Huntingtin is required for normal excitatory synapse development in cortical and striatal circuits.

Huntington's disease (HD) is a neurodegenerative disease caused by the expansion of a poly-glutamine (poly-Q) stretch in the huntingtin (Htt) protein. Gain-of-function effects of mutant Htt have been extensively investigated as the major driver of neurodegeneration in HD. However, loss-of-function effects of poly-Q mutations recently emerged as potential drivers of disease pathophysiology. Early synaptic problems in the excitatory cortical and striatal connections have been reported in HD, but the role of Htt protein in synaptic connectivity was unknown. Therefore, we investigated the role of Htt in synaptic connectivity in vivo by conditionally silencing Htt in the developing mouse cortex. When cortical Htt function was silenced, cortical and striatal excitatory synapses formed and matured at an accelerated pace through postnatal day 21 (P21). This exuberant synaptic connectivity was lost over time in the cortex, resulting in the deterioration of synapses by 5 weeks. Synaptic decline in the cortex was accompanied with layer- and region-specific reactive gliosis without cell loss. To determine whether the disease-causing poly-Q mutation in Htt affects synapse development, we next investigated the synaptic connectivity in a full-length knock-in mouse model of HD, the zQ175 mouse. Similar to the cortical conditional knock-outs, we found excessive excitatory synapse formation and maturation in the cortices of P21 zQ175, which was lost by 5 weeks. Together, our findings reveal that cortical Htt is required for the correct establishment of cortical and striatal excitatory circuits, and this function of Htt is lost when the mutant Htt is present.

Role of the cotransporter KCC2 in cortical excitatory synapse development and febrile seizure susceptibility

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique.

Role of the cotransporter KCC2 in cortical excitatory synapse development and febrile seizure susceptibility

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique.

Structural and functional roles of KCC2 in developing cortex

Cation chloride cotransporters (CCCs) are critical for controlling intracellular chloride homeostasis. The CCC family is composed of four isoforms of K-Cl cotransporters (KCC1-4), two isoforms of Na-K-2Cl cotransporters (NKCC1-2), one Na-Cl cotransporter (NCC) and two the structurally related proteins with unknown function, CCC8 also known as cation-chloride cotransporter interaction protein, CIP, and CCC9. KCC2 is a neuron-specific isoform, which plays a prominent role in controlling the intracellular Cl- concentration in neurons and is responsible for producing the negative shift of GABAA responses from depolarizing to hyperpolarizing during neuronal maturation. In the present studies we first used in situ hybridization to examine the developmental expression patterns of the cation-chloride cotransporters KCC1-4 and NKCC1. We found that they display complementary expression patterns during embryonic brain development. Most interestingly, KCC2 expression in the embryonic central nervous system strictly follows neuronal maturation. In vitro data obtained from primary and organotypic neuronal cultures support this finding and revealed a temporal correlation between the expression of KCC2 and synaptogenesis. We found that KCC2 is highly expressed in filopodia and mature spines as well as dendritic shaft and investigated the role of KCC2 in spine formation by analyzing KCC2-/- neurons in vitro. Our studies revealed that KCC2 is a key factor in the maturation of dendritic spines. Interestingly, the effect of KCC2 in spine formation is not due to Cl- transport activity, but mediated through the interaction between KCC2 C-terminal and intracellular protein associated with cytoskeleton. The interacting protein we found is protein 4.1N by immunoprecipitation. Our results indicate a structural role for KCC2 in the development of functional glutamatergic synapses and suggest KCC2 as a synchronizer for the functional development of glutamatergic and GABAergic synapses in neuronal network. Studies on the regulatory mechanisms of KCC2 expression during development and plasticity revealed that synaptic activity of both the glutamatergic and GABAergic system is not required for up-regulation of KCC2 during development, whereas in acute mature hippocampal slices which undergo continuous synchronous activity induced by the absence of Mg2+ solution, KCC2 mRNA and protein expression were down-regulated in CA1 pyramidal neurons subsequently leading to a reduced capacity for neuronal Cl- extrusion. This effect is mediated by endogenous BDNF-TrkB down-stream cascades involving both Shc/FRS-2 and PLCγ-CREB signaling. BDNF mediated changes in KCC2 expression indicate that KCC2 is significantly involved in the complex mechanisms of neuronal plasticity during development and pathophysiological conditions.

