Sharp-wave ripples (SWR) generated in the CA3 subregion of the hippocampus (HC) during rest and sleep appear to coordinate memory consolidation to the neocortex (NC) by (1) reactivating small subsets of neurons (i.e. cell-assemblies) that encode recent waking experience and (2) propagating this information through the hippocampal formation. Although CA3 self-organizes SWRs in the absence of extrinsic inputs, cortical input to the HC conveyed by perforant path (PP) may influence SWR initiation nevertheless. Still, direct evidence that PP synaptic excitation can elicit SWRs is lacking, and it is unclear how this influence might compete or interact with self-organizing mechanisms. This dissertation tested the hypothesis that CA3's SWR pattern generator would self-organize its activity in the absence of PP input, but readily entrain to such input when present. Spontaneous SWRs (sSWR) occurred in slices prepared from the ventral portion of the mouse HC. Low-intensity electrical stimulation of PP afferents evoked short-latency field EPSPs in CA3 that were often followed by precisely timed evoked SWRs (eSWR). The network and single-cell characteristics of sSWRs and eSWRs were indistinguishable, indicative of a common patter generator. PP stimuli that followed sSWRs too closely usually failed to elicit eSWRs. Using a custom MATLAB/Simulink application to control PP stimulus timing during the ~250 ms sSWR refractory period revealed a statistically significant effect of stimulus delay (25, 50, 100, and 200 ms) on eSWR incidence, reaching a value of 0.72 (95% CI = [0.61, 0.81]) 200 ms after sSWR onset. In contrast, sSWR incidence at this time was much lower (95% CI = [0.015, 0.049]). Lesions targeting the direct PP input to CA3 substantially reduced eSWR incidence. In intact slices, eSWRs were readily evoked by stimulating the medial entorhinal cortex (MEC). In summary, PP input to CA3 from the MEC can initiate SWRs at times when self-organizing mechanisms generally cannot. Assuming sSWRs convey information to the NC, the ensuing refractory period might provide an opportunity for cortical feedback to reinforce the recently engaged cell-assembly. In the absence of such feedback, CA3 could revert to its default mode of self-organized replay.

Les réseaux neuronaux, pendant leur période de développement, génèrent des patrons d’activité immatures qui sont supposés participer à la formation des circuits neuronaux. Ces activités synchronisées créent des conditions favorables pour la plasticité hebbienne qui soutient la formation des circuits locaux. Les travaux menés notamment sur les systèmes sensoriels ont montré que les circuits pauci-neuronaux locaux sont capables de présenter une activité synchrone tout en étant isolés du reste des structures cérébrales. La moelle épinière isolée produit des bursts qui sont à l’origine des secousses musculaires, la rétine insensible à la lumière génère des ondes d’activité, d’autres régions cérébrales génèrent des activités synchrones avant de remplir la fonction à laquelle ils sont destinés. De manière similaire, l’hippocampe du rat nouveau-né ou primate prématuré in vitro, ainsi que les néocortex immature in vitro, génèrent une activité neuronale synchronisée, appelée giant depolarising potentials (GDPs). En se basant uniquement sur ces études et en prenant en compte la maturation tardive de certaines projections neuronales à distance, il serait tentant de conclure que le cerveau immature fonctionne comme un ensemble de petits modules fonctionnels qui auto-entretiennent leur activité intrinsèque avant de se connecter entre eux pour créer un cerveau fonctionnel adulte. Cependant, certaines connexions à longue distance sont formées très tôt pendant le développement et permettent la propagation des oscillations immatures entre les structures connectées. En effet, les ondes rétinales se propagent au noyau géniculé latéral et ensuite jusqu’au cortex visuel ; les GDPs hippocampiques se propagent à l’hippocampe controlatéral, septum et cortex entorhinal et finalement, les secousses musculaires, en créant un feed-back sensoriel, déclenchent des oscillations gamma immatures ainsi que les spindle bursts dans le réseau thalamo-cortical. Un fonctionnement similaire est décrit chez le nouveau-né prématuré. Il paraît donc plus probable, que le cerveau soit, dès les stades précoces du développement, organisé en sous-systèmes fonctionnels reliés entre eux anatomiquement et fonctionnellement. Au sein des unités fonctionnelles sont générés des patrons d’activité immatures synchrones afin de créer des connexions organisées topographiquement qui serviront de base anatomique de la fonction finale. Si ces étapes développementales sont perturbées pendant les périodes critiques, le système ne pourra pas assurer sa fonction de manière adéquate au stade mature. L’hippocampe mature, ou plus exactement les circuits cortico-hippocampiques, jouant un rôle primordial dans la mémoire déclarative, l’orientation spatiale et l’inhibition du comportement. L’établissement de ces fonctions est