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

Thèse de doctorat : Neurosciences : Paris 12 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. : 200 réf.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse de doctorat : Sciences du vivant. Neurosciences : Strasbourg 1 : 2007. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 17 p.

L'encodage de la mémoire dépend de changements durables dans l'activité des circuits synaptiques dans un ensemble de neurones interconnectés. La région CA3 de l'hippocampe reçoit des informations directement ou indirectement (à travers le gyrus denté - GD) en provenance des structures corticales. Des données théoriques et comportementales ont montré que la région CA3 est importante pour l'encodage de la mémoire épisodique, en particulier au stade initial de l'acquisition, en développant vraisemblablement une représentation instantanée d'un contexte. Les neurones pyramidaux CA3 reçoivent une variété de connections afférentes, parmi lesquelles les fibres moussues (FM), les axones des cellules du gyrus denté. Ces connections synaptiqes ont attiré une attention par leurs propriétés morphologiques et fonctionnelles uniques. Malgré les nombreuses études comportementales et computationnelle, les liens entre plasticité des circuits CA3 et encodage de la mémoire ne sont pas bien compris.Le cadre général de ce projet de thèse se situe dans l'étude des mécanismes synaptiques de l'encodage de la mémoire épisodique dans des conditions physiologiques ainsi que dans un modèle de souris de la maladie d'Alzheimer (MA). En effet, la MA se caractérise à un stade précoce par une mémoire épisodique altérée, qui peut être associée à une dysrégulation de la plasticité des circuits CA3.À l'aide de techniques d'enregistrement électrophysiologique, nous avons d'abord exploré les modifications dans les circuits CA3 peu de temps (quelques heures) après conditionnement de la peur contextuelle chez les souris adultes C57Bl6j. Nous avons observé une augmentation de la fréquence des IPSC spontanés accompagnée de changements mineurs dans le nombre de filopodia issus des boutons synaptiques des FM, tandis que les EPSCs et les plasticités à court terme de ces synapses ne sont pas modifiés. Cependant, cette augmentation n'est peut observée 24 heures après l'apprentissage contextuel. Nous avons également tenté de modéliser de manière simplifiée les réseaux neuronaux GD-CA3, afin d'étudier si et dans quelle mesure les interneurones locaux dans la région CA3 contribuent à la précision de l'encodage de la mémoire. [...]Dans l'ensemble ce travail a révélé que la transmission inhibitrice des circuits locaux CA3 de l'hippocampe pourrait être importante dans l'encodage de la mémoire épisodique. Dans le modèle murin de la MA avec déficit de mémoire, il y a une réduction de la transmission GABAergique et des courants médiés par les KAR réduits cellules pyramidales de CA3. Finalement, avons observé une modification transcriptionnelle d'un certain nombre de gènes dans CA3, à des stades précoces de développement de la pathologie dans notre modèle de MA. Notre étude pourrait contribuer à la compréhension des mécanismes pathologiques précoces de la MA, au niveau synaptique ainsi qu'au niveau transcriptionnel, et fournir des idées nouvelles sur les mécanismes sous-jacents au codage rapide de la mémoire contextuelle. / Memory encoding is thought to proceed from durable changes in the activity of synaptic circuits to the storage of patterns of electrical events in a sparsely distributed ensemble of neurons. Located at the entry level of hippocampal circuitry, the CA3 region of hippocampus is thought to be important for episodic memory encoding, especially at the initial stage of acquisition, by presumably developing an instant representation of a context. CA3 pyramidal neurons receive a variety of diverse inputs, among which the mossy fiber (MF) inputs draw special attention for its peculiar structure and unique synaptic properties. However, the links between the plasticity of CA3 circuits and memory encoding are not well understood.This thesis project aimed to address the synaptic mechanisms of episodic memory encoding in physiological conditions as well as in a mouse model of Alzheimer's