Plasticité synaptique dans l’aire tegmentaire ventrale : implication des endocannabinoïdes

Le système dopaminergique (DA) méso-corticolimbique du cerveau, qui prend son origine dans l'aire tegmentaire ventrale (ATV), est fortement impliqué dans les comportements motivés et la toxicomanie. Les drogues d'abus activent ce système et y induisent une plasticité synaptique de longue durée. Les neurones DA de l'ATV reçoivent sur leur arborisation dendritique une grande densité de terminaisons glutamatergiques. Les drogues d'abus induisent une potentialisation à long terme (PLT) de ces contacts glutamatergiques. La PLT est une augmentation prolongée de la transmission synaptique, qui semble sous-tendre la mémoire et l'apprentissage. Les endocannabinoïdes (ECs) sont des neurotransmetteurs qui agissent de façon rétrograde sur des récepteurs présynaptiques (CB1) pour diminuer la libération des neurotransmetteurs comme le glutamate. Les neurones libèrent les ECs à partir de leur compartiment somatodendritique suite à une stimulation des afférences et la dépolarisation membranaire qui s’ensuit. La neurotensine (NT) est un neuropeptide retrouvé de façon abondante dans le système DA du cerveau. Il a été découvert que la NT peut induire la libération des ECs dans le striatum. En faisant appel à une combinaison d’approches immunohistochimique, électrophysiologique et pharmacologique chez la souris, nous avons confirmé dans la première étude de cette thèse la présence des récepteurs CB1 sur les terminaisons glutamatergiques des neurones DA de l'ATV, et avons montré que leur activation induit une diminution de la libération de glutamate. Par ailleurs, nous avons montré que des trains de stimulation peuvent induire la libération des ECs. Nous avons découvert qu'en présence d'un antagoniste des récepteurs CB1, il y a facilitation de l’induction de la PLT. Cette observation suggère que les ECs ont un effet inhibiteur sur l’induction de la PLT, plutôt que sur son expression. Nous avons déterminé que le 2-arachidonoylglycerol (2-AG) est l’EC qui est principalement responsable de cette action inhibitrice. Finalement, la PLT induite en présence d’un antagoniste CB1 est aussi dépendante d'une activation des récepteurs NMDA du glutamate. Les travaux réalisés dans la deuxième étude de cette thèse ont montré que la NT est présente dans une sous-population de terminaisons axonales glutamatergiques dans l’ATV. Une application exogène de NT induit une diminution prolongée de l'amplitude des courants postsynaptiques excitateurs (CPSEs). Cette diminution est bloquée en présence d'un antagoniste non-sélectif des récepteurs à la NT, ainsi qu'en présence d'un antagoniste sélectif pour le récepteur de NT de type 1 (NTS1). Confirmant l’implication d’une production d’ECs, la baisse des CPSEs par la NT a été bloquée en présence d’un antagoniste des récepteurs CB1 ou d’un bloqueur de la synthèse de 2-AG. La chélation du calcium intracellulaire n'empêchait pas l’effet inhibiteur de la NT sur les CPSEs, cependant, l'inhibition des protéines G ou de la phospholipase C a complètement bloqué la dépression synaptique induite par la NT. Par ailleurs, nos travaux ont montré que la nature prolongée de la dépression synaptique induite par la NT exogène s’explique par une libération soutenue des ECs, et non pas à une activation prolongée des NTR. Finalement, notre observation qu’un antagoniste des récepteurs de la NT ne facilite pas l’induction de la PLT, comme le fait un antagoniste du récepteur CB1, suggère que la stimulation répétitive des afférences glutamatergiques nécessaire à l’induction de la PLT n’induit pas de libération des ECs via la libération de NT, nous permettant ainsi de conclure que la sécrétion de NT n'agit pas dans ces conditions comme un facteur de régulation négative de la PLT.The meso-corticolimbic dopamine (DA) system of the brain, originating in the ventral tegmental area (VTA), is strongly implicated in reward, motivation and drug addiction. Drugs of abuse activate this system and cause significant long term plasticity. DA neurons in the VTA receive are densely innervated by glutamatergic inputs. All major classes of drugs of abuse have been found to cause a long term potentiation (LTP) of glutamate transmission onto DA neurons of the VTA. LTP is an enduring increase of synaptic transmission, hypothesized to underlie memory and learning. Endocannabinoids (ECs) are transmitters that act in a retrograde fashion on pre-synaptic receptors leading to a decrease in neurotransmitter release. DA neurons can release ECs from their somatodendritic compartment in response to afferent stimulation or depolarization. Neurotensin (NT) is a neuropeptide that presents an extensive interaction with the DA system. It was discovered that NT can induce production of ECs in the striatum. In the first study of this thesis, we used a combination of immunohistochemical, pharmacological and electrophysiological techniques in mouse brain slices to demonstrate that CB1 EC receptors are present on glutamatergic afferents to DA neurons. Their activation induces a depression of glutamate release. We further showed that trains of afferent stimulation induce EC release from DA neurons and that in the presence of the CB1 antagonist AM251, there is a marked facilitation of the induction of LTP, suggesting that ECs produced in response to activation of glutamate synapses normally negatively regulate the induction, but not the expression of LTP. Finally, we found that 2-arachidonoylglycerol (2-AG) is the main EC implicated in this negative regulation of LTP and that LTP induced in the presence of a CB1 receptor antagonist is otherwise also dependent on NMDA glutamate receptors. In the second study, we report that NT is present in a subset of glutamatergic axon terminals in the VTA and that activation of NT receptors by exogenous NT induces a long-lasting decrease of the amplitude of excitatory postsynaptic currents (EPSCs) in VTA DA neurons. This decrease was blocked by a broad-spectrum NTR antagonist, as well as by a specific antagonist of the type 1 NT receptor NTS1. The decrease was also blocked when CB1 receptors or 2-AG synthesis were blocked. Chelating intracellular calcium had no effect, but inhibiting G-proteins or phospholipase C blocked NT-mediated synaptic depression. The long-lasting nature of the synaptic depression induced by NT was due to protracted EC release and not to prolonged NT receptor activation. Finally, our observation that a NT receptor antagonist did not facilitate LTP induction, as did a CB1 receptor antagonist, suggests that repetitive stimulation of glutamatergic afferents required to induce LTP does not cause EC production through the release of NT, thus allowing us to conclude that secretion of NT does not act under such conditions as a negative regulator of LTP