progressif au cours du développement. Par exemple les adultes humains n’ont que rarement des souvenirs personnels datant avant l’âge de trois ans. Or, nous savons aujourd'hui que le bébé humain est capable de garder des souvenirs dans la mémoire déclarative (dépendante de l’hippocampe) au cours de la première année de vie avec une efficacité croissante, mais il ne se rappellera pas ces souvenirs à l’âge adulte (Bauer, 2006). Nous ne savons pas s’il s’agit d’un encodage différent d’emblée ou d’un processus secondaire supprimant l’accès à ces souvenirs précoces. Nous pouvons présumer qu’il existe des modifications des activités électrophysiologiques pendant le développement qui soutiennent la modification de ces fonctions. Au cours de ce travail de thèse, nous voulions savoir comment et à partir de quand l’hippocampe, qui reçoit des informations convergentes de nombreuses régions néocorticales, acquiert son mode de fonctionnement adulte. Afin de répondre à cette question nous avons étudié le système cortex entorhinal – hippocampe, le cortex entorhinal étant la principale entrée excitatrice de l’hippocampe et recevant des afférences de nombreuses régions du néocortex. (...) / Neuronal networks spontaneously generate “immature” patterns of activity during development, which are thought to participate on the formation of neural circuits. Local neocortical as well as hippocampal circuits generate synchronised neuronal discharges providing support for Hebbian plasticity. Studies of sensory systems showed that local pauci-neuronal circuits were able to generate synchronous activity while isolated from other brain structures. Isolated spinal cord produces bursts evoking muscle twitching, light insensitive retina generates waves of activity, as well as other brain regions generate synchronous activities before fulfilling the function for which they are intended. Similarly, the hippocampus of newborn rat or premature primate in vitro, as well as immature neocortex in vitro, generates synchronised neuronal activity called giant depolarising potentials (GDPs). Based solely on these studies and taking into account the delayed maturation of certain long-distance neuronal projections, it would be tempting to conclude that the immature brain functions as a set of small functional modules that self-maintain their intrinsic activity before connecting together to create a functional adult brain. However, some long-distance connections are formed very early during development and allow the propagation of oscillations between immature connected structures. Indeed, retinal waves propagate to the lateral geniculate nucleus and then to the visual cortex, hippocampal GDPs propagate to the contralateral hippocampus, septum and entorhinal cortex, and finally, twitching, creating a sensory feedback, triggers immature gamma oscillations and spindle bursts in the thalamo-cortical network. A similar functioning is described in the premature newborn. It therefore seems more likely that the brain is, during the early stages of development, organised into functional subsystems interconnected anatomically and functionally. Within functional units are generated immature patterns of synchronous activity to create topographically organised connections that serve as anatomical basis of the final function. If these developmental stages are disturbed during critical periods, the system cannot perform its function adequately in mature stage. The mature hippocampus, or more precisely the cortico-hippocampal circuits, plays a key role in declarative memory, spatial organisation and behavioural inhibition. The establishment of these functions is progressive during development. For example, human adults rarely have personal memories dating before the age of three years. However, we now know that the human baby is able to keep memories in declarative memory (hippocampus-dependent) during the first year of life with increasing efficiency, but will not remember them in the adulthood. We do not know if the encoding of the memories is different or a secondary process inhibits the access to the early memories. We can assume that changes in electrophysiological activity during development support modification of these functions. In this thesis, we wanted to know how and from when the hippocampus, which receives convergent information from many cortical areas, acquires his adult mode of functioning. To answer this question we studied the entorhinal cortex-hippocampus system, entorhinal cortex being the main excitatory input to the hippocampus and receiving afferents from many parts of the neocortex. We were able to distinguish several periods in the development of the immature hippocampus: Period from P1 till P12 characterised by the sole presence of immature sharp waves triggered by the entorhinal cortex. Period from P13, when two types of sharp waves coexisted: the immature sharp waves and sharp waves as described in the adult animals newly emerged. The mature sharp waves, unlike the immature, can be accompanied by ripples. (...)

