Cell Type-Specific Control of Memory Functions by CB1 Cannabinoid Receptors

Le système endocannabinoïde est un important modulateur des fonctions physiologiques. Dans le cerveau, son contrôle s’exerce essentiellement par les récepteurs cannabinoïdes de type 1 (CB1). Les récepteurs CB1 sont abondamment exprimés sur les neurones excitateurs glutamatergiques et les interneurones inhibiteurs GABAergiques et leur stimulation inhibe la libération du glutamate et du GABA. Récemment, l’activité des récepteurs CB1 sur les astrocytes a été proposée comme facilitant la transmission excitatrice. Par ce contrôle général de la neurotransmission, l’activité des récepteurs CB1 induit différents phénomènes de plasticté synaptique associés aux processus de mémoire. Les récepteurs CB1 jouent un rôle complexe dans les fonctions de mémoire. En particulier, la stimulation exogène des récepteurs CB1 perturbe la mémoire de travail. D’autre part, la signalisation endogène des récepteurs CB1 est nécessaire à l’adaptation des réponses de peur apprises. Cependant, les mécanismes par lesquels les récepteurs CB1 régulent ces processus de mémoire n’ont été que peu analysés. L’objectif de ce travail fut de caractériser les mécanismes cellulaires par lesquels les récepteurs CB1 contrôlent la mémoire de travail et les réponses de peur apprises. Nous avons utilisé les modèles de mutation constitutive et conditionnelle des récepteurs CB1 chez la souris afin d’analyser les conséquences de la délétion de ces récepteurs sur des types cellulaires particuliers. Dans une première étude, nous avons montré que les cannabinoïdes exogènes tels que le Δ9-tetrahydocannabinol (THC, principal composé psychoactif du cannabis) induisent des déficits de mémoire de travail spatiale par la stimulation des récepteurs CB1 exprimés sur les astrocytes. Les cannabinoides induisent une forme de dépression à long-terme dans l’hippocampe dont plusieurs mécanismes cellulaires sont similaires à ceux supportant les déficits de mémoire mis en évidence par l’analyse comportementale. Ces résultats suggèrent que les cannabinoïdes altèrent la mémoire de travail spatiale par une modification de la plasticité synaptique de l’hippocampe induite par la stimulation des récepteurs CB1 astrogliaux. Dans une seconde étude, nous avons mis en évidence que les récepteurs CB1 localisés sur les neurones GABAergiques et glutamatergiques exercent un contrôle opposé sur le type de réponse élicité par un stimulus conditioné aversif. La ré-expression sélective des récepteurs CB1 dans l’amygdale des souris mutantes constitutives a permis de préciser l’implication de cette structure dans la régulation des réponses de peur conditionnées par les récepteurs CB1.L’ensemble de ces travaux indiquent que le système endocannabinoïde contrôle les fonctions de mémoire par une régulation de l’activité de cellules spécifiques dans le cerveau. L’implication des astrocytes dans les effets des cannabinoïdes sur la mémoire souligne l’importance de ces cellules dans les processus cognitifs et suggère que les récepteurs CB1 astrogliaux jouent un rôle dans d’autres fonctions cérébrales. Nos résulats révèlent également l’importance de l’évaluation de différents comportements dans le cadre des modèles expérimentaux d’adaptation à la peur.The endocannabinoid system is an important regulator of physiological functions. In the brain, this control is mainly exerted through the type-1-cannabinoid (CB1) receptors. CB1 receptors are abundant at excitatory glutamatergic and inhibitory GABAergic neuron terminals where their stimulation inhibits neurotransmitter release. The activity of CB1 receptors on astrocytes has been recently proposed as facilitating excitatory transmission. Through this general control on brain neurotransmission, CB1 receptors mediate distinct forms of synaptic plasticity that are associated with memory processing. Indeed, CB1 receptors control memory functions. In particular, the exogenous stimulation of CB1 receptors impairs working memory. Moreover, the endogenous CB1 receptor signalling ensures the adaptation of learned fear responses. However, the brain mechanisms of this CB1-mediated control of memory functions are poorly characterized. The goals of this research work were to dissect the cellular mechanisms by which CB1 receptors control both working memory and learned fear responses. We used constitutive and conditional mutagenesis in mice to address the roles of CB1 receptors on particular cell types in these functions. We first showed that exogenous cannabinoids, including Δ9-tetrahydocannabinol (THC, the main psychoactive constituent of cannabis), impairs spatial working memory through the stimulation of astroglial CB1 receptors. Cannabinoids also induce a form of in vivo long-term depression in the hippocampus that shares several cellular mechanisms with the cannabinoid-induced working memory impairments. These results suggest that cannabinoids disrupt spatial working memory by altering hippocampal synaptic plasticity through astroglial CB1 receptor stimulation. We then showed that CB1 receptors expressed on GABAergic and glutamatergic neurons oppositely control fear coping strategies in the presence of fear conditioned stimuli. The selective and local re-expression of CB1 receptors in the amygdala of constitutive CB1 mutant mice allowed to precise the involvement of this brain structure in the regulation of conditioned fear responses by CB1 receptors. Altogether, these studies indicate that the endocannabinoid system differentially controls memory functions through its distinct modulation of the activity of specific brain cells. The involvement of astrocytes in the effects of cannabinoids on memory highlights their key roles in cognitive processes and further suggests that astroglial CB1 receptors might play a role in other high order brain functions. Our results also point the importance of performing thorough behavioral analyses in the experimental models of fear adaptation

