Gliotransmission in the hippocampus, mechanisms and interaction with synaptic functions

SUMMARYAstrocytes represent the largest cell population in the human brain. In addition to a well established role as metabolic support for neuronal activity, in the last years these cells have been found to accomplish other important and, sometimes, unexpected functions. The tight enwrapping of synapses by astrocytic processes and the predominant expression of glutamate uptake carriers in the astrocytic rather than neuronal plasma membranes brought to the definition of a critical involvement of astrocytes in the clearance of glutamate from synaptic junctions. Moreover, several publications showed that astrocytes are able to release chemical transmitters (gliotransmitters) suggesting their active implication in the control of synaptic functions. Among gliotransmitters, the best characterized is glutamate, which has been proposed to be released from astrocytes in a Ca2+ dependent manner via exocytosis of synaptic-like microvesicles.In my thesis I present results leading to substantial advancement of the understanding of the mechanisms by which astrocytes modulate synaptic activity in the hippocampus, notably at excitatory synapses on dentate granule cells. I show that tumor necrosis factor- alpha (TNFa), a molecule that is generally involved in immune system functions, critically controls astrocyte-to-synapse communication (gliotransmission) in the brain. With constitutive levels of TNFa present, activation of purinergic G protein-coupled receptors in astrocytes, called P2Y1 receptors, induces localized intracellular calcium ([Ca2+]j) elevation in astrocytic processes (measured by two-photon microscopy) followed by glutamate release and activation of pre-synaptic NMDA receptors resulting in synaptic potentiation. In preparations lacking TNFa, astrocytes respond with identical [Ca2+]i elevations but fail to induce neuromodulation. I find that TNFa specifically controls the glutamate release step of gliotransmission. Addition of very low (picomolar) TNFa concentrations to preparations lacking the cytokine, promptly reconstitutes both normal exocytosis in cultured astrocytes and gliotransmission in hippocampal slices. These data provide the first demonstration that gliotransmission and its synaptic effects are controlled not only by astrocyte [Ca2+]i elevations but also by permissive/homeostatic factors like TNFa.In addition, I find that higher and presumably pathological TNFa concentrations do not act just permissively but instead become direct and potent triggers of glutamate release from astrocytes, leading to a strong enhancement of excitatory synaptic activity. The TNFa action, like the one observed upon P2Y1R activation, is mediated by pre-synaptic NMDA receptors, but in this case the effect is long-lasting, and not reversible. Moreover, I report that a necessary molecular target for this action of TNFa is TNFR1, one of the two specific receptors for the cytokine, as I found that TNFa was unable to induce synaptic potentiation when applied in slices from TNFR1 knock-out (Tnfrlv") mice. I then created a double transgenic mouse model where TNFR1 is knocked out in all cells but can be re-expressed selectively in astrocytes and I report that activation of the receptors in these cells is sufficient to reestablish TNFa-dependent long-lasting potentiation of synaptic activity in the TNFR1 knock-out mice.I therefore discovered that TNFa is a primary molecule displaying both permissive and instructive roles on gliotransmission controlling synaptic functions. These reports might have profound implications for the understanding of both physiological and pathological processes associated to TNFa production, including inflammatory processes in the brain.RÉSUMÉLes astrocytes sont les cellules les plus abondantes du cerveau humain. Outre leur rôle bien établi dans le support métabolique de l'activité neuronale, d'autres fonctions importantes, et parfois inattendues de ces cellules ont été mises en lumière au cours de ces dernières années. Les astrocytes entourent étroitement les synapses de leurs fins processus qui expriment fortement les transporteurs du glutamate et permettent ainsi aux astrocytes de jouer un rôle critique dans l'élimination du glutamate de la fente synaptique. Néanmoins, les astrocytes semblent être capables de jouer un rôle plus intégratif en modulant l'activité synaptique, notamment par la libération de transmetteurs (gliotransmetteurs). Le gliotransmetteur le plus étudié est le glutamate qui est libéré par l'exocytose régulée de petites vésicules ressemblant aux vésicules synaptiques (SLMVs) via un mécanisme dépendant du calcium.Les résultats présentés dans cette thèse permettent une avancée significative dans la compréhension du mode de communication de ces cellules et de leur implication dans la transmission de l'information synaptique dans l'hippocampe, notamment des synapses excitatrices des cellules granulaires du