Découvertes récentes sur la fonction et la plasticité des voies dopaminergiques du cerveau

Bien que la dopamine ait été découverte il y a plus de 50 ans, l’étendue des connaissances sur ses fonctions physiologiques et sur ses dérèglements pathologiques demeure restreinte. Des travaux récents ont levé le voile sur de nouvelles et surprenantes propriétés des neurones à dopamine, ainsi que sur celles d’autres partenaires de la régulation du système dopaminergique. Par exemple, on a observé que l’intégration du signal de la dopamine par ses récepteurs dépend de plusieurs protéines engagées dans diverses cascades de signalisation. On a remarqué qu’elle dépend aussi d’autres types de récepteurs qui interagissent fonctionnellement avec les récepteurs à dopamine. De plus, nous constatons graduellement que le traitement à long terme de certaines maladies à l’aide de nombreux médicaments qui agissent sur le système dopaminergique entraîne à la longue des adaptations d’ordre fonctionnel, structurel et moléculaire au sein de ce système. Ces nouvelles observations pourraient aider à déceler de nouvelles cibles thérapeutiques. Enfin, la découverte de la co-libération du glutamate par les neurones à dopamine nous amène à reconsidérer certains aspects de la physiologie fondamentale de ces neurones

Layer-specific cholinergic control of human and mouse cortical synaptic plasticity

Individual cortical layers have distinct roles in information processing. All layers receive cholinergic inputs from the basal forebrain (BF), which is crucial for cognition. Acetylcholinergic receptors are differentially distributed across cortical layers, and recent evidence suggests that different populations of BF cholinergic neurons may target specific prefrontal cortical (PFC) layers, raising the question of whether cholinergic control of the PFC is layer dependent. Here we address this issue and reveal dendritic mechanisms by which endogenous cholinergic modulation of synaptic plasticity is opposite in superficial and deep layers of both mouse and human neocortex. Our results show that in different cortical layers, spike timing-dependent plasticity is oppositely regulated by the activation of nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) either located on dendrites of principal neurons or on GABAergic interneurons. Thus, layer-specific nAChR expression allows functional layer-specific control of cortical processing and plasticity by the BF cholinergic system, which is evolutionarily conserved from mice to humans

Presynaptic inhibition upon CB1 or mGlu2/3 receptor activation requires ERK/MAPK phosphorylation of Munc18-1.

