Identification des canaux TRPC impliqués dans la potentialisation à long terme des interneurones de la région CA1 de l'hippocampe chez le rat

Le réseau neuronal de l’hippocampe joue un rôle central dans la mémoire en modifiant de façon durable l’efficacité de ses synapses. Dans les interneurones de la couche oriens/alveus (O/A), l’induction de la potentialisation à long terme (PLT) requiert les courants postsynaptiques excitateurs évoqués par les récepteurs métabotropes du glutamate de sous-type 1a (CPSEmGluR1a) et l’entrée subséquente de Ca2+ via des canaux de la famille des transient receptor potential (TRP). Le but de ce projet était d’identifier les canaux TRP responsables des CPSEmGluR1a et d’explorer les mécanismes moléculaires régulant leur ouverture. Nous avons déterminé par des enregistrements électrophysiologiques que les CPSEmGluR1a étaient spécifiques aux interneurones O/A et qu’ils étaient indépendants de la phospholipase C. Nous avons ensuite examiné l’expression des TRPC et leur interaction avec mGluR1a par les techniques de RT-PCR, d’immunofluorescence et de co-immunoprécipitation. Nos résultats montrent que TRPC1 et mGluR1a s’associent dans l’hippocampe et que ces deux protéines sont présentes dans les dendrites des interneurones O/A. En revanche, TRPC4 ne semble s’associer à mGluR1a qu’en système recombinant et leur colocalisation paraît limitée au corps cellulaire. Finalement, nous avons procédé à des enregistrements d’interneurones dans lesquels l’expression des TRPC a été sélectivement supprimée par la transfection d’ARN interférant et avons ainsi démontré que TRPC1, mais non TRPC4, est une sous-unité obligatoire du canal responsable des CPSEmGluR1a. Ces travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes moléculaires à la base de la transmission synaptique des interneurones O/A et de mettre en évidence un rôle potentiel de TRPC1 dans la PLT.

Plasticité synaptique dans l’aire tegmentaire ventrale : implication des endocannabinoïdes

Le système dopaminergique (DA) méso-corticolimbique du cerveau, qui prend son origine dans l'aire tegmentaire ventrale (ATV), est fortement impliqué dans les comportements motivés et la toxicomanie. Les drogues d'abus activent ce système et y induisent une plasticité synaptique de longue durée. Les neurones DA de l'ATV reçoivent sur leur arborisation dendritique une grande densité de terminaisons glutamatergiques. Les drogues d'abus induisent une potentialisation à long terme (PLT) de ces contacts glutamatergiques. La PLT est une augmentation prolongée de la transmission synaptique, qui semble sous-tendre la mémoire et l'apprentissage. Les endocannabinoïdes (ECs) sont des neurotransmetteurs qui agissent de façon rétrograde sur des récepteurs présynaptiques (CB1) pour diminuer la libération des neurotransmetteurs comme le glutamate. Les neurones libèrent les ECs à partir de leur compartiment somatodendritique suite à une stimulation des afférences et la dépolarisation membranaire qui s’ensuit. La neurotensine (NT) est un neuropeptide retrouvé de façon abondante dans le système DA du cerveau. Il a été découvert que la NT peut induire la libération des ECs dans le striatum. En faisant appel à une combinaison d’approches immunohistochimique, électrophysiologique et pharmacologique chez la souris, nous avons confirmé dans la première étude de cette thèse la présence des récepteurs CB1 sur les terminaisons glutamatergiques des neurones DA de l'ATV, et avons montré que leur activation induit une diminution de la libération de glutamate. Par ailleurs, nous avons montré que des trains de stimulation peuvent induire la libération des ECs. Nous avons découvert qu'en présence d'un antagoniste des récepteurs CB1, il y a facilitation de l’induction de la PLT. Cette observation suggère que les ECs ont un effet inhibiteur sur l’induction de la PLT, plutôt que sur son expression. Nous avons déterminé que le 2-arachidonoylglycerol (2-AG) est l’EC qui est principalement responsable de cette action inhibitrice. Finalement, la PLT induite en présence d’un antagoniste CB1 est aussi dépendante d'une activation des récepteurs NMDA du glutamate. Les travaux réalisés dans la deuxième étude de cette thèse ont montré que la NT est présente dans une sous-population de terminaisons axonales glutamatergiques dans l’ATV. Une application exogène de NT induit une diminution prolongée de l'amplitude des courants postsynaptiques excitateurs (CPSEs). Cette diminution est bloquée en présence d'un antagoniste non-sélectif des récepteurs à la NT, ainsi qu'en présence d'un antagoniste sélectif pour le récepteur de NT de type 1 (NTS1). Confirmant l’implication d’une production d’ECs, la baisse des CPSEs par la NT a été bloquée en présence d’un antagoniste des récepteurs CB1 ou d’un bloqueur de la synthèse de 2-AG. La chélation du calcium intracellulaire n'empêchait pas l’effet inhibiteur de la NT sur les CPSEs, cependant, l'inhibition des protéines G ou de la phospholipase C a complètement bloqué la dépression synaptique induite par la NT. Par ailleurs, nos travaux ont montré que la nature prolongée de la dépression synaptique induite par la NT exogène s’explique par une libération soutenue des ECs, et non pas à une activation prolongée des NTR. Finalement, notre observation qu’un antagoniste des récepteurs de la NT ne facilite pas l’induction de la PLT, comme le fait un antagoniste du récepteur CB1, suggère que la stimulation répétitive des afférences glutamatergiques nécessaire à l’induction de la PLT n’induit pas de libération des ECs via la libération de NT, nous permettant ainsi de conclure que la sécrétion de NT n'agit pas dans ces conditions comme un facteur de régulation négative de la PLT.

