Dynamic interplay between thalamic activity and Cajal-Retzius cells regulates the wiring of cortical layer 1

Cortical wiring relies on guidepost cells and activity-dependent processes that are thought to act sequentially. Here, we show that the construction of layer 1 (L1), a main site of top-down integration, is regulated by crosstalk between transient Cajal-Retzius cells (CRc) and spontaneous activity of the thalamus, a main driver of bottom-up information. While activity was known to regulate CRc migration and elimination, we found that prenatal spontaneous thalamic activity and NMDA receptors selectively control CRc early density, without affecting their demise. CRc density, in turn, regulates the distribution of upper layer interneurons and excitatory synapses, thereby drastically impairing the apical dendrite activity of output pyramidal neurons. In contrast, postnatal sensory-evoked activity had a limited impact on L1 and selectively perturbed basal dendrites synaptogenesis. Collectively, our study highlights a remarkable interplay between thalamic activity and CRc in L1 functional wiring, with major implications for our understanding of cortical development.We thank the IBENS Imaging Facility (France BioImaging, supported by ANR-10-INBS-04, ANR-10-LABX-54 MEMO LIFE, and ANR-11-IDEX-000-02 PSL∗ Research University, “Investments for the Future”). This work was supported by grants from the Spanish Ministry of Science, Innovation, and Universities (PGC2018-096631-B-I00) and the European Research Council (ERC-2014-CoG-647012) to G.L.-B. N.C. received funding from the Marie Skłodowska-Curie individual fellowship under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program (AXO-MATH, grant agreement no. 798326). F.G. received funding from the Agence Nationale de la Recherche (SyTune, ANR-21-CE37-0010), the European Research Council under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program (NEUROGOAL, grant agreement no.677878), the Region Nouvelle-Aquitaine, and the University of Bordeaux. The Garel laboratory is supported by INSERM, CNRS, ANR-15-CE16-0003, ANR-19-CE16-0017-02, Investissements d’Avenir implemented by ANR-10-LABX-54 MEMO LIFE, ANR-11-IDEX-0001-02 PSL∗ Research University, and the European Research Council (ERC-2013-CoG-616080, NImO). I.G. is a recipient of a fellowship from the French Ministry of Research and postdoctoral funding from Labex MemoLife, and S.G. is part of the Ecole des Neurosciences de Paris Ile-de-France network.Peer reviewe

Caractérisation fonctionnelle des projections de l'Amygdale vers les zones motrices du cortex frontal lors de l'action-sélection adaptative

