Conséquences de l'activation immunitaire maternelle sur l'activité et la connectivité des neurones dopaminergiques de l'aire tegmentale ventrale et rôle de la microglie dans les phénotypes observés

Maternal Immune Activation (MIA) during pregnancy is associated with an increased risk to develop neuropsychiatric disorders including autism spectrum disorders (ASD) and schizophrenia. Animal models have been widely used to study how maternal immune activation (MIA) disrupts normal brain development. One of the most widely used agents to model MIA is polyinosinic-polycytidylic acid (Poly(I:C)), a double-stranded synthetic RNA which can be injected to pregnant dams to mimic a viral infection. In particular, adult rats whose mother received (Poly(I:C)) during gestation show decreased activity in vivo of dopaminergic neurons (DA) in the Ventral Tegmental Area (VTA). However, the mechanisms responsible for this long-term modification of DA neuron discharge are unknown. This PhD thesis project aims to characterize the alterations of the functional properties of DA neurons in the VTA following MIA, and to study the role of microglia in this process. MIA was induced in C57Bl/6J mice by Poly(I:C) administration at embryonic day 9 (E9), which is analogous to the end of the first or beginning of the second trimester of gestation in humans, a period of increased susceptibility to MIA according to epidemiological studies. Our results confirm the decreased activity of VTA DA neurons in MIA offspring in vivo, and show that DA neurons are less likely to discharge in "bursts." Using patch-clamp and immunohistochemistry techniques, we observed that MIA diminishes excitatory synaptic inputs to DA neurons, and specifically decreases NMDA receptor-mediated currents, in the absence of changes in inhibitory inputs. Furthermore, we found that HCN channel-mediated currents and intrinsic neuronal excitability are increased in DA neurons of MIA offspring, which may reflect homeostatic mechanisms regulating excitability in response to modulation of the excitation/inhibition balance. Since microglia are involved in synaptic pruning during brain development, we investigated whether microglial properties and functions are altered by MIA. We found no significant change in microglia density in the VTA but a significant increase in volume as well as complexity and length of microglial cell branching. Furthermore, although the volume of CD68-expressing lysosomes was unchanged in MIA offspring, we observed that microglial cells in the VTA engulfed a larger volume of presynaptic elements identified by Bassoon protein expression. Since the complement system is involved in microglia-dependent synaptic pruning, we measured the expression of C1q, the initiator protein of the complement cascade. We observed that C1q expression was increased in the midbrain of MIA offspring. Finally, administration during the first two weeks of postnatal life of minocycline, a tetracycline that crosses the blood-brain barrier and modulates microglial reactivity, normalized DA cell discharge in vivo, as well as excitatory synaptic inputs to DA neurons in the VTA ex vivo. Taken together, these results suggest that MIA may permanently compromise the activity and connectivity of VTA DA neurons in the offspring by affecting complement- and microglia-dependent synaptic refinement mechanisms occurring during early postnatal development.L'activation immunitaire maternelle (« Maternal Immune Activation » ou MIA) au cours de la grossesse est un facteur de risque associé à plusieurs pathologies neurodéveloppementales sévères et fréquentes dont les troubles autistiques et la schizophrénie. La modélisation de la MIA chez le rongeur a montré les liens entre activation immunitaire maternelle et altérations du développement cérébral chez la descendance. En particulier, chez des rats dont la mère a reçu un ARN synthétique (Poly(I:C)) qui mime une attaque virale pendant la gestation, l'activité des neurones dopaminergiques (DA) de l'aire tegmentale ventrale (« Ventral Tegmental Area » ou VTA) est diminuée in vivo. Cependant les mécanismes responsables de cette modification à long terme de la décharge des neurones DA sont inconnus. Cette thèse vise à caractériser les altérations des propriétés fonctionnelles des neurones DA de la VTA consécutives à une MIA, et à étudier l'implication de la microglie dans ce processus. La MIA a été induite chez la souris C57Bl/6J par une administration de Poly(I:C) au jour embryonnaire 9 (E9), qui est analogue à la fin du premier ou au début du deuxième trimestre de gestation chez l'humain, une période de sensibilité accrue à la MIA d'après les études épidémiologiques. Nos résultats confirment la diminution globale d'activité des neurones DA de la VTA in vivo chez les descendants de mères exposées au Poly(I:C) pendant la gestation (souris MIA), et montrent que les neurones sont moins susceptibles de décharger en « bursts ». En utilisant des techniques de patch-clamp et d'immunohistochimie, nous avons observé que la MIA induit une perte des entrées synaptiques excitatrices vers les neurones DA, et diminue spécifiquement les courants portés par les récepteurs NMDA, en l'absence de modification des entrées inhibitrices. De plus, nous avons constaté que les courants médiés par les canaux HCN et l'excitabilité neuronale intrinsèque sont augmentés dans les neurones DA des souris MIA, ce qui pourrait refléter la mise en place de mécanismes homéostatiques régulant l'excitabilité en réponse à la modulation de la balance excitation/inhibition. Puisqu'au cours du développement postnatal, la microglie participe au raffinement de la connectivité synaptique, nous avons étudié les conséquences de la MIA sur les propriétés de la microglie dans la VTA. Nous n'avons pas constaté de changement significatif de densité de la microglie dans la VTA mais une augmentation significative du volume ainsi que de la complexité et de la longueur des ramifications des cellules microgliales. De plus, bien que le volume des lysosomes exprimant CD68 soit inchangé chez les souris MIA, nous avons observé que les cellules microgliales de la VTA engloutissent un volume plus important d'éléments présynaptiques identifiés par l'expression de la protéine Bassoon. Comme le système du complément intervient dans l'élagage synaptique dépendant de la microglie, nous avons mesuré l'expression de C1q, la protéine initiatrice de la cascade du complément. Nous avons observé que cette expression est fortement augmentée dans le mésencéphale des souris MIA. Enfin, l'administration au cours des deux premières semaines de vie postnatale de minocycline, une tétracycline qui passe la barrière hémato-encéphalique et module la réactivité microgliale, a permis de normaliser la décharge des cellules DA in vivo, ainsi que les entrées synaptiques excitatrices des neurones DA de la VTA ex vivo. L'ensemble de ces résultats suggèrent que la MIA altère durablement l'activité et la connectivité des neurones DA de la VTA en affectant les mécanismes de raffinement synaptique dépendant du complément et de la microglie au cours du développement post-natal