Spécificité du Type Cellulaire dans le Contrôle des Fonctions de Mémoire par les Récepteurs Cannabinoïdes CB1

Le système endocannabinoïde est un important modulateur des fonctions physiologiques. Dans le cerveau, son contrôle s’exerce essentiellement par les récepteurs cannabinoïdes de type 1 (CB1). Les récepteurs CB1 sont abondamment exprimés sur les neurones excitateurs glutamatergiques et les interneurones inhibiteurs GABAergiques et leur stimulation inhibe la libération du glutamate et du GABA. Récemment, l’activité des récepteurs CB1 sur les astrocytes a été proposée comme facilitant la transmission excitatrice. Par ce contrôle général de la neurotransmission, l’activité des récepteurs CB1 induit différents phénomènes de plasticté synaptique associés aux processus de mémoire. Les récepteurs CB1 jouent un rôle complexe dans les fonctions de mémoire. En particulier, la stimulation exogène des récepteurs CB1 perturbe la mémoire de travail. D’autre part, la signalisation endogène des récepteurs CB1 est nécessaire à l’adaptation des réponses de peur apprises. Cependant, les mécanismes par lesquels les récepteurs CB1 régulent ces processus de mémoire n’ont été que peu analysés. L’objectif de ce travail fut de caractériser les mécanismes cellulaires par lesquels les récepteurs CB1 contrôlent la mémoire de travail et les réponses de peur apprises. Nous avons utilisé les modèles de mutation constitutive et conditionnelle des récepteurs CB1 chez la souris afin d’analyser les conséquences de la délétion de ces récepteurs sur des types cellulaires particuliers. Dans une première étude, nous avons montré que les cannabinoïdes exogènes tels que le Δ9-tetrahydocannabinol (THC, principal composé psychoactif du cannabis) induisent des déficits de mémoire de travail spatiale par la stimulation des récepteurs CB1 exprimés sur les astrocytes. Les cannabinoides induisent une forme de dépression à long-terme dans l’hippocampe dont plusieurs mécanismes cellulaires sont similaires à ceux supportant les déficits de mémoire mis en évidence par l’analyse comportementale. Ces résultats suggèrent que les cannabinoïdes altèrent la mémoire de travail spatiale par une modification de la plasticité synaptique de l’hippocampe induite par la stimulation des récepteurs CB1 astrogliaux. Dans une seconde étude, nous avons mis en évidence que les récepteurs CB1 localisés sur les neurones GABAergiques et glutamatergiques exercent un contrôle opposé sur le type de réponse élicité par un stimulus conditioné aversif. La ré-expression sélective des récepteurs CB1 dans l’amygdale des souris mutantes constitutives a permis de préciser l’implication de cette structure dans la régulation des réponses de peur conditionnées par les récepteurs CB1.L’ensemble de ces travaux indiquent que le système endocannabinoïde contrôle les fonctions de mémoire par une régulation de l’activité de cellules spécifiques dans le cerveau. L’implication des astrocytes dans les effets des cannabinoïdes sur la mémoire souligne l’importance de ces cellules dans les processus cognitifs et suggère que les récepteurs CB1 astrogliaux jouent un rôle dans d’autres fonctions cérébrales. Nos résulats révèlent également l’importance de l’évaluation de différents comportements dans le cadre des modèles expérimentaux d’adaptation à la peur.The endocannabinoid system is an important regulator of physiological functions. In the brain, this control is mainly exerted through the type-1-cannabinoid (CB1) receptors. CB1 receptors are abundant at excitatory glutamatergic and inhibitory GABAergic neuron terminals where their stimulation inhibits neurotransmitter release. The activity of CB1 receptors on astrocytes has been recently proposed as facilitating excitatory transmission. Through this general control on brain neurotransmission, CB1 receptors mediate distinct forms of synaptic plasticity that are associated with memory processing. Indeed, CB1 receptors control memory functions. In particular, the exogenous stimulation of CB1 receptors impairs working memory. Moreover, the endogenous CB1 receptor signalling ensures the adaptation of learned fear responses. However, the brain mechanisms of this CB1-mediated control of memory functions are poorly characterized. The goals of this research work were to dissect the cellular mechanisms by which CB1 receptors control both working memory and learned fear responses. We used constitutive and conditional mutagenesis in mice to address the roles of CB1 receptors on particular cell types in these functions. We first showed that exogenous cannabinoids, including Δ9-tetrahydocannabinol (THC, the main psychoactive constituent of cannabis), impairs spatial working memory through the stimulation of astroglial CB1 receptors. Cannabinoids also induce a form of in vivo long-term depression in the hippocampus that shares several cellular mechanisms with the cannabinoid-induced working memory impairments. These results suggest that cannabinoids disrupt spatial working memory by altering hippocampal synaptic plasticity through astroglial CB1 receptor stimulation. We then showed that CB1 receptors expressed on GABAergic and glutamatergic neurons oppositely control fear coping strategies in the presence of fear conditioned stimuli. The selective and local re-expression of CB1 receptors in the amygdala of constitutive CB1 mutant mice allowed to precise the involvement of this brain structure in the regulation of conditioned fear responses by CB1 receptors. Altogether, these studies indicate that the endocannabinoid system differentially controls memory functions through its distinct modulation of the activity of specific brain cells. The involvement of astrocytes in the effects of cannabinoids on memory highlights their key roles in cognitive processes and further suggests that astroglial CB1 receptors might play a role in other high order brain functions. Our results also point the importance of performing thorough behavioral analyses in the experimental models of fear adaptation

