Transfer entropy reconstruction and labeling of neuronal connections from simulated calcium imaging

Neuronal dynamics are fundamentally constrained by the underlying structural network architecture, yet much of the details of this synaptic connectivity are still unknown even in neuronal cultures in vitro. Here we extend a previous approach based on information theory, the Generalized Transfer Entropy, to the reconstruction of connectivity of simulated neuronal networks of both excitatory and inhibitory neurons. We show that, due to the model-free nature of the developed measure, both kinds of connections can be reliably inferred if the average firing rate between synchronous burst events exceeds a small minimum frequency. Furthermore, we suggest, based on systematic simulations, that even lower spontaneous inter-burst rates could be raised to meet the requirements of our reconstruction algorithm by applying a weak spatially homogeneous stimulation to the entire network. By combining multiple recordings of the same in silico network before and after pharmacologically blocking inhibitory synaptic transmission, we show then how it becomes possible to infer with high confidence the excitatory or inhibitory nature of each individual neuron.

Micrornas involvement in cortical plasticity in adult mouse barrel cortex

In rodents, sensory experience alters the whisker representation in layer IV of the barrel cortex (Woolsey and Van der Loos, 1970). Excitatory and inhibitory interneurons, together with the astrocytic network, modify the functional representation in an integrated manner. Our group showed that continuous whisker stimulation induces structural and functional changes in the corresponding barrel. These modifications include the depression of neuronal responses and an insertion of new inhibitory synapses on dendritic spines (Knott et al., 2002; Genoud et al., 2006; Quairiaux et al., 2007). This form of cortical plasticity is controlled by several gene regulatory mechanisms including the activation of genetic programs controlling the expression of microRNAs (miRNAs). The transitory and localized expression of miRNAs in dendrites and their capacity to respond in an activity-dependent manner make them ideal candidates for the fine tuning of gene expression associated with neural plasticity. In a previous study of our group (Johnston- Wenger, 2010) using microarray analysis on laser-dissected barrels in order to compare the gene expression levels in stimulated and non-stimulated barrels after whisker stimulation, 261 genes were found significantly regulated, among these genes there were two miRNAs (miR- 132 and miR-137). In this study I tested the initial observation on the up-regulation of miR-132 and miR-137 after whisker stimulation and the possible involvement of two other miRNAs (miR-138 and miR-125b) that are known play a role in other form of synaptic plasticity. I used in situ hybridization (ISH) after unilateral stimulation of three whiskers (Cl-3) in the adult mouse. We found that sensory stimulation increases the expression, of miR-132 after 3hours of stimulation (p<0.01) and miR-137 (pO.Ol; 24 hrs of stim.), whereas it reduces the level of miR-125b (pO.Ol; 9 hrs of stim.). No significant difference was detected for miR-138. We further determined a correlation between the level of expression of the four selected miRNAs in the cortical barrels (measured by ISH) and in blood plasma (measured by qPCR). In addition to this quantitative comparison, we combined miRNAs ISH and immunolabeling for various neuronal markers that were chosen for the localization in both excitatory and inhibitory circuits as well as in astrocytes. Analysis of three-dimensional confocal acquisitions showed that stimulation alters significantly the degree of co-localization in the stimulated barrel of miR-132 with GAD65/67 and VGLUT2; miR-125b