La mise en place des circuits neuronaux fonctionnels se construit autour d'une grande diversité cellulaire et nécessite l'accomplissement d'une série d'évènements complexes incluant la prolifération, la migration, la différenciation, le guidage axonal, la reconnaissance cellulaire et la synaptogenèse des progéniteurs neuronaux. Dans le cervelet, les interneurones GABAergiques de la couche moléculaire (IGCM) s‘intègrent au cours des deux premières semaines post-natales et se différencient en deux sous-types cellulaires, les cellules en panier (CP) qui innervent le segment initial de la cellule de Purkinje, cellule principale du cervelet, et les cellules étoilées qui innervent l'arbre dendritique de la cellule Purkinje. Bien que ces deux types cellulaires possèdent des morphologies distinctes et innervent des sous-domaines cellulaires spécifiques, aucun marqueur moléculaire ne permet de les discriminer. Depuis près d'un siècle, la controverse existe concernant leur identité et deux théories s'affrontent. La première suggère que ces deux cellules sont des variantes issues d'un même progéniteur et que les différences morphologiques sont dues à un changement progressif de l'environnement cellulaire alors qu'une autre hypothèse suggère que ces deux cellules proviennent de progéniteurs neuronaux différents. Au cours de ma thèse j'ai étudié l'intégration des IGCM au sein de la couche moléculaire (CM) en caractérisant deux étapes clés de la formation des circuits GABAergiques, la migration et l'innervation de leur cible. En utilisant une combinaison de techniques telles que la microscopie bi-photonique et les greffes in vivo de progéniteurs neuronaux, j'ai mis en évidence que durant la première semaine post-natale, les IGCM quittent leur lieu de naissance pour rejoindre la CM en réalisant une seule étape de migration radiale. De manière intéressante certains IGCM accomplissent une étape de migration supplémentaire inédite tangentiellement à la surface piale pendant la deuxième semaine post-natale. Cette nouvelle phase de migration tangentielle des IGCM se déroule au sein de la couche granulaire externe où résident les cellules granulaires pré-migratoires dont les fibres qui expriment TAG-1 jouent un rôle essentiel en tant que support physique et participent à l'établissement des IGCM en mode “inside-out”. De plus, nos résultats suggèrent que seule une sous-population de type cellule étoilée effectuerait cette étape supplémentaire, montrant ainsi une première divergence dans le processus de maturation des IGCM. Par la suite, je me suis intéressée à l'innervation des cellules de Purkinje par les CP nouvellement différenciées. En utilisant des techniques d'immuno-histochimie, j'ai tout d'abord montré que la Neuropiline-1 (NRP1), un des récepteurs de la Sémaphorine-3A, était exprimé au niveau des terminaisons axonales des CP. Enfin, grâce à l'analyse d'un mutant conditionnel pour NRP1, j'ai pu mettre en évidence qu'en plus de son rôle crucial dans le guidage axonal des CP, NRP1 est également impliquée dans l'innervation spécifique du segment initial axonal des cellules de Purkinje en interagissant avec une molécule d'adhésion cellulaire de la famille L1CAM, la Neurofascine. Ces résultats démontrent pour la première fois un rôle de NRP1 dans la transition entre l'étape de guidage avec celle de la reconnaissance cellulaire par les CP. En conclusion, nos résultats suggèrent fortement que les deux sous-types d'IGMC possèdent un programme génétique spécifique leur permettant de s'intégrer de manière unique au sein de la CM. / The establishment of functional neural circuits is built around a large cell diversity and requires the completion of a series of complexe events including proliferation, migration, differentiation, axon guidance, cell recognition and synaptogenesis of neural precursors. In the cerebellum, molecular layer GABAergic interneurons (MLGI) reach their final location during the first two post-natal weeks and differentiate into two cellular subtypes, the basket cells (BC) that innervate the Purkinje cell initial segment and the stellate cells that innervate the dendritic tree of the Purkinje cell, the principal cell of cerebellar cortex. Although these two cell types have distinct morphologies and innervate specific subcellular domains, no molecular marker allows to discriminate between them. For nearly a century, controversy exists concerning their identity and two theories exist. The first one suggests that these two cell types are variants derived from a single progenitor and that morphological divergence is due to a gradual change in the cellular environment while the other hypothesis suggests that these two cell types come from different progenitors. During my thesis, I studied the integration of the MLGI in the molecular layer (ML) characterizing two key steps in the formation of GABAergic circuits, migration and innervation of their target. Using a combination of techniques such as