Soutenance de thèse de Shu Xian HO

Le cortex cérébelleux humain contient plus de la moitié du nombre total de neurones dans le système nerveux central. Additionnel à son rôle dans l’apprentissage moteur, son rôle général dans l’apprentissage est de plus en plus accepté. Une cellule de Purkinje intègre plus de cent mille afférences de cellules granulaires. Ces connexions sont bien définies anatomiquement comme des synapses en passant sur les épines dendritiques des cellules de Purkinje. Cependant, des enregistrements en paire de cellules granulaires et de cellules de Purkinje connectées ont suggéré que 85% de ces synapses sont silencieuses, c’est-à-dire qu’elles ne transmettent pas de dépolarisation détectable. L’origine de ces synapses silencieuses est inconnue, mais il a été proposé qu’elles sont importantes pour optimiser la fiabilité du stockage d’information. Les synapses cellule granulaire – cellule de Purkinje sont-elles silencieuses avant de développer leur force lors de l’apprentissage cérébelleux ? Ou au contraire, deviennent-elles silencieuses suite à l’apprentissage cérébelleux ? Afin d’examiner ces questions, nous avons étudié comment le pourcentage de synapses qui sont silencieuses change chez la souris entre les jours postnataux 17 et 42 (P17 etP42), une période durant laquelle les souris acquièrent naturellement un haut niveau d’agilité, ce qui doit avoir nécessité un apprentissage cérébelleux important. Nous avons mis au point une nouvelle méthode permettant de déterminer, pour n’importe quelle position des entrées sur l’arborisation dendritique, le pourcentage de synapses qui sont silencieuses. Nous avons accouplé des souris exprimant la recombinase CRE dans les cellules granulaires spécifiquement avec des souris exprimant la sonde au calcium génétiquement encodée GCaMP6f sous le contrôle de la recombinaison par CRE. Nous avons ainsi obtenu des souris exprimant GCaMP6f sélectivement dans les cellules granulaires du cervelet. Le signal fluorescent produit par GCaMP6f lors du passage de potentiels d’action dans les fibres parallèles nous a permis de réaliser une cartographie quantitative de l’activation des fibres parallèles dans la couche moléculaire. En combinant des enregistrements en courant imposé et l’imagerie par épifluorescence de l’activité des fibres parallèles, nous avons estimé la valeur du potentiel postsynaptic excitateur (PPSE) moyen par synapse activée. Nous avons trouvé qu’il restait très semblable aux deux âges étudiés. L’analyse de la variance des PPSE n’a pas montré de différences significatives des paramètres quantiques entre les deux âges étudiés. Ces résultats suggèrent que, dans le cervelet de souris, le pourcentage de synapses qui sont silencieuse reste stable entre P17 et P42. Par ailleurs, nous avons étudié les densités de fibres parallèles, de boutons présynaptiques et des dendrites des cellules de Purkinje et n’avons trouvé aucunes différences entre les deux âges étudiés. Par contre, l’épaisseur de la couche moléculaire, où les synapses cellule en grain – cellule de Purkinje se trouvent, s’accroit de façon significative, indiquant une augmentation du nombre de synapses. Nous avons étudié si un effet similaire pouvait être induit par l’élevage des souris dans un environnement acrobatique, mais nous n’avons pas observé d’accroissement de la couche moléculaire. Nous concluons que malgré l’augmentation du nombre total de synapses cellule en grain – cellule de Purkinje pendant le développement postnatal entre P17 et P42, le pourcentage de de synapses qui sont silencieuses reste remarquablement stable.

The human cerebellar cortex contains more than half the total number of brain neurons. Its general role in learning, beyond its established role in motor learning, is increasingly accepted. Cerebellar Purkinje cells integrate over a hundred thousand inputs from granule cells. These connections are well defined anatomically with en passant synapses onto Purkinje dendritic spines. Yet paired granule cell-Purkinje cell recordings have suggested that 85% of these synapses are ‘silent’, as they do not transmit any detectable postsynaptic depolarisation. The origin of these silent synapses is unknown, but they are thought to be important for reliable memory storage in the cerebellum. Are newly formed granule cell to Purkinje cell synapses silent before developing their strength during cerebellar learning? Or do they become silent with cerebellar learning? To address this issue, we studied how the percentage of synapses which are silent changes in mice between postnatal days 17 and 42, a period during which mice naturally acquire a high level of agility that is expected to involve cerebellar learning. We set up a new method designed to determine for any chosen input location the fraction of synapses which are silent. We bred mice with selective CRE recombinase expression in the cerebellar granule cells with mice expressing the genetically encoded calcium indicator GCaMP6f under the control of CRE recombination to obtain mice with selective expression of GCaMP6f in granule cells. The GCaMP6f–mediated change in fluorescence produced by the action potential propagation through parallel fibres enabled quantitative mapping of presynaptic activity in the molecular layer. By combining current clamp recording with epifluorescence imaging of parallel fibre activity in acute sagittal cerebellar slices, we estimated the average excitatory postsynaptic potential (EPSP) per activated synapse. We found that it remained very similar at both studied ages. Variance over mean analysis of the EPSPs indicated no significant differences in quantal parameters between the two age groups. These results suggest that the fraction of silent synapses in the mouse cerebellum remains constant between these two ages. Next, we investigated the densities of parallel fibres, granule cell presynaptic boutons and Purkinje cell dendritic trees and found no significant differences between the two age groups. The thickness of the molecular layer, where the granule cell-Purkinje cell synapses are located, increased significantly between the two ages, indicating an increase in the number of synapses. We investigated whether a similar effect could be promoted when mice are kept in acrobatic environment, but we found no detectable effect. We conclude that despite the increase in the absolute number of granule cell-Purkinje cell synapses during postnatal development, the percentage of synapses which are silent remains strikingly stable.