with GAD65/67 and parvalbumin; miR-138 with parvalbumin, VGLUT1 and PSD95; and miR-137 with VGLUT1 and astrocytic markers (GS; GFAP and SlOOß). To conclude, using increased neuronal activity in the whisker-to-barrel pathway; our results suggest that miRNAs can be regulated in an activity-dependent manner and they may regulate local mRNA translation to shape neuronal responses. These findings motivate further investigation of the different modes in which miRNAs may regulate cortical plasticity. -- Chez les rongeurs, l'expérience sensorielle modifie la représentation des vibrisses au niveau du cortex somatosensoriel primaire (Woolsey and Van der Loos, 1970). Les interneurones excitateurs et inhibiteurs, en collaboration avec le réseau astrocytaire, modifient la représentation fonctionnelle d'une manière intégrée. Notre groupe a montré que la stimulation continue des vibrisses induit des changements structuraux et fonctionnels dans le tonneau correspondant. Ces modifications incluent la dépression des réponses neuronales et une insertion de nouvelles synapses inhibitrices sur les épines dendritiques (Knott et al., 2002 ; Genoud et al., 2006 ; Quairiaux et al., 2007). Cette forme de plasticité corticale est contrôlée par plusieurs mécanismes de régulation génique dont l'activation des programmes géniques contrôlant l'expression des microARNs (miARNs). Par leur expression transitoire et localisée dans les dendrites et leur capacité à réagir d'une manière dépendante de l'activité, les miARNs sont des candidats idéaux pour le réglage fin de l'expression des gènes associée à la plasticité neuronale. Afin de comparer le niveau d'expression des gènes dans les tonneaux stimulés et non-stimulés après stimulation des vibrisses, une étude antérieure dans notre groupe (Johnston-Wenger, 2010), utilisant l'analyse par microarray sur des tonneaux disséqués par laser, a montré l'altération significative de 261 gènes. Parmi ces gènes, il y avait deux miARNs (miR-132 et miR-137). Dans la présente étude, j'ai testé l'observation initiale sur la régulation de miR-132 et miR-137 après stimulation des vibrisses et la possible implication de deux autres miARNs (miR-138 et miR-125b) connus avoir jouer un rôle important dans d'autres formes de plasticité synaptique. J'ai utilisé l'hybridation in situ (ISH) après stimulation unilatérale de trois vibrisses (Cl-3) chez la souris adulte. J'ai trouvé que la stimulation sensorielle augmente l'expression, de miR-132 après 3 heures de stimulation (p < 0.01) et miR-137 (p < 0.01 ; 24 hrs de stim.), alors qu'elle réduit le niveau de miR-125b (p < 0.01; 9 hrs de stim.). Aucune différence significative n'a été détectée pour miR-138. J'ai aussi déterminé une corrélation entre le niveau d'expression des quatre miARNs sélectionnés dans les tonneaux (mesurés par ISH) et dans le plasma sanguin (mesuré par qPCR). En plus de cette comparaison quantitative, j'ai combiné le miR-ISH et l'immunomarquage pour divers marqueurs neuronaux qui ont été choisis pour étudier la localisation dans les circuits excitateurs et inhibiteurs, ainsi que dans les astrocytes. Les acquisitions tridimensionnelles montrent que la stimulation modifie considérablement le degré de co-localisation dans le tonneau stimulé de miR-132 avec GAD65/67 et VGLUT2; miR-125b avec GAD65/67 et parvalbumine; miR-138 avec parvalbumine, VGLUT1 et PSD95; et miR-137 avec VGLUT1 et les marqueurs astrocytaires (GS ; GFAP et SlOOß). En conclusion, à l'aide de l'activité neuronale accrue dans la voie de vibrisses-au-baril; les résultats suggèrent que les miARNs peuvent être régulé d'une manière dépendante de l'activité et peuvent résulter la stabilité des ARNm et la traduction pour façonner les réponses neuronales ultérieures. Ces résultats incitent d'investiguer davantage les voies importantes par lesquels les miARNs peuvent réguler la plasticité corticale.