Replay of spike sequences can be seen during sharp wave – ripple population burst activity in the hippocampus. It is thought that this activity, which occurs during rest and sleep, is involved in memory consolidation. The cellular mechanisms underlying the initiation of these replay events are not well understood. To investigate this, a hippocampal slice model, showing spontaneous sharp wave – ripple activity, and a combination of planar multi-electrode array recordings and whole-cell patch-clamp recordings of anatomically identified hippocampal neurons were used. Firstly, the spatial and temporal profile of sharp waves in vitro was analysed in detail. Sharp waves were generated by changing subpopulations of pyramidal neurons in the CA3 region and had characteristics similar to those found in vivo. Secondly, four major receptor types present in hippocampal CA3, namely NMDA, AMPA, GABAA and GABAB receptors, were investigated for their involvement in sharp wave generation. Surprisingly, not only AMPA receptor-mediated events, but also phasic GABAA receptor-mediated inhibition, were necessary for sharp wave generation. Thirdly, single perisomatic-targeting interneurons were activated. This experiment showed that induced spiking activity of an individual perisomatic-targeting interneuron can both suppress and subsequently enhance local sharp wave generation. Spiking activity of other neuron types (i.e. pyramidal neurons, dendritic-targeting interneurons and interneuron-selective interneurons) had no significant effect on sharp wave incidence. Finally, it is suggested that this post-inhibitory enhancement of sharp wave generation can be mediated by a transient increase in the ratio of excitation to inhibition in the local network. In conclusion, these results suggest a new role for perisomatic-targeting interneurons in controlling the local initiation of sharp waves by selectively suppressing and subsequently enhancing recruitment of a subpopulation of pyramidal neurons. These results further imply that interneurons may play an integral part in the local information processing that takes place in the hippocampal network.

Η δραστηριότητα των Οξύαιχμων κυμάτων-Ριπιδισμών (Sharp waves-Ripples, SPWs-R) αποτελεί μια πληθυσμιακή δραστηριότητα του ιπποκάμπου που εμπλέκεται στην παγίωση της μνήμης. Η υψίσυχνη ταλάντωση των ριπιδισμών (100-200Hz) είναι αποτέλεσμα της πολύπλοκης αλληλεπίδρασης μεταξύ των πυραμιδικών κυττάρων και ορισμένων τύπων GABAεργικών ενδονευρώνων, μεταξύ των οποίων είναι τα καλαθοειδή κύτταρα που εκφράζουν παρβαλβουμίνη (PV-basket cells). Ο υποδοχέας για τα οπιοειδή τύπου «μ» εντοπίζεται στις απολήξεις των καλαθοειδών κυττάρων που εκφράζουν παρβαλβουμίνη, τα οποία αυξάνουν το βαθμό πυροδότησής τους ταυτόχρονα με την ταλάντωση των ριπιδισμών. Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιώντας ένα in-vitro μοντέλο των Οξύαιχμων κυμάτων-Ριπιδισμών, μελετήσαμε την επίδραση δύο εκλεκτικών αγωνιστών του υποδοχέα των οπιοειδών τύπου «μ», της φαιντανύλης (1, 5, 10, 100, 500 και 1000 nM) και της μορφίνης (5, 10, 100, 1000 και 10000 nM). Και τα δύο φάρμακα αύξησαν σημαντικά το πλάτος και μείωσαν σημαντικά τη συχνότητα των SPWs με τρόπο δοσοεξαρτώμενο. Επιπλέον, η μείωση της συχνότητας συνέχισε και μετά την πάροδο της μίας ώρας εφαρμογής των φαρμάκων, ενώ η αύξηση του πλάτους είχε νωρίτερα παρουσίασει φαινόμενο plateau (40-50 λεπτά). Τα δύο φάρμακα δεν μετέβαλλαν τις παραμέτρους διάρκειας των απομονομένων επεισοδίων SPWs. Στις υψηλές συγκεντρώσεις των δύο φαρμάκων η