Analysis of synaptic function of CA3 microcircuit in vivo using optogenetic tools

par Stefano Zucca

Thèse de doctorat en Sciences, technologie, santé. Neurosciences

Sous la direction de Christophe Mulle.

Soutenue le 20-12-2013

à Bordeaux 2 , dans le cadre de École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux) .

Le président du jury était Bruno Bontempi.

Le jury était composé de Jérôme Baufreton, Jérôme Epsztein.

Les rapporteurs étaient Jack Mellor, Jean-Christophe Poncer.

  • Titre traduit

    Analyse du fonctionnement synaptique du microcircuit de CA3 in vivo en utilisant des outils optogénétiques


  • Résumé

    L'hippocampe est une région du cerveau située dans le lobe temporal médian. Avec d'autres structures limbiques, l'hippocampe est impliqué dans des processus d'apprentissage et de mémorisation et possède un rôle crucial dans le traitement spatial de l'information. Les synapses de l'hippocampe formées entre les fibres moussues (fm) originaires du gyrus denté et les neurones pyramidaux de CA3 ont reçu une attention particulière, compte tenu de la position stratégique occupée par le gyrus denté à l'entrée de l'hippocampe. En outre les synapses fm- CA3 sont distinctes de la plupart des autres synapses excitatrices du système nerveux central par leurs propriétés morphologiques et physiologiques uniques. Cela soulève la question de savoir si ces propriétés uniques reflètent aussi un rôle fonctionnel unique dans le traitement de l'information effectué par cette synapse au sein du microcircuit de l'hippocampe. Malheureusement nous ne savons que peu de choses sur la façon dont les cellules granulaires modulent l'activité des neurones de CA3 dans le réseau intact in vivo (Henze et al, 2002 ; Hagena et Manahan - Vaughan, 2010, 2011). Le manque d'information est dû au fait que la manipulation classique des circuits neuronaux par des approches électriques, pharmacologiques et génétiques manque de précisions spatiale et temporelle in vivo. L'utilisation de la stimulation extracellulaire de fibres moussues peut conduire à l'activation polysynaptique de cellules pyramidales de CA3, qui peuvent ensuite contaminer les réponses enregistrées. Par ailleurs, l'utilisation de critères trop conservateurs peut conduire à l'exclusion des réponses provenant des fibres moussues «purs» aux propriétés méconnues (Henze et al., 2000). Toutefois, le développement récent et rapide de l’optogénétique dans les neurosciences a fourni de nouveaux outils offrant une sélectivité spatiale élevée (activation optique spécifique de la cellule), et une grande précision temporelle (à l'échelle de la milliseconde), permettant la dissection et l'étude des circuits neuronaux in vivo. L'objectif de ma thèse était de mieux comprendre les mécanismes et les conséquences physiologiques de la plasticité synaptique à court terme se produisant à la synapse formée entre les fibres moussues et les neurones pyramidaux de CA3 dans le cerveau de souris intact. La présente thèse se compose de deux parties principales. Dans la première partie, j'ai exploré de nouveaux outils optogénétiques dans le but de contrôler l'activité des cellules granulaires à l’aide d’impulsions de lumière. La stimulation optogénétique repose sur l'activation du canal ionique channelrhodopsin - 2 - lumière fermée ( ChR2 ) par une lumière bleue et induit des potentiels d'action sur une large gamme de fréquences de stimulation. J'ai aussi observé que la stimulation optique peut être utilisée pour déclencher la plasticité à court terme au niveau des synapses fm-CA3.Dans la deuxième partie j'ai affiné la méthodologie de stimulation optogénétique in vivo pour la caractérisation non invasive du fonctionnement synaptique des synapses fm- CA3. La fiabilité de la stimulation optogénétique d'une population neuronale génétiquement ciblée ainsi que la résolution d'une seule cellule obtenue en utilisant des enregistrements de cellules entières sont des étapes importantes vers une meilleure compréhension du rôle fonctionnel des fibres moussues dans le réseau de l'hippocampe in vivo.


  • Résumé

    The hippocampus is a brain region located in the medial temporal lobe. Along with other limbic structures, the hippocampus is involved in learning and memory processes and has a crucial role in spatial information processing. Within the hippocampus synapses made between mossy fibers (mf) originating from the dentate gyrus and CA3 pyramidal neurons have received particular attention, given the strategic position occupied by the dentate gyrus at the entrance of the hippocampus. Moreover mf-CA3 synapses are distinct from most of other excitatory synapses in the central nervous system for their unusual morphological and physiological properties. This raises the question if these unique properties reflect a unique functional role in information processing carried out by this synapse within the microcircuit of the hippocampus. Unfortunately very little is known on how granule cells modulate the activity of CA3 neurons in the intact network in vivo (Henze et al., 2002; Hagena and Manahan-Vaughan, 2010, 2011). The paucity of information is due to the fact that classical manipulation of neuronal circuits using electrical, pharmacological and genetic approaches lack spatial and temporal precision in vivo. The use of bulk extracellular stimulation may lead to polysynaptic activation of CA3 pyramidal cells, which can subsequently contaminate putative mossy fibers synaptic responses measured in CA3 pyramidal cells. The use of overly conservative criteria on the other side may lead to the exclusion of “pure” mossy fibers responses with unexpected properties (Henze et al., 2000).However the recent and fast growth of optogenetics in neuroscience has provided new tools with high spatial selectivity (cell specific optical activation) and temporal precision (at the millisecond scale), allowing the dissection and investigation of neuronal circuits in vivo. The aim of my thesis was to gain insight into the mechanisms and the physiological consequences of short-term synaptic plasticity occurring at mossy fibers to CA3 pyramidal neurons synapses in the intact mouse brain. The present thesis consists of two main parts. In the first part I explored new optogenetic tools to control the activity of granule cells with pulses of light. Optogenetic stimulation, which relies on the activation of the light-gated ion channel channelrhodopsin-2 (ChR2) by blue light reliably induced action potentials over a wide range of frequencies of stimulation. I also found that optical stimulation can be used to trigger short term plasticity at mf-CA3 synapses. In the second part I refined optogenetic stimulation methodology in vivo for non-invasive characterization of synaptic functioning of the mf-CA3 synapses. The reliability of optogenetic stimulation of a genetically targeted neuronal population together with the single cell resolution obtained using whole-cell recordings are important steps towards a better understanding of the functional role of the mossy fibers in the hippocampal network in vivo.


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