèrent que le domaine conservé C-terminal KENESKA est essentiel à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Des expériences futures nous aiderons à mieux comprendre la mécanistique et les différentes voies de signalisation impliquées. / GABAergic interneurons, though a minor population in the neocortex, play an important role in cortical function and plasticity. Alterations in GABAergic circuits are implicated in various neurodevelopmental disorders. The GABAergic network comprises diverse interneuron subtypes that have different morphological and physiological characteristics, and localize their synapses onto distinct subcellular locations on the postsynaptic targets. Precisely how activity and molecularly driven mechanisms conspire to achieve the remarkable specificity of GABAergic synapse localization and formation is unknown. Therefore, unravelling the cellular and molecular mechanisms involved in this process is crucial for a better understanding of both cortical function and the basis of various neurological disorders. Here we focus our study on a subtype of GABAergic neurons - the basket interneurons which localize synapses, called perisomatic synapses, onto the soma and proximal dendrites of the postsynaptic targets, and tightly regulate their firing patterns. Although recent studies have shown the activity dependence of basket synapse formation, the molecular mechanisms implicated in the perisomatic synapse formation process are poorly understood. NCAM, the neural cell adhesion molecule, is a prime molecular player implicated both in early synaptogenesis events, and during maturation of glutamatergic synapses in the hippocampus. Recent studies have implicated the polysialylated form of NCAM (PSA-NCAM) in basket synapse formation. However, whether and how NCAM per se plays a role in the formation of GABAergic synapses is unknown. Using single cell genetics to knock down NCAM in individual basket interneurons at specific developmental time periods, we characterized the role of NCAM during perisomatic synapse formation and maintenance. Here we show that loss of NCAM during perisomatic synapse formation from equivalent postnatal day (EP) 16 to EP24, in organotypic slices from mouse visual cortex, significantly retards the process of basket cell axonal branching and bouton formation. However, loss of NCAM at a later stage (EP26 to EP32), when the synapses are already formed, did not affect the number or intricacy of perisomatic synapses. NCAM is therefore implicated in perisomatic synapse formation but not in its maintenance. Further studies also show that isoforms of NCAM, such as NCAM140 and NCAM120 are involved in perisomatic GABAergic synapse maturation. However, NCAM180 is not implicated in this process. Also, NCAM does not affect dendritic spine density and length during maturation and maintenance phases, therefore its action is specific only to GABAergic perisomatic synapses. Finally, the highly conserved C-terminal domain KENESKA is essential for GABAergic perisomatic synapse maturation. Future experiments will help us clarify this mechanism and the involved signalling pathways related to NCAM.

Les interneurones GABAergiques constituent une population mineure de cellules par rapport aux neurones glutamatergiques dans le néocortex. Cependant ils contrôlent fortement l'excitabilité neuronale, la dynamique des réseaux neuronaux et la plasticité synaptique. L'importance des circuits GABAergiques dans le processus fonctionnel et la plasticité des réseaux corticaux est soulignée par des résultats récents qui montrent que des modifications très précises et fiables des circuits GABAergiques sont associées à divers troubles du développement neurologique et à des défauts dans les fonctions cérébrales. De ce fait, la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires impliquant le développement des circuits GABAergiques est la première étape vers une meilleure compréhension de la façon dont les anomalies de ces processus peuvent se produire. La molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM) appartient à la super-famille des immunoglobulines de reconnaissance cellulaire et est impliquée dans des interactions homophiliques et hétérophiliques avec d’autres molécules. Même si plusieurs rôles de NCAM ont été démontrés dans la croissance neuronale, la fasciculation axonale, la formation et la maturation de synapses, de même que dans la plasticité cellulaire de plusieurs systèmes, le rôle de NCAM dans la formation des synapses GABAergiques reste inconnu. Ce projet visait donc à déterminer le rôle précis de NCAM dans le processus de maturation des synapses GABAergiques dans le néocortex, en modulant son expression à différentes étapes du développement. L’approche choisie a été de supprimer NCAM dans des cellules GABAergiques à paniers avant la maturation des synapses (EP12-18), pendant la maturation (EP16-24), ou durant le maintien de celles-ci (EP24-32). Les méthodes utilisées ont été le clonage moléculaire, l’imagerie confocale, la culture de coupes organotypiques et des techniques morphométriques de quantification de l’innervation GABAergique. Nos résultats montrent que l’inactivation de NCAM durant la phase de maturation des synapses périsomatiques (EP16-24) cause une réduction du nombre de synapses GABAergiques périsomatiques et du branchement de ces axones. En revanche, durant la phase de maintien (EP26-32), l’inactivation de NCAM n’a pas affecté ces paramètres des synapses GABAergiques. Or, il existe trois isoformes de NCAM (NCAM120, 140 et 180) qui pourraient jouer des rôles différents dans les divers types cellulaires ou à des stades développementaux différents. Nos données montrent que NCAM120 et 140 sont nécessaires à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Cependant, NCAM180, qui est l’isoforme la plus étudiée et caractérisée, ne semble pas être impliquée dans ce processus. De plus, l’inactivation de NCAM n’a pas affecté la densité des épines dendritiques ou leur longueur. Elle est donc spécifique aux synapses périsomatiques GABAeriques. Finalement, nos résultats suggèrent que le domaine conservé C-terminal KENESKA est essentiel à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Des expériences futures nous aiderons à mieux comprendre la mécanistique et les