Multi-dimensional classification of GABAergic interneurons with Bayesian network-modeled label uncertainty

Abstract Interneuron classification is an important and long-debated topic in neuroscience. A recent study provided a data set of digitally reconstructed interneurons classified by 42 leading neuroscientists according to a pragmatic classification scheme composed of five categorical variables, namely, of the interneuron type and four features of axonal morphology. From this data set we now learned a model which can classify interneurons, on the basis of their axonal morphometric parameters, into these five descriptive variables simultaneously. Because of differences in opinion among the neuroscientists, especially regarding neuronal type, for many interneurons we lacked a unique, agreed-upon classification, which we could use to guide model learning. Instead, we guided model learning with a probability distribution over the neuronal type and the axonal features, obtained, for each interneuron, from the neuroscientists’ classification choices. We conveniently encoded such probability distributions with Bayesian networks, calling them label Bayesian networks (LBNs), and developed a method to predict them. This method predicts an LBN by forming a probabilistic consensus among the LBNs of the interneurons most similar to the one being classified. We used 18 axonal morphometric parameters as predictor variables, 13 of which we introduce in this paper as quantitative counterparts to the categorical axonal features. We were able to accurately predict interneuronal LBNs. Furthermore, when extracting crisp (i.e., non-probabilistic) predictions from the predicted LBNs, our method outperformed related work on interneuron classification. Our results indicate that our method is adequate for multi-dimensional classification of interneurons with probabilistic labels. Moreover, the introduced morphometric parameters are good predictors of interneuron type and the four features of axonal morphology and thus may serve as objective counterparts to the subjective, categorical axonal features.

Multi-dimensional classification of GABAergic interneurons with Bayesian network-modeled label uncertainty

Interneuron classification is an important and long-debated topic in neuroscience. A recent study provided a data set of digitally reconstructed interneurons classified by 42 leading neuroscientists according to a pragmatic classification scheme composed of five categorical variables, namely, of the interneuron type and four features of axonal morphology. From this data set we now learned a model which can classify interneurons, on the basis of their axonal morphometric parameters, into these five descriptive variables simultaneously. Because of differences in opinion among the neuroscientists, especially regarding neuronal type, for many interneurons we lacked a unique, agreed-upon classification, which we could use to guide model learning. Instead, we guided model learning with a probability distribution over the neuronal type and the axonal features, obtained, for each interneuron, from the neuroscientists’ classification choices. We conveniently encoded such probability distributions with Bayesian networks, calling them label Bayesian networks (LBNs), and developed a method to predict them. This method predicts an LBN by forming a probabilistic consensus among the LBNs of the interneurons most similar to the one being classified. We used 18 axonal morphometric parameters as predictor variables, 13 of which we introduce in this paper as quantitative counterparts to the categorical axonal features. We were able to accurately predict interneuronal LBNs. Furthermore, when extracting crisp (i.e., non-probabilistic) predictions from the predicted LBNs, our method outperformed related work on interneuron classification. Our results indicate that our method is adequate for multi-dimensional classification of interneurons with probabilistic labels. Moreover, the introduced morphometric parameters are good predictors of interneuron type and the four features of axonal morphology and thus may serve as objective counterparts to the subjective, categorical axonal features.

Classifying GABAergic interneurons with semi-supervised projected model-based clustering