Animals daily face complex situations that require adapted responses for surviving. The process of evaluating the available actions and selecting the one that appears the most relevant is called “action-selection”. It requires prior building of a fine mental model that associate actions to their outcomes, often via a process of “reinforcement learning”. Despite pieces of evidence about several brain regions with neural activity correlating with choice, the circuit and neuronal mechanisms that select actions remain discussed. Recent studies highlight the secondary motor cortex (MOs), at the interface of sensory integration and motor processing, as a credible candidate for computing action-selection. Indeed, neural activity states predicting choice have been unveiled in the MOs of rodents and its inactivation biases the selection of actions. These studies almost exclusively focused on expert animals but information about how actions are encoded in naive animals and during learning are still lacking. In a first study (Aime*, Augusto*, Kouskoff et al., 2020), we have highlighted that the MOs receives inputs from the Basolateral Amygdala (BLA), a structure known for its importance in associative learning. We have shown that BLA inputs to the MOs facilitate the discrimination of sounds associated to different outcomes in the context of associative fear learning. In a similar way, one could imagine that the BLA provides associative signals to help MOs discriminate actions with positive values. A major aim of the present doctoral work is the characterization of the role of these BLA- to-MOs projections during the learning of rewarding actions. To address this goal, we first developed a rewarding, self-driven action-selection paradigm for head-restrained mice allowing chronic two-photon microscopy of neuronal compartments through the different steps of learning. Using somatic calcium imaging and optogenetic, we have highlighted the implication of MOs in performing the task. Then, we have imaged and analyzed the activity of specific BLA boutons connecting to MOs over weeks of behavior, a technical challenge (because of the small size of boutons and weak signals) rarely undertaken so far. Altogether, the results presented in this thesis provide both novel evidences for the role of MOs in action-selection and for the importance of BLA to MOs projections for associative learningLes animaux sont confrontés quotidiennement à des situations complexes qui exigent des réponses adaptées pour survivre. Le processus d'évaluation des actions disponibles et de sélection de celle qui semble la plus pertinente est appelé "action-sélection". Il nécessite la construction préalable d'un modèle mental fin qui associe les actions à leurs conséquences, souvent par un processus d'apprentissage par renforcement. Malgré la collecte de données montrant des activités neuronales en corrélation avec le choix dans plusieurs régions du cerveau, le circuit et les mécanismes neuronaux qui sélectionnent les actions restent discutés. Des études récentes mettent en évidence le cortex moteur secondaire (MOs), à l'interface de l'intégration sensorielle et du traitement moteur, comme un candidat crédible pour le calcul de l’action-sélection. En effet, des états d'activité neuronale prédisant le choix ont été dévoilés dans le MOs des rongeurs et son inactivation a pour effet de biaiser la sélection des actions. Ces études ont presque exclusivement porté sur des animaux experts, ainsi les informations sur la manière dont les actions sont encodées chez les animaux naïfs et pendant l'apprentissage font encore défaut. Dans une première étude (Aime*, Augusto*, Kouskoff et al., 2020), nous avons souligné que le MOs reçoit des afférences de l'Amygdale Basolatérale (BLA), une structure connue pour son importance dans l'apprentissage associatif. Nous avons montré que les afférences de la BLA au MOs facilitent la discrimination de sons associés à différentes conséquences dans un contexte d’apprentissage associatif de peur. De la même manière, il est facile d’imaginer que la BLA puisse fournir des signaux associatifs au MOs afin d’aider à discriminer les actions ayant des valeurs positives.Un objectif majeur de cette étude doctorale est la caractérisation du rôle des projections de la BLA vers le MOs pendant l'apprentissage d'actions menant à une récompense. Pour atteindre cet objectif, nous avons d'abord développé un paradigme de sélection d'actions non guidé menant à une récompense pour souris en tête restreinte. Cela nous permet, par microscopie à deux photons, l’acquisition chronique de compartiments neuronaux au cours des différentes étapes de l'apprentissage. A l’aide d'imagerie-calcique somatique et d'optogénétique, nous avons mis en évidence l'implication du MOs dans l'exécution de 10 cette tâche comportementale. Ensuite, nous avons également imagé et analysé l'activité de boutons synaptiques de la BLA au sein du MOs au long des semaines de la tâche comportementale, un défi technique (en raison de la taille des boutons et de la faible amplitude des signaux) rarement entrepris jusqu'à présent. Dans l'ensemble, les résultats présentés dans cette thèse fournissent de nouvelles preuves du rôle du MOs dans l’action-sélection et de l'importance des projections de la BLA vers le MOs lors d'apprentissages associatifs

Functional characterization of Amygdala projections to motor related cortices during adaptive action-selection