différentes voies de signalisation impliquées. / GABAergic interneurons, though a minor population in the neocortex, play an important role in cortical function and plasticity. Alterations in GABAergic circuits are implicated in various neurodevelopmental disorders. The GABAergic network comprises diverse interneuron subtypes that have different morphological and physiological characteristics, and localize their synapses onto distinct subcellular locations on the postsynaptic targets. Precisely how activity and molecularly driven mechanisms conspire to achieve the remarkable specificity of GABAergic synapse localization and formation is unknown. Therefore, unravelling the cellular and molecular mechanisms involved in this process is crucial for a better understanding of both cortical function and the basis of various neurological disorders. Here we focus our study on a subtype of GABAergic neurons - the basket interneurons which localize synapses, called perisomatic synapses, onto the soma and proximal dendrites of the postsynaptic targets, and tightly regulate their firing patterns. Although recent studies have shown the activity dependence of basket synapse formation, the molecular mechanisms implicated in the perisomatic synapse formation process are poorly understood. NCAM, the neural cell adhesion molecule, is a prime molecular player implicated both in early synaptogenesis events, and during maturation of glutamatergic synapses in the hippocampus. Recent studies have implicated the polysialylated form of NCAM (PSA-NCAM) in basket synapse formation. However, whether and how NCAM per se plays a role in the formation of GABAergic synapses is unknown. Using single cell genetics to knock down NCAM in individual basket interneurons at specific developmental time periods, we characterized the role of NCAM during perisomatic synapse formation and maintenance. Here we show that loss of NCAM during perisomatic synapse formation from equivalent postnatal day (EP) 16 to EP24, in organotypic slices from mouse visual cortex, significantly retards the process of basket cell axonal branching and bouton formation. However, loss of NCAM at a later stage (EP26 to EP32), when the synapses are already formed, did not affect the number or intricacy of perisomatic synapses. NCAM is therefore implicated in perisomatic synapse formation but not in its maintenance. Further studies also show that isoforms of NCAM, such as NCAM140 and NCAM120 are involved in perisomatic GABAergic synapse maturation. However, NCAM180 is not implicated in this process. Also, NCAM does not affect dendritic spine density and length during maturation and maintenance phases, therefore its action is specific only to GABAergic perisomatic synapses. Finally, the highly conserved C-terminal domain KENESKA is essential for GABAergic perisomatic synapse maturation. Future experiments will help us clarify this mechanism and the involved signalling pathways related to NCAM.

Les réseaux neuronaux sont hautement sensibles aux stimuli sensoriels pendant une fenêtre temporelle dite période critique (PC). Un des acteurs clé de la consolidation de ces réseaux est le Perineuronal Net (PNN), une matrice extracellulaire qui s’accumule au cours de la PC majoritairement autour des interneurones parvalbumin-positifs (PV). La dégradation des PNNs chez l’adulte restaure une plasticité structurale, typique de la PC. Ce projet de recherche vise à déterminer i) les propriétés neurophysiologiques des neurones PV et glutamatergiques dans la couche 4 du cortex visuel primaire de souris au cours du développement ii) de quelle façon ces propriétés sont altérées par l’accumulation des PNN. Nous avons montré, au cours du développement, une augmentation de l’excitabilité des deux types de neurones. La dégradation in vivo des PNN augmente la transmission glutamatergique et GABAergique spécifiquement sur les PV, récapitulant un état juvénile. Dégrader les PNN chez l’adulte n’affecte pas les connections unitaires inhibitrices en couche 4. Afin de comprendre les mécanismes impliqués au niveau du circuit, nous avons exprimé l’opsine sensible à la lumière ChR2 dans les neurones glutamatergiques du thalamus visuel projetant sur la couche 4 du cortex. Ainsi, une absence de PNN augmente le recrutement spécifique des PV par le thalamus, entrainant une augmentation de l’inhibition feedforward. Ces résultats sont en accord avec des expériences réalisées in vivo, au cours desquelles nous avons mesuré les potentiels évoqués en réponse à des stimuli visuels suite à une dégradation des PNN et qui indiquent une augmentation du recrutement de l’inhibition. / The maturation of sensory processing undergoes a critical period (CP), during which cortical neural circuits are sculpted and changed by experience. The closure of CP is paralleled by the accumulation of extracellular perineuronal nets (PNN) around parvalbumin (PV)-positive interneurons. The degradation of PNNs in adult animals was shown to re-open the structural plasticity typical of the CP. We aimed at defining i) the neurophysiological properties of PV cells and principal neurons in layer 4 of primary visual cortex (V1) during the establishment of the CP ii) how these properties are altered by PNN accumulation. We found a robust age-dependent increase of input-output firing relationships in both cell types. Importantly, in vivo PNN removal in adult V1 increased both excitatory and inhibitory transmission selectively onto PV, leaving their excitability intact, and recapitulating younger states. In addition, triggering plasticity in vivo by monocular deprivation did not boost the increased activity onto PV cells. Interestingly, paired recordings in layer 4 showed no changes of inhibitory unitary connections, with or without PNNs. In order to understand the circuit mechanisms underlined, we expressed the light-sensitive opsin ChR2 in the visual thalamus. We found that PNN removal increases the recruitment of PV cells by thalamocortical fibers leading to an increase of feedforward inhibition. These results are in agreement with V1 recordings in vivo of visually evoked potentials in response of increasing contrast. Indeed, PNN disruption caused a reduction of the slope of the contrast sensitivity curve, indicating a higher recruitment of inhibition.