Objectives: A recently introduced pragmatic scheme promises to be a useful catalog of interneuron names.We sought to automatically classify digitally reconstructed interneuronal morphologies according tothis scheme. Simultaneously, we sought to discover possible subtypes of these types that might emergeduring automatic classification (clustering). We also investigated which morphometric properties weremost relevant for this classification.Materials and methods: A set of 118 digitally reconstructed interneuronal morphologies classified into thecommon basket (CB), horse-tail (HT), large basket (LB), and Martinotti (MA) interneuron types by 42 of theworld?s leading neuroscientists, quantified by five simple morphometric properties of the axon and fourof the dendrites. We labeled each neuron with the type most commonly assigned to it by the experts. Wethen removed this class information for each type separately, and applied semi-supervised clustering tothose cells (keeping the others? cluster membership fixed), to assess separation from other types and lookfor the formation of new groups (subtypes). We performed this same experiment unlabeling the cells oftwo types at a time, and of half the cells of a single type at a time. The clustering model is a finite mixtureof Gaussians which we adapted for the estimation of local (per-cluster) feature relevance. We performedthe described experiments on three different subsets of the data, formed according to how many expertsagreed on type membership: at least 18 experts (the full data set), at least 21 (73 neurons), and at least26 (47 neurons).Results: Interneurons with more reliable type labels were classified more accurately. We classified HTcells with 100% accuracy, MA cells with 73% accuracy, and CB and LB cells with 56% and 58% accuracy,respectively. We identified three subtypes of the MA type, one subtype of CB and LB types each, andno subtypes of HT (it was a single, homogeneous type). We got maximum (adapted) Silhouette widthand ARI values of 1, 0.83, 0.79, and 0.42, when unlabeling the HT, CB, LB, and MA types, respectively,confirming the quality of the formed cluster solutions. The subtypes identified when unlabeling a singletype also emerged when unlabeling two types at a time, confirming their validity. Axonal morphometricproperties were more relevant that dendritic ones, with the axonal polar histogram length in the [pi, 2pi) angle interval being particularly useful.Conclusions: The applied semi-supervised clustering method can accurately discriminate among CB, HT, LB, and MA interneuron types while discovering potential subtypes, and is therefore useful for neuronal classification. The discovery of potential subtypes suggests that some of these types are more heteroge-neous that previously thought. Finally, axonal variables seem to be more relevant than dendritic ones fordistinguishing among the CB, HT, LB, and MA interneuron types.

GABAergic inhibition in the fear conditioning circuit of the lateral amygdala is potentiated by dopamine D1 agonists

Auditory fear conditioning is dependent on auditory signaling from the medial geniculate (MGm) and the auditory cortex (TE3) to principal neurons of the lateral amygdala (LA). Local circuit GABAergic interneurons are known to inhibit LA principal neurons via fast and slow IPSP's. Stimulation of MGm and TE3 produces excitatory post-synaptic potentials in both LA principal and interneurons, followed by inhibitory post-synaptic potentials. Manipulations of D1 receptors in the lateral and basal amygdala modulate the retrieval of learned association between an auditory CS and foot shock. Here we examined the effects of D1 agonists on GABAergic IPSP's evoked by stimulation of MGm and TE3 afferents in vitro. Whole cell patch recordings were made from principal neurons of the LA, at room temperature, in coronal brain slices using standard methods. Stimulating electrodes were placed on the fiber tracts medial to the LA and at the external capsule/layer VI border dorsal to the LA to activate (0.1-0.2mA) MGm and TE3 afferents respectively. Neurons were held at -55.0 mV by positive current injection to measure the amplitude of the fast IPSP. Changes in input resistance and membrane potential were measured in the absence of current injection. Stimulation of MGm or TE3 afferents produced EPSP's in the majority of principal neurons and in some an EPSP/IPSP sequence. Stimulation of MGm afferents produced IPSP's with amplitudes of -2.30 ± 0.53 mV and stimulation of TE3 afferents produced IPSP's with amplitudes of -1.98 ± 1.26 mV. Bath application of 20μM SKF38393 increased IPSP amplitudes to -5.94 ± 1.62 mV (MGm, n=3) and-5.46 ± 0.31 mV (TE3, n=3). Maximal effect occurred <10mins. A small increase in resting membrane potential and decrease in input resistance were observed. These data suggest that DA modulates both the auditory thalamic and auditory cortical inputs to the LA fear conditioning circuit via local GABAergic circuits. Supported by NIMH Grants 00956, 46516, and 58911.