ρυθμικότητα των SPWs μειώθηκε. Τα δύο φάρμακα μείωσαν το πλάτος της ισχύος της ταλάντωσης των ριπιδισμών. Η μείωση αυτή ήταν της τάξεως του 70% στις συγκεντρώσεις άνω των 500 nM. Παρόλα αυτά, η μορφίνη σε χαμηλές συγκεντρώσεις (5 και 10 nM) αύξησε σημαντικά το πλάτος της ισχύος της ταλάντωσης των ριπιδισμών κατά 25-30%. Είναι σημαντικό ότι οι επιδράσεις των δύο οπιοειδών παρατηρήθηκαν και στις συγκεντρώσεις οι οποίες εμπίπτουν στα κλινικά θεραπευτικά πλαίσια. Οι επιδράσεις των δύο οπιοειδών ήταν πλήρως αντιστρεπτές μετά την εφαρμογή των ανταγωνιστών του υποδοχέα των οπιοειδών τύπου «μ» ναλοξόνη (20 μΜ) και CTOP (1-5 μM). Οι επιδράσεις των οπιοειδών μετά από εφαρμογή διαδοχικά αυξανόμενων συγκεντρώσεων παρουσίαζαν φαινόμενο plateau, πράγμα το οποίο οφείλεται στην απευαισθητοποίηση του υποδοχέα. Τα παραπάνω ευρήματα αποδεικνύουν τη σημαντική επίδραση της ενεργοποίησης του υποδοχέα των οπιοειδών τύπου «μ» στη δραστηριότητα Οξύαιχμων κυμάτων-Ριπιδισμών, πιθανότατα μέσω τροποποίησης του βαθμού ενεργοποίησης των ενδονευρώνων που εμπλέκονται στη γένεση αυτής της δικτυακής ταλάντωσης. Υποθέτουμε ότι η μεταβολή που προκαλούν τα οπιοειδή στην ισορροπία μεταξύ διέγερσης και αναστολής παρεμβαίνει στη γένεση της δραστηριότητας Οξύαιχμων κυμάτων-Ριπιδισμών και αυτό μπορεί να εμπλέκεται στις αμνησιακές δράσεις των οπιοειδών φαρμάκων. / Sharp wave-ripple complexes (SPW-Rs) are population activity of the hippocamus implicated in memory consolidation. The high-frequency ripple oscillation (100-200 Hz) results from the complicated interaction between pyramidal cells and some types of GABAergic interneurons, including basket PV cells. The μ opioid receptor is located at the terminals of basket PV cells which increase their firing rate in coincidence with ripple oscillation. In this study, using an in vitro model of SPW-Rs we examined the effects of two selective μ opioid receptor agonists, fentanyl (1, 5, 10, 100, 500 and 1000 nM) and morphine (5, 10, 100, 1000 and 10000 nM. All drugs significantly increased the amplitude and slowed down the rate of occurrence of SPWs in a concentration-dependent manner. Furthermore, the drug-induced rate reduction continued up to one hour of application although the effect on the amplitude reached a plateau earlier (40-50 min). None of the dugs induced a change in the duration of individual events. At relatively high concentrations the rhythmicity of SPWs was suppressed. All drugs produced suppression of the amplitude and power of the ripple oscillation. This suppressive effect was as great as 70% at concentrations greater than 500 nM. However, morphine at low concentrations (5 nM) significantly increased the ripple power by 25-30%. Importantly all the drug-induced effects were observed at drug concentrations falling into the range of clinically used values. The effects of all opioids were fully reversed upon application of the μ receptor antagonist naloxone (20 μΜ) or CTOP (1-5 μM). The drug effects following increased drug concentrations in consecutive applications reached a plateau indicating receptor desensitization. These findings show that opioids acting on the μ receptor induce significant changes in SPW-R activity presumably affecting the level of activity of those interneurons implicated in the generation of the network oscillation. We hypothesize that the opioid-induced change of the balance between excitation and inhibition interfere with the generation of SPW-R activity and this effect might be involved in the amnesic actions of the opioid substances.

