Intracortical connectivity of layer VI pyramidal cells in the barrel cortex of mice

ABSTRACT : The whisker-to-barrel pathway of rodents is formed by a series of somatotopic projections from the mystacial whisker follicles to the layer IV of the primary somatosensory cortex such that each follicle corresponds to a cluster of cortical neurons called barrel. Barrels are present in layer IV but form part of functional columns that comprise the entire depth of the somatosensory cortex. Interestingly, the cortex of the barrelless mouse strain (BRL) is organized such a manner that thalamocortical afferents do not remodel their projections in layer IV and barrels fail to appear. Nevertheless, functionally, a columnar organization persists, indicating that functional columns are not only provided by thalamocortical projections and layer IV cells. Since in the visual cortex of cats, layer VI cells contribute to the response properties of layer IV neurons, we wonder whether layer VI pyramidal cells could contribute to the columnar organization of the primary somatosensory cortex of mice. To address -this question, we morphologically analyzed the distribution of intracortical axon collaterals of layer VI neurons after in-vivo juxtacellular injections of biocytin in the C2 barrel column. Injected hemispheres were tangentially serial cut and intracortical collaterals of individual layer VI neurons were reconstructed at the light microscopic level. The position of axonal boutons was recorded to evaluate the distribution of presumed synaptic contacts. In normal (NOR) mice, cluster analysis shows that layer VI pyramidal cells can be classified in four statistically different clusters of neurons. Moreover, we assume that two classes are formed by cortico-cortical neurons and two classes are formed by cortico-thalamic neurons. Looking at the direction of the main axon in the white matter, we noticed that its orientation correlates perfectly with the type of neuron: cortico-cortical neurons send main axon medially whereas cortico-thalamic neurons send main axon laterally. Performing the same study in the BRL strain, we showed that the BRL mutation affects layer VI pyramidal cells tangentially and radially: the effects of the mutation are illustrated by a significant decrease of the index of colurnnarization and a significant decrease of percentage of boutons in granular and supragranular layers comparing to NOR neurons. In spite of these differences, the same four classes of layer VI neurons have been found in BRL mice. Using a tangential analysis of the boutons distribution, we showed that putative synapses are distributed mainly in the C2 barrel column. This was observed for each layer, type of neuron, cluster or strain, indicating that layer VI pyramidal cells could participate to the functional columnar organization of the barrel cortex. To determine post-synaptic partners of layer VI neurons in layer IV, we conducted an ultrastructural analysis of layer VI-to-IV contacts. We showed that synapses principally occur on spines and spiny dendritic shafts, supposed to belong to excitatory neurons. We furthermore showed that pre-synaptic elements are significantly different between en passant and terminaux contacts, which support hypothesis that terminaux boutons should show longer duration of facilitation than en passant boutons. RÉSUMÉ : Le «whisker-to-barrel pathway» des rongeurs est caractérisé par une série de projections somatotopiques depuis les follicules des moustaches ('whiskers') jusqu'à la couche IV de l'aire somatosensorielle primaire, de telle façon que chaque follicule corresponde à un groupe de neurones corticaux appelés tonneaux (`barrels'). Les tonneaux sont seulement présents en couche IV mais font partie de colonnes fonctionnelles qui s'étendent sur toute la profondeur du cortex somatosensoriel. Chez les souris mutantes barrelless (BRL), le cortex somatosensoriel est organisé de façon telle que lés afférences thalamocorticales ne remodellent pas leurs projections en couche IV et que les tonneaux n'apparaissent pas. Fonctionnellement, pourtant, une organisation en colonnes persiste, ce qui indique que les colonnes fonctionnelles ne sont pas uniquement produites par les projections thalamocorticales et par les cellules de la couche IV. Puisque les cellules de la couche VI contribuent à influencer les réponses des cellules de la couche IV dans le cortex visuel du chat, nous nous sommes demandé si ces cellules ne pourraient pas aussi contribuer à l'organisation en colonnes du cortex somatosensoriel primaire de la souris. Pour répondre à cette question, nous avons analysé de façon morphologique la distribution intracorticale des collatéraux axonaux de neurones de la couche VI. Suite à des injections