Simulating Effects of Learning and Lesions with a Model of Intrinsic and Synaptically Gated Responses of Striatal Cholinergic Interneurons

The giant cholinergic interneurons of the striatum are tonically active neurons (TANs) that respond with characteristic pauses to novel events and to appetitive and aversive conditioned stimuli. Fluctuations in acetylcholine release by TANs modulate performance- and learning-related dynamics in the striatum. Whereas tonic activity emerges from intrinsic properties of these neurons, glutamatergic inputs from thalamic centromedian-parafascicular nuclei, and dopaminergic inputs from midbrain, are required for the generation of pause responses. No prior computational models encompass both intrinsic and synaptically-gated dynamics. We present a mathematical model that robustly accounts for behavior-related electrophysiological properties of TANs in terms of their intrinsic physiological properties and known afferents. In the model, balanced intrinsic hyperpolarizing and depolarizing currents engender tonic firing, and glutamatergic inputs from thalamus (and cortex) both directly excite and indirectly inhibit TANs. If the latter inhibition, presumably mediated by GABAergic interneurons, exceeds a threshold, its effect is amplified by a KIR current to generate a prolonged pause. In the model, the intrinsic mechanisms and external inputs are both modulated by learning-dependent dopamine (DA) signals and our simulations revealed that many learning-dependent behaviors of TANs are explicable without recourse to learning-dependent changes in synapses onto TANs. The "teaching signal" that modulates reinforcement learning at cortico-striatal synapses may be a sequence composed of an adaptively scaled DA burst, a brief ACh burst, and a scaled ACh pause. Such an interpretation is consistent with recent data on cholinergic control of LTD of cortical synapses onto striatal spiny projection neurons.

Opioidergic, GABAergic and serotonergic neurotransmission in the dorsal raphe nucleus modulates tonic immobility in guinea pigs

Tonic immobility (TI) is an innate defensive behavior that can be elicited by physical restriction and postural inversion and is characterized by a profound and temporary state of akinesis. Our previous studies demonstrated that the stimulation of serotonin receptors in the dorsal raphe nucleus (DRN) appears to be biphasic during TI responses in guinea pigs (Cavia porcellus). Serotonin released by the DRN modulates behavioral responses and its release can occur through the action of different neurotransmitter systems, including the opioidergic and GABAergic systems. This study examines the role of opioidergic, GABAergic and serotonergic signaling in the DRN in TI defensive behavioral responses in guinea pigs. Microinjection of morphine (1.1 nmol) or bicuculline (0.5 nmol) into the DRN increased the duration of TI. The effect of morphine (1.1 nmol) was antagonized by pretreatment with naloxone (0.7 nmol), suggesting that the activation of pi opioid receptors in the DRN facilitates the TI response. By contrast, microinjection of muscimol (0.5 nmol) into the DRN decreased the duration of TI. However, a dose of muscimol (0.26 nmol) that alone did not affect TI, was sufficient to inhibit the effect of morphine (1.1 nmol) on TI, indicating that GABAergic and enkephalinergic neurons interact in the DRN. Microinjection of alpha-methyl-5-HT (1.6 nmol), a 5-HT2 agonist, into the DRN also increased TI. This effect was inhibited by the prior administration of naloxone (0.7 nmol). Microinjection of 8-OH-DPAT (1.3 nmol) also blocked the increase of TI promoted by morphine (1.1 nmol). Our results indicate that the opioidergic, GABAergic and serotonergic systems in the DRN are important for modulation of defensive behavioral responses of TI. Therefore, we suggest that opioid inhibition of GABAergic neurons results in disinhibition of serotonergic neurons and this is the mechanism by which opioids could enhance TI. Conversely, a decrease in TI could occur through the activation of GABAergic interneurons. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Creatine and neurotrophin-4/5 promote survival of nitric oxide synthase-expressing interneurons in striatal cultures

