Synaptic plasticity in the lateral habenula controls neuronal output : implications in physiology and drug addiction

par Kristina Valentinova

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Manuel Mameli.

Soutenue le 16-09-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) , en partenariat avec Institut du Fer à Moulin (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Faure.

Le jury était composé de Vivien Chevaleyre, Mark Ungless.

Les rapporteurs étaient Jaideep Bains, Camilla Bellone.

  • Titre traduit

    La plasticité synaptique dans l'habénula latérale contrôle la décharge neuronale : implications en physiologie et l'addiction aux drogues


  • Résumé

    La survie des individus dépend de leur capacité d’anticiper la survenue d’une récompense ou d’un danger leur permettant ainsi de s’adapter à leur environnement. De considérables efforts ont été réalisés pour identifier les mécanismes cellulaires et synaptiques ayant lieu au niveau du circuit de la récompense afin d’avoir une meilleure compréhension des processus sous tendant des états motivationnels physiologiques et pathologiques tels que l’addiction et la dépression. Pour autant, ce n’est que récemment qu’on commence à comprendre les circuits capables de contrôler les systèmes monoaminergiques mésencéphaliques et leurs contributions aux comportements motivés. Dans les dernières décennies l’habénula latérale (LHb) a émergé comme un acteur majeur capable d’encoder des stimuli de valeur motivationnelle et de contrôler les systèmes monoaminergiques. La connectivité de cette structure épithalamique joue un rôle clé dans différents aspects des comportements motivationnels, comme l’approche et la fuite. Des avancées récentes ont aussi démontré que des altérations de la fonction de la LHb entrainent des états émotionnels négatifs caractéristiques de la dépression et l’addiction. Ces observations suggèrent que la LHb pourrait s’avérer une cible importante pour le traitement de ces pathologies. Au cours de mon travail de thèse, j’ai d’abord cherché à comprendre comment moduler la transmission synaptique au niveau de la LHb pouvait contrôler son activité. Pour répondre à cette question, je me suis focalisée sur le rôle des récepteurs métabotropiques au glutamate (mGluRs). Dans une seconde étude, j’ai examiné les mécanismes par lesquels les drogues d’abus modifient la transmission synaptique des neurones de la LHb. Ces modifications se produisent spécifiquement dans les neurones LHb se projetant vers le noyau tegmental rostral (RMT) et sont nécessaires pour l’émergence des états dépressifs. Dans un premier temps, nous avons démontré qu’au niveau de la LHb les mGluRs de type I sont capables d’induire une dépression à long terme de la transmission synaptique excitatrice (eLTD) et inhibitrice (iLTD). Ces deux formes de plasticité dépendent de la signalisation PKC, mais requièrent des mécanismes d’expression différents. Tandis que eLTD réduit la probabilité de libération du glutamate via l’activation de récepteurs présynaptiques aux endocannabinoides (CB1), iLTD s’exprime par la réduction de la fonction des récepteurs GABAA postsynaptiques contenant la sous-unité β2. De plus, eLTD and iLTD exercent un contrôle bidirectionnel sur la décharge des neurones de la LHb. Dans un second temps, nous avons mis en évidence qu’une exposition chronique à la cocaïne produit une augmentation persistante de la transmission excitatrice au niveau des neurones de la LHb ciblant le RMTg. Cette forme de potentialisation synaptique nécessite l’insertion membranaire de récepteurs contenant la sous-unité GluA1, ainsi que la réduction de conductances potassiques entrainant une hyperexcitabilité neuronale in vitro et in vivo dans la LHb. Ces modifications sont nécessaires pour l’établissement d’états dépressifs émergeant lors de la période de sevrage à la cocaïne. En conclusion, ce travail a contribué à la compréhension de mécanismes de plasticité synaptique ayant lieu au niveau de la LHb et leurs répercussions pour son activité contrôlant ainsi des comportements motivationnels.


  • Résumé

    The capacity of the brain to anticipate and seek future rewards or alternatively escape aversive events allows individuals to adapt to their environment. A considerable research effort has focused on unraveling the cellular and synaptic mechanisms within the meso-cortico-limbic system underlying motivational processing both in physiological conditions and in pathologies such as addiction and depression. However, only recently we begin to understand the circuit substrates capable to control midbrain monoaminergic nuclei and their contribution to motivated behaviors. The Lateral Habenula (LHb) has emerged in the last decade, as a major player encoding stimuli with motivational value and in controlling monoaminergic systems. The wiring of this epithalamic structure subserves discrete features of motivated behaviors, including preference and avoidance. Recent advances have also demonstrated that aberrant modifications in LHb function trigger negative emotional states in disorders including depression and addiction, highlighting the LHb as an important brain target for therapeutic intervention for these pathological states. In my thesis work I first sought to investigate how modulation of synaptic transmission in the LHb controls neuronal activity, especially focusing on the role of metabotropic glutamate receptors. In a second study, I expanded my work examining how drug experience changes synaptic transmission in a precise habenular circuit that we discovered to be crucial for depressive states during cocaine withdrawal. In an initial data set, we found that, in the LHb, metabotropic glutamate receptor 1 activation drives a PKC-dependent long term depression of excitatory (eLTD) and inhibitory (iLTD) synaptic transmission. Despite the common induction, eLTD and iLTD diverged in their expression mechanism. While eLTD required endocannabinoid-dependent reduction of glutamate release, iLTD expressed postsynaptically through a decrease of β2-containing GABAA receptors function. Further, eLTD and iLTD bidirectionally controlled LHb neuronal output. In a second study, we showed that chronic cocaine exposure leads to a persistent and projection-specific increase of excitatory synaptic transmission onto LHb neurons. This form of synaptic potentiation required membrane insertion of GluA1-containing AMPA receptors and a reduction in potassium channels function ultimately leading to increased LHb neuronal excitability both in vitro and in vivo. These cocaine-driven adaptations within the LHb were instrumental for depressive-like states emerging after drug withdrawal. Altogether this work demonstrates how synaptic plasticity in the LHb affects neuronal output and thereby contributes to behaviors associated with the pathology of motivation.


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