L’hippocampe joue un rôle central dans la navigation spatiale, la mémoire et l’organisation spatio-temporelle des souvenirs. Ces fonctions sont maintenues par la capacité du gyrus denté (GD) de séparation des patrons d'activité neuronales. Le GD est situé à l’entrée de la formation hippocampique où il reconnaît la présence de nouveaux motifs parmi la densité de signaux afférant arrivant par la voie entorhinale (voie perforante). Le codage parcimonieux est la marque distinctive du GD. Ce type de codage est le résultat de la faible excitabilité intrinsèque des cellules granulaires (CGs) en combinaison avec une inhibition locale prédominante. En particulier, l’inhibition de type « feedforward » ou circuit inhibiteur antérograde, est engagée par la voie perforante en même temps que les CGs. Ainsi les interneurones du circuit antérograde fournissent des signaux GABAergique aux CGs de manière presque simultanée qu’elles reçoivent les signaux glutamatergiques. Cette thèse est centrée sur l’étude des interactions entre ces signaux excitateurs de la voie entorhinale et les signaux inhibiteurs provenant des interneurones résidant dans le GD et ceci dans le contexte du codage parcimonieux et le patron de décharge en rafale caractéristique des cellules granulaires. Nous avons adressé les relations entre les projections entorhinales et le réseau inhibitoire antérograde du GD en faisant des enregistrements électrophysiologiques des CG pendant que la voie perforante est stimulée de manière électrique ou optogénétique. Nous avons découvert un nouvel mécanisme d’inhibition qui apparait à délais dans les CGs suite à une stimulation dans les fréquences gamma. Ce mécanisme induit une hyperpolarisation de longue durée (HLD) et d’une amplitude prononce. Cette longue hyperpolarisation est particulièrement prolongée et dépasse la durée d’autres types d’inhibition transitoire lente décrits chez les CGs. L’induction de HLD crée une fenêtre temporaire de faible excitabilité suite à laquelle le patron de décharge des CGs et l’intégration d’autres signaux excitateurs sont altérés de manière transitoire. Nous avons donc conclu que l’activité inhibitrice antérograde joue un rôle central dans les processus de codage dans le GD. Cependant, alors qu’il existe une multitude d’études décrivant les interneurones qui font partie de ce circuit inhibiteur, la question de comment ces cellules sont recrutées par la voie entorhinale reste quelque peu explorée. Pour apprendre plus à ce sujet, nous avons enregistré des interneurones résidant iii dans la couche moléculaire du GD tout en stimulant la voie perforante de manière optogénétique. Cette méthode de stimulation nous a permis d’induire la libération de glutamate endogène des terminales entorhinales et ainsi d’observer le recrutement purement synaptique d’interneurones. De manière surprenante, les résultats de cette expérience démontrent un faible taux d’activation des interneurones, accompagné d’un tout aussi faible nombre total de potentiels d’action émis en réponse à la stimulation même à haute fréquence. Ce constat semble contre-intuitif étant donné qu’en générale on assume qu’une forte activité inhibitrice est requise pour le maintien du codage parcimonieux. Tout de même, l’analyse des patrons de décharge des interneurones qui ont été activés a fait ressortir la prééminence de trois grands types: décharge précoce, retardée ou régulière par rapport le début des pulses lumineux. Les résultats obtenus durant cette thèse mettent la lumière sur l’important conséquences fonctionnelles des interactions synaptique et polysynaptique de nature transitoire dans les réseaux neuronaux. Nous aimerions aussi souligner l’effet prononcé de l’inhibition à court terme du type prolongée sur l’excitabilité des neurones et leurs capacités d’émettre des potentiels d’action. De plus que cet effet est encore plus prononcé dans le cas de HLD dont la durée dépasse souvent la seconde et altère l’intégration d’autres signaux arrivants simultanément. Donc on croit que les effets de HLD se traduisent au niveau du réseaux neuronal du GD comme une composante cruciale pour le codage parcimonieux. En effet, ce type de codage semble être la marque distinctive de cette région étant donné que nous avons aussi observé un faible niveau d’activation chez les interneurones. Cependant, le manque d’activité accrue du réseau inhibiteur antérograde peut être compensé par le maintien d’un gradient GABAergique constant à travers le GD via l’alternance des trois modes de décharges des interneurones. En conclusion, il semble que le codage parcimonieux dans le GD peut être préservé même en absence d’activité soutenue du réseau inhibiteur antérograde et ceci grâce à des mécanismes alternatives d’inhibition prolongée à court terme. / The hippocampus is implicated in spatial navigation, the generation and recall of memories, as well as their spatio-temporal organization. These functions are supported by the processes of pattern separation that occurs in the dentate gyrus (DG). Situated at the entry of the hippocampal formation, the DG is well placed to detect and sort novelty patterns amongst the high-density excitatory signals that arrive via the entorhinal cortex (EC). A hallmark of the DG is sparse encoding that is enabled by a combination of low intrinsic excitability of the principal cells and local inhibition. Feedforward inhibition (FFI) is recruited directly by the EC and simultaneously with the granule cells (GCs). Therefore, FFI provides fast GABA release and shapes input integration at the millisecond time scale. This thesis aimed to investigate the interplay of entorhinal excitatory signals with GCs and interneurons, from the FFI in the DG, in the framework of sparse encoding and GC’s characteristic burst firing. We addressed the long-range excitation – local inhibitory network interactions using electrophysiological recordings of GCs – while applying an electrical or optogenetic stimulation of the perforant path (PP) in the DG. We discovered and described a novel delayed-onset inhibitory post synaptic potential (IPSP) in GCs, following PP stimulation in the gamma frequency range. Most importantly, the IPSP was characterized by a large amplitude and prolonged decay, outlasting previously described slow inhibitory events in GCs. The long-lasting hyperpolarization (LLH) caused by the slow IPSPs generates a low excitability time window, alters the GCs firing pattern, and interferes with other stimuli that arrive simultaneously. FFI is therefore a key player in the computational processes that occurs in the DG. However, while many studies have been dedicated to the description of the various types of the interneurons from the FFI, the question of how these cells are synaptically recruited by the EC remains not entirely elucidated. We tackled this problem by recording from interneurons in the DG molecular layer during PP-specific optogenetic stimulation. Light-driven activation of the EC terminals enabled a purely synaptic recruitment of interneurons via endogenous glutamate release. We found that this method of stimulation recruits only a subset of interneurons. In addition, the total number of action potentials (AP) was surprisingly low even at high frequency stimulation. This result is counterintuitive, as strong and persistent inhibitory signals are assumed to restrict GC v activation and maintain sparseness. However, amongst the early firing interneurons, late and regular spiking patterns were clearly distinguishable. Interestingly, some interneurons expressed LLH similar to the GCs, arguing that it could be a commonly used mechanism for regulation of excitability across the hippocampal network. In summary, we show that slow inhibition can result in a prolonged hyperpolarization that significantly alters concurrent input’s integration. We believe that these interactions contribute to important computational processes such as sparse encoding. Interestingly, sparseness seems to be the hallmark of the DG, as we observed a rather low activation of the interneuron network as well. However, the alternating firing of ML-INs could compensate the lack of persistent activity by the continuous GABA release across the DG. Taken together these results offer an insight into a mechanism of feedforward inhibition serving as a sparse neural code generator in the DG.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/66776 |
| Date | 28 January 2021 |
| Creators | Mircheva, Yanina |
| Contributors | Pellegrini, Luca, Toth, Katalin |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xix, 223 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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