Tauroursodeoxycholic acid prevents retinal degeneration in transgenic P23H rats

Purpose. To evaluate the preventive effect of tauroursodeoxycholic acid (TUDCA) on photoreceptor degeneration, synaptic connectivity and functional activity of the retina in the transgenic P23H rat, an animal model of autosomal dominant retinitis pigmentosa (RP). Methods. P23H line-3 rats were injected with TUDCA once a week from postnatal day (P)21 to P120, in parallel with vehicle-administered controls. At P120, functional activity of the retina was evaluated by electroretinographic (ERG) recording. The effects of TUDCA on the number, morphology, integrity, and synaptic connectivity of retinal cells were characterized by immunofluorescence confocal microscopy. Results. The amplitude of ERG a- and b-waves was significantly higher in TUDCA-treated animals under both scotopic and photopic conditions than in control animals. In the central area of the retina, TUDCA-treated P23H rats showed threefold more photoreceptors than control animals. The number of TUNEL-positive cells was significantly smaller in TUDCA-treated rats, in which photoreceptor morphology was preserved. Presynaptic and postsynaptic elements, as well as the synaptic contacts between photoreceptors and bipolar or horizontal cells, were preserved in TUDCA-treated P23H rats. Furthermore, in TUDCA-treated rat retinas, the number of both rod bipolar and horizontal cell bodies, as well as the density of their synaptic terminals in the outer plexiform layer, was greater than in control rats. Conclusions. TUDCA treatment was capable of preserving cone and rod structure and function, together with their contacts with their postsynaptic neurons. The neuroprotective effects of TUDCA make this compound potentially useful for delaying retinal degeneration in RP.

Rotenone induces degeneration of photoreceptors and impairs the dopaminergic system in the rat retina

Rotenone is a widely used pesticide and a potent inhibitor of mitochondrial complex I (NADH-quinone reductase) that elicits the degeneration of dopaminergic neurons and thereby the appearance of a parkinsonian syndrome. Here we have addressed the alterations induced by rotenone at the functional, morphological and molecular levels in the retina, including those involving both dopaminergic and non-dopaminergic retinal neurons. Rotenone-treated rats showed abnormalities in equilibrium, postural instability and involuntary movements. In their outer retina we observed a loss of photoreceptors, and a reduced synaptic connectivity between those remaining and their postsynaptic neurons. A dramatic loss of mitochondria was observed in the inner segments, as well as in the axon terminals of photoreceptors. In the inner retina we observed a decrease in the expression of dopaminergic cell molecular markers, including loss of tyrosine hydroxylase immunoreactivity, associated with a reduction of the dopaminergic plexus and cell bodies. An increase in immunoreactivity of AII amacrine cells for parvalbumin, a Ca2+-scavenging protein, was also detected. These abnormalities were accompanied by a decrease in the amplitude of scotopic and photopic a- and b-waves and an increase in the b-wave implicit time, as well as by a lower amplitude and greater latency in oscillatory potentials. These results indicate that rotenone induces loss of vision by promoting photoreceptor cell death and impairment of the dopaminergic retinal system.

Proinsulin slows retinal degeneration and vision loss in the P23H rat model of retinitis pigmentosa

Proinsulin has been characterized as a neuroprotective molecule. In this work we assess the therapeutic potential of proinsulin on photoreceptor degeneration, synaptic connectivity, and functional activity of the retina in the transgenic P23H rat, an animal model of autosomal dominant retinitis pigmentosa (RP). P23H homozygous rats received an intramuscular injection of an adeno-associated viral vector serotype 1 (AAV1) expressing human proinsulin (hPi+) or AAV1-null vector (hPi−) at P20. Levels of hPi in serum were determined by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), and visual function was evaluated by electroretinographic (ERG) recording at P30, P60, P90, and P120. Preservation of retinal structure was assessed by immunohistochemistry at P120. Human proinsulin was detected in serum from rats injected with hPi+ at all times tested, with average hPi levels ranging from 1.1 nM (P30) to 1.4 nM (P120). ERG recordings showed an amelioration of vision loss in hPi+ animals. The scotopic b-waves were significantly higher in hPi+ animals than in control rats at P90 and P120. This attenuation of visual deterioration correlated with a delay in photoreceptor degeneration and the preservation of retinal cytoarchitecture. hPi+ animals had 48.7% more photoreceptors than control animals. Presynaptic and postsynaptic elements, as well as the synaptic contacts between photoreceptors and bipolar or horizontal cells, were preserved in hPi+ P23H rats. Furthermore, in hPi+ rat retinas the number of rod bipolar cell bodies was greater than in control rats. Our data demonstrate that hPi expression preserves cone and rod structure and function, together with their contacts with postsynaptic neurons, in the P23H rat. These data strongly support the further development of proinsulin-based therapy to counteract retinitis pigmentosa.