disease (AD).Using electrophysiological recording techniques, we first explored the changes in CA3 circuits shortly after one-trial contextual fear conditioning in adult C57Bl6j mice. We show that despite hardly any changes in filopodia number of MF terminals, an increase in spontaneous IPSC frequency can be registered, while the EPSCs and short-term plasticities of theses synapses are unaltered. However, this increase cannot be seen anymore 24 hours after the contextual learning. We also tried to do simplified computational modeling of the DG-CA3 neuronal networks, to investigate if and to what extent the local interneurons in CA3 region contribute to memory encoding precision.AD is characterized at an early stage by impaired episodic memory, which may involve dysregulation of the plasticity of CA3 circuits.In the next step, we searched for synaptic deficits in CA3 local circuit in the early stage of AD pathology, taking advantage of a familial AD mouse model: 6-month male APP/PS1 mice. We report that there is a reduction in spontaneous IPSC frequency in CA3 neurons together with decreased inhibitory charges of evoked events at MF-CA3 synapses, whereas the short-term plasticity of these synapses and intrinsic properties of CA3 neurons remain unaffected. Furthermore, there is a robust reduction in Kainate receptor (KAR) mediated currents at MF-CA3 synapses, and the same results can be obtained from PSKO mice too, suggesting that disturbed function of γ-secretase and NCad processing pathways might underlie the dysfunction of KARs at MF-CA3 synapses.Finally, to screen for changes on a transcriptome level, we performed RNA-seq with dissected CA3 tissue from APP/PS1 mice and found a list of up- and down-regulated genes at this early stage of AD. Moreover, we carried out ChIP-seq for a histone modification marker: H3K4me3, which has been shown to be directly related to one-trial contextual memory, and here we report that there is a concrete decrease in H3K4me3 levels at the promoter areas of various genes in CA3 neurons. However, these genes are not overlapping much with the down-regulated genes from RNA-seq result, suggesting that other epigenetic mechanisms might play more important roles in expressing early deficits in this AD mouse model.Taken together, we show that inhibitory innervations of hippocampal CA3 local circuits might be important for episodic memory encoding, and in early AD mouse model with memory deficits, there is reduced GABAergic transmission and reduced KAR-mediated currents in CA3 neurons, together with many active transcriptional regulations across the genome. Our study might contribute to the understanding of early AD pathologies at synaptic level as well as transcriptional level, and provide novel insights into the mechanisms underlying rapid encoding of contextual memory.

Les synapses chimiques sont des structures spécialisées permettant une transmission d'information unidirectionnelle, d’un élément présynaptique vers un élément postsynaptique. L’organisation des terminaisons présynaptiques permet la conversion d’un potentiel d’action en signal chimique. Elles se présentent sous la forme de varicosités axonales contenant des vésicules synaptiques (VSs) qui concentrent le neurotransmetteur (NT). Une partie des VSs sont apposées (ancrées) à une région de la membrane plasmique, la zone active (ZA ; Bennett et al. 1992, Siksou et al. 2009). La ZA est située face à l’accumulation postsynaptique des récepteurs au NT. La dépolarisation d’une terminaison par un potentiel d’action active des canaux calciques dépendants du voltage. L’influx de calcium qui en résulte entraîne la fusion d’une fraction des VSs ancrées avec la membrane plasmique en moins d’une milliseconde, permettant la libération de NT (Sabatini et Regehr 1996, Lisman et al. 2007). Une endocytose compensatoire permet ensuite la reformation de VSs (Rizzoli et Betz, 2005). Des questions se posent encore quant à ce trafic régulé. Nous avons étudié la régulation de l’ancrage des VSs et développé un outil pour analyser le cycle des VSs en microscopie électronique (ME).La première partie de mon travail de thèse a porté sur la régulation du nombre de VSs ancrées à la ZA. Notre objectif était de savoir si l’ancrage