Étude du système dopaminergique pré- et postsynaptique : régulation de l'autorécepteur D2 par la neurotensine et formation des synapses excitatrices dans le striatum

La dopamine (DA) est un neurotransmetteur impliqué dans la modulation de fonctions essentielles du cerveau telles que le contrôle des mouvements volontaires, le système de récompense et certains aspects de la cognition. Depuis sa découverte, la DA a attiré énormément d'attention scientifique en partie à cause des pathologies majeures associées aux dysfonctions du système DAergique, comme la maladie de Parkinson, la schizophrénie et la toxicomanie. On retrouve la majorité des neurones qui synthétisent la DA au niveau du mésencéphale ventral, dans les noyaux de la substance noire compacte (SNc) et de l'aire tegmentaire ventrale (ATV). Ces neurones projettent leurs axones dans un très dense réseau de fibres qui s'organisent en trois voies DAergiques classiques: la voie nigrostriée, la voie mésolimbique et la voie mésocorticale. La transmission DAergique s'effectue par l'activation de récepteurs de la DA qui font partie de la grande famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs). Les récepteurs de la DA sont abondamment exprimés aussi bien par les neurones DAergiques que par les neurones des régions cibles, ce qui implique que la compréhension de la signalisation et des fonctions particulières des récepteurs de la DA pré- et postsynaptiques représente un enjeu crucial dans l'étude du système DAergique. Cette thèse de doctorat se sépare donc en deux volets distincts: le premier s'intéresse à la régulation du récepteur D2 présynaptique par la neurotensine (NT), un neuropeptide intimement lié à la modulation du système DAergique; le deuxième s'intéresse au côté postsynaptique du système DAergique, plus particulièrement à la ségrégation de l'expression des récepteurs de la DA dans le striatum et aux fonctions de ces récepteurs dans l'établissement des circuits neuronaux excitateurs prenant place dans cette région. Dans la première partie de cette thèse, nous démontrons que l'activation du récepteur à haute affinité de la NT, le NTR1, provoque une internalisation hétérologue du récepteur D2, avec une amplitude et une cinétique différente selon l'isoforme D2 observé. Cette internalisation hétérologue dépend de la protéine kinase C (PKC), et nous montrons que la surexpression d'un récepteur D2 muté sur des sites de phosphorylation par la PKC ii ainsi que l'inhibition de l'expression de β-arrestine1 par ARNs interférents dans des neurones DAergiques bloquent complètement l'interaction fonctionnelle entre le NTR1 et le D2. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous démontrons d'abord que la ségrégation de l'expression des récepteurs D1 et D2 dans le striatum est déjà bien établie dès le 18e jour embryonnaire, bien qu'elle progresse encore significativement aux jours 0 et 14 postnataux. Nos résultats témoignent aussi d'un maintien complet de cette ségrégation lorsque les neurones striataux sont mis en culture aussi bien en présence ou en absence de neurones corticaux et/ou mésencéphaliques. Ensuite, nous montrons que la présence de neurones mésencéphaliques stimule la formation d’épines et de synapses excitatrices sur les neurones striataux épineux exprimant le récepteur D2 (MSN-D2). Le co-phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques semble nécessaire à une grande partie de cet effet. Par ailleurs, le nombre total de terminaisons excitatrices formées sur les MSN-D2 par les neurones corticaux et mésencéphaliques apparaît être régit par un équilibre dynamique. Finalement, nous démontrons que le blocage de la signalisation des récepteurs D1 et D2 de la DA n'est pas nécessaire pour la formation des synapses excitatrices des MSN-D2, alors que l'antagonisme des récepteurs glutamatergiques ionotropes diminue la densité d'épines dendritiques et contrôle de façon opposée le nombre de terminaisons excitatrices corticales et mésencéphaliques. Globalement, ce travail représente une contribution significative pour une meilleure compréhension du fonctionnement normal du système DAergique. Ces découvertes sont susceptibles d’être utiles pour mieux comprendre les dysfonctions de ce système dans le cadre de pathologies du cerveau comme la maladie de Parkinson.

Mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans le développement des synapses GABAergiques périsomatiques et dans la plasticité corticale : rôle de l’activité neuronale et de proBDNF/p75NTR

Dans le cortex visuel des mammifères, une cellule à panier (BC) qui représente un sous-type majoritaire d’interneurones GABAergiques, innerve une centaine de neurones par une multitude de synapses localisées sur le soma et sur les dendrites proximales de chacune de ses cibles. De plus, ces cellules sont importantes pour la génération des rythmes gammas, qui régulent de nombreuses fonctions cognitives, et pour la régulation de la plasticité corticale. Bien que la fonction des BC au sein des réseaux corticaux est à l'étude, les mécanismes qui contrôlent le développement de leur arborisation complexe ainsi que de leurs nombreux contacts synaptiques n’ont pas été entièrement déterminés. En utilisant les récepteurs allatostatines couplés aux protéines G de la drosophile (AlstR), nous démontrons in vitro que la réduction de l'excitation ainsi que la réduction de la libération des neurotransmetteurs par les BCs corticales individuelles des souris, diminuent le nombre de cellules innervées sans modifier le patron d'innervation périsomatique, durant et après la phase de prolifération des synapses périsomatiques. Inversement, lors de la suppression complète de la libération des neurotransmetteurs par les BCs individuelles avec l’utilisation de la chaîne légère de la toxine tétanus, nous observons des effets contraires selon le stade de développement. Les BCs exprimant TeNT-Lc pendant la phase de prolifération sont caractérisées par des arborisations axonales plus denses et un nombre accru de petits boutons homogènes autour des somas innervés. Toutefois, les cellules transfectées avec TeNT-Lc après la phase de la prolifération forment une innervation périsomatique avec moins de branchements terminaux d’axones et un nombre réduit de boutons avec une taille irrégulière autour des somas innervés. Nos résultats révèlent le rôle spécifique des niveaux de l’activité neuronale et de la neurotransmission dans l'établissement du territoire synaptique des cellules GABAergiques corticaux. Le facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF) est un modulateur puissant de la maturation activité-dépendante des synapses GABAergiques. Grâce à l'activation et à la signalisation de son récepteur tyrosine kinase B (TrkB), la liaison de mBDNF module fortement la prolifération des synapses périsomatiques GABAergiques formés par les BCs. Par contre, le rôle du récepteur neurotrophique de faible affinité, p75NTR, dans le développement du territoire synaptique des cellules reste encore inconnu. Dans ce projet, nous démontrons que la suppression de p75NTR au niveau des BCs individuelles in vitro provenant de souris p75NTRlox induit la formation d'une innervation périsomatique exubérante. BDNF est synthétisé sous une forme précurseur, proBDNF, qui est par la suite clivée par des enzymes, y compris la plasmine activée par tPA, pour produire une forme mature de BDNF (m)BDNF. mBDNF et proBDNF se lient avec une forte affinité à TrkB et p75NTR, respectivement. Nos résultats démontrent qu’un traitement des cultures organotypiques avec la forme résistante au clivage de proBDNF (mut-proBDNF) réduit fortement le territoire synaptique des BCs. Les cultures traitées avec le peptide PPACK, qui inactive tPA, ou avec tPA altèrent et favorisent respectivement la maturation de l’innervation synaptique des BCs. Nous démontrons aussi que l’innervation exubérante formée par les BCs p75NTR-/- n’est pas affectée par un traitement avec mut-proBDNF. L’ensemble de ces résultats suggère que l'activation de p75NTR via proBDNF régule négativement le territoire synaptique des BCs corticaux. Nous avons ensuite examiné si mut-proBDNF affecte l’innervation périsomatique formée par les BCs in vivo, chez la souris adulte. Nous avons constaté que les boutons GABAergiques périsomatiques sont significativement diminués dans le cortex infusé avec mut-proBDNF par rapport à l’hémisphère non-infusé ou traité avec de la saline. En outre, la plasticité de la dominance oculaire (OD) est rétablie par ce traitement chez la souris adulte. Enfin, en utilisant des souris qui ne possèdent pas le récepteur p75NTR dans leurs BCs spécifiquement, nous avons démontré que l'activation de p75NTR via proBDNF est nécessaire pour induire la plasticité de la OD chez les souris adultes. L’ensemble de ces résultats démontre un rôle critique de l'activation de p75NTR dans la régulation et le maintien de la connectivité des circuits GABAergiques, qui commencent lors du développement postnatal précoce jusqu’à l'âge adulte. De plus, nous suggérons que l'activation contrôlée de p75NTR pourrait être un outil utile pour restaurer la plasticité dans le cortex adulte.