two-photon microscopy and in vivo transplantation of neural progenitors, I highlighted that during the first post-natal week, MLGI leave their birthplace to join the ML by performing a single radial migration step. Interestingly, some MLGI perform an unexpected additional migration step tangentially to the pial surface during the second post-natal week. This new phase of MLGI tangential migration takes place in the external granule cell layer where resident pre-migratory granule cells whose fibers expressing TAG-1 play an essential role as physical support and participate in the establishment of MLGI « inside-out » mode. In addition, our results suggest that only a stellate-like subpopulation would perform this extra step, bringing the first indication of an early divergence during MLGI maturation process. Then, I was interested in the innervation of Purkinje cells by newly differentiated BC. Using immunohistochemistry experiments, I first showed that Neuropilin-1 (NRP1), a Semaphorin-3A receptor, was expressed in the BC axon terminals. Finally, through the analysis of a NRP1 conditional mutant, I brought out that, in addition to its critical implication in axon guidance, NRP1 is also involved in the specific innervation of the Purkinje cell axon initial segment by interacting with a cell adhesion molecule belonging to the L1 family, Neurofascin. These results demonstrate for the first time a role of NRP1 in the transition between the guidance and the cell recognition steps by BC. In conclusion, our results strongly support that the two MLGI subtypes have a specific genetic program allowing them to integrate within the ML in a unique manner.

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Les modèles kainate et pentylènetétrazole représentent deux modèles d’épilepsie du lobe temporal dont les conséquences à long terme sont différentes. Le premier est un modèle classique d’épileptogénèse avec crises récurrentes spontanées tandis que le second se limite aux crises aigües. Nous avons d’abord caractérisé les différents changements survenant dans les circuits excitateurs et inhibiteurs de l’hippocampe adulte de rats ayant subi des crises à l’âge immature. Ensuite, ayant observé dans le modèle fébrile une différence du pronostic lié au genre, nous avons voulu savoir si cette différence était aussi présente dans des modèles utilisant des neurotoxines. L’étude électrophysiologique a démontré que les rats KA et PTZ, mâles comme femelles, présentaient une hyperactivité des récepteurs NMDA au niveau des cellules pyramidales du CA1, CA3 et DG. Les modifications anatomiques sous-tendant cette hyperexcitabilité ont été étudiées et les résultats ont montré une perte sélective des interneurones GABAergiques contenant la parvalbumine dans les couches O/A du CA1 des mâles KA et PTZ. Chez les femelles, seul le DG était légèrement affecté pour les PTZ tandis que les KA présentaient, en plus du DG, des pertes importantes au niveau de la couche O/A. Les évaluations cognitives ont démontré que seuls les rats PTZ accusaient un déficit spatial puisque les rats KA présentaient un apprentissage comparable aux rats normaux. Cependant, encore une fois, cette différence n’était présente que chez les mâles. Ainsi, nos résultats confirment qu’il y a des différences liées au genre dans les conséquences des convulsions lorsqu’elles surviennent chez l’animal immature. / Kainate and pentylenetetrazole models represent two animal models of temporal lobe epilepsy in which long-term consequences differ. The first model is a classical model of epileptogenesis with spontaneous recurrent seizures while the second one is limited to acute seizures. We wanted to characterize the difference in changes which occur in excitatory and inhibitory systems of the hippocampus of adult males and females having suffered an episode of status epilepticus during the immature stage of life. Besides having noticed a difference between genders in the febrile model, our second objective was to see if this difference was also present in models using neurotoxins. Electrophysiology recordings indicated that KA and PTZ rats (both male and female) showed a hyperactivity of NMDA receptors in CA1, CA3 and DG pyramidal cells. Anatomical modifications causing hyperactivity were studied and results show a selective loss of specific GABA interneurons PV in the O/A layer of CA1 region of the hippocampus in KA and PTZ male rats. However in female rats, only the DG layer was slightly affected in PTZ while female KA presented losses in both DG and O/A layers. Cognitive evaluation indicated that only PTZ rats showed a spatial impairment since KA rats had a similar learning pattern as controls. However, once again, that difference was observed only in males and not in females. In summary, our results confirmed that there is a difference between genders regarding brain damages after having suffered an episode of status epilepticus during the immature stage.