Implication de Syngap1 dans la transmission GABAergique et la plasticité synaptique

La déficience intellectuelle affecte de 1 à 3% de la population mondiale, ce qui en fait le trouble cognitif le plus commun de l’enfance. Notre groupe à découvert que des mutations dans le gène SYNGAP1 sont une cause fréquente de déficience intellectuelle non-syndromique, qui compte pour 1-3% de l’ensemble des cas. À titre d’exemple, le syndrome du X fragile, qui est la cause monogénique la plus fréquente de déficience intellectuelle, compte pour environ 2% des cas. Plusieurs patients affectés au niveau de SYNGAP1 présentent également des symptômes de l’autisme et d’une forme d’épilepsie. Notre groupe a également montré que SYNGAP1 cause la déficience intellectuelle par un mécanisme d’haploinsuffisance. SYNGAP1 code pour une protéine exprimée exclusivement dans le cerveau qui interagit avec la sous-unité GluN2B des récepteurs glutamatergique de type NMDA (NMDAR). SYNGAP1 possède une activité activatrice de Ras-GTPase qui régule négativement Ras au niveau des synapses excitatrices. Les souris hétérozygotes pour Syngap1 (souris Syngap1+/-) présentent des anomalies de comportement et des déficits cognitifs, ce qui en fait un bon modèle d’étude. Plusieurs études rapportent que l’haploinsuffisance de Syngap1 affecte le développement cérébral en perturbant l’activité et la plasticité des neurones excitateurs. Le déséquilibre excitation/inhibition est une théorie émergente de l’origine de la déficience intellectuelle et de l’autisme. Cependant, plusieurs groupes y compris le nôtre ont rapporté que Syngap1 est également exprimé dans au moins une sous-population d’interneurones GABAergiques. Notre hypothèse était donc que l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones contribuerait en partie aux déficits cognitifs et au déséquilibre d’excitation/inhibition observés chez les souris Syngap1+/-. Pour tester cette hypothèse, nous avons généré un modèle de souris transgéniques dont l’expression de Syngap1 a été diminuée uniquement dans les interneurones dérivés des éminences ganglionnaires médianes qui expriment le facteur de transcription Nkx2.1 (souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1). Nous avons observé une diminution des courants postsynaptiques inhibiteurs miniatures (mIPSCs) au niveau des cellules pyramidales des couches 2/3 du cortex somatosensoriel primaire (S1) et dans le CA1 de l’hippocampe des souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1. Ces résultats supportent donc l’hypothèse selon laquelle la perte de Syngap1 dans les interneurones contribue au déséquilibre d’excitation/inhibition. De manière intéressante, nous avons également observé que les courants postsynaptiques excitateurs miniatures (mEPSCs) étaient augmentés dans le cortex S1, mais diminués dans le CA1 de l’hippocampe. Par la suite, nous avons testé si les mécanismes de plasticité synaptique qui sous-tendraient l’apprentissage étaient affectés par l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones. Nous avons pu montrer que la potentialisation à long terme (LTP) NMDAR-dépendante était diminuée chez les souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1, sans que la dépression à long terme (LTD) NMDAR-dépendante soit affectée. Nous avons également montré que l’application d’un bloqueur des récepteurs GABAA renversait en partie le déficit de LTP rapporté chez les souris Syngap1+/-, suggérant qu’un déficit de désinhibition serait présent chez ces souris. L’ensemble de ces résultats supporte un rôle de Syngap1 dans les interneurones qui contribue aux déficits observés chez les souris affectées par l’haploinsuffisance de Syngap1.