juxtacellulaires de biocytine in-vivo dans la colonne C2, les hémisphères cérébraux ont été tangentiellement coupés en série et les collatéraux intracorticaux des neurones de la couche VI ont été reconstruits en microscopie optique. La position des boutons axonaux a aussi été enregistrée pour évaluer la distribution des contacts synpptiques potentiels. Chez les souris NOR, une analyse multivariée montre que les cellules pyramidales de la couche VI sont distribuées en quatre classes. Deux de ces classes sont probablement formées de neurons cortico-corticaux, alors que les deux autres sont probablement formées de neurones corticothalamiques. En observant la direction de l'axone principal dans la matière blanche, nous avons noté que son orientation est parfaitement corrélée avec le type supposé de neurone : les neurones corticocorticaux envoient leurs axones principaux médiallement, alors que les neurons cortico-thalamiques envoient leurs axones principaux latéralement. En menant la même étude chez les souris BRL, nous avons montré que la mutation affecte les cellules pyramidales de la couche VI de façon tangentielle, mais aussi radiaire : les effets de 1a mutation se traduisent par une diminution significative de l'index de « columnarization » et de la connectivité en couches granulaire et supragranulaire. Malgré ces différences, les quatre mêmes classes de neurones ont été retrouvées. En utilisant une analyse tangentielle de la distribution des boutons, nous avons montré que les synapses potentielles sont distribuées principalement dans la colonne C2. Cette observation a été faite dans chaque couche, chaque type de neurones, chaque classe de neurones et chaque souche de souris, indicant que les cellules de la couche VI participent certainement à l'organisation en colonne du cortex somatosensoriel. Pour déterminer les partenaires post-synaptiques des cellules de la couche VI en couche IV, nous avons conduit une analyse ultrastructurelle de ces contacts. Nous avons montré que les synapses interviennent principalement sur les épines et sur les dendrites supposés appartenir à des cellules excitatrices. Nous avons aussi montré que les éléments pré-synaptiques de ces synapses sont significativement differents selon le type de bouton, en passant ou terminal, ce qui supporte l'hypothèse que les boutons terminaux seraient capables d'une plus longue facilitation.

Qualitative and quantitative analysis of thalamo-cortical axons in the somatosensory cortex of normal and barrelless mice

Résumé Les rongeurs utilisent leurs moustaches (vibrisses) pour explorer le milieu environnant. Chaque moustache est mue par un système des muscles. Les récepteurs situés à sa base transmettent les informations au système nerveux central. La transmission vers l'écorce se fait via trois neurones de relais qui se trouvent au niveau du ganglion trigéminé, du tronc cérébral et du thalamus. La représentation corticale d'une vibrisse est une concentration des axones thalamo-corticaux (ATC) autour desquelles s'organisent leurs cibles, les cellules de la couche IV. La structure peut être identifiée histologiquement en coupes tangentielles et porte le nom de « barrel » (« tonneau »). Cette correspondance vibrisse - barrel fait de ce système un model idéal pour étudier l'influence de l'activité périphérique sur l'établissement et le maintien des cartes somatotopiques. Notre laboratoire dispose d'une souche de souris qui a subi une mutation spontanée pour le gène codant l'adenylyl cyclase I (ACI). Cette enzyme membranaire catalyse la formation de l'AMPc et joue un rôle important dans le guidage axonal, la libération des neurotransmetteurs et l'intégration des signaux postsynaptiques. Nous avons démontré dans un premier temps que cette souris adulte ne développe pas de barrels. Cela est dû à un manque d'organisation des ATC et aussi des cellules de la couche IV. De plus, les résultats électrophysiologiques montrent que les informations venant des vibrisses adjacentes ne sont pas intégrées d'une manière normale. Dans ce travail de thèse, j'ai analysé la morphologie des ATC révélés individuellement avec de la biocytine. L'analyse quantitative des ATC a mis en évidence les points suivants: 1. Les axones de la souris normale (NOR) quittent le thalamus, traversent la capsule interne et la substance blanche sous-corticale et pénètrent dans le cortex somato-sensoriel primaire. A l'intérieur de l'écorce ils traversent au maximum 3 colonnes corticales adjacentes dont une contient le barrel cible. En passant à travers les couches VI et V, ces axones arborisent et convergent progressivement vers le barrel dans lequel ils forment une riche arborisation. Un petit nombre des branches « errantes », pleines de boutons synaptiques, pénètrent dans les barrels voisins. Deux axones NOR provenant de corps cellulaires très proches dans le thalamus peuvent avoir un cheminement très divergent lors de la traversée de la capsule interne et de la substance blanche sous-corticale mais, à leur entrée dans le cortex, ils sont distants d'au maximum 2 colonnes corticales de la colonne qui contient le barrel cible et ils convergent progressivement vers ce barrel. 