Cannabinoid-Induced Tetrad in Mice.

International audienc

Bimodal control of fear-coping strategies by CB₁ cannabinoid receptors

International audienceTo maximize their chances of survival, animals need to rapidly and efficiently respond to aversive situations. These responses can be classified as active or passive and depend on the specific nature of threats, but also on individual fear coping styles. In this study, we show that the control of excitatory and inhibitory brain neurons by type-1 cannabinoid (CB₁) receptors is a key determinant of fear coping strategies in mice. In classical fear conditioning, a switch between initially predominant passive fear responses (freezing) and active behaviors (escape attempts and risk assessment) develops over time. Constitutive genetic deletion of CB₁ receptors in CB₁⁻/⁻ mice disrupted this pattern by favoring passive responses. This phenotype can be ascribed to endocannabinoid control of excitatory neurons, because it was reproduced in conditional mutant mice lacking CB₁ receptors from cortical glutamatergic neurons. CB₁ receptor deletion from GABAergic brain neurons led to the opposite phenotype, characterized by the predominance of active coping. The CB₁ receptor agonist Δ⁹-tetrahydrocannabinol exerted a biphasic control of fear coping strategies, with lower and higher doses favoring active and passive responses, respectively. Finally, viral re-expression of CB₁ receptors in the amygdala of CB₁⁻/⁻ mice restored the normal switch between the two coping strategies. These data strongly suggest that CB₁ receptor signaling bimodally controls the spontaneous adoption of active or passive coping strategies in individuals. This primary function of the endocannabinoid system in shaping individual behavioral traits should be considered when studying the mechanisms of physiological and pathological fear

Acute cannabinoids impair working memory through astroglial CB1 receptor modulation of hippocampal LTD.