gyrus dentelé. J'ai pu montrer que le « facteur de nécrose tumorale alpha » (TNFa), une cytokine communément associée au système immunitaire, est aussi fondamentale pour la communication entre astrocyte et synapse. Lorsqu'un niveau constitutif très bas de TNFa est présent, l'activation des récepteurs purinergiques P2Y1 (des récepteurs couplés à protéine G) produit une augmentation locale de calcium (mesurée en microscopie bi-photonique) dans l'astrocyte. Cette dernière déclenche ensuite une libération de glutamate par les astrocytes conduisant à l'activation de récepteurs NMDA présynaptiques et à une augmentation de l'activité synaptique. En revanche, dans la souris TNFa knock-out cette modulation de l'activité synaptique par les astrocytes n'est pas bien qu'ils présentent toujours une excitabilité calcique normale. Nous avons démontré que le TNFa contrôle spécifiquement l'exocytose régulée des SLMVs astrocytaires en permettant la fusion synchrone de ces vésicules et la libération de glutamate à destination des récepteurs neuronaux. Ainsi, nous avons, pour la première fois, prouvé que la modulation de l'activité synaptique par l'astrocyte nécessite, pour fonctionner correctement, des facteurs « permissifs » comme le TNFa, agissant sur le mode de sécrétion du glutamate astrocytaire.J'ai pu, en outre, démontrer que le TNFa, à des concentrations plus élevées (celles que l'on peut observer lors de conditions pathologiques) provoque une très forte augmentation de l'activité synaptique, agissant non plus comme simple facteur permissif mais bien comme déclencheur de la gliotransmission. Le TNFa provoque 1'activation des récepteurs NMD A pré-synaptiques (comme dans le cas des P2Y1R) mais son effet est à long terme et irréversible. J'ai découvert que le TNFa active le récepteur TNFR1, un des deux récepteurs spécifiques pour le TNFa. Ainsi, l'application de cette cytokine sur une tranche de cerveau de souris TNFR1 knock-out ne produit aucune modification de l'activité synaptique. Pour vérifier l'implication des astrocytes dans ce processus, j'ai ensuite mis au point un modèle animal doublement transgénique qui exprime le TNFR1 uniquement dans les astrocytes. Ce dernier m'a permis de prouver que l'activation des récepteurs TNFR1 astrocytaires est suffisante pour induire une augmentation de l'activité synaptique de manière durable.Nous avons donc découvert que le TNFa possède un double rôle, à la fois un rôle permissif et actif, dans le contrôle de la gliotransmission et, par conséquent, dans la modulation de l'activité synaptique. Cette découverte peut potentiellement être d'une extrême importance pour la compréhension des mécanismes physiologiques et pathologiques associés à la production du TNFa, en particulier lors de conditions inflammatoires.RÉSUMÉ GRAND PUBLICLes astrocytes représentent la population la plus nombreuse de cellules dans le cerveau humain. On sait, néanmoins, très peu de choses sur leurs fonctions. Pendant très longtemps, les astrocytes ont uniquement été considérés comme la colle du cerveau, un substrat inerte permettant seulement de lier les cellules neuronales entre elles. Il n'y a que depuis peu que l'on a découvert de nouvelles implications de ces cellules dans le fonctionnement cérébral, comme, entre autres, une fonction de support métabolique de l'activité neuronale et un rôle dans la modulation de la neurotransmission. C'est ce dernier aspect qui fait l'objet de mon projet de thèse.Nous avons découvert que l'activité des synapses (régions qui permettent la communication d'un neurone à un autre) qui peut être potentialisée par la libération du glutamate par les astrocytes, ne peut l'être que dans des conditions astrocytaires très particulières. Nous avons, en particulier, identifié une molécule, le facteur de nécrose tumorale alpha (TNFa) qui joue un rôle critique dans cette libération de glutamate astrocytaire.Le TNFa est surtout connu pour son rôle dans le système immunitaire et le fait qu'il est massivement libéré lors de processus inflammatoires. Nous avons découvert qu'en concentration minime, correspondant à sa concentration basale, le TNFa peut néanmoins exercer un rôle indispensable en permettant la communication entre l'astrocyte et le neurone. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus physiologique qui permet d'intégrer la communication astrocyte/neurone au fonctionnement général du cerveau. Par ailleurs, nous avons également démontré qu'en quantité plus importante, le TNFa change son mode de fonctionnement et agit comme un stimulateur direct de la libération de glutamate par l'astrocyte et induit une activation persistante de l'activité synaptique. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus pathologique.Nous sommes également arrivés à ces conclusions grâce à la mise en place d'une nouvelle souche de souris doublement transgéniques dans lesquelles seuls les astrocytes (etnon les neurones ou les autres cellules cérébrales) sont capables d'être activés par le TNFa.