Presynaptic cannabinoid (CB1R) and metabotropic glutamate receptors (mGluR2/3) regulate synaptic strength by inhibiting secretion. Here, we reveal a presynaptic inhibitory pathway activated by extracellular signal-regulated kinase (ERK) that mediatesCB1R- andmGluR2/3-induced secretion inhibition. This pathway is triggered by a variety of events, from foot shock-induced stress to intense neuronal activity, and induces phosphorylation of the presynaptic protein Munc18-1. Mimicking constitutive phosphorylation of Munc18-1 results in a drastic decrease in synaptic transmission.ERK-mediated phosphorylation of Munc18-1 ultimately leads to degradation by the ubiquitin-proteasome system. Conversely, preventingERK-dependent Munc18-1 phosphorylation increases synaptic strength.CB1R- andmGluR2/3-induced synaptic inhibition and depolarization-induced suppression of excitation (DSE) are reduced uponERK/MEKpathway inhibition and further reduced whenERK-dependent Munc18-1 phosphorylation is blocked. Thus,ERK-dependent Munc18-1 phosphorylation provides a major negative feedback loop to control synaptic strength upon activation of presynaptic receptors and during intense neuronal activity

Author Correction:Prefrontal cortical ChAT-VIP interneurons provide local excitation by cholinergic synaptic transmission and control attention (Nature Communications, (2019), 10, 1, (5280), 10.1038/s41467-019-13244-9)

The original version of this Article contained an error in the spelling of the author Wilma D.J. van de Berg, which was incorrectly given as Wilma D.J. van den Berg. This has now been corrected in both the PDF and HTML versions of the Article

Prefrontal cortical ChAT-VIP interneurons provide local excitation by cholinergic synaptic transmission and control attention

Neocortical choline acetyltransferase (ChAT)-expressing interneurons are a subclass of vasoactive intestinal peptide (ChAT-VIP) neurons of which circuit and behavioural function are unknown. Here, we show that ChAT-VIP neurons directly excite neighbouring neurons in several layers through fast synaptic transmission of acetylcholine (ACh) in rodent medial prefrontal cortex (mPFC). Both interneurons in layers (L)1-3 as well as pyramidal neurons in L2/3 and L6 receive direct inputs from ChAT-VIP neurons mediated by fast cholinergic transmission. A fraction (10-20%) of postsynaptic neurons that received cholinergic input from ChAT-VIP interneurons also received GABAergic input from these neurons. In contrast to regular VIP interneurons, ChAT-VIP neurons did not disinhibit pyramidal neurons. Finally, we show that activity of these neurons is relevant for behaviour and they control attention behaviour distinctly from basal forebrain ACh inputs. Thus, ChAT-VIP neurons are a local source of cortical ACh that directly excite neurons throughout cortical layers and contribute to attention

Somatodendritic Dopamine Release Requires Synaptotagmin 4 and 7 and the Participation of Voltage-gated Calcium Channels*

Somatodendritic (STD) dopamine (DA) release is a key mechanism for the autoregulatory control of DA release in the brain. However, its molecular mechanism remains undetermined. We tested the hypothesis that differential expression of synaptotagmin (Syt) isoforms explains some of the differential properties of terminal and STD DA release. Down-regulation of the dendritically expressed Syt4 and Syt7 severely reduced STD DA release, whereas terminal release required Syt1. Moreover, we found that although mobilization of intracellular Ca2+ stores is inefficient, Ca2+ influx through N- and P/Q-type voltage-gated channels is critical to trigger STD DA release. Our findings provide an explanation for the differential Ca2+ requirement of terminal and STD DA release. In addition, we propose that not all sources of intracellular Ca2+ are equally efficient to trigger this release mechanism. Our findings have implications for a better understanding of a fundamental cell biological process mediating transcellular signaling in a system critical for diseases such as Parkinson disease