Synaptic Integration of Adult-Born Hippocampal Neurons Is Locally Controlled by Astrocytes.

Adult neurogenesis is regulated by the neurogenic niche, through mechanisms that remain poorly defined. Here, we investigated whether niche-constituting astrocytes influence the maturation of adult-born hippocampal neurons using two independent transgenic approaches to block vesicular release from astrocytes. In these models, adult-born neurons but not mature neurons showed reduced glutamatergic synaptic input and dendritic spine density that was accompanied with lower functional integration and cell survival. By taking advantage of the mosaic expression of transgenes in astrocytes, we found that spine density was reduced exclusively in segments intersecting blocked astrocytes, revealing an extrinsic, local control of spine formation. Defects in NMDA receptor (NMDAR)-mediated synaptic transmission and dendrite maturation were partially restored by exogenous D-serine, whose extracellular level was decreased in transgenic models. Together, these results reveal a critical role for adult astrocytes in local dendritic spine maturation, which is necessary for the NMDAR-dependent functional integration of newborn neurons.

Maturation and Functional Integration of New Granule Cells into the Adult Hippocampus.

The adult hippocampus generates functional dentate granule cells (GCs) that release glutamate onto target cells in the hilus and cornus ammonis (CA)3 region, and receive glutamatergic and γ-aminobutyric acid (GABA)ergic inputs that tightly control their spiking activity. The slow and sequential development of their excitatory and inhibitory inputs makes them particularly relevant for information processing. Although they are still immature, new neurons are recruited by afferent activity and display increased excitability, enhanced activity-dependent plasticity of their input and output connections, and a high rate of synaptogenesis. Once fully mature, new GCs show all the hallmarks of neurons generated during development. In this review, we focus on how developing neurons remodel the adult dentate gyrus and discuss key aspects that illustrate the potential of neurogenesis as a mechanism for circuit plasticity and function.

Effects of neurotrophins on synaptic protein expression in the visual cortex of dark reared rats.

Total lack of visual experience [dark rearing (DR)] is known to prolong the critical period and delay development of sensory functions in mammalian visual cortex. Recent results show that neurotrophins (NTs) counteract the effects of DR on functional properties of visual cortical cells and exert a strong control on critical period duration. NTs are known to modulate the development and synaptic efficacy of neurotransmitter systems that are affected by DR. However, it is still unknown whether the actions of NTs in dark-reared animals involve interaction with neurotransmitter systems. We have studied the effects of DR on the expression of key molecules in the glutamatergic and GABAergic systems in control and NT-treated animals. We have found that DR reduced the expression of the NMDA receptor 2A subunit and its associated protein PSD-95 (postsynaptic density-95), of GRIP (AMPA glutamate receptor interacting protein), and of the biosynthetic enzyme GAD (glutamic acid decarboxylase). Returning dark-reared animals to light for 2 hr restored normal expression of the above-mentioned proteins almost completely. NT treatment specifically counteracts DR effects; NGF acts primarily on the NMDA system, whereas BDNF acts primarily on the GABAergic system. Finally, the action of NT4 seems to involve both excitatory and inhibitory systems. These data demonstrate that different NTs counteract DR effects by modulating the expression of key molecules of the excitatory and inhibitory neurotransmitter systems

Glutamatergic transmission in the nucleus tractus solitarii: from server to peripherals in the cardiovascular information superhighway

Afferent nerves carrying signals from mechanoreceptors in the aortic arch and carotid sinus terminate predominantly in the nucleus tractus solitarii (NTS). Signal transduction and neurotransmission in the NTS are critical for central cardiovascular reflex control, but little was known about either until the late 1970's. None of the numerous neuroactive chemicals found in the NTS had met strict criteria as a neurotransmitter in the baroreflex arc until data suggested that the excitatory amino acid L-glutamate (GLU) might be released from baroreceptor afferent terminals in the NTS. In anesthetized animals microinjection into the NTS of GLU, which can be demonstrated in terminals in the NTS, produces cardiovascular responses like those seen with activation of the baroreceptor reflex. Similar responses occur in awake animals if the chemoreceptor reflex is eliminated; otherwise, in conscious animals responses mimic those of chemoreceptor reflex activation. GLU is released in the NTS upon selective activation of the baroreceptor, and possibly the chemoreceptor, reflex. Responses to selective agonists as well as baroreflex responses are eliminated by GLU antagonists microinjected into the NTS. Non-NMDA (N-methyl-D-aspartic acid) receptors seem to predominate at primary baroreceptor synapses in the NTS while NMDA receptors may be involved at later synapses. Although inhibition of soluble guanylate cyclase attenuates responses to ionotropic glutamate agonists in the NTS, nitric oxide does not seem to play a role in glutamate transmission in the NTS. GLU may also participate in transmission at cardiovascular neurons beyond the NTS. For example, a role has been suggested for GLU in the ventrolateral medulla and spinal cord. Work continues concerning GLU signal transduction and mechanisms that modulate that transduction both at the NTS and at other cardiovascular nuclei

Steps in the formation of neurites and synapses studied in cultured leech neurons

Leech neurons in culture have provided novel insights into the steps in the formation of neurite outgrowth patterns, target recognition and synapse formation. Identified adult neurons from the central nervous system of the leech can be removed individually and plated in culture under well-controlled conditions, where they retain their characteristic physiological properties, grow neurites and form specific chemical or electrical synapses. Different identified neurons develop distinctive outgrowth patterns that depend on their identities and on the molecular composition of the substrate. On native substrates, the patterns displayed by these neurons reproduce characteristics from the adult or the developing neurons. In addition, the substrate may induce selective directed growth between pairs of neurons that normally make contact in the ganglion. Upon contact, pairs of cultured leech neurons form chemical or electrical synapses, or both types depending on the neuronal identities. Anterograde and retrograde signals during membrane contact and synapse formation modify the distribution of synaptic terminals, calcium currents, and responses to 5-hydroxytryptamine.