Nitric oxide (NO) mediates a variety of physiological functions in the central nervous system and acts as an important developmental regulator. Striatal interneurons expressing neuronal nitric oxide synthase (nNOS) have been described to be relatively spared from the progressive cell loss in Huntington's disease (HD). We have recently shown that creatine, which supports the phosphagen energy system, induces the differentiation of GABAergic cells in cultured striatal tissue. Moreover, neurotrophin-4/5 (NT-4/5) has been found to promote the survival and differentiation of cultured striatal neurons. In the present study, we assessed the effects of creatine and NT-4/5 on nNOS-immunoreactive (-ir) neurons of E14 rat ganglionic eminences grown for 1 week in culture. Chronic administration of creatine [5mM], NT-4/5 [10ng/ml], or a combination of both factors significantly increased numbers of nNOS-ir neurons. NT-4/5 exposure also robustly increased levels of nNOS protein. Interestingly, only NT-4/5 and combined treatment significantly increased general viability but no effects were seen for creatine supplementation alone. In addition, NT-4/5 and combined treatment resulted in a significant larger soma size and number of primary neurites of nNOS-ir neurons while creatine administration alone exerted no effects. Double-immunolabeling studies revealed that all nNOS-ir cells co-localized with GABA. In summary, our findings suggest that creatine and NT-4/5 affect differentiation and/or survival of striatal nNOS-ir GABAergic interneurons. These findings provide novel insights into the biology of developing striatal neurons and highlight the potential of both creatine and NT-4/5 as therapeutics for HD.

Cell-type specific alterations of cortical interneurons in schizophrenic patients

In the human brain, cortical GABAergic interneurons represent an important population of local circuit neurons responsible for the intrinsic modulation of neuronal information and have been supposed to be involved in the pathophysiology of schizophrenia. We conducted a quantitative study on the differentiated three-dimensional morphological structure of two types of parvalbumin-immunoreactive interneurons in the anterior cingulate cortex (ACC) of schizophrenic patients versus controls. While type A interneurons ('small bipolar cells') showed a significant reduction of their soma size in schizophrenics, type B interneurons ('small multipolar cells') of schizophrenic patients exhibited a marked decrease in the extent of their dendritic system. These results further support the assumption of a considerable significance of the ACC, an important limbic relay centre, for the etiopathogenesis of schizophrenic psychoses.

Operative GABAergic inhibition in hippocampal CA1 pyramidal neurons in experimental epilepsy

Patch–clamp recordings of CA1 interneurons and pyramidal cells were performed in hippocampal slices from kainate- or pilocarpine-treated rat models of temporal lobe epilepsy. We report that γ-aminobutyric acid (GABA)ergic inhibition in pyramidal neurons is still functional in temporal lobe epilepsy because: (i) the frequency of spontaneous GABAergic currents is similar to that of control and (ii) focal electrical stimulation of interneurons evokes a hyperpolarization that prevents the generation of action potentials. In paired recordings of interneurons and pyramidal cells, synchronous interictal activities were recorded. Furthermore, large network-driven GABAergic inhibitory postsynaptic currents were present in pyramidal cells during interictal discharges. The duration of these interictal discharges was increased by the GABA type A antagonist bicuculline. We conclude that GABAergic inhibition is still present and functional in these experimental models and that the principal defect of inhibition does not lie in a complete disconnection of GABAergic interneurons from their glutamatergic inputs.

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.

Quantification of the total neuronal structure of the fear conditioning circuit of the lateral amygdala of the rat

