Soutenance de thèse de MORTET Salomé
Titre de thèse
Caractérisation de l'activité des neurones GABAergiques immatures de CA1 et de leur effet sur le réseau néonatal in vivo
Characterization of the activity of immature GABAergic neurons in CA1 and their effect on the neonatal network in vivo.
Résumé de la thèse
La mise en place appropriée des réseaux neuronaux pendant le développement est essentielle au bon fonctionnement du système nerveux à l'âge adulte. Durant les deux premières semaines de vie postnatales, les réseaux neuronaux immatures sont caractérisés par des activités spontanées néonatales (ASN) qui synchronisent une large population de neurones. Il est postulé que les ASN jouent un rôle important dans la mise en place des réseaux neuronaux et leurs fonctions ultérieures, mais les mécanismes sous-jacents sont encore mal connus.
In vitro, les ASNs sont générées au sein même des réseaux hippocampiques. Il est démontré que certains types d'interneurones GABAergiques jouent un rôle important dans la synchronisation du réseau lors de ces ASNs. In vivo, les ASNs (appelées "early sharp waves" (eSPWs)) ont une origine extra-hippocampique. Elles sont générées suite à des contractions myocloniques spontanées du nouveau-né qui induisent une activation du néocortex et se propage jusqu'à l'hippocampe via le cortex entorhinal (Valeeva et al., 2019). Cependant, le rôle fonctionnel de l'activité GABAergique lors des ASNs in-vivo est encore mal connue. Notre objectif a donc été de caractériser l'implication des neurones GABAergiques lors des eSPWs in-vivo et de déterminer dans quelle mesure leur activité influence les réseaux hippocampiques immatures. Pour cela, nous avons mis en place un protocole d'enregistrement combinant électrophysiologie extracellulaire et optogénétique chez des souris néonatales transgéniques. Ceci nous a permis d'identifier (opto-tagging) et de manipuler l'activité des neurones GABAergiques tout en enregistrant la réponse de la population de CA1 aux eSPWs.
Nos résultats montrent que, durant la première semaine de vie postnatale, la majorité des neurones décharge fortement durant les eSPWs et reste silencieuse le reste du temps. De plus, il existe une hétérogénéité de réponses durant les différentes phases de eSPWs. Parmi les différents patrons d'activité nous avons observé la présence de neurones inhibés, et ce dès les premiers jours de vie (jour postnatal P3). La technique d'opto-tagging nous a permis de déterminer que les neurones GABAergiques déchargent à plus haute fréquence, participent à plus d'eSPWs et déchargent plus tôt par rapport aux eSPWs que le reste de la population. Enfin, pendant la première semaine post-natale, la stimulation optogénétique des neurones GABAergiques induit l'inhibition d'environ 20% de la population. Cette proportion augmente drastiquement au début de la 2e semaine de vie, période pendant laquelle l'effet excitateur des eSPW diminue.
Ces résultats mettent en évidence un effet global inhibiteur de l'activité GABAergique dans l'hippocampe néonatal in-vivo, ce qui était controversé jusqu'ici. Ils confirment aussi la présence de connexions synaptiques GABAergiques fonctionnelles dès les premiers jours de vie. L'augmentation rapide de cette inhibition au début de la 2e semaine post-natale refléterait l'état de maturation de la connectivité du réseau ainsi que celle des propriétés intrinsèques des neurones qui le composent. Elle permettrait au réseau hippocampique de passer d'une activité discontinue imposée par la périphérie à un fonctionnement asynchrone propice à l'émergence d'activités auto-générées nécessaires aux fonctions cognitives supérieures.
Thesis resume
The appropriate setting up of neural networks during development is essential for the proper functioning of the nervous system in adulthood. During the first two weeks of postnatal life, immature neural networks are characterized by neonatal spontaneous activities (NSAs) that synchronize a large population of neurons. It is postulated that NSAs play an important role in the establishment of neural networks and their subsequent functions, but the underlying mechanisms are still poorly understood.
In vitro, NSAs are generated within hippocampal networks. It has been demonstrated that specific sub-types of GABAergic interneurons play an important role in network synchronization during NSAs. In vivo, NSAs (called "early sharp waves" -eSPWs) have an extra-hippocampal origin. They are generated following spontaneous myoclonic contractions of the newborn, which induce neocortical activations. These subsequently propagate to the hippocampus via the entorhinal cortex (Valeeva et al., 2019). However, the functional role of GABAergic activity during eSPWs in vivo is still poorly understood. Our objective was to characterize the involvement of GABAergic neurons during eSPWs in vivo and to determine the extent to which their activity influences immature hippocampal networks. To achieve this, we established a recording protocol combining extracellular electrophysiology and optogenetics in neonatal transgenic mice. This allowed us to identify (by opto-tagging) and manipulate the activity of GABAergic neurons while recording the response of the CA1 population to eSPWs.
Our results show that, during the first postnatal week, the majority of neurons fire strongly during eSPWs and remain virtually silent the rest of the time. Moreover, cellular responses during the different phases of eSPWs are heterogeneous. Among the different activity patterns observed during the first postnatal week, we noticed that some neurons were inhibited by eSPWs. (starting from postnatal day P3). GABAergic neurons, identified with opto-tagging, fired at higher frequency and participated in more eSPWs than the rest of the population.they also fired earlier relative to eSPW onset. Finally, during the first postnatal week, optogenetic stimulation of GABAergic neurons induced the inhibition of about 20% of the population. This proportion drastically increased at the beginning of the second week of life, a period during which the excitatory effect of eSPWs decreased.
These results highlight a global inhibitory effect of GABAergic activity in the neonatal hippocampus in vivo, which has been controversial until now. They also confirm the presence of functional GABAergic synaptic connections as early as the first days of life. The rapid increase in this inhibition at the beginning of the second postnatal week may reflect the maturation of CA1 network connectivity as well as of the intrinsic properties of its neurons. This increase may allow the hippocampal network to transition from a discontinuous activity mode imposed by the periphery to an asynchronous functioning that allows the emergence of self-generated activities necessary for higher cognitive functions.