Anticholinesterase-induced epileptiform activity in immature rat piriform cortex slices, in vitro

Purpose: Acute in vitro brain slice models are commonly used to study epileptiform seizure generation and to test anti-epileptic drug action. Seizure-like activity can be readily induced by manipulating external ionic concentrations or by adding convulsant agents to the bathing medium. We previously showed that epileptiform bursting was induced in slices of immature (P14–28) rat piriform cortex (PC) by applying oxotremorine-M, a potent muscarinic receptor agonist. Here, we examined whether raising levels of endogenous acetylcholine (ACh) by exposure to anticholinesterases, could also induce epileptiform events in immature (P12–14) or early postnatal (P7–9) rat PC brain slices. Methods: The effects of anticholinesterases were investigated in rat PC neurons using both extracellular MEA (P7–9 slices) and intracellular (P12–14 slices) recording methods. Results: In P7–9 slices, eserine (20 μM) or neostigmine (20 μM) induced low amplitude, low frequency bursting activity in all three PC cell layers (I–III), particularly layer III, where neuronal muscarinic responsiveness is known to predominate. In P12–14 neurons, neostigmine produced a slow depolarization together with an increase in input resistance and evoked cell firing. Depolarizing postsynaptic potentials evoked by intrinsic fibre stimulation were selectively depressed although spontaneous bursting was not observed. Neostigmine effects were blocked by atropine (1 μM), confirming their muscarinic nature. We conclude that elevation of endogenous ACh by anticholinesterases can induce bursting in early postnatal PC brain slices, further highlighting the epileptogenic capacity of this brain region. However, this tendency declines with further development, possibly as local inhibitory circuit mechanisms become more dominant.

Modulation of visually evoked cortical fMRI responses by phase of ongoing occipital alpha oscillations

Using simultaneous electroencephalography as a measure of ongoing activity and functional magnetic resonance imaging (fMRI) as a measure of the stimulus-driven neural response, we examined whether the amplitude and phase of occipital alpha oscillations at the onset of a brief visual stimulus affects the amplitude of the visually evoked fMRI response. When accounting for intrinsic coupling of alpha amplitude and occipital fMRI signal by modeling and subtracting pseudo-trials, no significant effect of prestimulus alpha amplitude on the evoked fMRI response could be demonstrated. Regarding the effect of alpha phase, we found that stimuli arriving at the peak of the alpha cycle yielded a lower blood oxygenation level-dependent (BOLD) fMRI response in early visual cortex (V1/V2) than stimuli presented at the trough of the cycle. Our results therefore show that phase of occipital alpha oscillations impacts the overall strength of a visually evoked response, as indexed by the BOLD signal. This observation complements existing evidence that alpha oscillations reflect periodic variations in cortical excitability and suggests that the phase of oscillations in postsynaptic potentials can serve as a mechanism of gain control for incoming neural activity. Finally, our findings provide a putative neural basis for observations of alpha phase dependence of visual perceptual performance.