Excitatory amino acid receptor blockade within the caudal pressor area and rostral ventrolateral medulla alters cardiovascular responses to nucleus raphe obscurus stimulation in rats

Pressor responses elicited by stimulation of the nucleus raphe obscurus (NRO) depend on the integrity of the rostral ventrolateral medulla (RVLM). Therefore, to test the participation of excitatory amino acid (EAA) receptors in the cardiovascular responses evoked by NRO stimulation (1 ms, 100 Hz, 40-70 µA, for 10 s), the EAA antagonist kynurenic acid (Kyn) was microinjected at different sites in the ventrolateral medullar surface (2.7 nmol/200 nl) of male Wistar rats (270-320 g, N = 39) and NRO stimulation was repeated. The effects of NRO stimulation were: hypertension (deltaMAP = +43 ± 1 mmHg, P<0.01), bradycardia (deltaHR = -30 ± 7 bpm, P<0.01) and apnea. Bilateral microinjection of Kyn into the RVLM, which did not change baseline parameters, almost abolished the bradycardia induced by NRO stimulation (deltaHR = -61 ± 3 before vs -2 ± 3 bpm after Kyn, P<0.01, N = 7). Unilateral microinjection of Kyn into the CVLM did not change baseline parameters or reduce the pressor response to NRO stimulation (deltaMAP = +46 ± 5 before vs +48 ± 5 mmHg after Kyn, N = 6). Kyn bilaterally microinjected into the caudal pressor area reduced blood pressure and heart rate and almost abolished the pressor response to NRO stimulation (deltaMAP = +46 ± 4 mmHg before vs +4 ± 2 mmHg after Kyn, P<0.01, N = 7). These results indicate that EAA receptors on the medullary ventrolateral surface play a role in the modulation of the cardiovascular responses induced by NRO stimulation, and also suggest that the RVLM participates in the modulation of heart rate responses and that the caudal pressor area modulates the pressor response following NRO stimulation.

A simple model for circadian timing by mammals

Circadian timing is structured in such a way as to receive information from the external and internal environments, and its function is the timing organization of the physiological and behavioral processes in a circadian pattern. In mammals, the circadian timing system consists of a group of structures, which includes the suprachiasmatic nucleus (SCN), the intergeniculate leaflet and the pineal gland. Neuron groups working as a biological pacemaker are found in the SCN, forming a biological master clock. We present here a simple model for the circadian timing system of mammals, which is able to reproduce two fundamental characteristics of biological rhythms: the endogenous generation of pulses and synchronization with the light-dark cycle. In this model, the biological pacemaker of the SCN was modeled as a set of 1000 homogeneously distributed coupled oscillators with long-range coupling forming a spherical lattice. The characteristics of the oscillator set were defined taking into account the Kuramoto's oscillator dynamics, but we used a new method for estimating the equilibrium order parameter. Simultaneous activities of the excitatory and inhibitory synapses on the elements of the circadian timing circuit at each instant were modeled by specific equations for synaptic events. All simulation programs were written in Fortran 77, compiled and run on PC DOS computers. Our model exhibited responses in agreement with physiological patterns. The values of output frequency of the oscillator system (maximal value of 3.9 Hz) were of the order of magnitude of the firing frequencies recorded in suprachiasmatic neurons of rodents in vivo and in vitro (from 1.8 to 5.4 Hz).

Action of octopamine and tyramine on muscles of Drosophila melanogaster larvae

Octopamine (OA) and tyramine (TA) play important roles in homeostatic mechanisms, behavior, and modulation of neuromuscular junctions in arthropods. However, direct actions of these amines on muscle force production that are distinct from effects at the neuromuscular synapse have not been well studied. We utilize the technical benefits of the Drosophila larval preparation to distinguish the effects of OA and TA on the neuromuscular synapse from their effects on contractility of muscle cells. In contrast to the slight and often insignificant effects of TA, the action of OA was profound across all metrics assessed. We demonstrate that exogenous OA application decreases the input resistance of larval muscle fibers, increases the amplitude of excitatory junction potentials (EJPs), augments contraction force and duration, and at higher concentrations (10−5 and 10−4 M) affects muscle cells 12 and 13 more than muscle cells 6 and 7. Similarly, OA increases the force of synaptically driven contractions in a cell-specific manner. Moreover, such augmentation of contractile force persisted during direct muscle depolarization concurrent with synaptic block. OA elicited an even more profound effect on basal tonus. Application of 10−5 M OA increased synaptically driven contractions by ∼1.1 mN but gave rise to a 28-mN increase in basal tonus in the absence of synaptic activation. Augmentation of basal tonus exceeded any physiological stimulation paradigm and can potentially be explained by changes in intramuscular protein mechanics. Thus we provide evidence for independent but complementary effects of OA on chemical synapses and muscle contractility.