Les animaux sont confrontés quotidiennement à des situations complexes qui exigent des réponses adaptées pour survivre. Le processus d'évaluation des actions disponibles et de sélection de celle qui semble la plus pertinente est appelé "action-sélection". Il nécessite la construction préalable d'un modèle mental fin qui associe les actions à leurs conséquences, souvent par un processus d'apprentissage par renforcement. Malgré la collecte de données montrant des activités neuronales en corrélation avec le choix dans plusieurs régions du cerveau, le circuit et les mécanismes neuronaux qui sélectionnent les actions restent discutés. Des études récentes mettent en évidence le cortex moteur secondaire (MOs), à l'interface de l'intégration sensorielle et du traitement moteur, comme un candidat crédible pour le calcul de l’action-sélection. En effet, des états d'activité neuronale prédisant le choix ont été dévoilés dans le MOs des rongeurs et son inactivation a pour effet de biaiser la sélection des actions. Ces études ont presque exclusivement porté sur des animaux experts, ainsi les informations sur la manière dont les actions sont encodées chez les animaux naïfs et pendant l'apprentissage font encore défaut. Dans une première étude (Aime*, Augusto*, Kouskoff et al., 2020), nous avons souligné que le MOs reçoit des afférences de l'Amygdale Basolatérale (BLA), une structure connue pour son importance dans l'apprentissage associatif. Nous avons montré que les afférences de la BLA au MOs facilitent la discrimination de sons associés à différentes conséquences dans un contexte d’apprentissage associatif de peur. De la même manière, il est facile d’imaginer que la BLA puisse fournir des signaux associatifs au MOs afin d’aider à discriminer les actions ayant des valeurs positives.Un objectif majeur de cette étude doctorale est la caractérisation du rôle des projections de la BLA vers le MOs pendant l'apprentissage d'actions menant à une récompense. Pour atteindre cet objectif, nous avons d'abord développé un paradigme de sélection d'actions non guidé menant à une récompense pour souris en tête restreinte. Cela nous permet, par microscopie à deux photons, l’acquisition chronique de compartiments neuronaux au cours des différentes étapes de l'apprentissage. A l’aide d'imagerie-calcique somatique et d'optogénétique, nous avons mis en évidence l'implication du MOs dans l'exécution de 10 cette tâche comportementale. Ensuite, nous avons également imagé et analysé l'activité de boutons synaptiques de la BLA au sein du MOs au long des semaines de la tâche comportementale, un défi technique (en raison de la taille des boutons et de la faible amplitude des signaux) rarement entrepris jusqu'à présent. Dans l'ensemble, les résultats présentés dans cette thèse fournissent de nouvelles preuves du rôle du MOs dans l’action-sélection et de l'importance des projections de la BLA vers le MOs lors d'apprentissages associatifs.Animals daily face complex situations that require adapted responses for surviving. The process of evaluating the available actions and selecting the one that appears the most relevant is called “action-selection”. It requires prior building of a fine mental model that associate actions to their outcomes, often via a process of “reinforcement learning”. Despite pieces of evidence about several brain regions with neural activity correlating with choice, the circuit and neuronal mechanisms that select actions remain discussed. Recent studies highlight the secondary motor cortex (MOs), at the interface of sensory integration and motor processing, as a credible candidate for computing action-selection. Indeed, neural activity states predicting choice have been unveiled in the MOs of rodents and its inactivation biases the selection of actions. These studies almost exclusively focused on expert animals but information about how actions are encoded in naive animals and during learning are still lacking. In a first study (Aime*, Augusto*, Kouskoff et al., 2020), we have highlighted that the MOs receives inputs from the Basolateral Amygdala (BLA), a structure known for its importance in associative learning. We have shown that BLA inputs to the MOs facilitate the discrimination of sounds associated to different outcomes in the context of associative fear learning. In a similar way, one could imagine that the BLA provides associative signals to help MOs discriminate actions with positive values. A major aim of the present doctoral work is the characterization of the role of these BLA- to-MOs projections during the learning of rewarding actions. To address this goal, we first developed a rewarding, self-driven action-selection paradigm for head-restrained mice allowing chronic two-photon microscopy of neuronal compartments through the different steps of learning. Using somatic calcium imaging and optogenetic, we have highlighted the implication of MOs in performing the task. Then, we have imaged and analyzed the activity of specific BLA boutons connecting to MOs over weeks of behavior, a technical challenge (because of the small size of boutons and weak signals) rarely undertaken so far. Altogether, the results presented in this thesis provide both novel evidences for the role of MOs in action-selection and for the importance of BLA to MOs projections for associative learnin