Global slowing of network oscillations in mouse neocortex by diazepam

SCHEFFZUK, C. , KUKUSHKA, V. , VYSSOTSKI, A. L. , DRAGUHN, A. , TORT, A. B. L. , BRANKACK, J. . Global slowing of network oscillations in mouse neocortex by diazepam. Neuropharmacology , v. 65, p. 123-133, 2013.

Glial cells modulate the synaptic transmission of NTS neurons sending projections to ventral medulla of Wistar rats

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Muscarinic and Nicotinic Modulation of Thalamo-Prefrontal Cortex Synaptic Pasticity In Vivo

The mediodorsal nucleus of the thalamus (MD) is a rich source of afferents to the medial prefrontal cortex (mPFC). Dysfunctions in the thalamo-prefrontal connections can impair networks implicated in working memory, some of which are affected in Alzheimer disease and schizophrenia. Considering the importance of the cholinergic system to cortical functioning, our study aimed to investigate the effects of global cholinergic activation of the brain on MD-mPFC synaptic plasticity by measuring the dynamics of long-term potentiation (LTP) and depression (LTD) in vivo. Therefore, rats received intraventricular injections either of the muscarinic agonist pilocarpine (PILO; 40 nmol/mu L), the nicotinic agonist nicotine (NIC; 320 nmol/mu L), or vehicle. The injections were administered prior to either thalamic high-frequency (HFS) or low-frequency stimulation (LFS). Test pulses were applied to MD for 30 min during baseline and 240 min after HFS or LFS, while field postsynaptic potentials were recorded in the mPFC. The transient oscillatory effects of PILO and NIC were monitored through recording of thalamic and cortical local field potentials. Our results show that HFS did not affect mPFC responses in vehicle-injected rats, but induced a delayed-onset LTP with distinct effects when applied following PILO or NIC. Conversely, LFS induced a stable LTD in control subjects, but was unable to induce LTD when applied after PILO or NIC. Taken together, our findings show distinct modulatory effects of each cholinergic brain activation on MD-mPFC plasticity following HFS and LFS. The LTP-inducing action and long-lasting suppression of cortical LTD induced by PILO and NIC might implicate differential modulation of thalamo-prefrontal functions under low and high input drive.

Combined voltage and calcium epifluorescence imaging in vitro and in vivo reveals subthreshold and suprathreshold dynamics of mouse barrel cortex

Cortical dynamics can be imaged at high spatiotemporal resolution with voltage-sensitive dyes (VSDs) and calcium-sensitive dyes (CaSDs). We combined these two imaging techniques using epifluorescence optics together with whole cell recordings to measure the spatiotemporal dynamics of activity in the mouse somatosensory barrel cortex in vitro and in the supragranular layers in vivo. The two optical signals reported distinct aspects of cortical function. VSD fluorescence varied linearly with membrane potential and was dominated by subthreshold postsynaptic potentials, whereas the CaSD signal predominantly reflected local action potential firing. Combining VSDs and CaSDs allowed us to monitor the synaptic drive and the spiking activity of a given area at the same time in the same preparation. The spatial extent of the two dye signals was different, with VSD signals spreading further than CaSD signals, reflecting broad subthreshold and narrow suprathreshold receptive fields. Importantly, the signals from the dyes were differentially affected by pharmacological manipulations, stimulation strength, and depth of isoflurane anesthesia. Combined VSD and CaSD measurements can therefore be used to specify the temporal and spatial relationships between subthreshold and suprathreshold activity of the neocortex.

Blocking brain-derived neurotrophic factor inhibits injury-induced hyperexcitability of hippocampal CA3 neurons