The action of octopamine on muscles of Drosophila melanogaster larvae

Octopamine (OA) and tyramine (TA) play important roles in homeostatic mechanisms, behavior, and modulation of neuromuscular junctions in arthropods. However, direct actions of these amines on muscle force production that are distinct from effects at the neuromuscular synapse have not been well studied. We utilize the technical benefits of the Drosophila larval preparation to distinguish the effects of OA and TA on the neuromuscular synapse from their effects on contractility of muscle cells. In contrast to the slight and often insignificant effects of TA, the action of OA was profound across all metrics assessed. We demonstrate that exogenous OA application decreases the input resistance of larval muscle fibers, increases the amplitude of excitatory junction potentials (EJPs), augments contraction force and duration, and at higher concentrations (10(-5) and 10(-4) M) affects muscle cells 12 and 13 more than muscle cells 6 and 7. Similarly, OA increases the force of synaptically driven contractions in a cell-specific manner. Moreover, such augmentation of contractile force persisted during direct muscle depolarization concurrent with synaptic block. OA elicited an even more profound effect on basal tonus. Application of 10(-5) M OA increased synaptically driven contractions by ≈ 1.1 mN but gave rise to a 28-mN increase in basal tonus in the absence of synaptic activation. Augmentation of basal tonus exceeded any physiological stimulation paradigm and can potentially be explained by changes in intramuscular protein mechanics. Thus we provide evidence for independent but complementary effects of OA on chemical synapses and muscle contractility.

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.

Mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de l’acide polysialique (PSA) dans le néocortex visuel des souris durant la maturation des synapses GABAergiques

Le fonctionnement du cortex cérébral nécessite l’action coordonnée de deux des sous-types majeurs de neurones, soient les neurones à projections glutamatergiques et les interneurones GABAergiques. Les interneurones GABAergiques ne constituent que 20 à 30% des cellules corticales par rapport au grand nombre de neurones glutamatergiques. Leur rôle est toutefois prépondérant puisqu’ils modulent fortement la dynamique et la plasticité des réseaux néocorticaux. Il n’est donc pas surprenant que les altérations de développement des circuits GABAergiques soient associées à plusieurs maladies du cerveau, incluant l’épilepsie, le syndrome de Rett et la schizophrénie. La compréhension des mécanismes moléculaires régissant le développement des circuits GABAergiques est une étape essentielle menant vers une meilleure compréhension de la façon dont les anormalités se produisent. Conséquemment, nous nous intéressons au rôle de l’acide polysialique (PSA) dans le développement des synapses GABAergiques. PSA est un homopolymère de chaînons polysialylés en α-2,8, et est exclusivement lié à la molécule d’adhésion aux cellules neuronales (NCAM) dans les cerveaux de mammifères. PSA est impliqué dans plusieurs processus développementaux, y compris la formation et la plasticité des synapses glutamatergiques, mais son rôle dans les réseaux GABAergiques reste à préciser. Les données générées dans le laboratoire du Dr. Di Cristo démontrent que PSA est fortement exprimé post- natalement dans le néocortex des rongeurs, que son abondance diminue au cours du développement, et, faits importants, que son expression dépend de l’activité visuelle i et est inversement corrélée à la maturation des synapses GABAergiques. La présente propose de caractériser les mécanismes moléculaires régulant l’expression de PSA dans le néocortex visuel de la souris. Les enzymes polysialyltransférases ST8SiaII (STX) et ST8SiaIV (PST) sont responsables de la formation de la chaîne de PSA sur NCAM. En contrôlant ainsi la quantité de PSA sur NCAM, ils influenceraient le développement des synapses GABAergiques. Mon projet consiste à déterminer comment l’expression des polysialyltransférases est régulée dans le néocortex visuel des souris durant la période post-natale; ces données sont à la fois inconnues, et cruciales. Nous utilisons un système de cultures organotypiques dont la maturation des synapses GABAergiques est comparable au modèle in vivo. L’analyse de l’expression génique par qPCR a démontré que l’expression des polysialyltransférases diminue au cours du développement; une baisse majeure corrélant avec l’ouverture des yeux chez la souris. Nous avons de plus illustré pour la première fois que l’expression de STX, et non celle de PST, est activité-dépendante, et que ce processus requiert l’activation du récepteur NMDA, une augmentation du niveau de calcium intracellulaire et la protéine kinase C (PKC). Ces données démontrent que STX est l’enzyme régulant préférentiellement le niveau de PSA sur NCAM au cours de la période post-natale dans le cortex visuel des souris. Des données préliminaires d’un second volet de notre investigation suggèrent que l’acétylation des histones et la méthylation de l’ADN pourraient également contribuer à la régulation de la transcription de cette enzyme durant le développement. Plus d’investigations seront toutefois nécessaires afin de confirmer cette hypothèse. En somme, la connaissance des mécanismes par lesquels l’expression des ii polysialyltransférases est modulée est essentielle à la compréhension du processus de maturation des synapses GABAergiques. Ceci permettrait de moduler pharmacologiquement l’expression de ces enzymes; la sur-expression de STX et/ou PST pourrait produire une plus grande quantité de PSA, déstabiliser les synapses GABAergiques, et conséquemment, ré-induire la plasticité cérébrale.

