Localization of alpha type II calcium calmodulin-dependent protein kinase at glutamatergic but not gamma-aminobutyric acid (GABAergic) synapses in thalamus and cerebral cortex.

The alpha subunit of type II calcium/calmodulin-dependent protein kinase (CAM II kinase-alpha) plays an important role in longterm synaptic plasticity. We applied preembedding immunocytochemistry (for CAM II kinase-alpha) and postembedding immunogold labeling [for glutamate or gamma-aminobutyric acid (GABA)] to explore the subcellular relationships between transmitter-defined axon terminals and the kinase at excitatory and inhibitory synapses in thalamus and cerebral cortex. Many (but not all) axon terminals ending in asymmetric synapses contained presynaptic CAM II kinase-alpha immunoreactivity; GABAergic terminals ending in symmetric synapses did not. Postsynaptically, CAM II kinase-alpha immunoreactivity was associated with postsynaptic densities of many (but not all) glutamatergic axon terminals ending on excitatory neurons. CAM II kinase-alpha immunoreactivity was absent at postsynaptic densities of all GABAergic synapses. The findings show that CAM II kinase-alpha is selectively expressed in subpopulations of excitatory neurons and, to our knowledge, demonstrate for the first time that it is only associated with glutamatergic terminals pre- and postsynaptically. CAM II kinase-alpha is unlikely to play a role in plasticity at GABAergic synapses.

Functional characterization of GABAergic pallidopallidal and striatopallidal synapses in the rat globus pallidus in vitro

As a central integrator of basal ganglia function, the external segment of the globus pallidus (GP) plays a critical role in the control of voluntary movement. Driven by intrinsic mechanisms and excitatory glutamatergic inputs from the subthalamic nucleus, GP neurons receive GABAergic inhibitory input from the striatum (Str-GP) and from local collaterals of neighbouring pallidal neurons (GP-GP). Here we provide electrophysiological evidence for functional differences between these two inhibitory inputs. The basic synaptic characteristics of GP-GP and Str-GP GABAergic synapses were studied using whole-cell recordings with paired-pulse and train stimulation protocols and variance-mean (VM) analysis. We found (i) IPSC kinetics are consistent with local collaterals innervating the soma and proximal dendrites of GP neurons whereas striatal inputs innervate more distal regions. (ii) Compared to GP-GP synapses Str-GP synapses have a greater paired-pulse ratio, indicative of a lower probability of release. This was confirmed using VM analysis. (iii) In response to 20 and 50 Hz train stimulation, GP-GP synapses are weakly facilitatory in 1 mm external calcium and depressant in 2.4 mm calcium. This is in contrast to Str-GP synapses which display facilitation under both conditions. This is the first quantitative study comparing the properties of GP-GP and Str-GP synapses. The results are consistent with the differential location of these inhibitory synapses and subtle differences in their release probability which underpin stable GP-GP responses and robust short-term facilitation of Str-GP responses. These fundamental differences may provide the physiological basis for functional specialization.

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.

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

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

ESPINA: a tool for the automated segmentation and counting of synapses in large stacks of electron microscopy images

The synapses in the cerebral cortex can be classified into two main types, Gray’s type I and type II, which correspond to asymmetric (mostly glutamatergic excitatory) and symmetric (inhibitory GABAergic) synapses, respectively. Hence, the quantification and identification of their different types and the proportions in which they are found, is extraordinarily important in terms of brain function. The ideal approach to calculate the number of synapses per unit volume is to analyze 3D samples reconstructed from serial sections. However, obtaining serial sections by transmission electron microscopy is an extremely time consuming and technically demanding task. Using focused ion beam/scanning electron microscope microscopy, we recently showed that virtually all synapses can be accurately identified as asymmetric or symmetric synapses when they are visualized, reconstructed, and quantified from large 3D tissue samples obtained in an automated manner. Nevertheless, the analysis, segmentation, and quantification of synapses is still a labor intensive procedure. Thus, novel solutions are currently necessary to deal with the large volume of data that is being generated by automated 3D electron microscopy. Accordingly, we have developed ESPINA, a software tool that performs the automated segmentation and counting of synapses in a reconstructed 3D volume of the cerebral cortex, and that greatly facilitates and accelerates these processes.