Conséquences de l'activation immunitaire maternelle sur l'activité et la connectivité des neurones dopaminergiques de l'aire tegmentale ventrale et rôle de la microglie dans les phénotypes observés

Maternal Immune Activation (MIA) during pregnancy is associated with an increased risk to develop neuropsychiatric disorders including autism spectrum disorders (ASD) and schizophrenia. Animal models have been widely used to study how maternal immune activation (MIA) disrupts normal brain development. One of the most widely used agents to model MIA is polyinosinic-polycytidylic acid (Poly(I:C)), a double-stranded synthetic RNA which can be injected to pregnant dams to mimic a viral infection. In particular, adult rats whose mother received (Poly(I:C)) during gestation show decreased activity in vivo of dopaminergic neurons (DA) in the Ventral Tegmental Area (VTA). However, the mechanisms responsible for this long-term modification of DA neuron discharge are unknown. This PhD thesis project aims to characterize the alterations of the functional properties of DA neurons in the VTA following MIA, and to study the role of microglia in this process. MIA was induced in C57Bl/6J mice by Poly(I:C) administration at embryonic day 9 (E9), which is analogous to the end of the first or beginning of the second trimester of gestation in humans, a period of increased susceptibility to MIA according to epidemiological studies. Our results confirm the decreased activity of VTA DA neurons in MIA offspring in vivo, and show that DA neurons are less likely to discharge in "bursts." Using patch-clamp and immunohistochemistry techniques, we observed that MIA diminishes excitatory synaptic inputs to DA neurons, and specifically decreases NMDA receptor-mediated currents, in the absence of changes in inhibitory inputs. Furthermore, we found that HCN channel-mediated currents and intrinsic neuronal excitability are increased in DA neurons of MIA offspring, which may reflect homeostatic mechanisms regulating excitability in response to modulation of the excitation/inhibition balance. Since microglia are involved in synaptic pruning during brain development, we investigated whether microglial properties and functions are altered by MIA. We found no significant change in microglia density in the VTA but a significant increase in volume as well as complexity and length of microglial cell branching. Furthermore, although the volume of CD68-expressing lysosomes was unchanged in MIA offspring, we observed that microglial cells in the VTA engulfed a larger volume of presynaptic elements identified by Bassoon protein expression. Since the complement system is involved in microglia-dependent synaptic pruning, we measured the expression of C1q, the initiator protein of the complement cascade. We observed that C1q expression was increased in the midbrain of MIA offspring. Finally, administration during the first two weeks of postnatal life of minocycline, a tetracycline that crosses the blood-brain barrier and modulates microglial reactivity, normalized DA cell discharge in vivo, as well as excitatory synaptic inputs to DA neurons in the VTA ex vivo. Taken together, these results suggest that MIA may permanently compromise the activity and connectivity of VTA DA neurons in the offspring by affecting complement- and microglia-dependent synaptic refinement mechanisms occurring during early postnatal development.L'activation immunitaire maternelle (« Maternal Immune Activation » ou MIA) au cours de la grossesse est un facteur de risque associé à plusieurs pathologies