Rôles des protéines Staufen 1 et 2 dans la plasticité synaptique des cellules pyramidales hippocampiques

La mémoire et l’apprentissage sont des phénomènes complexes qui demeurent encore incertains quant aux origines cellulaire et moléculaire. Il est maintenant connu que des changements au niveau des synapses, comme la plasticité synaptique, pourraient déterminer la base cellulaire de la formation de la mémoire. Alors que la potentialisation à long-terme (LTP) représente un renforcement de l’efficacité de transmission synaptique, la dépression à long-terme (LTD) constitue une diminution de l’efficacité des connexions synaptiques. Des études ont mis à jour certains mécanismes qui participent à ce phénomène de plasticité synaptique, notamment, les mécanismes d’induction et d’expression, ainsi que les changements morphologiques des épines dendritiques. La grande majorité des synapses excitatrices glutamatergiques se situe au niveau des épines dendritiques et la présence de la machinerie traductionnelle près de ces protubérances suggère fortement l’existence d’une traduction locale d’ARNm. Ces ARNm seraient d’ailleurs acheminés dans les dendrites par des protéines pouvant lier les ARNm et assurer leur transport jusqu’aux synapses activées. Le rôle des protéines Staufen (Stau1 et Stau2) dans le transport, la localisation et dans la régulation de la traduction de certains ARNm est bien établi. Toutefois, leur rôle précis dans la plasticité synaptique demeure encore inconnu. Ainsi, cette thèse de doctorat évalue l’importance des protéines Staufen pour le transport et la régulation d’ARNm dans la plasticité synaptique. Nous avons identifié des fonctions spécifiques à chaque isoforme; Stau1 et Stau2 étant respectivement impliquées dans la late-LTP et la LTD dépendante des récepteurs mGluR. Cette spécificité s’applique également au rôle que chaque isoforme joue dans la morphogenèse des épines dendritiques, puisque Stau1 semble nécessaire au maintien des épines dendritiques matures, alors que Stau2 serait davantage impliquée dans le développement des épines. D’autre part, nos travaux ont permis de déterminer que la morphogenèse des épines dendritiques dépendante de Stau1 était régulée par une plasticité synaptique endogène dépendante des récepteurs NMDA. Finalement, nous avons précisé les mécanismes de régulation de l’ARNm de la Map1b par Stau2 et démontré l’importance de Stau2 pour la production et l’assemblage des granules contenant les transcrits de la Map1b nécessaires pour la LTD dépendante des mGluR. Les travaux de cette thèse démontrent les rôles spécifiques des protéines Stau1 et Stau2 dans la régulation de la plasticité synaptique par les protéines Stau1 et Stau2. Nos travaux ont permis d’approfondir les connaissances actuelles sur les mécanismes de régulation des ARNm par les protéines Staufen dans la plasticité synaptique. MOTS-CLÉS EN FRANÇAIS: Staufen, hippocampe, plasticité synaptique, granules d’ARN, traduction, épines dendritiques.

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.