Τα οξύαιχμα κύματα-ριπιδισμοί αποτελούν μία σημαντική και ενδογενή νευρική δραστηριότητα του ιπποκάμπου που εμφανίζεται κυρίως κατά το στάδιο των βραδέων κυμάτων του ύπνου και σε φάσεις ακινησίας κατά την εγρήγορση και πιστεύεται ότι διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην διαδικασία της παγίωσης της μνήμης, που εμπλέκεται στη μεταφορά της πληροφορίας από τον ιππόκαμπο στον νεοφλοιό. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιώντας καταγραφές των δυναμικών πεδίου από την CA1 περιοχή τομών του κοιλιακού πόλου του ιπποκάμπου, εξετάσαμε την επίδραση της νιφεδιπίνης, ενός ανταγωνιστή των L-τύπου τασεοελεγχόμενων διαύλων ασβεστίου, στην δραστηριότητα των οξύαιχμων κυμάτων-ριπιδισμών. Παρατηρήσαμε ότι η νιφεδιπίνη αύξησε το πλάτος των ριπιδισμών χωρίς να επηρεάζει σημαντικά την διάρκεια και τη συχνότητα της ριπιδικής ταλάντωσης. Επίσης η νιφεδιπίνη αύξησε το πλάτος των οξύαιχμων κυμάτων και προκάλεσε μία μετρημένη αύξηση στην εμφάνιση των επεισοδίων των οξύαιχμων κυμάτων. Αυτά τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η ροή ασβεστίου διαμέσου των L-τύπου διαύλων συμμετέχει στην τροποποίηση των οξύαιχμων κυμάτων-ριπιδισμών. / Sharp wave-ripples (SWRs) are a prominent and endogenous network activity in the hippocampus occurring during slow-wave sleep, and awake immobility, and it is thought to play a critical role in process of memory consolidation implicated in the transfer of information from the hippocampal to neocortex. In the present study using recordings of field potentials from the CA1 field of ventral hippocampal slices we examined the effect of nifedipine, a blocker of voltage-dependent calcium channels of L-type, in the activity of SWRs. We observed that nifedipine increased the amplitude of ripples without significantly affecting the duration and frequency of the ripple oscillation. Also, nifedipine increased the amplitude of sharp waves and produced a moderate increase in the incidence of episodes of SWRs. These results indicate that calcium influx through L-type calcium channels participate in the modulation of SWRs.