Making sense of AMPA receptor trafficking by modeling molecular mechanisms of synaptic plasticity.

Synaptic plasticity involves a complex molecular machinery with various protein interactions but it is not yet clear how its components give rise to the different aspects of synaptic plasticity. Here we ask whether it is possible to mathematically model synaptic plasticity by making use of known substances only. We present a model of a multistable biochemical reaction system and use it to simulate the plasticity of synaptic transmission in long-term potentiation (LTP) or long-term depression (LTD) after repeated excitation of the synapse. According to our model, we can distinguish between two phases: first, a "viscosity" phase after the first excitation, the effects of which like the activation of NMDA receptors and CaMKII fade out in the absence of further excitations. Second, a "plasticity" phase actuated by an identical subsequent excitation that follows after a short time interval and causes the temporarily altered concentrations of AMPA subunits in the postsynaptic membrane to be stabilized. We show that positive feedback is the crucial element in the core chemical reaction, i.e. the activation of the short-tail AMPA subunit by NEM-sensitive factor, which allows generating multiple stable equilibria. Three stable equilibria are related to LTP, LTD and a third unfixed state called ACTIVE. Our mathematical approach shows that modeling synaptic multistability is possible by making use of known substances like NMDA and AMPA receptors, NEM-sensitive factor, glutamate, CaMKII and brain-derived neurotrophic factor. Furthermore, we could show that the heteromeric combination of short- and long-tail AMPA receptor subunits fulfills the function of a memory tag.

Molecular machines governing exocytosis of synaptic vesicles.

Calcium-dependent exocytosis of synaptic vesicles mediates the release of neurotransmitters. Important proteins in this process have been identified such as the SNAREs, synaptotagmins, complexins, Munc18 and Munc13. Structural and functional studies have yielded a wealth of information about the physiological role of these proteins. However, it has been surprisingly difficult to arrive at a unified picture of the molecular sequence of events from vesicle docking to calcium-triggered membrane fusion. Using mainly a biochemical and biophysical perspective, we briefly survey the molecular mechanisms in an attempt to functionally integrate the key proteins into the emerging picture of the neuronal fusion machine.