La déficience intellectuelle affecte de 1 à 3% de la population mondiale, ce qui en fait le trouble cognitif le plus commun de l’enfance. Notre groupe à découvert que des mutations dans le gène SYNGAP1 sont une cause fréquente de déficience intellectuelle non-syndromique, qui compte pour 1-3% de l’ensemble des cas. À titre d’exemple, le syndrome du X fragile, qui est la cause monogénique la plus fréquente de déficience intellectuelle, compte pour environ 2% des cas. Plusieurs patients affectés au niveau de SYNGAP1 présentent également des symptômes de l’autisme et d’une forme d’épilepsie. Notre groupe a également montré que SYNGAP1 cause la déficience intellectuelle par un mécanisme d’haploinsuffisance. SYNGAP1 code pour une protéine exprimée exclusivement dans le cerveau qui interagit avec la sous-unité GluN2B des récepteurs glutamatergique de type NMDA (NMDAR). SYNGAP1 possède une activité activatrice de Ras-GTPase qui régule négativement Ras au niveau des synapses excitatrices. Les souris hétérozygotes pour Syngap1 (souris Syngap1+/-) présentent des anomalies de comportement et des déficits cognitifs, ce qui en fait un bon modèle d’étude. Plusieurs études rapportent que l’haploinsuffisance de Syngap1 affecte le développement cérébral en perturbant l’activité et la plasticité des neurones excitateurs. Le déséquilibre excitation/inhibition est une théorie émergente de l’origine de la déficience intellectuelle et de l’autisme. Cependant, plusieurs groupes y compris le nôtre ont rapporté que Syngap1 est également exprimé dans au moins une sous-population d’interneurones GABAergiques. Notre hypothèse était donc que l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones contribuerait en partie aux déficits cognitifs et au déséquilibre d’excitation/inhibition observés chez les souris Syngap1+/-. Pour tester cette hypothèse, nous avons généré un modèle de souris transgéniques dont l’expression de Syngap1 a été diminuée uniquement dans les interneurones dérivés des éminences ganglionnaires médianes qui expriment le facteur de transcription Nkx2.1 (souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1). Nous avons observé une diminution des courants postsynaptiques inhibiteurs miniatures (mIPSCs) au niveau des cellules pyramidales des couches 2/3 du cortex somatosensoriel primaire (S1) et dans le CA1 de l’hippocampe des souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1. Ces résultats supportent donc l’hypothèse selon laquelle la perte de Syngap1 dans les interneurones contribue au déséquilibre d’excitation/inhibition. De manière intéressante, nous avons également observé que les courants postsynaptiques excitateurs miniatures (mEPSCs) étaient augmentés dans le cortex S1, mais diminués dans le CA1 de l’hippocampe. Par la suite, nous avons testé si les mécanismes de plasticité synaptique qui sous-tendraient l’apprentissage étaient affectés par l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones. Nous avons pu montrer que la potentialisation à long terme (LTP) NMDAR-dépendante était diminuée chez les souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1, sans que la dépression à long terme (LTD) NMDAR-dépendante soit affectée. Nous avons également montré que l’application d’un bloqueur des récepteurs GABAA renversait en partie le déficit de LTP rapporté chez les souris Syngap1+/-, suggérant qu’un déficit de désinhibition serait présent chez ces souris. L’ensemble de ces résultats supporte un rôle de Syngap1 dans les interneurones qui contribue aux déficits observés chez les souris affectées par l’haploinsuffisance de Syngap1. / Intellectual disability affects 1-3% of the world population, which make it the most common cognitive disorder of childhood. Our group discovered that mutation in the SYNGAP1 gene was a frequent cause of non-syndromic intellectual disability, accounting for 1-3% of the cases. For example, the fragile X syndrome, which is the most common monogenic cause of intellectual disability, accounts for 2% of all cases. Some patients affected by SYNGAP1 also showed autism spectrum disorder and epileptic seizures. Our group also showed that mutations in SYNGAP1 caused intellectual disability by an haploinsufficiency mechanism. SYNGAP1 codes for a protein expressed only in the brain which interacts with the GluN2B subunit of NMDA glutamatergic receptors (NMDAR). SYNGAP1 