International audienceImpairment of working memory is one of the most important deleterious effects of marijuana intoxication in humans, but its underlying mechanisms are presently unknown. Here, we demonstrate that the impairment of spatial working memory (SWM) and in vivo long-term depression (LTD) of synaptic strength at hippocampal CA3-CA1 synapses, induced by an acute exposure of exogenous cannabinoids, is fully abolished in conditional mutant mice lacking type-1 cannabinoid receptors (CB(1)R) in brain astroglial cells but is conserved in mice lacking CB(1)R in glutamatergic or GABAergic neurons. Blockade of neuronal glutamate N-methyl-D-aspartate receptors (NMDAR) and of synaptic trafficking of glutamate α-amino-3-hydroxy-5-methyl-isoxazole propionic acid receptors (AMPAR) also abolishes cannabinoid effects on SWM and LTD induction and expression. We conclude that the impairment of working memory by marijuana and cannabinoids is due to the activation of astroglial CB(1)R and is associated with astroglia-dependent hippocampal LTD in vivo

Astroglial CB1 cannabinoid receptors regulate leptin signaling in mouse brain astrocytes

Type-1 cannabinoid (CB1) receptors and leptin receptors (ObR) have been recently and independently shown to directly regulate astroglial functions. Using a series of in vitro experiments, this study demonstrates that the functions of ObR are tightly controlled by CB1 receptors in mouse astrocytes. Using quantitative PCR and immunodetection, a severe reduction of ObR expression was observed in astrocyte cultures derived from mice lacking CB1 receptor (CB1-KO), and this decreased ObR expression was completely rescued by re-expressing CB1 receptor in CB1-KO cells. The inhibitor of endocannabinoid degradation enzymes JZL195 increased ObR expression, whereas rimonabant, a selective CB1 receptor antagonist, exerted the opposite effect. The deletion of astroglial CB1 receptors also markedly impaired both leptin-mediated signal transducers and activators of transcription 3 and 5 (STAT3 and STAT5) signaling cascades. As a consequence, CB1-KO astrocytes displayed important functional deficiency as in these cultures leptin failed to regulate glycogen storage. In addition, CB1 receptor deletion determined a basal overactivation of STAT5, thereby leading to the downregulation of ObR expression. Using electron microscopy, we found that, similarly to the hippocampus, also neocortical and hypothalamic astrocytes contain low, but detectable levels of CB1 receptor protein. Altogether, our results provide novel astroglial-dependent mechanisms by which CB1 receptors directly interfere with leptin signaling. Considering the impact of these interactions on the leptin-mediated glycogen storage, these findings could be particularly relevant for the brain regulation of energy metabolism and neuronal functions

Astroglial CB1 Receptors Determine Synaptic D-Serine Availability to Enable Recognition Memory

International audienceBidirectional communication between neurons and astrocytes shapes synaptic plasticity and behavior. D-serine is a necessary co-agonist of synaptic N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs), but the physiological factors regulating its impact on memory processes are scantly known. We show that astroglial CB1 receptors are key determinants of object recognition memory by determining the availability of D-serine at hippocampal synapses. Mutant mice lacking CB1 receptors from astroglial cells (GFAP-CB1-KO) displayed impaired object recognition memory and decreased in vivo and in vitro long-term potentiation (LTP) at CA3-CA1 hippocampal synapses. Activation of CB1 receptors increased intracellular astroglial Ca2+ levels and extracellular levels of D-serine in hippocampal slices. Accordingly, GFAP-CB1-KO displayed lower occupancy of the co-agonist binding site of synaptic hippocampal NMDARs. Finally, elevation of D-serine levels fully rescued LTP and memory impairments of GFAP-CB1-KO mice. These data reveal a novel mechanism of in vivo astroglial control of memory and synaptic plasticity via the D-serine-dependent control of NMDARs

Mitochondrial CB₁ receptors regulate neuronal energy metabolism

The mammalian brain is one of the organs with the highest energy demands, and mitochondria are key determinants of its functions. Here we show that the type-1 cannabinoid receptor (CB(1)) is present at the membranes of mouse neuronal mitochondria (mtCB(1)), where it directly controls cellular respiration and energy production. Through activation of mtCB(1) receptors, exogenous cannabinoids and in situ endocannabinoids decreased cyclic AMP concentration, protein kinase A activity, complex I enzymatic activity and respiration in neuronal mitochondria. In addition, intracellular CB(1) receptors and mitochondrial mechanisms contributed to endocannabinoid-dependent depolarization-induced suppression of inhibition in the hippocampus. Thus, mtCB(1) receptors directly modulate neuronal energy metabolism, revealing a new mechanism of action of G protein-coupled receptor signaling in the brain