Étude du système dopaminergique pré- et postsynaptique : régulation de l'autorécepteur D2 par la neurotensine et formation des synapses excitatrices dans le striatum

La dopamine (DA) est un neurotransmetteur impliqué dans la modulation de fonctions essentielles du cerveau telles que le contrôle des mouvements volontaires, le système de récompense et certains aspects de la cognition. Depuis sa découverte, la DA a attiré énormément d'attention scientifique en partie à cause des pathologies majeures associées aux dysfonctions du système DAergique, comme la maladie de Parkinson, la schizophrénie et la toxicomanie. On retrouve la majorité des neurones qui synthétisent la DA au niveau du mésencéphale ventral, dans les noyaux de la substance noire compacte (SNc) et de l'aire tegmentaire ventrale (ATV). Ces neurones projettent leurs axones dans un très dense réseau de fibres qui s'organisent en trois voies DAergiques classiques: la voie nigrostriée, la voie mésolimbique et la voie mésocorticale. La transmission DAergique s'effectue par l'activation de récepteurs de la DA qui font partie de la grande famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs). Les récepteurs de la DA sont abondamment exprimés aussi bien par les neurones DAergiques que par les neurones des régions cibles, ce qui implique que la compréhension de la signalisation et des fonctions particulières des récepteurs de la DA pré- et postsynaptiques représente un enjeu crucial dans l'étude du système DAergique. Cette thèse de doctorat se sépare donc en deux volets distincts: le premier s'intéresse à la régulation du récepteur D2 présynaptique par la neurotensine (NT), un neuropeptide intimement lié à la modulation du système DAergique; le deuxième s'intéresse au côté postsynaptique du système DAergique, plus particulièrement à la ségrégation de l'expression des récepteurs de la DA dans le striatum et aux fonctions de ces récepteurs dans l'établissement des circuits neuronaux excitateurs prenant place dans cette région. Dans la première partie de cette thèse, nous démontrons que l'activation du récepteur à haute affinité de la NT, le NTR1, provoque une internalisation hétérologue du récepteur D2, avec une amplitude et une cinétique différente selon l'isoforme D2 observé. Cette internalisation hétérologue dépend de la protéine kinase C (PKC), et nous montrons que la surexpression d'un récepteur D2 muté sur des sites de phosphorylation par la PKC ii ainsi que l'inhibition de l'expression de β-arrestine1 par ARNs interférents dans des neurones DAergiques bloquent complètement l'interaction fonctionnelle entre le NTR1 et le D2. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous démontrons d'abord que la ségrégation de l'expression des récepteurs D1 et D2 dans le striatum est déjà bien établie dès le 18e jour embryonnaire, bien qu'elle progresse encore significativement aux jours 0 et 14 postnataux. Nos résultats témoignent aussi d'un maintien complet de cette ségrégation lorsque les neurones striataux sont mis en culture aussi bien en présence ou en absence de neurones corticaux et/ou mésencéphaliques. Ensuite, nous montrons que la présence de neurones mésencéphaliques stimule la formation d’épines et de synapses excitatrices sur les neurones striataux épineux exprimant le récepteur D2 (MSN-D2). Le co-phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques semble nécessaire à une grande partie de cet effet. Par ailleurs, le nombre total de terminaisons excitatrices formées sur les MSN-D2 par les neurones corticaux et mésencéphaliques apparaît être régit par un équilibre dynamique. Finalement, nous démontrons que le blocage de la signalisation des récepteurs D1 et D2 de la DA n'est pas nécessaire pour la formation des synapses excitatrices des MSN-D2, alors que l'antagonisme des récepteurs glutamatergiques ionotropes diminue la densité d'épines dendritiques et contrôle de façon opposée le nombre de terminaisons excitatrices corticales et mésencéphaliques. Globalement, ce travail représente une contribution significative pour une meilleure compréhension du fonctionnement normal du système DAergique. Ces découvertes sont susceptibles d’être utiles pour mieux comprendre les dysfonctions de ce système dans le cadre de pathologies du cerveau comme la maladie de Parkinson.