Neuroprotective effects of the cannabinoid agonist HU210 on retinal degeneration

Cannabinoids have been demonstrated to exert neuroprotective effects on different types of neuronal insults. Here we have addressed the therapeutic potential of the synthetic cannabinoid HU210 on photoreceptor degeneration, synaptic connectivity and functional activity of the retina in the transgenic P23H rat, an animal model for autosomal dominant retinitis pigmentosa (RP). In P23H rats administered with HU210 (100 μg/kg, i.p.) from P24 to P90, ERG recordings showed an amelioration of vision loss, as compared to vehicle-administered animals. Under scotopic conditions, the maximum a-wave amplitudes recorded at P60 and P90 were higher in HU210-treated animals, as compared to the values obtained in untreated animals. The scotopic b-waves were significantly higher in treated animals than in untreated rats at P30, P60 and P90. This attenuation of visual deterioration correlated with a delay in photoreceptor degeneration and the preservation of retinal cytoarchitecture. HU210-treated animals had 40% more photoreceptors than untreated animals. Presynaptic and postsynaptic elements, as well as the synaptic contacts between photoreceptors and bipolar or horizontal cells, were also preserved in HU210-treated P23H rats. These results indicate that HU210 preserves cone and rod structure and function, together with their contacts with postsynaptic neurons, in P23H rats. These data suggest that cannabinoids are potentially useful to delay retinal degeneration in RP patients.

Gap-junction communication between subtypes of direction-selective ganglion cells in the developing retina

The On-Off direction-selective ganglion cells (DSGCs) in the rabbit retina comprise four distinct subtypes that respond preferentially to image motion in four orthogonal directions; each subtype forms a regular territorial array, which is overlapped by the other three arrays. In this study, ganglion cells in the developing retina were injected with Neurobiotin, a gap-junction-permeable tracer, and the DSGCs were identified by their characteristic type 1 bistratified (BiS1) morphology. The complex patterns of tracer coupling shown by the BiSl ganglion cells changed systematically during the course of postnatal development. BiSl cells appear to be coupled together around the time of birth, but, over the next 10 days, BiSl cells decouple from each other, leading to the mature pattern in which only one subtype is coupled. At about postnatal day 5, before the ganglion cells become visually responsive, each of the BiSl cells commonly showed tracer coupling both to a regular array of neighboring BiSl cells, presumably destined to be DSGCs of the same subtype, and to a regular array of overlapping BiSl cells, presumably destined to be DSGCs of a different subtype. The gap-junction intercellular communication between subtypes of DSGCs with different preferred directions may play an important role in the differentiation of their synaptic connectivity, with respect to either the inputs that DSGCs receive from retinal interneurons or the outputs that DSGCs make to geniculate neurons. (C) 2004 Wiley-Liss, Inc.

Development and regeneration of neuronal circuits in the vertebrate retina

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Modeling electrocortical activity through improved local approximations of integral neural field equations

Neural field models of firing rate activity typically take the form of integral equations with space-dependent axonal delays. Under natural assumptions on the synaptic connectivity we show how one can derive an equivalent partial differential equation (PDE) model that properly treats the axonal delay terms of the integral formulation. Our analysis avoids the so-called long-wavelength approximation that has previously been used to formulate PDE models for neural activity in two spatial dimensions. Direct numerical simulations of this PDE model show instabilities of the homogeneous steady state that are in full agreement with a Turing instability analysis of the original integral model. We discuss the benefits of such a local model and its usefulness in modeling electrocortical activity. In particular we are able to treat "patchy'" connections, whereby a homogeneous and isotropic system is modulated in a spatially periodic fashion. In this case the emergence of a "lattice-directed" traveling wave predicted by a linear instability analysis is confirmed by the numerical simulation of an appropriate set of coupled PDEs. Article published and (c) American Physical Society 2007

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Stress-triggered synaptic malfunction: a gate along the path from depressionto dementia

Tese de Doutoramento em Ciências da Saúde.

White matter maturation reshapes structural connectivity in the late developing human brain.

From toddler to late teenager, the macroscopic pattern of axonal projections in the human brain remains largely unchanged while undergoing dramatic functional modifications that lead to network refinement. These functional modifications are mediated by increasing myelination and changes in axonal diameter and synaptic density, as well as changes in neurochemical mediators. Here we explore the contribution of white matter maturation to the development of connectivity between ages 2 and 18 y using high b-value diffusion MRI tractography and connectivity analysis. We measured changes in connection efficacy as the inverse of the average diffusivity along a fiber tract. We observed significant refinement in specific metrics of network topology, including a significant increase in node strength and efficiency along with a decrease in clustering. Major structural modules and hubs were in place by 2 y of age, and they continued to strengthen their profile during subsequent development. Recording resting-state functional MRI from a subset of subjects, we confirmed a positive correlation between structural and functional connectivity, and in addition observed that this relationship strengthened with age. Continuously increasing integration and decreasing segregation of structural connectivity with age suggests that network refinement mediated by white matter maturation promotes increased global efficiency. In addition, the strengthening of the correlation between structural and functional connectivity with age suggests that white matter connectivity in combination with other factors, such as differential modulation of axonal diameter and myelin thickness, that are partially captured by inverse average diffusivity, play an increasingly important role in creating brain-wide coherence and synchrony.