neurodéveloppementales sévères et fréquentes dont les troubles autistiques et la schizophrénie. La modélisation de la MIA chez le rongeur a montré les liens entre activation immunitaire maternelle et altérations du développement cérébral chez la descendance. En particulier, chez des rats dont la mère a reçu un ARN synthétique (Poly(I:C)) qui mime une attaque virale pendant la gestation, l'activité des neurones dopaminergiques (DA) de l'aire tegmentale ventrale (« Ventral Tegmental Area » ou VTA) est diminuée in vivo. Cependant les mécanismes responsables de cette modification à long terme de la décharge des neurones DA sont inconnus. Cette thèse vise à caractériser les altérations des propriétés fonctionnelles des neurones DA de la VTA consécutives à une MIA, et à étudier l'implication de la microglie dans ce processus. La MIA a été induite chez la souris C57Bl/6J par une administration de Poly(I:C) au jour embryonnaire 9 (E9), qui est analogue à la fin du premier ou au début du deuxième trimestre de gestation chez l'humain, une période de sensibilité accrue à la MIA d'après les études épidémiologiques. Nos résultats confirment la diminution globale d'activité des neurones DA de la VTA in vivo chez les descendants de mères exposées au Poly(I:C) pendant la gestation (souris MIA), et montrent que les neurones sont moins susceptibles de décharger en « bursts ». En utilisant des techniques de patch-clamp et d'immunohistochimie, nous avons observé que la MIA induit une perte des entrées synaptiques excitatrices vers les neurones DA, et diminue spécifiquement les courants portés par les récepteurs NMDA, en l'absence de modification des entrées inhibitrices. De plus, nous avons constaté que les courants médiés par les canaux HCN et l'excitabilité neuronale intrinsèque sont augmentés dans les neurones DA des souris MIA, ce qui pourrait refléter la mise en place de mécanismes homéostatiques régulant l'excitabilité en réponse à la modulation de la balance excitation/inhibition. Puisqu'au cours du développement postnatal, la microglie participe au raffinement de la connectivité synaptique, nous avons étudié les conséquences de la MIA sur les propriétés de la microglie dans la VTA. Nous n'avons pas constaté de changement significatif de densité de la microglie dans la VTA mais une augmentation significative du volume ainsi que de la complexité et de la longueur des ramifications des cellules microgliales. De plus, bien que le volume des lysosomes exprimant CD68 soit inchangé chez les souris MIA, nous avons observé que les cellules microgliales de la VTA engloutissent un volume plus important d'éléments présynaptiques identifiés par l'expression de la protéine Bassoon. Comme le système du complément intervient dans l'élagage synaptique dépendant de la microglie, nous avons mesuré l'expression de C1q, la protéine initiatrice de la cascade du complément. Nous avons observé que cette expression est fortement augmentée dans le mésencéphale des souris MIA. Enfin, l'administration au cours des deux premières semaines de vie postnatale de minocycline, une tétracycline qui passe la barrière hémato-encéphalique et module la réactivité microgliale, a permis de normaliser la décharge des cellules DA in vivo, ainsi que les entrées synaptiques excitatrices des neurones DA de la VTA ex vivo. L'ensemble de ces résultats suggèrent que la MIA altère durablement l'activité et la connectivité des neurones DA de la VTA en affectant les mécanismes de raffinement synaptique dépendant du complément et de la microglie au cours du développement post-natal