Glycinergic and GABAergic synaptic activity differentially regulate motoneuron survival and skeletal muscle innervation

GABAergic and glycinergic synaptic transmission is proposed to promote the maturation and refinement of the developing CNS. Here we provide morphological and functional evidence that glycinergic and GABAergic synapses control motoneuron development in a region-specific manner during programmed cell death. In gephyrin-deficient mice that lack all postsynaptic glycine receptor and some GABA(A) receptor clusters, there was increased spontaneous respiratory motor activity, reduced respiratory motoneuron survival, and decreased innervation of the diaphragm. In contrast, limb-innervating motoneurons showed decreased spontaneous activity, increased survival, and increased innervation of their target muscles. Both GABA and glycine increased limb-innervating motoneuron activity and decreased respiratory motoneuron activity in wild-type mice, but only glycine responses were abolished in gephyrin-deficient mice. Our results provide genetic evidence that the development of glycinergic and GABAergic synaptic inputs onto motoneurons plays an important role in the survival, axonal branching, and spontaneous activity of motoneurons in developing mammalian embryos.

Altered inhibitory synaptic transmission in superficial dorsal horn neurones in spastic and oscillator mice

The spastic (spa) and oscillator (ot) mouse have naturally occurring mutations in the inhibitory glycine receptor (GlyR) and exhibit severe motor disturbances when exposed to unexpected sensory stimuli. We examined the effects of the spa and ot mutations on GlyR- and GABA(A)R-mediated synaptic transmission in the superficial dorsal horn (SFDH), a spinal cord region where inhibition is important for nociceptive processing. Spontaneous mIPSCs were recorded from visually identified neurones in parasagittal spinal cord slices. Neurones received exclusively GABA(A)R-mediated mIPSCs, exclusively GlyR-mediated mIPSCs or both types of mIPSCs. In control mice (wild-type and spa/+) over 40 % of neurones received both types of mIPSCs, over 30 % received solely GABA(A)R-mediated mIPSCs and the remainder received solely GlyR-mediated mIPSCs. In spa/spa animals, 97 % of the neurones received exclusively GABA(A)ergic or both types of mIPSCs. In ot/ot animals, over 80 % of the neurones received exclusively GABA(A)R-mediated mIPSCs. GlyR-mediated mIPSC amplitude and charge were reduced in spa/spa and ot/ot animals. GABA,Rmediated mIPSC amplitude and charge were elevated in spa/spa but unaltered in ot/ot animals. GlyR- and GABA(A)R-mediated mIPSC decay times were similar for all genotypes, consistent with the mutations altering receptor numbers but not kinetics. These findings suggest the spastic and oscillator mutations, traditionally considered motor disturbances, also disrupt inhibition in a sensory region associated with nociceptive transmission. Furthermore, the spastic mutation results in a compensatory increase in GABA(A)ergic transmission in SFDH neurones, a form of inhibitory synaptic plasticity absent in the oscillator mouse.

Inhibitory network interactions shape the auditory processing of natural communication signals in the songbird auditory forebrain

The role of GABA in the central processing of complex auditory signals is not fully understood. We have studied the involvement of GABA(A)-mediated inhibition in the processing of birdsong, a learned vocal communication signal requiring intact hearing for its development and maintenance. We focused on caudomedial nidopallium (NCM), an area analogous to parts of the mammalian auditory cortex with selective responses to birdsong. We present evidence that GABA(A)-mediated inhibition plays a pronounced role in NCM`s auditory processing of birdsong. Using immunocytochemistry, we show that approximately half of NCM`s neurons are GABAergic. Whole cell patch-clamp recordings in a slice preparation demonstrate that, at rest, spontaneously active GABAergic synapses inhibit excitatory inputs onto NCM neurons via GABA(A) receptors. Multi-electrode electrophysiological recordings in awake birds show that local blockade of GABA(A)-mediated inhibition in NCM markedly affects the temporal pattern of song-evoked responses in NCM without modifications in frequency tuning. Surprisingly, this blockade increases the phasic and largely suppresses the tonic response component, reflecting dynamic relationships of inhibitory networks that could include disinhibition. Thus processing of learned natural communication sounds in songbirds, and possibly other vocal learners, may depend on complex interactions of inhibitory networks.