A CRTC1 deficient mouse line study : relevance to mood disorders

Summary Mood disorders are among the most prevalent, psychosocial^ debilitating, chronic and relapsing forms of psychiatric illnesses. Despite considerable advances in their characterization, the heterogeneous nature of susceptibility factors and patient's symptoms could account for the lack of totally effective and remissive treatment. The neurobiological hypothesis of mood disorders etiology has evolved since the monoamine and neurotrophin theories and current evidence is pointing toward their integration in a broader polygenic epistatic model resulting in defective neuroplasticity of circuitries involved in emotion processing. Consequently, the unraveling of molecular underpinning pathways involved in neuronal plasticity, commonly altered among mood disorder syndromes and symptoms, should shed light on their etiology and provide new drug target. The transcription factor CREB has been critically involved in the long-lasting forms of neuronal plasticity and in the regulation of several mood disorders susceptibility genes. In addition, altered CREB activity has been associated with mood disorders pathophysiology and pharmacotherapy. Interestingly, the newly-identified protein CREB-regulated transcription coactivator 1 (CRTC1) was shown by previous studies in the laboratory to be a neuroactivity- dependent cAMP and calcium sensor, a potent activator of CREB-dependent transcription and involved in neuroplasticity mechanisms associated with long-term synaptic potentiation. Furthermore, the major mood disorder susceptibility gene Bdnf was suggested to be transcriptional regulated by CRTC1. Therefore, we aimed to investigate a role for CRTC1 in mood disorders by generating and characterizing a Crtcl deficient mouse model at the behavioral and molecular levels. Interestingly, their comprehensive characterization revealed a behavioral profile mirroring several major symptoms comorbid in mood disorders, including altered social interactions, aggressive behaviors, obesity, psychomotor retardation, increased emotional response to stress, decreased sexual drive and depression-like behaviors. To investigate the molecular mechanisms underlying these pathological behaviors and the implication of CRTC1 in the regulation of CREB-regulated genes in vivo, we also quantified transcript levels of several relevant CREB-regulated susceptibility genes in brain structures involved in the pathophysiology of mood disorders. Strikingly, we found the underexpression of primary components of the neurotrophin system: Bdnf and its cognate receptor TrkB, a marked decrease in the Nr4a family of transcription factors, implicated in neuroplasticity and associated with dopamine-related disorders, as well as in several other relevant CREB regulated genes. Moreover, neurochemical analysis revealed that Crtcl null mice presented alteration in prefrontal cortical monoamine turnover as well as in hippocampal and accumbal serotonin levels, similarly associated with mood disorders etiology and pharmacotherapy. Together, the present thesis supports the involvement of CRTC1 pathway hypofunction in the pathogenesis of mood disorders and specifically in pathological aggression, obesity and depression-related behavior comorbidities. Ultimately, CRTC1 may represent an interesting antidepressant, antiaggressive or mood stabilizer drug target candidate through the modulation of major CREB regulated susceptibility genes. Les troubles de l'humeur comptent parmi les maladies psychiatriques les plus prévalentes, psychosocialement débilitantes, chroniques et avec le plus grand risque de rechute. Malgré de considérable avancées dans leur caractérisation, la nature hétérogène des facteurs de susceptibilité et des symptômes présentés par les patients, semble justifier l'absence de traitement entraînant une rémission complète de la maladie. L'hypothèse de l'étiologie neurobiologique des troubles de l'humeur a évolué depuis la théorie des monoamines et des neurotrophines. Actuellement, elle tend à les englober dans un modèle polygénique épistatique induisant une déficience de la neuroplasticité des circuits impliqué dans la régulation des émotions. Par conséquent, il apparaît particulièrement relevant de caractériser des voies moléculaires impliquées dans la plasticité neuronale, communément altérées parmi les différents syndromes et symptômes des maladies de l'humeur, afin d'améliorer leur compréhension ainsi que de proposer de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles. Le facteur de transcription CREB a été de façon répétée et cohérente impliqué dans les mécanismes à long terme de la plasticité neuronale, ainsi que dans la régulation de plusieurs gènes de susceptibilité aux maladies de l'humeur. De plus, une altération dans l'activité de CREB a été impliqué dans leur étiologie et pharmacothérapie. De façon intéressante, des résultats préliminaires sur la protéine récemment découverte CREB-regulated transcription coactivator 1 (CRTC1) ont indiqué que son activation était dépendante de l'activité neuronale, qu'il était un senseur du calcium et de l'AMPc, ainsi qu'un coactivateur de CREB requis et puissant impliqué dans les mécanismes de plasticité neuronale associés à la potentialisation à long terme. En outre, des résultats ont suggéré que le gène majeur de susceptibilité Bdnf est régulé par CRTC1. Ainsi, notre objectif a été d'investiguer un rôle éventuel de CRTC1 dans les maladies de l'humeur en générant et caractérisant une lignée de souris déficiente pour Crtcl, tant au niveau comportemental que moléculaire. De façon intéressante, leur caractérisation détaillée a révélé un profil comportemental reflétant de nombreux aspects des maladies de l'humeur incluant une altération des interactions sociales, une agression pathologique, l'obésité, un retard psychomoteur, une réponse émotionnelle au stress accrue, une diminution de la motivation sexuelle, et des comportements reliés à la dépression. Afin d'investiguer les mécanismes moléculaires sous- jacents cette altération du comportement, ainsi que l'implication de CRTC1 dans l'expression des gènes régulés par CREB in vivo, nous avons quantifié les niveaux de transcrits de plusieurs gènes de susceptibilité régulés par CREB et impliqués dans la physiopathologie des maladies de l'humeur. Remarquablement, nous avons trouvé la sous-expression de composants primordiaux du système neurotrophique: Bdnf et son récepteur TrkB, une diminution majeure de la famille des facteurs de transcription Nr4a, impliqués dans la neuroplasticité et associés à des désordres liés à la dopamine, ainsi que de nombreux autres gènes relevants régulés par CREB. De plus, une analyse neurochimique a révélé que les souris déficientes pour Crtcî présentent une altération du turn-over des monoamines du cortex préfrontal ainsi que des niveaux hippocampaux et accumbaux de sérotonine, associés de façon similaire dans l'étiologie et la pharmacothérapie des maladies de l'humeur. Vue dans son ensemble, la présente thèse supporte l'implication d'une sous-régulation de la voie de CRTCI dans la pathogenèse des maladies de l'humeur ainsi que dans la comorbidité de l'agression pathologique, l'obésité et la dépression. En conclusion, CRTCI pourrait représenter une cible médicamenteuse intéressante aux propriétés antidépressante, antiagressive ou stabilisatrice de l'humeur au travers de la modulation de gènes de susceptibilité majeurs régulés par CREB.