était régulé spécifiquement ou en coordination avec les autres paramètres morphologiques du bouton, et de déterminer le rôle de Rab3-Interacting Molecules (RIMs), protéines centrales de la ZA, dans cette régulation. La régulation de l’ancrage a été étudiée sur un modèle de cultures organotypiques de tranches d’hippocampe dont l’activité est bloquée 3 jours par l’application de tétrodotoxine. Ces tranches ont été immobilisées par congélation sous haute pression (CHP) pour être observées en ME sans les artefacts induits par les fixations aldéhydiques. Le blocage d’activité entraîne une augmentation du nombre de VSs ancrées, de la taille de la ZA, et du nombre de récepteurs postsynaptiques au glutamate de type GluA2. Le nombre de VSs total dans le bouton et la taille du bouton ne changent pas. En immunocytochimie Nous n’avons pas observé de modification de la quantité moyenne de protéines RIM1/2 dans les terminaisons présynaptiques sous l’effet du blocage d’activité. Enfin, les enregistrements électrophysiologiques ne révèlent pas de modification de fréquence des courants excitateurs miniatures malgré l’augmentation du nombre de VSs ancrées. Ces résultats montrent une régulation spécifique de la taille de la jonction synaptique par l’activité neuronale et indiquent que le nombre de VSs ancrées n’est par régulé par la quantité de RIM.La deuxième partie de mon travail a consisté à développer un outil d’étude du cycle des VSs. En effet, la ME ne permet pas d’observer des évènements dynamiques, tandis que la résolution spatiale des microscopes optiques est insuffisante pour observer directement les VSs. Nous avons voulu associer une stimulation optogénétique de neurones avec leur immobilisation rapide par CHP, afin de pouvoir observer en ME les VSs à des temps précis après la stimulation. Nous avons travaillé sur des cultures dissociées de neurones d’hippocampe de rat. Ces neurones ont été infectés avec un Adeno-Associated Virus exprimant une protéine, la ChannelRhodopsine2, pour les rendre activables par des stimulations lumineuses. Une collaboration avec Leica Microsystems a permis de modifier l’appareil de congélation (HPM) pour (i) stimuler les neurones dans l’HPM, et (ii) synchroniser cette stimulation avec la congélation. Ce nouvel outil devrait permettre dans le futur une analyse du trafic des VSs à très haute résolution temporelle et spatiale. / Chemical synapses are highly specialized structures that convey information unidirectionnally, from a presynaptic to a postsynaptic element. Presynaptic terminals convert action potentials into chemical signals. These axonal varicosities contain synaptic vesicles (SVs) filled with neurotransmitter (NT) molecules. A fraction of the SVs are apposed (docked) to a part of the plasma membrane called the active zone (AZ; Bennett et al. 1992, Siksou et al. 2009b). The AZ is located in front of the postsynaptic accumulation of NT receptors. Depolarization of a terminal by an AP activates voltage dependent calcium channels. The resulting calcium influx induces the fusion of a fraction of the docked SVs in less than a millisecond, which release their NT content (Sabatini & Regehr 1996, Lisman et al. 2007). New SVs are then produced through a process of compensatory endocytosis (Rizzoli & Betz, 2005). Unanswered questions remain about the mechanism of this regulated traffic of SVs. We studied the regulation of SVs docking and developed a tool to analyze the cycle of SVs with electron microscopy (EM). The first part of my PhD work was focused on the regulation of the number of docked SVs at the AZ. Our objective was to determine whether SVs docking was regulated specifically or together with other morphological parameters of the bouton. We also investigated the role of Rab3-Interacting Molecules (RIMs), central proteins of the AZ, in this regulation. We worked on organotypic culture of hippocampal slices in which we blocked neuronal activity with tetrodotoxin for 3 days. Slices were immobilized using high pressure freezing (HPF) to avoid artifacts due to chemical fixation, and studied with EM. Activity blockade induced an increase in the number of docked SVs, in the size of the AZ and in the number of GluA2 postsynaptic glutamate receptors. However, the