possesses a Ras-GAP activating activity which negatively regulates Ras at excitatory synapses. Heterozygote mice for Syngap1 (Syngap1+/- mice) show behaviour abnormalities and learning deficits, which makes them a good model of intellectual disability. Some studies showed that Syngap1 affects the brain development by perturbing the activity and plasticity of excitatory neurons. The excitatory/inhibitory imbalance is an emerging theory of the origin of intellectual disability and autism. However, some groups including ours, showed that Syngap1 is expressed in at least a subpopulation of GABAergic interneurons. Therefore, our hypothesis was that Syngap1 happloinsufficiency in interneurons contributes in part to the cognitive deficits and excitation/inhibition imbalance observed in Syngap1+/- mice. To test this hypothesis, we generated a transgenic mouse model where Syngap1 expression was decreased only in GABAergic interneurons derived from the medial ganglionic eminence, which expresses the transcription factor Nkx2.1 (Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1 mouse). We showed that miniature inhibitory postsynaptic currents (mIPSCs) were decreased in pyramidal cells in layers 2/3 in primary somatosensory cortex (S1) and in CA1 region of the hippocampus of Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1 mice. Those results suggest that Syngap1 haploinsufficiency in GABAergic interneurons contributes in part to the excitation/inhibition imbalance observed in Syngap1+/- mice. Interestingly, we also observed that miniature excitatory postsynaptic currents (mEPSCs) were increased in cortex S1 but decreased in CA1 region of the hippocampus. We further tested whether synaptic plasticity mechanisms that are thought to underlie learning and memory were affected by Syngap1 haploinsufficiency in GABAergic interneurons. We showed that NMDAR-dependent long-term potentiation (LTP) but not NMDAR-dependent long-term depression (LTD) was decreased in Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1 mice. We also showed that GABAA receptor blockade rescued in part the LTP deficit in Syngap1+/- mice, suggesting that a disinhibition deficit is present in these mice. Altogether, the results support a functional role of Syngap1 in GABAergic interneurons, which may in turn contributes to the deficit observed in Syngap1+/- mice.

Les encéphalopathies épileptogènes sont des maladies graves de l’enfance associant une épilepsie, souvent réfractaire, et un retard de développement. Les mécanismes sous-tendant ces maladies sont peu connus. Cependant, nous postulons que ces épilepsies puissent être causées par une dysfonction du réseau inhibiteur. En effet, des défauts de migration ou de maturation des interneurones GABAergiques (INs) corticaux induisent l’épilepsie, tant chez l’humain que chez la souris. Dans le but d’étudier les causes génétiques des encéphalopathies épileptogènes sporadiques inexpliquées, le laboratoire de la Dre Rossignol a procédé au séquençage d’exome entier d’une cohorte d’enfants atteints. Cela a permis d’identifier, chez un patient, une nouvelle mutation de novo, possiblement pathogène, dans le gène MYO9b. MYO9b est impliqué dans la migration de cellules immunitaires et cancéreuses et est exprimée durant le développement cérébral. Nous émettons l’hypothèse voulant que MYO9b puisse être importante pour la migration des INs corticaux. Les résultats présentés dans ce mémoire démontrent que Myo9b est exprimé dès le stade embryonnaire par les progéniteurs des INs corticaux et que son expression se restreint aux INs dans le cortex mature. De plus, nous démontrons que la répression ex vivo de Myo9b sélectivement dans les INs au sein de tranches corticales organotypiques embryonnaires mène à des défauts morphologiques majeurs de ces cellules en migration. En effet, ces cellules présentent une morphologie multipolaire et des neurites rostraux plus longs et plus complexes. Ces changements morphologiques pourraient avoir un impact majeur sur la migration des INs et ainsi perturber le développement des réseaux inhibiteurs. / Epileptic encephalopathies are early-onset diseases characterized by refractory epilepsy with developmental delay. To identify the underlying genetic cause of these disorders, Dr Rossignol’s laboratory has performed whole-exome sequencing in children with sporadic