Brain trauma can disrupt synaptic connections, and this in turn can prompt axons to sprout and form new connections. If these new axonal connections are aberrant, hyperexcitability can result. It has been shown that ablating tropomyosin-related kinase B (TrkB), a receptor for brain-derived neurotrophic factor (BDNF), can reduce axonal sprouting after hippocampal injury. However, it is unknown whether inhibiting BDNF-mediated axonal sprouting will reduce hyperexcitability. Given this, our purpose here was to determine whether pharmacologically blocking BDNF inhibits hyperexcitability after injury-induced axonal sprouting in the hippocampus. To induce injury, we made Schaffer collateral lesions in organotypic hippocampal slice cultures. As reported by others, we observed a 50% reduction in axonal sprouting in cultures treated with a BDNF blocker (TrkB-Fc) 14 days after injury. Furthermore, lesioned cultures treated with TrkB-Fc were less hyperexcitable than lesioned untreated cultures. Using electrophysiology, we observed a two-fold decrease in the number of CA3 neurons that showed bursting responses after lesion with TrkB-Fc treatment, whereas we found no change in intrinsic neuronal firing properties. Finally, evoked field excitatory postsynaptic potential recordings indicated an increase in network activity within area CA3 after lesion, which was prevented with chronic TrkB-Fc treatment. Taken together, our results demonstrate that blocking BDNF attenuates injury-induced hyperexcitability of hippocampal CA3 neurons. Axonal sprouting has been found in patients with post-traumatic epilepsy. Therefore, our data suggest that blocking the BDNF-TrkB signaling cascade shortly after injury may be a potential therapeutic target for the treatment of post-traumatic epilepsy.

ANALYSIS OF SEROTONERGIC MODULATION OF NEURONS INVOLVED IN TWO DEFENSIVE BEHAVIORS IN APLYSIA CALIFORNICA (CYCLIC-AMP, AROUSAL, CALCIUM, POTASSIUM)

Sensitization is a simple form of learning which refers to an enhancement of a behavioral response resulting from an exposure to a novel stimulus. While sensitization is found throughout the animal world, little is known regarding the underlying neural mechanisms. By taking advantage of the simple nervous system of the marine mollusc Aplysia, I have begun to examine the cellular and molecular mechanisms underlying this simple form of learning. In an attempt to determine the generality of the mechanisms of neuromodulation underlying sensitization, I have investigated and compared the modulation of neurons involved in two defensive behaviors in Aplysia, the defensive inking response and defensive tail withdrawal.^ The motor neurons that produce the defensive release of ink receive a slow decreased conductance excitatory postsynaptic potential (EPSP) in response to sensitizing stimuli. Using electrophysiological techniques, it was found that serotonin (5-HT) mimicked the physiologically produced slow EPSP. 5-HT produced its response through a reduction in a voltage-independent conductance to K('+). The 5-HT sensitive K('+) conductance of the ink motor neurons was separate from the fast K('+), delayed K('+), and Ca('2+)-activated K('+) conductances found in these and other molluscan neurons. 5-HT was shown to produce a decrease in K('+) conductance in the ink motor neurons through an elevation of cellular cAMP.^ The mechanosensory neurons that participate in the defensive tail withdrawal response are also modulated by sensitizing stimuli through the action of 5-HT. Using electrophysiological techniques, it was found that 5-HT modulated the tail sensory neurons through a reduction in a voltage-dependent conductance to K('+). The serotonin-sensitive K('+) conductance was found to be largely a Ca('2+)-activated K('+) conductance. Much like the ink motor neurons, 5-HT produced its modulation through an elevation of cellular cAMP. While the actual K('+) conductance modulated by 5-HT in these two classes of neurons differs, the following generalizations can be made: (1) the effects of sensitizing stimuli are mimicked by 5-HT, (2) 5-HT produces its effect through an elevation of cellular cAMP, and (3) the conductance to K('+) is modulated by 5-HT. ^

Dysfunction of Cortical Dendritic Integration in Neuropathic Pain Reversed by Serotoninergic Neuromodulation

Neuropathic pain is caused by long-term modifications of neuronal function in the peripheral nervous system, the spinal cord, and supraspinal areas. Although functional changes in the forebrain are thought to contribute to the development of persistent pain, their significance and precise subcellular nature remain unexplored. Using somatic and dendritic whole-cell patch-clamp recordings from neurons in the anterior cingulate cortex, we discovered that sciatic nerve injury caused an activity-dependent dysfunction of hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-regulated (HCN) channels in the dendrites of layer 5 pyramidal neurons resulting in enhanced integration of excitatory postsynaptic inputs and increased neuronal firing. Specific activation of the serotonin receptor type 7 (5-HT7R) alleviated the lesion-induced pathology by increasing HCN channel function, restoring normal dendritic integration, and reducing mechanical pain hypersensitivity in nerve-injured animals in vivo. Thus, serotoninergic neuromodulation at the forebrain level can reverse the dendritic dysfunction induced by neuropathic pain and may represent a potential therapeutical target.