total number of SVs in the bouton and the size of the bouton did not change. With immunocytochemistry we did not detect any change in the mean amount of RIM in presynaptic terminals after chronic activity blockade. Furthermore, electrophysiology recordings showed no increase of the mean frequency of mEPSCs despite the increase in the number of docked SVs. Together these results show a specific regulation of the size of the presynaptic junction by neuronal activity, and indicate that the amount of RIMs does not regulate the number of docked SVs. The second part of my work consisted in the development of a new tool to study the cycle of SVs. Indeed, EM does not allow the visualization of dynamic phenomenon, whereas optical microscopes do not have a sufficient spatial resolution to observe SVs with the required precision. We wanted to associate optogenetic stimulations of neurons with their rapid immobilization by HPF, in order to visualize SVs at precise moments after stimulation. We worked on rats hippocampal dissociated neurons cultures. These neurons were infected with an Adeno-Associated Virus encoding a light sensitive protein channel, the ChannelRhodopsin2, in order to be able to activate them with light stimulations. We collaborated with Leica Microsystems to modify our high pressure machine (HPM), so that we can (i) stimulate the neurons within the HPM, and (ii) synchronize this stimulation with the freezing. In the future, this new tool this system should allow us to analyze the traffic SVs with high temporal and spatial resolution.

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.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les vésicules synaptiques (VSs) sont essentielles pour la neurotransmission. Les recherches actuelles se focalisent sur la caractérisation de leur contenu en neurotransmetteurs, leur cinétique de libération, leur distribution et leur mobilité. Les VS ne sont pas présentes exclusievement en paquet dans les boutons présynaptiques mais sont echangées de façon dynamique avec le reste de l’axone dans un super-contingent (super-pool). Notre laboratoire a précédement montré que le transporteur vésiculaire de glutamate de type 1 (VGLUT1) jouerait un rôle dans la régulation du super-pool. Mon projet de thèse se focalise sur la mobilité des VS dans les axones. En premier lieu, j’ai généré une souris gain de fonction VGLUT1mEos2 afin d'étudier la mobilité des VSs et de mieux caractériser le super-pool. Ensuite j’ai engagé une étude des relation entre la structure de VGLUT1 et ses fonctions afin d’identifier les signatures moléculaires responsable de la régulation de la taille du super-pool. J’ai identifié le second motif poly-proline à l’extremité C-terminale de VGLUT1 comme étant nécessaire et suffisante pour induire une diminution de la taille du super-pool des VSs. Pour conclure mes travaux de thèse ont contribué à la compréhension du rôle de VGLUT1 dans la régulation de la mobilité des VSs et à fournir les outils nécessaires pour de futures investigations concernant la physiologie du super-pool. / Synaptic vesicles (SVs) are essential for neurotransmission, and more efforts are needed for better understanding their neurotransmitter content, release kinetics, distribution and mobility. SVs are not only clustered in presynaptic boutons, but also dynamically shared among multiple en passant presynaptic boutons, a phenomenon named SV super‐pool. Previous work from our laboratory suggested that the Vesicular GLUtamate Transporter 1 (VGLUT1) may play a role in regulating SV super-­pool size beyond loading glutamate into SV. My Ph.D project is focused on SVs mobility in axons. Firstly, I generated a VGLUT1mEos2 knock-in (KI) mouse line, which provides extended possibilities to study the SV trafficking and characterize SV super‐pool. Secondly, I engaged in a thorough VGLUT1 structure‐function analysis. I identified that VGLUT1 tends to cluster SVs in the presynaptic boutons and reduce SVs exchange with the super‐pool via the second poly‐proline motif of its C­‐terminus. Overall, my Ph.D work contributes to the knowledge of the role of VGLUT1 in regulating SVs mobility and provides new tools for the further investigations on SV super-­pool physiology.