Localisation régionale et subcellulaire du récepteur EphA7 dans l'hippocampe et le cervelet du rat adulte

EphA7 est un membre de la famille des récepteurs à tyrosine kinase, Eph, qui assume plusieurs rôles durant le développement du système nerveux central. Par ailleurs, il continue d’être fortement exprimé dans le cerveau adulte, notamment dans les régions reconnues pour leur grande plasticité synaptique, telles que l’hippocampe et le cervelet. Par hybridation in situ, nous avons cartographié la distribution de l’ARNm d’EphA7 dans le cerveau de rats et souris adultes. Les couches pyramidales du CA1 et CA3 et granulaire du gyrus dentelé de la formation de l’hippocampe ont montré le plus fort marquage. Un niveau d’ARNm d’EphA7 plus modéré a été observé dans l’habenula, le striatum, l’amygdale, le cervelet et le cortex cingulaire, piriforme et entorhinal. Quant à la protéine détectée par immunohistochimie, elle était fortement exprimée dans le neuropile de l’hippocampe et la couche des cellules de Purkinje du cervelet. En microscopie électronique, dans toutes les couches de l’hippocampe et du cervelet examinées, des épines dendritiques, des dendrites, des axones non-myélinisés, des terminaisons axonales et quelquefois des prolongements astrocytaires constituaient les éléments immunopositifs. Comme on pouvait déjà le voir en microscopie photonique, les corps cellulaires des cellules pyramidales et granulaires de l’hippocampe ainsi que des cellules de Purkinje du cervelet montraient aussi du marquage, surtout intracellulaire. L’analyse quantitative a révélé la localisation préférentielle d’EphA7 dans des dendrites et épines dendritiques. La majorité des épines marquées formaient des synapses asymétriques (excitatrices) avec des terminaisons axonales non marquées. La double localisation préférentielle d’EphA7 dans les dendrites ainsi que les densités post-synaptiques des épines dendritiques est compatible avec l’hypothèse d’un rôle d’EphA7 dans le maintien ou la fonction de certaines synapses du SNC adulte.

Opposite actions of nitric oxide on cholinergic synapses: which pathways?

Nitric oxide (NO) produced opposite effects on acetylcholine (ACh) release in identified neuroneuronal Aplysia synapses depending on the excitatory or the inhibitory nature of the synapse. Extracellular application of the NO donor, SIN-1, depressed the inhibitory postsynaptic currents (IPSCs) and enhanced the excitatory postsynaptic currents (EPSCs) evoked by presynaptic action potentials (1/60 Hz). Application of a membrane-permeant cGMP analog mimicked the effect of SIN-1 suggesting the participation of guanylate cyclase in the NO pathway. The guanylate cyclase inhibitor, methylene blue, blocked the NO-induced enhancement of EPSCs but only reduced the inhibition of IPSCs indicating that an additional mechanism participates to the depression of synaptic transmission by NO. Using nicotinamide, an inhibitor of ADP-ribosylation, we found that the NO-induced depression of ACh release on the inhibitory synapse also involves ADP-ribosylation mechanism(s). Furthermore, application of SIN-1 paired with cGMP-dependent protein kinase (cGMP-PK) inhibitors showed that cGMP-PK could play a role in the potentiating but not in the depressing effect of NO on ACh release. Increasing the frequency of stimulation of the presynaptic neuron from 1/60 Hz to 0.25 or 1 Hz potentiated the EPSCs and reduced the IPSCs. In these conditions, the potentiating effect of NO on the excitatory synapse was reduced, whereas its depressing effect on the inhibitory synapse was unaffected. Moreover the frequency-dependent enhancement of ACh release in the excitatory synapse was greatly reduced by the inhibition of NO synthase. Our results indicate that NO may be involved in different ways of modulation of synaptic transmission depending on the type of the synapse including synaptic plasticity.

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.

A dendrodendritic reciprocal synapse provides a recurrent excitatory connection in the olfactory bulb

Neuronal synchronization in the olfactory bulb has been proposed to arise from a diffuse action of glutamate released from mitral cells (MC, olfactory bulb relay neurons). According to this hypothesis, glutamate spills over from dendrodendritic synapses formed between MC and granule cells (GC, olfactory bulb interneurons) to activate neighboring MC. The excitation of MC is balanced by a strong inhibition from GC. Here we show that MC excitation is caused by glutamate released from bulbar interneurons located in the GC layer. These reciprocal synapses depend on an unusual, 2-amino-5-phosphonovaleric acid-resistant, N-methyl-d-aspartate receptor. This type of feedback excitation onto relay neurons may strengthen the original sensory input signal and further extend the function of the dendritic microcircuit within the main olfactory bulb.

Single-electron tunneling depressing synapse for cellular neural networks

In this paper, a cellular neural network with depressing synapses for contrast-invariant pattern classification and synchrony detection is presented, starting from the impulse model of the single-electron tunneling junction. The results of the impulse model and the network are simulated using simulation program with integrated circuit emphasis (SPICE). It is demonstrated that depressing synapses should be an important candidate of robust systems since they exhibit a rapid depression of excitatory postsynaptic potentials for successive presynaptic spikes.