During Pavlovian auditory fear conditioning a previously neutral auditory stimulus (CS) gains emotional significance through pairing with a noxious unconditioned stimulus (US). These associations are believed to be formed by way of plasticity at auditory input synapses on principal neurons in the lateral nucleus of the amygdala (LA). In order to begin to understand how fear memories are stored and processed by synaptic changes in the LA, we have quantified both the entire neural number and the sub-cellular structure of LA principal neurons.We first used stereological cell counting methods on Gimsa or GABA immunostained rat brain. We identified 60,322+/-1408 neurons in the LA unilaterally (n=7). Of these 16,917+/-471 were GABA positive. The intercalated nuclei were excluded from the counts and thus GABA cells are believed to represent GABAergic interneurons. The sub-nuclei of the LA were also independently counted. We then quantified the morphometric properties of in vitro electrophysiologically identified principal neurons of the LA, corrected for shrinkage in xyz planes. The total dendritic length was 9.97+/-2.57mm, with 21+/-4 nodes (n=6). Dendritic spine density was 0.19+/-0.03 spines/um (n=6). Intra-LA axon collaterals had a bouton density of 0.1+/-0.02 boutons/um (n=5). These data begin to reveal the finite cellular and sub-cellular processing capacity of the lateral amygdala, and should facilitate efforts to understand mechanisms of plasticity in LA.

Plasticité intermodale chez le hamster énucléé à la naissance : Études de la distribution des interneurones CaBPir dans les cortex visuel et auditif primaires.

La période postnatale et l’expérience sensorielle sont critiques pour le développement du système visuel. Les interneurones inhibiteurs exprimant l’acide γ-aminobutyrique (GABA) jouent un rôle important dans le contrôle de l’activité neuronale, le raffinement et le traitement de l’information sensorielle qui parvient au cortex cérébral. Durant le développement, lorsque le cortex cérébral est très susceptible aux influences extrinsèques, le GABA agit dans la formation des périodes critiques de sensibilité ainsi que dans la plasticité dépendante de l’expérience. Ainsi, ce système inhibiteur servirait à ajuster le fonctionnement des aires sensorielles primaires selon les conditions spécifiques d’activité en provenance du milieu, des afférences corticales (thalamiques et autres) et de l’expérience sensorielle. Certaines études montrent que des différences dans la densité et la distribution de ces neurones inhibiteurs corticaux reflètent les caractéristiques fonctionnelles distinctes entre les différentes aires corticales. La Parvalbumine (PV), la Calretinine (CR) et la Calbindine (CB) sont des protéines chélatrices du calcium (calcium binding proteins ou CaBPs) localisées dans différentes sous-populations d’interneurones GABAergiques corticaux. Ces protéines tamponnent le calcium intracellulaire de sorte qu’elles peuvent moduler différemment plusieurs fonctions neuronales, notamment l’aspect temporel des potentiels d’action, la transmission synaptique et la potentialisation à long terme. Plusieurs études récentes montrent que les interneurones immunoréactifs (ir) aux CaBPs sont également très sensibles à l’expérience et à l’activité sensorielle durant le développement et chez l’adulte. Ainsi, ces neurones pourraient avoir un rôle crucial à jouer dans le phénomène de compensation ou de plasticité intermodale entre les cortex sensoriels primaires. Chez le hamster (Mesocricetus auratus), l’énucléation à la naissance fait en sorte que le cortex visuel primaire peut être recruté par les autres modalités sensorielles, telles que le toucher et l’audition. Suite à cette privation oculaire, il y a établissement de projections ectopiques permanentes entre les collicules inférieurs (CI) et le corps genouillé latéral (CGL). Ceci a pour effet d’acheminer l’information auditive vers le cortex visuel primaire (V1) durant le développement postnatal. À l’aide de ce modèle, l’objectif général de ce projet de thèse est d’étudier l’influence et le rôle de l’activité sensorielle sur la distribution et l’organisation des interneurones corticaux immunoréactifs aux CaBPs dans les aires sensorielles visuelle et auditive primaires du hamster adulte. Les changements dans l’expression des CaBPs ont été déterminés d’une manière quantitative en évaluant les profils de distribution laminaire de ces neurones révélés par immunohistochimie. Dans une première expérience, nous avons étudié la distribution laminaire des CaBPs dans les aires visuelle (V1) et auditive (A1) primaires chez le hamster normal adulte. Les neurones immunoréactifs à la PV et la CB, mais non à la CR, sont distribués différemment dans ces deux cortex primaires dédiés à une modalité sensorielle différente. Dans une deuxième étude, une comparaison a été effectuée entre des animaux contrôles et des hamsters énucléés à la naissance. Cette étude montre que le cortex visuel primaire de ces animaux adopte une chimioarchitecture en PV similaire à celle du cortex auditif. Nos recherches montrent donc qu’une suppression de l’activité visuelle à la naissance peut influencer l’expression des CaBPs dans l’aire V1 du hamster adulte. Ceci suggère également que le type d’activité des afférences en provenance d’autres modalités sensorielles peut moduler, en partie, une circuiterie corticale en CaBPs qui lui est propre dans le cortex hôte ou recruté. Ainsi, nos travaux appuient l’hypothèse selon laquelle il serait possible que certaines de ces sous-populations d’interneurones GABAergiques jouent un rôle crucial dans le phénomène de la plasticité intermodale.

Mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la régulation du développement des circuits d’interneurones GABAergiques dans le néocortex : rôle de la molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM)

Les interneurones GABAergiques constituent une population mineure de cellules par rapport aux neurones glutamatergiques dans le néocortex. Cependant ils contrôlent fortement l'excitabilité neuronale, la dynamique des réseaux neuronaux et la plasticité synaptique. L'importance des circuits GABAergiques dans le processus fonctionnel et la plasticité des réseaux corticaux est soulignée par des résultats récents qui montrent que des modifications très précises et fiables des circuits GABAergiques sont associées à divers troubles du développement neurologique et à des défauts dans les fonctions cérébrales. De ce fait, la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires impliquant le développement des circuits GABAergiques est la première étape vers une meilleure compréhension de la façon dont les anomalies de ces processus peuvent se produire. La molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM) appartient à la super-famille des immunoglobulines de reconnaissance cellulaire et est impliquée dans des interactions homophiliques et hétérophiliques avec d’autres molécules. Même si plusieurs rôles de NCAM ont été démontrés dans la croissance neuronale, la fasciculation axonale, la formation et la maturation de synapses, de même que dans la plasticité cellulaire de plusieurs systèmes, le rôle de NCAM dans la formation des synapses GABAergiques reste inconnu. Ce projet visait donc à déterminer le rôle précis de NCAM dans le processus de maturation des synapses GABAergiques dans le néocortex, en modulant son expression à différentes étapes du développement. L’approche choisie a été de supprimer NCAM dans des cellules GABAergiques à paniers avant la maturation des synapses (EP12-18), pendant la maturation (EP16-24), ou durant le maintien de celles-ci (EP24-32). Les méthodes utilisées ont été le clonage moléculaire, l’imagerie confocale, la culture de coupes organotypiques et des techniques morphométriques de quantification de l’innervation GABAergique. Nos résultats montrent que l’inactivation de NCAM durant la phase de maturation des synapses périsomatiques (EP16-24) cause une réduction du nombre de synapses GABAergiques périsomatiques et du branchement de ces axones. En revanche, durant la phase de maintien (EP26-32), l’inactivation de NCAM n’a pas affecté ces paramètres des synapses GABAergiques. Or, il existe trois isoformes de NCAM (NCAM120, 140 et 180) qui pourraient jouer des rôles différents dans les divers types cellulaires ou à des stades développementaux différents. Nos données montrent que NCAM120 et 140 sont nécessaires à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Cependant, NCAM180, qui est l’isoforme la plus étudiée et caractérisée, ne semble pas être impliquée dans ce processus. De plus, l’inactivation de NCAM n’a pas affecté la densité des épines dendritiques ou leur longueur. Elle est donc spécifique aux synapses périsomatiques GABAeriques. Finalement, nos résultats suggèrent que le domaine conservé C-terminal KENESKA est essentiel à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Des expériences futures nous aiderons à mieux comprendre la mécanistique et les différentes voies de signalisation impliquées.

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.