Neurophysiologic and proteomic investigations of experience-dependent plasticity in the somatosensory cortex of the adult mouse following chronic whisker stimulation

RESUME Les follicules des vibrisses des rongeurs sont représentés sous la forme d'une carte topographique dans le cortex à tonneaux. Lorsque un groupe de vibrisses est coupé pendant plusieurs jours chez un rongeur adulte, en laissant les autres vibrisses intactes, le champ réceptif des neurones du cortex à tonneaux est modifié, ce qui démontre que les cartes corticales sont plastiques. Dans notre étude, une expérience sensorielle a été induite chez une souris adulte se comportant librement en stimulant chroniquement une de ses vibrisses pendant 24h. Par une analyse des potentiels de champ locaux, nous démontrons que les caractéristiques spatiotemporelles du flux d'excitation évoqué par la vibrisse principale (VP) dans la colonne corticale correspondante à la vibrisse stimulée n'est pas altéré. Par contre, l'enregistrement des potentiels d'actions d'un total de 1041 neurones à travers le cortex à tonneaux révèlent plusieurs modifications de l'activité neuronale. L'activité spontanée ainsi que la réponse évoquée par la VP sont déprimées dans la colonne corticale stimulée (nombre moyen de potentiels d'action évoqués par la VP diminue de 25 % et 36% dans la couche IV et les couches II&III). La réponse des neurones à la vibrisse stimulée diminue également dans les colonnes corticales adjacentes, «non-stimulées». La dépression de l'activité spontanée et de la réponse à la VP est localisée à la colonne corticale stimulée. Dans le tonneau stimulé, la première partie de la réponse à la VP n'est pas affaiblie, démontrant que la dépression de la réponse n'est pas due à un phénomène de plasticité sous-corticale ou thalamocorticale. La stimulation chronique d'une vibrisse entraîne une augmentation du nombre de synapses GABAergiques dans la couche IV du tonneau correspondant (Knott et al, 2002). Dès lors, nos résultats suggèrent qu'une augmentation de l'inhibition dans le tonneau stimulé serait à l'origine de la diminution des potentiels d'action évoqués par la vibrisse stimulée et en conséquence de l'amplitude du flux d'excitation vers les couches II&III puis vers les colonnes corticales adjacentes. Toutes les réponses des neurones du tonneau stimulé ne sont pas déprimées. Les réponses des neurones à la vibrisse voisine caudale à VP diminuent dans la couche IV (42%) et dans les couches II&III (52%) mais pas les réponses aux 7 autres vibrisses voisines. Les entrées synaptiques en provenance de la vibrisse caudale pourraient avoir été spécifiquement déprimées en raison d'une décorrélation prolongée entre l'activité évoquée dans les chemins sensoriels relatifs à la vibrisse stimulée et à la vibrisse caudale, spécificité qui découlerait du fait que, parmi les vibrisses voisines à la VP, la vibrisse caudale génère les réponses les plus fortes dans la colonne corticale. Quatre jours après l'arrêt de la stimulation, l'activité neuronale n'est plus déprimée; au contraire, nous observons une potentiation des réponses à la VP dans la couche IV de la colonne corticale stimulée. De plus, nous montrons que l'expression des protéines GLT-1 et GLAST, deux transporteurs astrocytaires du glutamate, est augmentée de ~2.5 fois dans la colonne corticale stimulée, indiquant l'existence d'une «plasticité gliale» et suggérant que les cellules gliales participent activement à l'adaptation du cerveau à l'expérience. ABSTRACT In the barrel cortex, mystacial whisker follicles are represented in the form of a topographie map. The selective removal of a set of whiskers while sparing others for several days in an adult rodent alters receptive field of barrel cortex neurons, demonstrating experience-dependent plasticity of cortical maps. Here sensory experience was altered by chronic stimulation of a whisker for a 24h period in a freely behaving adult mouse. By means of an evoked local field potential analysis, we show that chronic stimulation does not alter the flow of excitation evoked by the principal whisker (PW) in the stimulated barrel column. However, the recording of neuronal firing from a total of 1041 single units throughout the barrel cortex reveals several changes in neuronal activity. Immediately after chronic stimulation, spontaneous activity as well as PW-responses are depressed in the stimulated barrel column (mean number of spikes per PW-deflection decreases by 25% and 36% in layer IV and layers II&III, respectively). Neuronal responses towards the chronically stimulated whisker are also significantly depressed in layers II&III of the adjacent "non-stimulated" barrel' columns. The depression of both spontaneous activity and PW-responses are restricted to the stimulated ban-el column. The earliest time epoch of the PW-response in the stimulated barrel is not depressed, demonstrating that the decrease of cortical responses is not due to subcortical or thalamocortical plasticity. The depression of PW-response in the stimulated barrel correlates with an increase in the number of GABAergic synapses in layer IV (Knott et al., 2002). Therefore, our results suggest that an increase in inhibition within the stimulated barrel may reduce its excitatory output and accordingly the flow of excitation towards layers and the subsequent horizontal spread into adjacent barrel columns. Not all responses of neurons in the stimulated barrel are depressed. Neuronal responses towards the caudal in-row whisker decrease by 42% in layer IV and 52% in layers MM but responses to the other 7 immediate surround whiskers (SWs) are not affected. The synaptic inputs from the SW that elicit the strongest responses in the stimulated barrel may have been specifically depressed following a prolonged period of diminished coherence between neuronal activity evoked in the pathways from the chronically stimulated whisker and from its surrounding in-row whisker. Four days after the cessation of the stimulation, depression of neuronal activity is no longer present; on the contrary, we observe a small but significant potentiation of PW-responses in layer IV of the stimulated barrel column. Moreover we show that the expression of astrocytic glutamate transporters GLT-1 and GLAST proteins were both upregulated by ~2.5 fold in the stimulated barrel column, which indicates that glial cells exhibit experience-dependent functional changes and could actively take part in the adaptation of the cerebral cortex to experience.