2. Les axones de la souris mutante (BRL) ont le même trajet sous-cortical que les axones NOR, mais leur entrée dans le cortex somato-sensoriel primaire est aléatoire. A l'interface entre la substance blanche sous-corticale et le cortex, l'axone principal se divise rapidement en troncs axonaux qui traversent les couches VI et V d'une manière divergente pour arriver dans la couche IV. Cela contraste beaucoup avec la trajectoire des NOR qui convergent graduellement vers leur barrel cible. Le nombre de branches radiales que les axones BRL utilisent pour entrer dans le cortex et dans la couche IV est double par rapport aux axones NOR. Parmi ces branches, seules quelques-unes donnent des arborisations, les autres ne sont pas développées et leur morphologie est semblable à celle des branches formées par les axones de la souris normale lors du développement. Deux axones BRL issus de corps cellulaires proches dans le thalamus peuvent avoir une trajectoire très divergente jusqu'à leur entrée dans la couche IV, mais à ce niveau ils sont réorientés pour se retrouver et faire un nombre maximal de branches et boutons synaptiques dans la même région corticale. Dans un cas extrême, un des axones observés est entré dans le cortex à la limite entre l'aire somatosensorielle primaire et secondaire et a parcouru une distance de 2 mm pour retrouver son partenaire thalamique et donner avec celui-ci un nombre maximal de branches dans la même région de la couche IV. 3. Les mesures quantitatives ont montré que les arborisations corticales des axones NOR ont une longueur moyenne de 18mm et sont formées par 200 segments qui portent 1200 boutons synaptiques. Par rapport à la souris NOR, les axones BRL ont en moyenne la même longueur, le même nombre de segments et boutons synaptiques, mais donnent deux fois plus de branches radiales. La surface tangentielle occupée par les arborisations BRL dans la couche IV est 2 fois plus grande que celle des NOR. Cela signifie que les 1000 boutons synaptiques qui caractérisent les arborisations NOR et BRL dans la couche IV sont disséminés sur une surface tangentielle double chez les derniers, et donc que la densité des boutons par unité de surface corticale est en moyenne plus faible. En effet, l'augmentation de la surface corticale tangentielle des BRL est due aux surfaces de faible et moyenne densité synaptique (0 - 8 boutons / 400pn2) qui augmentent 2 fois tandis que les surfaces de haute densité synaptiques (8 - 64 boutons / 4001.tm2) sont les mêmes. Nous émettons l'hypothèse selon laquelle, durant le développement, les ATC de la souris BRL divergent et forment un nombre exubérant de branches. Grâce à cette divergence et aux branches supranuméraires, ils trouvent l'endroit de l'écorce où se trouvent leurs voisins thalamiques et arborisent abondamment dans cette région. Cependant, le déficit en AGI ne leurs permet pas par la suite, sous influence de l'activité périphérique, de retirer les branches qui se trouvent dans les endroits inappropriés de l'écorce, avec de possibles conséquences sur la discrimination tactile.

Investigation phytochimique des plantes aquatiques Potamogeton pectinatus L., P. lucens L., P. perfoliatus L. et P. crispus L. (Potamogetonaceae)

Dans le cadre de la recherche de nouveaux composés naturels, les métabolites secondaires de plantes aquatiques indigènes, les potamots Potamogeton pectinatus L., P. lucens L., P. perfoliatus L. et P. crispus L. (Potamogetonaceae), ont été étudiés. Par leur position écologique et évolutive particulière entre environnement terrestre et aquatique, les plantes aquatiques ou macrophytes pourraient en effet avoir sélectionné des composés avec des caractéristiques originales. Les extraits dichlorométhaniques (apolaires) des potamots ont été analysés par HPLCUV, HPLC-MS, HPLC-RMN et GC-MS, et testés contre diverses cibles biologiques. Sur la base de ces résultats, les extraits apolaires de P. pectinatus et P. lucens ont été étudiés de manière plus approfondie. Ils ont été fractionnés sur des colonnes ouvertes et par VLC, LPLC, MPLC, CPC et HPLC semi-préparative. Une partie de leurs constituants ont été isolés et leurs structures déterminées par des méthodes spectroscopiques, en particulier par RMN et par MS. Quinze composés ont été ainsi isolés de P. pectinatus et P. lucens, dont sept sont des nouveaux produits naturels. Parmi ces quinze produits, neuf