Komplexe Muster neuronaler Aktivität entstehen während der Sharp-wave Ripples (SWRs) im Hippocampus und während der Up States im Neokortex (Zuständen mit hoher Aktivität). Sequenzen von Verhalten, die in der Vergangenheit erlebt wurden, werden während des komplexen Musters abgespielt. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind nicht gründlich erforscht: Wie können kleine synaptische Veränderungen die großflächige Netzwerkaktivität während des Gedächtnisabrufes und der Gedächtniskonsolidierung kontrollieren? Im ersten Teil dieser Abhandlung wird die Hypothese aufgestellt, dass eine schwache synaptische Konnektivität zwischen Hebbschen Assemblies von der bereits vorhandenen rekurrenten Konnektivität gefördert wird. Diese Hypothese wird auf folgende Weise geprüft: die vorwärts gekoppelten Assembly-Sequenzen werden in neuronale Netzwerke eingebettet, mit einem Gleichgewicht zwischen exzitatorischer und inhibitorischer Aktivität. Simulationen und analytische Berechnungen haben gezeigt, dass rekurrente Verbindungen innerhalb der Assemblies zu einer schnelleren Signalverstärkung führen, was eine Reduktion der notwendigen Verbindungen zwischen den Assemblies zur Folge hat. Diese Aktivität kann entweder von kleinen sensorisch ähnlichen Inputs hervorgerufen werden oder entsteht spontan infolge von Aktivitätsschwankungen. Globale -- möglicherweise neuromodulatorische -- Änderungen der neuronalen Erregbarkeit können daher die Netzwerkzustände steuern, die Gedächnisabruf und die Konsolidierung begünstigen. Der zweite Teil der Arbeit geht der Herkunft der SWRs nach, die in vitro beobachtet wurden. Neueste Studien haben gezeigt, dass SWR-ähnliche Erscheinungen durch optogenetische Stimulation der Subpopulationen von inhibitorischen Neuronen hervorgerufen werden können (Schlingloff et al., 2014). Um diese Ergebnisse zu erklären wird ein de-inhibierendes Schaltkreis-Modell diskutiert, das die beobachteten Populationsausbrüche generieren kann. Die Auswirkungen der pharmakologischen GABAergischen Modulatoren auf die SWR-Häufigkeit werden in vitro untersucht. Die gewonnenen Ergebnisse wurden in Rahmen des Schaltkreis-Modells analysiert. Insbesondere wird den folgenden Fragen nachgegangen: Wie unterdrückt Gabazine, ein GABA_A-Rezeptor-Antagonist, die Entwicklung von SWRs? Wird das Zeitintervall zwischen SWRs durch die Dynamik der GABA_B Rezeptoren moduliert? / Complex patterns of neural activity appear during up-states in the neocortex and sharp-wave ripples (SWRs) in the hippocampus, including sequences that resemble those during prior behavioral experience. The mechanisms underlying this replay are not well understood. How can small synaptic footprints engraved by experience control large-scale network activity during memory retrieval and consolidation? In the first part of this thesis, I hypothesise that sparse and weak synaptic connectivity between Hebbian assemblies are boosted by pre-existing recurrent connectivity within them. To investigate this idea, sequences of assemblies connected in a feedforward manner are embedded in random neural networks with a balance of excitation and inhibition. Simulations and analytical calculations show that recurrent connections within assemblies allow for a fast amplification of signals that indeed reduces the required number of inter-assembly connections. Replay can be evoked by small sensory-like cues or emerge spontaneously by activity fluctuations. Global--potentially neuromodulatory--alterations of neuronal excitability can switch between network states that favor retrieval and consolidation. The second part of this thesis investigates the origin of the SWRs observed in in-vitro models. Recent studies have demonstrated that SWR-like events can be evoked after optogenetic stimulation of subpopulations of inhibitory neurons (Schlingloff et al., 2014; Kohus et al., 2016). To explain these results, a 3-population model is discussed as a hypothetical disinhibitory circuit that could generate the observed population bursts. The effects of pharmacological GABAergic modulators on the SWR incidence in vitro are analysed. The results are discussed in the light of the proposed disinhibitory circuit. In particular, how does gabazine, a GABA_A receptor antagonist, suppress the generation of SWRs? Another explored question is whether the slow dynamics of GABA_B receptors is modulating the time scale of the inter-event intervals.