Régulation de l’activité et de la connectivité synaptique par les cellules gliales au cours du développement de la jonction neuromusculaire de mammifères

Le système nerveux est composé de milliards de connexions synaptiques qui forment des réseaux complexes à la base de la communication dans le cerveau. Dès lors, contrôler la localisation, le type et le nombre des synapses est un défi considérable au cours du développement du système nerveux. Étonnamment, la production de connexions synaptiques est démesurée de façon à ce que beaucoup plus de synapses soient formées au cours du développement que ce qui est maintenu chez l’adulte. Ces connexions surnuméraires sont en compétition pour l’innervation d’une même cellule cible ce qui mène au maintien de certaines terminaisons nerveuses et à l’élimination de d’autres. Ces processus de compétition et d’élimination sont grandement façonnés par l’activité du système nerveux et l’expérience sensorielle de manière à ce que les terminaisons qui montrent la meilleure activité sont favorisées alors que les synapses mal adaptées sont éliminées. Jusqu’à récemment, les mécanismes et les types cellulaires responsables de l’élimination synaptique étaient inconnus. Les études de la dernière décennie montrent que les cellules gliales jouent un rôle clé dans l’élimination de synapses. Cependant, il demeure inconnu si les cellules gliales peuvent décoder les niveaux d’activité des terminaisons en compétition, ce qui est un déterminant majeur de l’issue de la compétition synaptique. De plus, il n’est pas connu si les cellules gliales sont capables de réguler l’activité synaptique des terminaisons, ce qui pourrait influencer l’issue de l’élimination synaptique. Ceci est d’un intérêt particulier puisqu’il est connu que les cellules gliales interagissent activement avec les neurones, détectent et modulent leur activité dans plusieurs régions du système nerveux mature. Par conséquent, l'objectif de cette thèse était d'étudier la capacité des cellules gliales à interagir avec les terminaisons nerveuses en compétition pour l'innervation d’une même cellule cible. Nous avons donc analysé la capacité des cellules gliales à décoder l’activité des terminaisons, à réguler leur activité synaptique et à influencer le processus de l’élimination synaptique au cours du développement du système nerveux. Pour cette fin, nous avons profité de la jonction neuromusculaire, un modèle simple et le bien caractérisé, et nous avons combiné l’imagerie Ca2+ des cellules gliales, un rapporteur fiable de leur activité avec des enregistrements synaptiques de jonctions neuromusculaires poly-innervées de souriceaux. Dans la première étude, nous montrons que les cellules gliales détectent et décodent l'efficacité synaptique des terminaisons nerveuses en compétition. L’activité des cellules gliales reflète la force synaptique de chaque terminaison nerveuse et l'état de la compétition synaptique. Ce décodage est médié par des récepteurs purinergiques gliaux fonctionnellement distincts et les propriétés intrinsèques des cellules gliales. Nos résultats indiquent que les cellules gliales décodent la compétition synaptique et, par conséquent, sont favorablement positionnées pour influencer son issue. Dans la seconde étude, nous montrons que les cellules gliales régulent différemment la plasticité synaptique de terminaisons en compétition. De manière dépendante du Ca2+, les cellules gliales induisent une potentialisation persistante de l’activité de la terminaison forte alors qu’elles n’ont que peu d’effets sur la terminaison faible. Bloquer l'activité gliale altère la plasticité des terminaisons in situ et se traduit par un retard de l'élimination des synapses in vivo. Ainsi, nous décrivons un nouveau mécanisme par lequel les cellules gliales, non seulement renforcent activement la terminaison forte, mais influencent aussi la compétition et l'élimination. Dans l'ensemble, ces études sont les premières à démontrer que les cellules gliales sont activement impliquées dans la modulation de l'activité synaptique des terminaisons en compétition ainsi que dans la régulation de l'élimination synaptique et la connectivité neuronale.The nervous system is composed of billions of synaptic connections forming complex networks that define the basis of neuronal communication in the brain. The control of the localization, type and number of synapses is a considerable challenge during development of the nervous system. Surprisingly, there is an excessive production of synaptic connections so that many more synapses are formed during developmental stages than what is maintained in the adult. A process of competition and elimination then occurs during which connections are in competition for the innervation of the same target cell. These processes of competition and elimination are greatly shaped by activity and sensory experience. Nerve terminals that show the best activity are favoured, while weak and poorly adapted synapses are eliminated. Until recently, the mechanisms and the cell types responsible for the elimination of supernumerary connections were unknown. Studies from the last decade identified glial cells as major players in synapse elimination. However, it remains unknown whether glial cells are able to decode the levels of synaptic activity of competing terminals, which is a major determinant of the outcome of synaptic competition. Moreover, it is unknown whether glial cells are able to regulate synaptic activity, which could influence the outcome of synapse elimination. This is especially relevant because it is known that glial cells actively interact with neurons, detect and modulate their activity in many regions of the nervous system. Therefore, the goal of this thesis was to study the ability of glial cells to interact with terminals competing for the innervation of the same target cell. We tested the ability of glial cells to decode the activity nerve terminals, regulate their synaptic activity and influence the process of synapse elimination during development of the nervous system. For this purpose, we took advantage of the neuromuscular junction, a simple and well-characterized model, and used simultaneous Ca2+-imaging of glial cells, a reliable reporter of their activity and synaptic recordings of dually-innervated neuromuscular junctions from newborn mice. In the first study, we report that single glial cells detect and decode the synaptic efficacy of competing nerve terminals. Activity of single glial cells reflects the synaptic strength of each competing nerve terminal and the state of synaptic competition. This deciphering is mediated by functionally segregated purinergic receptors and intrinsic properties of glial cells. Our results indicate that glial cells decode ongoing synaptic competition and, hence, are poised to influence its outcome. In the second study, we show that glial cells differentially regulate the synaptic plasticity of competing terminals. In a Ca2+-dependent manner, glial cells induce a long lasting synaptic potentiation of strong but not weak terminals. Preventing glial activity alters the plasticity of terminals in situ and delays synapse elimination in vivo. Thus, we describe a novel mechanism by which glial cells, not only actively reinforce the strong input but regulate synapse competition and elimination. As a whole, these studies are the first to demonstrate that glial cells are actively involved in the modulation of synaptic activity of competing terminals as well as in the regulation of synapse elimination and neuronal connectivity