An increase in dendritic plateau potentials is associated with experience-dependent cortical map reorganization

Significance Here we describe a mechanism for cortical map plasticity. Classically, representational map changes are thought to be driven by changes within cortico-cortical circuits, e.g., Hebbian plasticity of synaptic circuits that lost vs. maintained an excitatory drive from the first-order thalamus, possibly steered by neuromodulatory forces from deep brain regions. Our work provides evidence for an additional gating mechanism, provided by plateau potentials, which are driven by higher-order thalamic feedback. Higher-order thalamic neurons are characterized by broad receptive fields, and the plateau potentials that they evoke strongly facilitate long-term potentiation and elicit spikes. We show that these features combined constitute a powerful driving force for the fusion or expansion of sensory representations within cortical maps.</p

bioRxiv 569137; https://doi.org/10.1101/569137

bioRxiv 569137; doi: https://doi.org/10.1101/56913

AMPAR-Dependent Synaptic Plasticity Initiates Cortical Remapping and Adaptive Behaviors during Sensory Experience

International audienceHighlights d AMPAR trafficking mediates synaptic potentiation in vivo in mice with intact whiskers d Whisker trimming rapidly saturates spared-whisker responses d Synaptic potentiation causes the enhancement of sparedwhisker-evoked response d Synaptic potentiation facilitates the behavioral recovery during cortical remappin

Astroglial ER-mitochondria calcium transfer mediates endocannabinoid-dependent synaptic integration

International audienceIntracellular calcium signaling underlies the astroglial control of synaptic transmission and plasticity. Mitochondria-endoplasmic reticulum contacts (MERCs) are key determinants of calcium dynamics, but their functional impact on astroglial regulation of brain information processing is currently unexplored. We found that the activation of astrocyte mitochondrial-associated CB1 receptors (mtCB1) determines MERCs-dependent intracellular calcium signaling and synaptic integration. The stimulation of mtCB1 receptors promotes calcium transfer from the endoplasmic reticulum to mitochondria through a specific molecular cascade, involving the mitochondrial calcium uniporter (MCU). Physiologically, mtCB1-dependent mitochondrial calcium uptake determines the dynamics of cytosolic calcium events in astrocytes upon endocannabinoid mobilization. Accordingly, electrophysiological recordings in hippocampal slices showed that conditional genetic exclusion of mtCB1 receptors or dominant negative MCU expression in astrocytes blocks lateral synaptic potentiation, through which astrocytes integrate the activity of distant synapses. Altogether, these data reveal an endocannabinoid link between astroglial MERCs and the regulation of brain network functions

Astroglial ER-mitochondria calcium transfer mediates endocannabinoid-dependent synaptic integration

International audienceIntracellular calcium signaling underlies the astroglial control of synaptic transmission and plasticity. Mitochondria-endoplasmic reticulum contacts (MERCs) are key determinants of calcium dynamics, but their functional impact on astroglial regulation of brain information processing is unexplored. We found that the activation of astrocyte mitochondrial-associated type-1 cannabinoid (mtCB1) receptors determines MERC-dependent intracellular calcium signaling and synaptic integration. The stimulation of mtCB1 receptors promotes calcium transfer from the endoplasmic reticulum to mitochondria through a specific molecular cascade, involving the mitochondrial calcium uniporter (MCU). Physiologically, mtCB1-dependent mitochondrial calcium uptake determines the dynamics of cytosolic calcium events in astrocytes upon endocannabinoid mobilization. Accordingly, electrophysiological recordings in hippocampal slices showed that conditional genetic exclusion of mtCB1 receptors or dominant-negative MCU expression in astrocytes blocks lateral synaptic potentiation, through which astrocytes integrate the activity of distant synapses. Altogether, these data reveal an endocannabinoid link between astroglial MERCs and the regulation of brain network functions