Synaptic vesicle glycoprotein 2A modulates vesicular release and calcium channel function at peripheral sympathetic synapses

Synaptic vesicle glycoprotein (SV)2A is a transmembrane protein found in secretory vesicles and is critical for Ca2+-dependent exocytosis in central neurons, although its mechanism of action remains uncertain. Previous studies have proposed, variously, a role of SV2 in the maintenance and formation of the readily releasable pool (RRP) or in the regulation of Ca2+ responsiveness of primed vesicles. Such previous studies have typically used genetic approaches to ablate SV2 levels; here, we used a strategy involving small interference RNA (siRNA) injection to knockdown solely presynaptic SV2A levels in rat superior cervical ganglion (SCG) neuron synapses. Moreover, we investigated the effects of SV2A knockdown on voltage-dependent Ca2+ channel (VDCC) function in SCG neurons. Thus, we extended the studies of SV2A mechanisms by investigating the effects on vesicular transmitter release and VDCC function in peripheral sympathetic neurons. We first demonstrated an siRNA-mediated SV2A knockdown. We showed that this SV2A knockdown markedly affected presynaptic function, causing an attenuated RRP size, increased paired-pulse depression and delayed RRP recovery after stimulus-dependent depletion. We further demonstrated that the SV2A–siRNA-mediated effects on vesicular release were accompanied by a reduction in VDCC current density in isolated SCG neurons. Together, our data showed that SV2A is required for correct transmitter release at sympathetic neurons. Mechanistically, we demonstrated that presynaptic SV2A: (i) acted to direct normal synaptic transmission by maintaining RRP size, (ii) had a facilitatory role in recovery from synaptic depression, and that (iii) SV2A deficits were associated with aberrant Ca2+ current density, which may contribute to the secretory phenotype in sympathetic peripheral neurons.

Synapses in digital medium: computational investigations of neural basis of anticipation

Anticipation is an emerging concept that can provide a bridge between the deepest philosophical theories about the nature of life and cognition on one hand and the empirical biological sciences steeped in reductionist and Newtonian conception of causality. Three conceptions of anticipation have been emerging from the literature that may be operationalised in a way leading to a viable empirical programme. The discussion of the research into a novel dynamical concept of anticipating synchronisation lends credence to such a possibility and suggests further links between the three anticipation paradigms. A careful progress mindful to the deep philosophical concerns but also respecting empirical evidence will ultimately lead towards unifying theoretical and empirical biological sciences and may offer progress where reductionist science have been so far faltering.

Analog Modeling of Human Cognitive Functions with Tripartite Synapses

Searching for an understanding of how the brain supports conscious processes, cognitive scientists have proposed two main classes of theory: Global Workspace and Information Integration theories. These theories seem to be complementary, but both still lack grounding in terms of brain mechanisms responsible for the production of coherent and unitary conscious states. Here we propose following James Robertson's "Astrocentric Hypothesis" - that conscious processing is based on analog computing in astrocytes. The "hardware" for these computations is calcium waves mediated by adenosine triphosphate signaling. Besides presenting our version of this hypothesis, we also review recent findings on astrocyte morphology that lend support to their functioning as Local Hubs (composed of protoplasmic astrocytes) that integrate synaptic activity, and as a Master Hub (composed, in the human brain, by a combination of interlaminar, fibrous, polarized and varicose projection astrocytes) that integrates whole-brain activity.