R-type Ca2+ currents evoke transmitter release at a rat central synapse

Voltage-dependent Ca2+ currents evoke synaptic transmitter release. Of six types of Ca2+ channels, L-, N-, P-, Q-, R-, and T-type, only N- and P/Q-type channels have been pharmacologically identified to mediate action-potential-evoked transmitter release in the mammalian central nervous system. We tested whether Ca2+ channels other than N- and P/Q-type control transmitter release in a calyx-type synapse of the rat medial nucleus of the trapezoid body. Simultaneous recordings of presynaptic Ca2+ influx and the excitatory postsynaptic current evoked by a single action potential were made at single synapses. The R-type channel, a high-voltage-activated Ca2+ channel resistant to L-, N-, and P/Q-type channel blockers, contributed 26% of the total Ca2+ influx during a presynaptic action potential. This Ca2+ current evoked transmitter release sufficiently large to initiate an action potential in the postsynaptic neuron. The R-type current controlled release with a lower efficacy than other types of Ca2+ currents. Activation of metabotropic glutamate receptors and γ-aminobutyric acid type B receptors inhibited the R-type current. Because a significant fraction of presynaptic Ca2+ channels remains unidentified in many other central synapses, the R-type current also could contribute to evoked transmitter release in these synapses.

Neuronal coincidence detection by voltage-sensitive electrical synapses

Coincidence detection is important for functions as diverse as Hebbian learning, binaural localization, and visual attention. We show here that extremely precise coincidence detection is a natural consequence of the normal function of rectifying electrical synapses. Such synapses open to bidirectional current flow when presynaptic cells depolarize relative to their postsynaptic targets and remain open until well after completion of presynaptic spikes. When multiple input neurons fire simultaneously, the synaptic currents sum effectively and produce a large excitatory postsynaptic potential. However, when some inputs are delayed relative to the rest, their contributions are reduced because the early excitatory postsynaptic potential retards the opening of additional voltage-sensitive synapses, and the late synaptic currents are shunted by already opened junctions. These mechanisms account for the ability of the lateral giant neurons of crayfish to sum synchronous inputs, but not inputs separated by only 100 μsec. This coincidence detection enables crayfish to produce reflex escape responses only to very abrupt mechanical stimuli. In light of recent evidence that electrical synapses are common in the mammalian central nervous system, the mechanisms of coincidence detection described here may be widely used in many systems.

RGS proteins reconstitute the rapid gating kinetics of Gβγ-activated inwardly rectifying K+ channels

G protein-gated inward rectifier K+ (GIRK) channels mediate hyperpolarizing postsynaptic potentials in the nervous system and in the heart during activation of Gα(i/o)-coupled receptors. In neurons and cardiac atrial cells the time course for receptor-mediated GIRK current deactivation is 20–40 times faster than that observed in heterologous systems expressing cloned receptors and GIRK channels, suggesting that an additional component(s) is required to confer the rapid kinetic properties of the native transduction pathway. We report here that heterologous expression of “regulators of G protein signaling” (RGS proteins), along with cloned G protein-coupled receptors and GIRK channels, reconstitutes the temporal properties of the native receptor → GIRK signal transduction pathway. GIRK current waveforms evoked by agonist activation of muscarinic m2 receptors or serotonin 1A receptors were dramatically accelerated by coexpression of either RGS1, RGS3, or RGS4, but not RGS2. For the brain-expressed RGS4 isoform, neither the current amplitude nor the steady-state agonist dose-response relationship was significantly affected by RGS expression, although the agonist-independent “basal” GIRK current was suppressed by ≈40%. Because GIRK activation and deactivation kinetics are the limiting rates for the onset and termination of “slow” postsynaptic inhibitory currents in neurons and atrial cells, RGS proteins may play crucial roles in the timing of information transfer within the brain and to peripheral tissues.