Purinergic-Dependent Glial Regulation of Synaptic Plasticity of Competing Terminals and Synapse Elimination at the Neuromuscular Junction

Summary: The precise wiring of synaptic connections requires the elimination of supernumerary inputs competing for innervation of the same target cell. This competition is activity-dependent, strengthening some inputs whereas others are eliminated. Although glial cells are required for the elimination and clearance of terminals, their involvement in activity-dependent synaptic competition remains ill-defined. Here, we used the developing neuromuscular junctions of mice to show that perisynaptic glial cells, through 2Y1 purinergic receptors (P2Y1Rs), decode synaptic efficacy of competing terminals in a Ca2+-dependent manner. This glial activity induces long-lasting synaptic potentiation of strong but not weak terminals via presynaptic adenosine 2A receptors. Blockade of glial activity by intracellular Ca2+ chelation or blockade of P2Y1Rs prevents this plasticity. In addition, blockade of P2Y1Rs delays synapse elimination in vivo. Hence, P2Y1Rs drive glial cell regulation of strong synaptic inputs and influence synapse competition and elimination. : Darabid et al. show that glial cells at the neuromuscular synapse decode, in a purinergically dependent manner, the synaptic properties of nerve terminals competing for the same site. They then selectively strengthen the stronger input, which further favors its propensity to win the competition. Blockade of purinergic receptors delays synapse elimination in vivo. Keywords: synaptic competition, synapse elimination, perisynaptic Schwann cells, synaptic strength, synaptic plasticity, P2Y1 receptors, A2A receptor