epileptic encephalopathies. They have identified a novel de novo mutation in the MYO9B gene in one patient. Myo9b is known to regulate cell migration in the immune system and in cancer cells. It is expressed in the developing rodent brain, but its roles during brain development are largely unknown. Recent evidence suggests that epilepsy can be caused by an imbalance between inhibition and excitation in cortical circuits. Indeed, defects in the development or the functions of cortical GABAergic interneurons (INs) have been associated with epilepsy in human and in mouse models. Therefore, we postulated that Myo9b might play a role in the development of INs. In this thesis, I show that Myo9b is expressed in INs from early embryonic ages to post-natal ages. Furthermore, I demonstrate that the ex vivo downregulation of Myo9b in INs in cortical embryonic organotypic cultures causes morphological defects in migrating INs, including aberrant polarization of these cells. These morphological changes might result in aberrant IN migration, which would be expected to perturb the cortical inhibitory-excitatory ratio.

Les modèles kainate et pentylènetétrazole représentent deux modèles d’épilepsie du lobe temporal dont les conséquences à long terme sont différentes. Le premier est un modèle classique d’épileptogénèse avec crises récurrentes spontanées tandis que le second se limite aux crises aigües. Nous avons d’abord caractérisé les différents changements survenant dans les circuits excitateurs et inhibiteurs de l’hippocampe adulte de rats ayant subi des crises à l’âge immature. Ensuite, ayant observé dans le modèle fébrile une différence du pronostic lié au genre, nous avons voulu savoir si cette différence était aussi présente dans des modèles utilisant des neurotoxines. L’étude électrophysiologique a démontré que les rats KA et PTZ, mâles comme femelles, présentaient une hyperactivité des récepteurs NMDA au niveau des cellules pyramidales du CA1, CA3 et DG. Les modifications anatomiques sous-tendant cette hyperexcitabilité ont été étudiées et les résultats ont montré une perte sélective des interneurones GABAergiques contenant la parvalbumine dans les couches O/A du CA1 des mâles KA et PTZ. Chez les femelles, seul le DG était légèrement affecté pour les PTZ tandis que les KA présentaient, en plus du DG, des pertes importantes au niveau de la couche O/A. Les évaluations cognitives ont démontré que seuls les rats PTZ accusaient un déficit spatial puisque les rats KA présentaient un apprentissage comparable aux rats normaux. Cependant, encore une fois, cette différence n’était présente que chez les mâles. Ainsi, nos résultats confirment qu’il y a des différences liées au genre dans les conséquences des convulsions lorsqu’elles surviennent chez l’animal immature. / Kainate and pentylenetetrazole models represent two animal models of temporal lobe epilepsy in which long-term consequences differ. The first model is a classical model of epileptogenesis with spontaneous recurrent seizures while the second one is limited to acute seizures. We wanted to characterize the difference in changes which occur in excitatory and inhibitory systems of the hippocampus of adult males and females having suffered an episode of status epilepticus during the immature stage of life. Besides having noticed a difference between genders in the febrile model, our second objective was to see if this difference was also present in models using neurotoxins. Electrophysiology recordings indicated that KA and PTZ rats (both male and female) showed a hyperactivity of NMDA receptors in CA1, CA3 and DG pyramidal cells. Anatomical modifications causing hyperactivity were studied and results show a selective loss of specific GABA interneurons PV in the O/A layer of CA1 region of the hippocampus in KA and PTZ male rats. However in female rats, only the DG layer was slightly affected in PTZ while female KA presented losses in both DG and O/A layers. Cognitive evaluation indicated that only PTZ rats showed a spatial impairment since KA rats had a similar learning pattern as controls. However, once again, that difference was observed only in males and not in females. In summary, our results confirmed that there is a difference between genders regarding brain damages after having suffered an episode of status epilepticus during the immature stage.