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.

Nerve terminal GABAA receptors activate Ca2+/calmodulin-dependent signaling to inhibit voltage-gated Ca2+ influx and glutamate release

-Aminobutyric acid type A (GABAA) receptors, a family of Cl-permeable ion channels, mediate fast synaptic inhibition as postsynaptically enriched receptors for -aminobutyric acid at GABAergic synapses. Here we describe an alternative type of inhibition mediated byGABAA receptors present on neocortical glutamatergic nerve terminals and examine the underlying signaling mechanism(s). By monitoring the activity of the presynaptic CaM kinase II/synapsin I signaling pathway in isolated nerve terminals, we demonstrate that GABAA receptor activation correlated with an increase in basal intraterminal [Ca2]i. Interestingly, this activation of GABAA receptors resulted in a reduction of subsequent depolarization-evoked Ca2 influx, which thereby led to an inhibition of glutamate release. To investigate how the observed GABAA receptor-mediated modulation operates, we determined the sensitivity of this process to the Na-K-2Cl cotransporter 1 antagonist bumetanide, as well as substitution of Ca2 with Ba2, or Ca2/calmodulin inhibition by W7. All of these treatments abolished the modulation by GABAA receptors. Application of selective antagonists of voltage-gated Ca2 channels (VGCCs) revealed that the GABAA receptor-mediated modulation of glutamate release required the specific activity of L- and R-type VGCCs. Crucially, the inhibition of release by these receptors was abolished in terminals isolated from R-type VGCC knock-out mice. Together, our results indicate that a functional coupling between nerve terminal GABAA receptors and L- or R-type VGCCs is mediated by Ca2/calmodulin-dependent signaling. This mechanism provides a GABA-mediated control of glutamatergic synaptic activity by a direct inhibition of glutamate release.

Role of the calcium-binding protein parvalbumin in short-term synaptic plasticity

GABAergic (GABA = γ-aminobutyric acid) neurons from different brain regions contain high levels of parvalbumin, both in their soma and in their neurites. Parvalbumin is a slow Ca2+ buffer that may affect the amplitude and time course of intracellular Ca2+ transients in terminals after an action potential, and hence may regulate short-term synaptic plasticity. To test this possibility, we have applied paired-pulse stimulations (with 30- to 300-ms intervals) at GABAergic synapses between interneurons and Purkinje cells, both in wild-type (PV+/+) mice and in parvalbumin knockout (PV−/−) mice. We observed paired-pulse depression in PV+/+ mice, but paired-pulse facilitation in PV−/− mice. In paired recordings of connected interneuron-Purkinje cells, dialysis of the presynaptic interneuron with the slow Ca2+ buffer EGTA (1 mM) rescues paired-pulse depression in PV−/− mice. These data show that parvalbumin potently modulates short-term synaptic plasticity.