sont des diterpènes ent-labdanes contenant un noyau furane ou un groupe lactonique, dont six sont décrits ici pour la première fois. Certains de ces diterpènes ont montré une activité algicide, ce qui indique une de leurs fonctions possible dans les potamots, et un de ces labdanes, le méthyl-15,16-époxy-12-oxo-8(17),13(16),14-ent-labatrièn-19-oate, a également des propriétés anti-inflammatoires. Les composés présents dans les extraits méthanoliques (polaires) n?ont pas été isolés, mais quatorze d?entre eux ont pu être identifiés par HPLC-UV, HPLC-MS et HPLCRMN. Une majorité de ces constituants sont des flavonoïdes connus, des dérivés glycosylés de l?apigénine, la lutéoline et le chrysoériol, également présents en tant qu?aglycones. Plusieurs ent-labdanes glycosylés ont pu être également identifiés dans ces extraits, parmi lesquels un nouveau composé dont la structure a pu être partiellement déterminée. En conclusion, ce travail a permis de mieux connaître la phytochimie de plusieurs plantes aquatiques de Suisse, et d?isoler de nouveaux produits naturels avec des propriétés biologiques et pharmacologiques intéressantes.<br/><br/>The secondary metabolites of Swiss freshwater plants, the pondweeds Potamogeton pectinatus L., P. lucens L., P. perfoliatus L. and P. crispus L. (Potamogetonaceae), were investigated. Because of their peculiar habitat, in-between aquatic and terrestrial life, aquatic plants should produce secondary metabolites with original chemical or biological features. Their apolar extracts were analysed by HPLC-UV, HPLC-MS, HPLC-NMR and GCMS, and were tested with different bioassays. Based on these results, the apolar extracts of P. pectinatus and P. lucens were investigated more extensively. They were fractionated on open columns, and by VLC, LPLC, MPLC, CPC and semi-preparative HPLC. Their constituents were isolated and their structures elucidated by spectroscopic methods as MS and NMR. Fifteen compounds could be isolated from P. pectinatus and P. lucens, and seven were new natural products. Nine of them were ent-labdane diterpenes with a furan moiety or a lactone group, and six of these labdanes were reported here for the first time as natural products. Some of these diterpenes showed an algaecide effect. This activity indicated their potential ecological function in pondweeds. One compound, methyl-15,16-epoxy-12-oxo-8(17),13(16),14-ent-labatrien-19-oate, revealed also some anti-inflammatory properties. The constituents of polar extracts were not isolated, but fourteen of them could be identified by HPLC-UV, HPLC-MS and HPLC-NMR. The major part of these compounds was known flavonoids as apigenin, lutolin, chrysoeriol and their glycosylated derivatives. Several glycosylated ent-labdanes were also identified, and the structure of a new labdane dihexoside was partially elucidated. In conclusion this study allowed a better knowledge of the phytochemistry of Swiss aquatic plants, and the isolation of new natural products with interesting biological and pharmacological properties.

Neurophysiologic and proteomic investigations of experience-dependent plasticity in the somatosensory cortex of the adult mouse following chronic whisker stimulation

RESUME Les follicules des vibrisses des rongeurs sont représentés sous la forme d'une carte topographique dans le cortex à tonneaux. Lorsque un groupe de vibrisses est coupé pendant plusieurs jours chez un rongeur adulte, en laissant les autres vibrisses intactes, le champ réceptif des neurones du cortex à tonneaux est modifié, ce qui démontre que les cartes corticales sont plastiques. Dans notre étude, une expérience sensorielle a été induite chez une souris adulte se comportant librement en stimulant chroniquement une de ses vibrisses pendant 24h. Par une analyse des potentiels de champ locaux, nous démontrons que les caractéristiques spatiotemporelles du flux d'excitation évoqué par la vibrisse principale (VP) dans la colonne corticale correspondante à la vibrisse stimulée n'est pas altéré. Par contre, l'enregistrement des potentiels d'actions d'un total de 1041 neurones à travers le cortex à tonneaux révèlent plusieurs modifications de l'activité neuronale. L'activité spontanée ainsi que la réponse évoquée par la VP sont déprimées dans la colonne corticale stimulée (nombre moyen de potentiels d'action évoqués par la VP diminue de 25 % et 36% dans la couche IV et les couches II&III). La réponse des neurones à la vibrisse stimulée diminue également dans les colonnes corticales adjacentes, «non-stimulées». La dépression de l'activité spontanée et de la réponse à la VP est localisée à la colonne corticale stimulée. Dans le tonneau stimulé, la première partie de la réponse à la VP n'est pas affaiblie, démontrant que la dépression de la réponse n'est pas