Dans la région CA1 de l’hippocampe, une population d’interneurones exprimant la somatostatine (SOM-INs) est reconnue pour une potentialisation à long terme (PLT) dépendante des récepteurs métabotropes du glutamate de type 1a (mGluR1a) à leurs synapses excitatrices provenant des cellules pyramidales (CP). Il a récemment été démontré que cette PLT est induite par l’apprentissage contextuel lié à la peur, illustrant l’importance de cette PLT des SOM-INs dans l’apprentissage et la mémoire. Cependant, l’implication du neuropeptide somatostatine (SST) dans cette PLT demeure inconnue. Dans la présente étude, le rôle de la SST dans la PLT dépendante des mGluR1a a été étudié, tout comme, l’effet de la somatostatine-14 (SST-14) exogène aux synapses excitatrices des SOM-INs. Pour ce faire, des souris transgéniques exprimant la « enhanced yellow fluorescent protein » (eYFP) sous le contrôle du promoteur de la SST ont été utilisées. Des enregistrements électrophysiologiques jumelés à une approche pharmacologique ont été réalisés sur ces souris. Les résultats suggèrent que la SST-14 exogène engendre une PLT persistante grâce aux récepteurs à la somatostatine 1-5 (SST1-5), aux synapses excitatrices des SOM-INs, mais n’affecte pas les synapses des CP ou bien des interneurones exprimant la parvalbumine (PV-INs). Cette potentialisation induite par SST-14 était indépendante des récepteurs à l’acide N-méthyl-D-aspartique (NMDAR) et mGluR1a, dépendante de l’activité synaptique concomitante et inhibée par le blocage des récepteurs GABAA. De plus, la PLT dépendante des récepteurs mGluR1a a été affectée par l’inhibition des SST1-5 ou bien par un traitement avec de la cystéamine suggérant un rôle pour de la SST endogène dans cette PLT. Nos résultats suggèrent que la SST endogène pourrait contribuer à la PLT hébbienne aux synapses excitatrices des SOM-INs en contrôlant l’inhibition GABAA. La SST aurait alors un rôle dans la modulation de la plasticité à long terme des SOM-INs qui pourrait être important dans la mémoire dépendante de l’hippocampe. / The CA1 region of the hippocampus includes a population of GABAergic interneurons expressing somatostatin (SOM-INs). This type of interneurons displays a long-term potentiation (LTP) dependant on type 1a metabotropic glutamate receptors (mGluR1a) at their excitatory synapses from pyramidal cells (PC). It was recently demonstrated that mGluR1a dependent LTP can be induce by contextual fear learning showing an important role of this LTP in learning and memory. However, the implication of the peptide somatostatin (SST) in this LTP remains unknown. In the present study, the role of SST in mGluR1 dependent LTP and the effect of exogenous somatostatin-14 (SST-14) onto excitatory synapses of SOM-INs were investigated. To do this, transgenic mice expressing enhanced yellow fluorescent protein (eYFP) under the control of the promoter of SST were used. Patch clamp recordings and pharmacological approaches were used with these mice. Results suggested that application of exogenous SST-14 induces a LTP through type 1-5 somatostatin receptors (SST1-5) of excitatory synapses of SOM-INs but does not affect synapses of PC or parvalbumin-expressing interneurons (PV-INs). This LTP induced by SST-14 was independent of N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) and mGluR1a, activity dependent, and prevented by blocking GABAA receptors. Furthermore, mGluR1a dependent LTP was prevented by inhibition of SST1-5 and by depletion of SST by cysteamine treatment, suggesting a role of endogenous SST in LTP. Our results indicate that endogenous SST may contribute to Hebbian LTP at excitatory synapses by controlling GABAA inhibition. SST would then have a role in regulating SOM-INs LTP that may be important for hippocampus dependent memory processes.

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