Chronic Intermittent Hypoxia Depresses Afferent Neurotransmission in NTS Neurons by a Reduction in the Number of Active Synapses

Long-term synaptic plasticity has been recently described in brainstem areas associated to visceral afferent sensory integration. Chronic intermittent hypoxia (CIH), an animal model for studying obstructive sleep apnea in humans, depresses the afferent neurotransmission in nucleus tractus solitarii (NTS) neurons, which affect respiratory and autonomic regulation. Here we identified the synaptic mechanisms of CIH-induced depression of the afferent neurotransmission in NTS neurons in juvenile rats. We verified that CIH reduced the amplitude of both NMDA and non-NMDA glutamatergic excitatory currents (eEPSCs) evoked by tractus solitarii stimulation (TS-eEPSC) of second-order neurons in the NTS. No changes were observed in release probability, evidenced by absence of any CIH-elicited effects on short-term depression and failures in EPSCs evoked in low calcium. CIH also produced no changes in TS-eEPSC quantal size, since the amplitudes of both low calcium-evoked EPSCs and asynchronous TS-eEPSCs (evoked in the presence of Sr2+) were unchanged. Using single TS afferent fiber stimulation in slices from control and CIH rats we clearly show that CIH reduced the quantal content of the TS-eEPSCs without affecting the quantal size or release probability, suggesting a reduction in the number of active synapses as the mechanism of CIH induced TS-eEPSC depression. In accordance with this concept, the input-output relationship of stimulus intensity and TS-eEPSC amplitude shows an early saturation in CIH animals. These findings open new perspectives for a better understanding of the mechanisms underlying the synaptic plasticity in the brainstem sensory neurons under challenges such as those produced by CIH in experimental and pathological conditions.

The influence of connectivity on the firing rate in a neuronal network with electrical and chemical synapses

We study the firing rate properties of a cellular automaton model for a neuronal network with chemical synapses. We propose a simple mechanism in which the nonlocal connections are included, through electrical and chemical synapses. In the latter case, we introduce a time delay which produces self-sustained activity. Nonlocal connections, or shortcuts, are randomly introduced according to a specified connection probability. There is a range of connection probabilities for which neuron firing occurs, as well as a critical probability for which the firing ceases in the absence of time delay. The critical probability for nonlocal shortcuts depends on the network size according to a power-law. We also compute the firing rate amplification factor by varying both the connection probability and the time delay for different network sizes. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Dynamic Range of Vertebrate Retina Ganglion Cells: Importance of Active Dendrites and Coupling by Electrical Synapses

The vertebrate retina has a very high dynamic range. This is due to the concerted action of its diverse cell types. Ganglion cells, which are the output cells of the retina, have to preserve this high dynamic range to convey it to higher brain areas. Experimental evidence shows that the firing response of ganglion cells is strongly correlated with their total dendritic area and only weakly correlated with their dendritic branching complexity. On the other hand, theoretical studies with simple neuron models claim that active and large dendritic trees enhance the dynamic range of single neurons. Theoretical models also claim that electrical coupling between ganglion cells via gap junctions enhances their collective dynamic range. In this work we use morphologically reconstructed multi-compartmental ganglion cell models to perform two studies. In the first study we investigate the relationship between single ganglion cell dynamic range and number of dendritic branches/total dendritic area for both active and passive dendrites. Our results support the claim that large and active dendrites enhance the dynamic range of a single ganglion cell and show that total dendritic area has stronger correlation with dynamic range than with number of dendritic branches. In the second study we investigate the dynamic range of a square array of ganglion cells with passive or active dendritic trees coupled with each other via dendrodendritic gap junctions. Our results suggest that electrical coupling between active dendritic trees enhances the dynamic range of the ganglion cell array in comparison with both the uncoupled case and the coupled case with cells with passive dendrites. The results from our detailed computational modeling studies suggest that the key properties of the ganglion cells that endow them with a large dynamic range are large and active dendritic trees and electrical coupling via gap junctions.

Detailed analyses of mutations affecting structural formation of neuromuscular synapses in Drosophila melanogaster