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.

Intracortical connectivity of layer VI pyramidal neurons in the somatosensory cortex of normal and barrelless mice.

In mice, barrels in layer IV of the somatosensory cortex correspond to the columnar representations of whisker follicles. In barrelless (BRL) mice, barrels are absent, but functionally, a columnar organization persists. Previously we characterized the aberrant geometry of thalamic projection of BRL mice using axonal reconstructions of individual neurons. Here we proceeded with the analysis of the intracortical projections from layer VI pyramidal neurons, to assess their contribution to the columnar organization. From series of tangential sections we reconstructed the axon collaterals of individual layer VI pyramidal neurons in the C2 barrel column that were labelled with biocytin [controls from normal (NOR) strain, 19 cells; BRL strain, nine cells]. Using six morphological parameters in a cluster analysis, we showed that layer VI neurons in NOR mice are distributed into four clusters distinguished by the radial and tangential extent of their intracortical projections. These clusters correlated with the cortical or subcortical projection of the main axon. In BRL mice, neurons were distributed within the same four clusters, but their projections to the granular and supragranular layers were significantly smaller and their tangential projection was less columnar than in NOR mice. However, in both strains the intracortical projections had a preference for the appropriate barrel column (C2), indicating that layer VI pyramidal cells could participate in the functional columnar organization of the barrel cortex. Correlative light and electron microscopy analyses provided morphometric data on the intracortical synaptic boutons and synapses of layer VI pyramidal neurons and revealed that projections to layer IV preferentially target excitatory dendritic spines and shafts.

Model-Free Reconstruction of Excitatory Neuronal Connectivity from Calcium Imaging Signals

A systematic assessment of global neural network connectivity through direct electrophysiological assays has remained technically infeasible, even in simpler systems like dissociated neuronal cultures. We introduce an improved algorithmic approach based on Transfer Entropy to reconstruct structural connectivity from network activity monitored through calcium imaging. We focus in this study on the inference of excitatory synaptic links. Based on information theory, our method requires no prior assumptions on the statistics of neuronal firing and neuronal connections. The performance of our algorithm is benchmarked on surrogate time series of calcium fluorescence generated by the simulated dynamics of a network with known ground-truth topology. We find that the functional network topology revealed by Transfer Entropy depends qualitatively on the time-dependent dynamic state of the network (bursting or non-bursting). Thus by conditioning with respect to the global mean activity, we improve the performance of our method. This allows us to focus the analysis to specific dynamical regimes of the network in which the inferred functional connectivity is shaped by monosynaptic excitatory connections, rather than by collective synchrony. Our method can discriminate between actual causal influences between neurons and spurious non-causal correlations due to light scattering artifacts, which inherently affect the quality of fluorescence imaging. Compared to other reconstruction strategies such as cross-correlation or Granger Causality methods, our method based on improved Transfer Entropy is remarkably more accurate. In particular, it provides a good estimation of the excitatory network clustering coefficient, allowing for discrimination between weakly and strongly clustered topologies. Finally, we demonstrate the applicability of our method to analyses of real recordings of in vitro disinhibited cortical cultures where we suggest that excitatory connections are characterized by an elevated level of clustering compared to a random graph (although not extreme) and can be markedly non-local.

Resting-State Functional Connectivity Emerges from Structurally and Dynamically Shaped Slow Linear Fluctuations.

Brain fluctuations at rest are not random but are structured in spatial patterns of correlated activity across different brain areas. The question of how resting-state functional connectivity (FC) emerges from the brain's anatomical connections has motivated several experimental and computational studies to understand structure-function relationships. However, the mechanistic origin of resting state is obscured by large-scale models' complexity, and a close structure-function relation is still an open problem. Thus, a realistic but simple enough description of relevant brain dynamics is needed. Here, we derived a dynamic mean field model that consistently summarizes the realistic dynamics of a detailed spiking and conductance-based synaptic large-scale network, in which connectivity is constrained by diffusion imaging data from human subjects. The dynamic mean field approximates the ensemble dynamics, whose temporal evolution is dominated by the longest time scale of the system. With this reduction, we demonstrated that FC emerges as structured linear fluctuations around a stable low firing activity state close to destabilization. Moreover, the model can be further and crucially simplified into a set of motion equations for statistical moments, providing a direct analytical link between anatomical structure, neural network dynamics, and FC. Our study suggests that FC arises from noise propagation and dynamical slowing down of fluctuations in an anatomically constrained dynamical system. Altogether, the reduction from spiking models to statistical moments presented here provides a new framework to explicitly understand the building up of FC through neuronal dynamics underpinned by anatomical connections and to drive hypotheses in task-evoked studies and for clinical applications.