Glutamate exocytosis from astrocytes controls synaptic strength.

The release of transmitters from glia influences synaptic functions. The modalities and physiological functions of glial release are poorly understood. Here we show that glutamate exocytosis from astrocytes of the rat hippocampal dentate molecular layer enhances synaptic strength at excitatory synapses between perforant path afferents and granule cells. The effect is mediated by ifenprodil-sensitive NMDA ionotropic glutamate receptors and involves an increase of transmitter release at the synapse. Correspondingly, we identify NMDA receptor 2B subunits on the extrasynaptic portion of excitatory nerve terminals. The receptor distribution is spatially related to glutamate-containing synaptic-like microvesicles in the apposed astrocytic processes. This glial regulatory pathway is endogenously activated by neuronal activity-dependent stimulation of purinergic P2Y1 receptors on the astrocytes. Thus, we provide the first combined functional and ultrastructural evidence for a physiological control of synaptic activity via exocytosis of glutamate from astrocytes.

Synaptic transmission with the glia.

For decades, scientists thought that all of the missing secrets of brain function resided in neurons. However, a wave of new findings indicates that glial cells, formerly considered mere supporters and subordinate to neurons, participate actively in synaptic integration and processing of information in the brain.

Le marché des footballeurs. Réseaux et circuits dans l'économie globale

Fin assemblage entre démarches théoriques et empiriques, l'ouvrage illustre les logiques sous-jacentes à la mondialisation du marché des footballeurs. Il présente des informations de première main sur le fonctionnement des réseaux de transfert, collectées par l'auteur au cours de dix années de recherches menées en Europe et en Afrique. Des données statistiques inédites, élaborées par l'Observatoire des footballeurs professionnels, et de nombreuses illustrations cartographiques rendent la lecture particulièrement agréable. L'analyse des réseaux et circuits migratoires des footballeurs permet de saisir le rôle décisif joué par de nombreux intermédiaires dans le développement d'un marché global de talents. L'ouvrage dévoile la manière dont agents, dirigeants de clubs et spéculateurs privés investissent sur des joueurs dans l'optique de mettre en place des chaînes de transferts à valeur ajoutée. Ce processus est exemplifié à travers l'étude du cas des footballeurs africains

Synaptic plasticity and the Warburg effect.

Functional brain imaging studies show that in certain brain regions glucose utilization exceeds oxygen consumption, indicating the predominance of aerobic glycolysis. In this issue, Goyal et al. (2014) report that this metabolic profile is associated with an enrichment in the expression of genes involved in synaptic plasticity and remodeling processes.

TORC1 is a calcium- and cAMP-sensitive coincidence detector involved in hippocampal long-term synaptic plasticity.

