Synaptic modifications in hippocampal CA3 pyramidal cells in an Alzheimer's mouse model

par Pei Zhang

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Christophe Mulle et de André Fischer.

Le président du jury était Yoon Lee Cho.

Le jury était composé de Christophe Mulle, André Fischer, Yoon Lee Cho, Hélène Marie, Lionel Dahan.

Les rapporteurs étaient Hélène Marie, Lionel Dahan.

  • Titre traduit

    Modifications synaptiques dans les cellules pyramidales de CA3 de l'hippocampe dans un modèle de souris de la maladie d'Alzheimer


  • Résumé

    L'encodage de la mémoire dépend de changements durables dans l'activité des circuits synaptiques dans un ensemble de neurones interconnectés. La région CA3 de l'hippocampe reçoit des informations directement ou indirectement (à travers le gyrus denté - GD) en provenance des structures corticales. Des données théoriques et comportementales ont montré que la région CA3 est importante pour l'encodage de la mémoire épisodique, en particulier au stade initial de l'acquisition, en développant vraisemblablement une représentation instantanée d'un contexte. Les neurones pyramidaux CA3 reçoivent une variété de connections afférentes, parmi lesquelles les fibres moussues (FM), les axones des cellules du gyrus denté. Ces connections synaptiqes ont attiré une attention par leurs propriétés morphologiques et fonctionnelles uniques. Malgré les nombreuses études comportementales et computationnelle, les liens entre plasticité des circuits CA3 et encodage de la mémoire ne sont pas bien compris.Le cadre général de ce projet de thèse se situe dans l'étude des mécanismes synaptiques de l'encodage de la mémoire épisodique dans des conditions physiologiques ainsi que dans un modèle de souris de la maladie d'Alzheimer (MA). En effet, la MA se caractérise à un stade précoce par une mémoire épisodique altérée, qui peut être associée à une dysrégulation de la plasticité des circuits CA3.À l'aide de techniques d'enregistrement électrophysiologique, nous avons d'abord exploré les modifications dans les circuits CA3 peu de temps (quelques heures) après conditionnement de la peur contextuelle chez les souris adultes C57Bl6j. Nous avons observé une augmentation de la fréquence des IPSC spontanés accompagnée de changements mineurs dans le nombre de filopodia issus des boutons synaptiques des FM, tandis que les EPSCs et les plasticités à court terme de ces synapses ne sont pas modifiés. Cependant, cette augmentation n'est peut observée 24 heures après l'apprentissage contextuel. Nous avons également tenté de modéliser de manière simplifiée les réseaux neuronaux GD-CA3, afin d'étudier si et dans quelle mesure les interneurones locaux dans la région CA3 contribuent à la précision de l'encodage de la mémoire. [...]Dans l'ensemble ce travail a révélé que la transmission inhibitrice des circuits locaux CA3 de l'hippocampe pourrait être importante dans l'encodage de la mémoire épisodique. Dans le modèle murin de la MA avec déficit de mémoire, il y a une réduction de la transmission GABAergique et des courants médiés par les KAR réduits cellules pyramidales de CA3. Finalement, avons observé une modification transcriptionnelle d'un certain nombre de gènes dans CA3, à des stades précoces de développement de la pathologie dans notre modèle de MA. Notre étude pourrait contribuer à la compréhension des mécanismes pathologiques précoces de la MA, au niveau synaptique ainsi qu'au niveau transcriptionnel, et fournir des idées nouvelles sur les mécanismes sous-jacents au codage rapide de la mémoire contextuelle.


  • Résumé

    Memory encoding is thought to proceed from durable changes in the activity of synaptic circuits to the storage of patterns of electrical events in a sparsely distributed ensemble of neurons. Located at the entry level of hippocampal circuitry, the CA3 region of hippocampus is thought to be important for episodic memory encoding, especially at the initial stage of acquisition, by presumably developing an instant representation of a context. CA3 pyramidal neurons receive a variety of diverse inputs, among which the mossy fiber (MF) inputs draw special attention for its peculiar structure and unique synaptic properties. However, the links between the plasticity of CA3 circuits and memory encoding are not well understood.This thesis project aimed to address the synaptic mechanisms of episodic memory encoding in physiological conditions as well as in a mouse model of Alzheimer's disease (AD).Using electrophysiological recording techniques, we first explored the changes in CA3 circuits shortly after one-trial contextual fear conditioning in adult C57Bl6j mice. We show that despite hardly any changes in filopodia number of MF terminals, an increase in spontaneous IPSC frequency can be registered, while the EPSCs and short-term plasticities of theses synapses are unaltered. However, this increase cannot be seen anymore 24 hours after the contextual learning. We also tried to do simplified computational modeling of the DG-CA3 neuronal networks, to investigate if and to what extent the local interneurons in CA3 region contribute to memory encoding precision.AD is characterized at an early stage by impaired episodic memory, which may involve dysregulation of the plasticity of CA3 circuits.In the next step, we searched for synaptic deficits in CA3 local circuit in the early stage of AD pathology, taking advantage of a familial AD mouse model: 6-month male APP/PS1 mice. We report that there is a reduction in spontaneous IPSC frequency in CA3 neurons together with decreased inhibitory charges of evoked events at MF-CA3 synapses, whereas the short-term plasticity of these synapses and intrinsic properties of CA3 neurons remain unaffected. Furthermore, there is a robust reduction in Kainate receptor (KAR) mediated currents at MF-CA3 synapses, and the same results can be obtained from PSKO mice too, suggesting that disturbed function of γ-secretase and NCad processing pathways might underlie the dysfunction of KARs at MF-CA3 synapses.Finally, to screen for changes on a transcriptome level, we performed RNA-seq with dissected CA3 tissue from APP/PS1 mice and found a list of up- and down-regulated genes at this early stage of AD. Moreover, we carried out ChIP-seq for a histone modification marker: H3K4me3, which has been shown to be directly related to one-trial contextual memory, and here we report that there is a concrete decrease in H3K4me3 levels at the promoter areas of various genes in CA3 neurons. However, these genes are not overlapping much with the down-regulated genes from RNA-seq result, suggesting that other epigenetic mechanisms might play more important roles in expressing early deficits in this AD mouse model.Taken together, we show that inhibitory innervations of hippocampal CA3 local circuits might be important for episodic memory encoding, and in early AD mouse model with memory deficits, there is reduced GABAergic transmission and reduced KAR-mediated currents in CA3 neurons, together with many active transcriptional regulations across the genome. Our study might contribute to the understanding of early AD pathologies at synaptic level as well as transcriptional level, and provide novel insights into the mechanisms underlying rapid encoding of contextual memory.


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