5-HT1A and 5-HT2B receptor interaction and co-clustering regulate serotonergic neuron excitability

Summary: Many psychiatric diseases have been associated with serotonin (5-HT) neuron dysfunction. The firing of 5-HT neurons is known to be under 5-HT1A receptor-mediated autoinhibition, but functional consequences of coexpressed receptors are unknown. Using co-immunoprecipitation, BRET, confocal, and super-resolution microscopy in hippocampal and 5-HT neurons, we present evidence that 5-HT1A and 5-HT2B receptors can form heterodimers and co-cluster at the plasma membrane of dendrites. Selective agonist stimulation of coexpressed 5-HT1A and 5-HT2B receptors prevents 5-HT1A receptor internalization and increases 5-HT2B receptor membrane clustering. Current clamp recordings of 5-HT neurons revealed that 5-HT1A receptor stimulation of acute slices from mice lacking 5-HT2B receptors in 5-HT neurons increased their firing activity trough Ca2+-activated potassium channel inhibition compared to 5-HT neurons from control mice. This work supports the hypothesis that the relative expression of 5-HT1A and 5-HT2B receptors tunes the neuronal excitability of serotonergic neurons through potassium channel regulation

Elevated expression of complement C4 in the mouse prefrontal cortex causes schizophrenia-associated phenotypes

International audienceAccumulating evidence supports immune involvement in the pathogenesis of schizophrenia, a severe psychiatric disorder. In particular, high expression variants of C4, a gene of the innate immune complement system, were shown to confer susceptibility to schizophrenia. However, how elevated C4 expression may impact brain circuits remains largely unknown. We used in utero electroporation to overexpress C4 in the mouse prefrontal cortex. We found reduced glutamatergic input to pyramidal cells of juvenile and adult, but not of newborn C4-overexpressing (C4-OE) mice, together with decreased spine density, which mirrors spine loss observed in the schizophrenic cortex. Using time-lapse two-photon imaging in vivo, we observed that these deficits were associated with decreased dendritic spine gain and elimination in juvenile C4-OE mice, which may reflect poor formation and/or stabilization of immature spines. In juvenile and adult C4-OE mice, we found evidence for NMDA receptor hypofunction, another schizophrenia-associated phenotype, and synaptic accumulation of calcium-permeable AMPA receptors. Alterations in cortical GABAergic networks have been repeatedly associated with schizophrenia. We found that functional GABAergic transmission was reduced in C4-OE mice, in line with diminished GABA release probability from parvalbumin interneurons, lower GAD67 expression, and decreased intrinsic excitability in parvalbumin interneurons. These cellular abnormalities were associated with working memory impairment. Our results substantiate the causal relationship between an immunogenetic risk factor and several distinct cortical endophenotypes of schizophrenia and shed light on the underlying cellular mechanisms