A key feature of memory processes is to link different input signals by association and to preserve this coupling at the level of synaptic connections. Late-phase long-term potentiation (L-LTP), a form of synaptic plasticity thought to encode long-term memory, requires gene transcription and protein synthesis. In this study, we report that a recently cloned coactivator of cAMP-response element-binding protein (CREB), called transducer of regulated CREB activity 1 (TORC1), contributes to this process by sensing the coincidence of calcium and cAMP signals in neurons and by converting it into a transcriptional response that leads to the synthesis of factors required for enhanced synaptic transmission. We provide evidence that TORC1 is involved in L-LTP maintenance at the Schaffer collateral-CA1 synapses in the hippocampus.

Understanding globalization through football: the new international division of labour, migratory channels and transnational trade circuits

Among all sports, football is the one that saw the largest diffusion during the 20th century. Professional leagues exist on all continents and professional footballers are constantly on the move, trying to reach the wealthiest European clubs. Using the football players' market as an example, this article highlights some key features of economic globalization: the new international division of labour, the ever increasing role played by intermediaries to bind the demand and supply of work on a transnational scale, and the setting up of spatially fragmented trade circuits. These processes form the basis for the creation of a global market of footballers in which clubs and championships play complementary roles and are more than ever functionally integrated beyond national borders.

Munc18-1 mutations that strongly impair SNARE-complex binding support normal synaptic transmission.

Synaptic transmission depends critically on the Sec1p/Munc18 protein Munc18-1, but it is unclear whether Munc18-1 primarily operates as a integral part of the fusion machinery or has a more upstream role in fusion complex assembly. Here, we show that point mutations in Munc18-1 that interfere with binding to the free Syntaxin1a N-terminus and strongly impair binding to assembled SNARE complexes all support normal docking, priming and fusion of synaptic vesicles, and normal synaptic plasticity in munc18-1 null mutant neurons. These data support a prevailing role of Munc18-1 before/during SNARE-complex assembly, while its continued association to assembled SNARE complexes is dispensable for synaptic transmission.

Building hippocampal circuits to learn and remember: insights into the development of human memory

The hippocampal formation is essential for the processing of episodic memories for autobiographical events that happen in unique spatiotemporal contexts. Interestingly, before 2 years of age, children are unable to form or store episodic memories for recall later in life, a phenomenon known as infantile amnesia. From 2 to 7 years of age, there are fewer memories than predicted based on a forgetting function alone, a phenomenon known as childhood amnesia. Here, we discuss the postnatal maturation of the primate hippocampal formation with the goal of characterizing the development of the neurobiological substrates thought to subserve the emergence of episodic memory. Distinct regions, layers and cells of the hippocampal formation exhibit different profiles of structural and molecular development during early postnatal life. The protracted period of neuronal addition and maturation in the dentate gyrus is accompanied by the late maturation of specific layers in different hippocampal regions that are located downstream from the dentate gyrus, particularly CA3. In contrast, distinct layers in several hippocampal regions, particularly CA1, which receive direct projections from the entorhinal cortex, exhibit an early maturation. In addition, hippocampal regions that are more highly interconnected with subcortical structures, including the subiculum, presubiculum, parasubiculum and CA2, mature even earlier. These findings, together with our studies of the development of human spatial memory, support the hypothesis that the differential maturation of distinct hippocampal circuits might underlie the differential emergence of specific "hippocampus-dependent" memory processes, culminating in the emergence of episodic memory concomitant with the maturation of all hippocampal circuits.

Imaging exocytosis and recycling of synaptic-like microvesicles in astrocytes.

Optical imaging techniques are well suited for following the dynamics of physiological processes in living cells. Total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy based on evanescent wave illumination (EWi) allows spectacular, real-time visualization of individual vesicle movements, fusions, and retrievals at the cell surface (i.e., within 100 nm of the plasma membrane). TIRF microscopy is an ideal approach for studying the properties of exocytosis and recycling in cultured astrocytes, particularly because these cells have a rather flat surface and contain secretory vesicles with sparse distribution. Among all populations of secretory vesicles, we focus here on synaptic-like microvesicles (SLMVs). We illustrate how TIRF microscopy using EWi is useful to study exocytosis and recycling of SLMVs at the single-vesicle level and, when combined with epifluorescence illumination (EPIi), can provide detailed information on the kinetics of exocytosis, endocytosis, and re-acidification at the whole-cell level.