Differential synaptic localization of two major gamma-aminobutyric acid type A receptor alpha subunits on hippocampal pyramidal cells.

Hippocampal pyramidal cells, receiving domain specific GABAergic inputs, express up to 10 different subunits of the gamma-aminobutyric acid type A (GABAA) receptor, but only 3 different subunits are needed to form a functional pentameric channel. We have tested the hypothesis that some subunits are selectively located at subsets of GABAergic synapses. The alpha 1 subunit has been found in most GABAergic synapses on all postsynaptic domains of pyramidal cells. In contrast, the alpha 2 subunit was located only in a subset of synapses on the somata and dendrites, but in most synapses on axon initial segments innervated by axo-axonic cells. The results demonstrate that molecular specialization in the composition of postsynaptic GABAA receptor subunits parallels GABAergic cell specialization in targeting synapses to a specific domain of postsynaptic cortical neurons.

Contrasting the functional properties of GABAergic axon terminals with single and multiple synapses in the thalamus

Diverse sources of GABAergic inhibition are a major feature of cortical networks, but distinct inhibitory input systems have not been systematically characterized in the thalamus. Here, we contrasted the properties of two independent GABAergic pathways in the posterior thalamic nucleus of rat, one input from the reticular thalamic nucleus (nRT), and one "extrareticular" input from the anterior pretectal nucleus (APT). The vast majority of nRT-thalamic terminals formed single synapses per postsynaptic target and innervated thin distal dendrites of relay cells. In contrast, single APT-thalamic terminals formed synaptic contacts exclusively via multiple, closely spaced synapses on thick relay cell dendrites. Quantal analysis demonstrated that the two inputs displayed comparable quantal amplitudes, release probabilities, and multiple release sites. The morphological and physiological data together indicated multiple, single-site contacts for nRT and multisite contacts for APT axons. The contrasting synaptic arrangements of the two pathways were paralleled by different short-term plasticities. The multisite APT-thalamic pathway showed larger charge transfer during 50-100 Hz stimulation compared with the nRT pathway and a greater persistent inhibition accruing during stimulation trains. Our results demonstrate that the two inhibitory systems are morpho-functionally distinct and suggest and that multisite GABAergic terminals are tailored for maintained synaptic inhibition even at high presynaptic firing rates. These data explain the efficacy of extrareticular inhibition in timing relay cell activity in sensory and motor thalamic nuclei. Finally, based on the classic nomenclature and the difference between reticular and extrareticular terminals, we define a novel, multisite GABAergic terminal type (F3) in the thalamus.

Pathway-specific targeting of GAB(A) a receptor subtypes to somatic and dendritic synapses in the central amygdala

Neurons in the central amygdala express two distinct types of ionotropic GABA receptor. One is the classical GABA(A) receptor that is blocked by low concentrations of bicuculline and positively modulated by benzodiazepines. The other is a novel type of ionotropic GABA receptor that is less sensitive to bicuculline but blocked by the GABA(C) receptor antagonist (1,2,5,6-tetrohydropyridine-4-yl) methylphosphinic acid (TPMPA) and by benzodiazepines. In this study, we examine the distribution of these two receptor types. Recordings of GABAergic miniature inhibitory postsynaptic currents (mIPSCs) showed a wide variation in amplitude. Most events had amplitudes of 100 pA. Large-amplitude events also had rise times faster than small-amplitude events. Large-amplitude events were fully blocked by 10 muM bicuculline but unaffected by TPMPA. Small amplitude events were partially blocked by both bicuculline and TPMPA. Focal application of hypertonic sucrose to the soma evoked large-amplitude mIPSCs, whereas focal dendritic application of sucrose evoked small-amplitude mIPSCs. Thus inhibitory synapses on the dendrites of neurons in the central amygdala express both types of GABA receptor, but somatic synapses expressed purely GABA(A) receptors. Minimal stimulation revealed that inhibitory inputs arising from the laterally located intercalated cells innervate dendritic synapses, whereas inhibitory inputs of medial origin innervated somatic inhibitory synapses. These results show that different types of ionotropic GABA receptors are targeted to spatially and functionally distinct synapses. Thus benzodiazepines will have different modulatory effects on different inhibitory pathways in the central amygdala.