The establishment of appropriate synapses between neurons and their target cells is an essential requirement for the formation of functional neuronal circuits. However, there is very little insight into the mechanisms underlying de novo formation of synapses and synaptic terminals. To identify novel genes involved in signalling or structural aspects of these processes I capitalised on possibilities provided by the model organism Drosophila. Thus, I contributed to a screen of a collection of third chromosomal mutations (Salzberg et al., 1997, Genetics 147, 1723ff.) selecting those mutant strains displaying structural defects of Drosophila neuromuscular junctions (NMJ). Carrying out genetic mapping experiments, I could assign 7 genes to interesting candidate mutations. All 7 mutations selected in this process cause size alterations of the embryonic NMJ, and one shows additional disturbances in the distribution of synaptic markers. 4 of these turned out to be transcription factors, not falling into the remit of this project. Only for one of these, the neuronal transcription factor Castor, I could show that its overgrown mutant NMJ phenotype is due to an increase in the number of motorneurons. The remaining genes encode a potential nitrophenylphosphatase, the translation initiation factor eIF4AIII, and a novel protein Waharan. Unfortunately, the nitophenylphosphatase gene was identified too late to carry out functional studies in the context of this project, but potential roles are discussed. eIF4AIII promotes NMJ size tempting to speculate that local translation at the NMJ is affected. I found that the synaptic scaffolding molecule Discs large (Dlg; orthologue of PSD95) is upregulated at eIF4AIII mutant NMJs. Targeted upregulation of Dlg can not mimic the eIF4AIII mutant phenotype, but dlg mutations suppress it. Therefore, Dlg function is required but not sufficient in this context. My findings are discussed in detail, pointing out future directions. The main focus of this work is the completely novel gene waharan (wah), an orthologue of the human gene KIAA1267 encoding a big brain protein of likewise unknown structure and function. My studies show that mutations or RNAi knock-down of wah cause NMJ overgrowth and reveal additional crucial roles in the patterning of wing imginal discs. RNAi studies suggest Wah to be required pre- and postsynaptically at NMJs and, consistently, wah is transcribed in the nervous system and muscles. Anti-Wah antisera were produced but could no longer be tested here, but preliminary studies with newly generated HA-targeted constructs suggest that Wah localises at NMJs and in neuronal nuclei. In silico analyses predict Wah to be structurally related to the Rad23-family of proteins, likely to target ubiquitinated proteins to the proteasome for degradation (Chen et al., 2002, Mol Cell Biol 22, 4902ff.) . In agreement with this prediction, poly-ubiquitinated proteins were found to accumulate in the absence of wah function, and wah-like mutant phenotypes were induced in NMJs and wing discs by knocking down proteasome function. My analysis further revealed that poly-ubiquitinated proteins are reduced in nuclei of wah mutant neurons and muscles, suggesting that Wah may play additional roles in ubiquitin-mediated nuclear import. Taken together, this study has uncovered a number of interesting candidate genes required for the de novo formation of Drosophila NMJs. 3 of these genes fell into the focus of this project. As discussed in detail, discovery of these genes and insights gained into their function have high potential to be translatable into vertebrate systems.

Structural plasticity of spines at giant mossy fiber synapses

The granule cells of the dentate gyrus give rise to thin unmyelinated axons, the mossy fibers. They form giant presynaptic boutons impinging on large complex spines on the proximal dendritic portions of hilar mossy cells and CA3 pyramidal neurons. While these anatomical characteristics have been known for some time, it remained unclear whether functional changes at mossy fiber synapses such as long-term potentiation (LTP) are associated with structural changes. Since subtle structural changes may escape a fine-structural analysis when the tissue is fixed by using aldehydes and is dehydrated in ethanol, rapid high-pressure freezing (HPF) of the tissue was applied. Slice cultures of hippocampus were prepared and incubated in vitro for 2 weeks. Then, chemical LTP (cLTP) was induced by the application of 25 mM tetraethylammonium (TEA) for 10 min. Whole-cell patch-clamp recordings from CA3 pyramidal neurons revealed a highly significant potentiation of mossy fiber synapses when compared to control conditions before the application of TEA. Next, the slice cultures were subjected to HPF, cryosubstitution, and embedding in Epon for a fine-structural analysis. When compared to control tissue, we noticed a significant decrease of synaptic vesicles in mossy fiber boutons and a concomitant increase in the length of the presynaptic membrane. On the postsynaptic side, we observed the formation of small, finger-like protrusions, emanating from the large complex spines. These short protrusions gave rise to active zones that were shorter than those normally found on the thorny excrescences. However, the total number of active zones was significantly increased. Of note, none of these cLTP-induced structural changes was observed in slice cultures from Munc13-1 deficient mouse mutants showing severely impaired vesicle priming and docking. In conclusion, application of HPF allowed us to monitor cLTP-induced structural reorganization of mossy fiber synapses.