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

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

Distinct short-term plasticity at two excitatory synapses in the hippocampus

A single mossy fiber input contains several release sites and is located on the proximal portion of the apical dendrite of CA3 neurons. It is, therefore, well suited to exert a strong influence on pyramidal cell excitability. Accordingly, the mossy fiber synapse has been referred to as a detonator or teacher synapse in autoassociative network models of the hippocampus. The very low firing rates of granule cells [Jung, M. W. & McNaughton, B. L. (1993) Hippocampus 3, 165–182], which give rise to the mossy fibers, raise the question of how the mossy fiber synapse temporally integrates synaptic activity. We have therefore addressed the frequency dependence of mossy fiber transmission and compared it to associational/commissural synapses in the CA3 region of the hippocampus. Paired pulse facilitation had a similar time course, but was 2-fold greater for mossy fiber synapses. Frequency facilitation, during which repetitive stimulation causes a reversible growth in synaptic transmission, was markedly different at the two synapses. At associational/commissural synapses facilitation occurred only at frequencies greater than once every 10 s and reached a magnitude of about 125% of control. At mossy fiber synapses, facilitation occurred at frequencies as low as once every 40 s and reached a magnitude of 6-fold. Frequency facilitation was dependent on a rise in intraterminal Ca2+ and activation of Ca2+/calmodulin-dependent kinase II, and was greatly reduced at synapses expressing mossy fiber long-term potentiation. These results indicate that the mossy fiber synapse is able to integrate granule cell spiking activity over a broad range of frequencies, and this dynamic range is substantially reduced by long-term potentiation.

Quantal release at a neuronal nicotinic synapse from rat adrenal gland.

The neuronal nicotinic synapse in tissue slices of the adrenal medulla was studied with whole-cell patch-clamp. Excitatory postsynaptic currents (EPSCs) were evoked by local field stimulation or occurred spontaneously especially when external [K+] was increased. EPSCs were carried by channels sharing biophysical and pharmacological properties of neuronal-type nicotinic receptors (nAChRs). A single-channel conductance (gamma) of 43-45 pS was found from nonstationary variance analysis of EPSCs. Spontaneous EPSCs were tetrodotoxin-insensitive and Ca(2+)-dependent and occurred in burst-like clusters. Quantal analysis of spontaneous EPSCs gave a quantal size of 20 pA and amplitude histograms were well described by binomial models with low values of quantal content, consistent with a small number of spontaneously active release sites. However, rare large amplitude EPSCs suggest that the total number of sites is higher and that extrajunctional receptors are involved. Our estimates of quantal content and size at the chromaffin cell neuronal nicotinic synapse may be useful in characterizing central neuronal-type nicotinic receptor-mediated cholinergic synaptic transmission.

Localization of Mineralocorticoid Receptors at Mammalian Synapses

In the brain, membrane associated nongenomic steroid receptors can induce fast-acting responses to ion conductance and second messenger systems of neurons. Emerging data suggest that membrane associated glucocorticoid and mineralocorticoid receptors may directly regulate synaptic excitability during times of stress when adrenal hormones are elevated. As the key neuron signaling interface, the synapse is involved in learning and memory, including traumatic memories during times of stress. The lateral amygdala is a key site for synaptic plasticity underlying conditioned fear, which can both trigger and be coincident with the stress response. A large body of electrophysiological data shows rapid regulation of neuronal excitability by steroid hormone receptors. Despite the importance of these receptors, to date, only the glucocorticoid receptor has been anatomically localized to the membrane. We investigated the subcellular sites of mineralocorticoid receptors in the lateral amygdala of the Sprague-Dawley rat. Immunoblot analysis revealed the presence of mineralocorticoid receptors in the amygdala. Using electron microscopy, we found mineralocorticoid receptors expressed at both nuclear including: glutamatergic and GABAergic neurons and extra nuclear sites including: presynaptic terminals, neuronal dendrites, and dendritic spines. Importantly we also observed mineralocorticoid receptors at postsynaptic membrane densities of excitatory synapses. These data provide direct anatomical evidence supporting the concept that, at some synapses, synaptic transmission is regulated by mineralocorticoid receptors. Thus part of the stress signaling response in the brain is a direct modulation of the synapse itself by adrenal steroids.