due à un phénomène de plasticité sous-corticale ou thalamocorticale. La stimulation chronique d'une vibrisse entraîne une augmentation du nombre de synapses GABAergiques dans la couche IV du tonneau correspondant (Knott et al, 2002). Dès lors, nos résultats suggèrent qu'une augmentation de l'inhibition dans le tonneau stimulé serait à l'origine de la diminution des potentiels d'action évoqués par la vibrisse stimulée et en conséquence de l'amplitude du flux d'excitation vers les couches II&III puis vers les colonnes corticales adjacentes. Toutes les réponses des neurones du tonneau stimulé ne sont pas déprimées. Les réponses des neurones à la vibrisse voisine caudale à VP diminuent dans la couche IV (42%) et dans les couches II&III (52%) mais pas les réponses aux 7 autres vibrisses voisines. Les entrées synaptiques en provenance de la vibrisse caudale pourraient avoir été spécifiquement déprimées en raison d'une décorrélation prolongée entre l'activité évoquée dans les chemins sensoriels relatifs à la vibrisse stimulée et à la vibrisse caudale, spécificité qui découlerait du fait que, parmi les vibrisses voisines à la VP, la vibrisse caudale génère les réponses les plus fortes dans la colonne corticale. Quatre jours après l'arrêt de la stimulation, l'activité neuronale n'est plus déprimée; au contraire, nous observons une potentiation des réponses à la VP dans la couche IV de la colonne corticale stimulée. De plus, nous montrons que l'expression des protéines GLT-1 et GLAST, deux transporteurs astrocytaires du glutamate, est augmentée de ~2.5 fois dans la colonne corticale stimulée, indiquant l'existence d'une «plasticité gliale» et suggérant que les cellules gliales participent activement à l'adaptation du cerveau à l'expérience. ABSTRACT In the barrel cortex, mystacial whisker follicles are represented in the form of a topographie map. The selective removal of a set of whiskers while sparing others for several days in an adult rodent alters receptive field of barrel cortex neurons, demonstrating experience-dependent plasticity of cortical maps. Here sensory experience was altered by chronic stimulation of a whisker for a 24h period in a freely behaving adult mouse. By means of an evoked local field potential analysis, we show that chronic stimulation does not alter the flow of excitation evoked by the principal whisker (PW) in the stimulated barrel column. However, the recording of neuronal firing from a total of 1041 single units throughout the barrel cortex reveals several changes in neuronal activity. Immediately after chronic stimulation, spontaneous activity as well as PW-responses are depressed in the stimulated barrel column (mean number of spikes per PW-deflection decreases by 25% and 36% in layer IV and layers II&III, respectively). Neuronal responses towards the chronically stimulated whisker are also significantly depressed in layers II&III of the adjacent "non-stimulated" barrel' columns. The depression of both spontaneous activity and PW-responses are restricted to the stimulated ban-el column. The earliest time epoch of the PW-response in the stimulated barrel is not depressed, demonstrating that the decrease of cortical responses is not due to subcortical or thalamocortical plasticity. The depression of PW-response in the stimulated barrel correlates with an increase in the number of GABAergic synapses in layer IV (Knott et al., 2002). Therefore, our results suggest that an increase in inhibition within the stimulated barrel may reduce its excitatory output and accordingly the flow of excitation towards layers and the subsequent horizontal spread into adjacent barrel columns. Not all responses of neurons in the stimulated barrel are depressed. Neuronal responses towards the caudal in-row whisker decrease by 42% in layer IV and 52% in layers MM but responses to the other 7 immediate surround whiskers (SWs) are not affected. The synaptic inputs from the SW that elicit the strongest responses in the stimulated barrel may have been specifically depressed following a prolonged period of diminished coherence between neuronal activity evoked in the pathways from the chronically stimulated whisker and from its surrounding in-row whisker. Four days after the cessation of the stimulation, depression of neuronal activity is no longer present; on the contrary, we observe a small but significant potentiation of PW-responses in layer IV of the stimulated barrel column. Moreover we show that the expression of astrocytic glutamate transporters GLT-1 and GLAST proteins were both upregulated by ~2.5 fold in the stimulated barrel column, which indicates that glial cells exhibit experience-dependent functional changes and could actively take part in the adaptation of the cerebral cortex to experience.