Multisensory gaze stabilization in response to subchronic alteration of vestibular type I hair cells

The functional complementarity of the vestibulo-ocular reflex (VOR) and optokinetic reflex (OKR) allows for optimal combined gaze stabilization responses (CGR) in light. While sensory substitution has been reported following complete vestibular loss, the capacity of the central vestibular system to compensate for partial peripheral vestibular loss remains to be determined. Here, we first demonstrate the efficacy of a 6-week subchronic ototoxic protocol in inducing transient and partial vestibular loss which equally affects the canal- and otolith-dependent VORs. Immunostaining of hair cells in the vestibular sensory epithelia revealed that organ-specific alteration of type I, but not type II, hair cells correlates with functional impairments. The decrease in VOR performance is paralleled with an increase in the gain of the OKR occurring in a specific range of frequencies where VOR normally dominates gaze stabilization, compatible with a sensory substitution process. Comparison of unimodal OKR or VOR versus bimodal CGR revealed that visuo-vestibular interactions remain reduced despite a significant recovery in the VOR. Modeling and sweep-based analysis revealed that the differential capacity to optimally combine OKR and VOR correlates with the reproducibility of the VOR responses. Overall, these results shed light on the multisensory reweighting occurring in pathologies with fluctuating peripheral vestibular malfunction

Intégration visuelle et vestibulaire pour la stabilisation du regard dans le modèle murin

A stable image of the environment is crucial to balance, orientation and navigation. Gaze stabilization is achieved in all vertebrates by the vestibular and visual reflexes that compensate for internal or external movements, respectively. The vestibulo-ocular reflex in dark (VORd) minimizes motion blur induced by head movements with compensatory eye movements. The optokinetic reflex (OKR) stabilizes the eye in a moving visual environment. Both reflexes work synergistically to perform optimal combined gaze stabilization in physiological conditions. To better understand visuo-vestibular integration and its plasticity following sensory loss, we performed in the mouse a series of behavioural experiments by quantifying VORd and OKR following visual or vestibular perturbations. In a first study, VOR and OKR week-long alterations were studied using a previously developed visuo-vestibular mismatch protocol. This protocol is based on a device permanently implanted on the mouse head for two weeks, thus perturbing vision without altering vestibular signals. The adaptation and recovery dynamics of the OKR and VOR reflexes were compared in two mismatch conditions that differed in the amount of retinal slip (França de Barros, Schenberg et al 2020). We found that the visuo-vestibular mismatch protocol led to a reduction of the gain of both VOR and OKR, which mostly concerned the responses to lower frequencies of stimulation. The changes observed in the OKR were generally of lower intensity and recovered more rapidly than the changes in the VOR. Using 2 variants of the device with different contrasts didn’t reveal major differences, suggesting that the absence of visual feedback is the main determining factor driving the changes in the calibration of the VOR and OKR. The second study (Schenberg et al. in prep) is based on the transitory alteration of vestibular inputs. This is achieved using a so-called “subchronic” ototoxic protocol, based on week-long exposure to low doses of IDPN (3,3'-iminodipropionitrile) in the drinking water (Greguske et al. 2021). We report that 6 weeks of IDPN subchronic treatment equally affects the canal- and otolith-dependent vestibulo-ocular reflexes and that organ-specific loss of hair cells correlates with individual mice impairments. We show that optokinetic adaptive plasticity is frequency-specific and dynamically lags VOR changes. OKR changes occur in the frequency range where the vestibular inputs are physiologically dominating compensatory gaze-stabilizing reflexes. Finally, the integration of vestibular and visual inputs remains impaired in IDPN-treated mice after 6 weeks of washout, leading to suboptimal gaze stabilization. Collectively, the results produced during my PhD shed light on the integration of visual and vestibular inputs in the mouse models by providing new data about the dynamics of week-long adaptation that develop when a transitory sensory loss occurs. These results are of importance to better understand the physiological mechanisms that sustain the multisensory reweighting in patients suffering from e.g fluctuating peripheral vestibular malfunction.Une image stable de l'environnement est cruciale pour l'équilibre, l'orientation et la navigation. La stabilisation du regard est assurée chez tous les vertébrés par les réflexes vestibulaires et visuels qui compensent les respectivement mouvements internes ou externes. Le réflexe vestibulo-oculaire dans l'obscurité (VORd) minimise le flou de mouvement induit par les mouvements de la tête grâce à des mouvements oculaires compensatoires. Le réflexe optocinétique (OKR) stabilise l'œil dans un environnement visuel en mouvement. Ces deux réflexes fonctionnent en synergie pour assurer une stabilisation optimale du regard combiné dans des conditions physiologiques. Pour mieux comprendre l'intégration visuo-vestibulaire et sa plasticité suite à une perte sensorielle, nous avons réalisé chez la souris une série d'expériences comportementales en quantifiant le VORd et l'OKR suite à des perturbations visuelles ou vestibulaires. Dans une première étude, les altérations du VOR et de l'OKR au cours de la semaine ont été étudiées en utilisant un protocole de mismatch visuo-vestibulaire précédemment développé. Ce protocole est basé sur un dispositif implanté de façon permanente sur la tête de la souris pendant deux semaines, perturbant ainsi la vision sans altérer les signaux vestibulaires. Les dynamiques d'adaptation et de récupération des réflexes OKR et VOR ont été comparées dans deux conditions de mismatch qui différaient par l'importance du glissement rétinien (França de Barros, Schenberg et al 2020). Nous avons constaté que le protocole de mismatch visuo-vestibulaire a entraîné une réduction du gain du VOR et de l'OKR, qui concerne principalement les réponses aux basses fréquences de stimulation. Les changements observés dans l'OKR étaient généralement de moindre intensité et se sont rétablis plus rapidement que les changements dans le VOR. L'utilisation de 2 variantes de l'appareil avec des contrastes différents n'a pas révélé de différences majeures, ce qui suggère que l'absence de retour visuel est le principal facteur déterminant des changements dans la calibration du VOR et de l'OKR. La deuxième étude (Schenberg et al. en prép.) est basée sur l'altération transitoire des entrées vestibulaires. Elle utilise un protocole ototoxique dit " subchronique ", basé sur une exposition d'une semaine à de faibles doses d'IDPN (3,3'-iminodipropionitrile) dans l'eau potable (Greguske et al. 2021). Nous rapportons que 6 semaines de traitement subchronique à l'IDPN affectent également les réflexes vestibulo-oculaires dépendants des canaux semi-circulaires et des organes otolithiques et que la perte de cellules ciliées spécifique à l'organe est en corrélation avec les déficiences individuelles des souris. Nous montrons que la plasticité adaptative optocinétique est spécifique à la fréquence et est dynamiquement décalée par rapport aux changements du VOR. Les changements du VOR se produisent dans la gamme de fréquences où les entrées vestibulaires dominent physiologiquement les réflexes compensatoires de stabilisation du regard. Enfin, l'intégration des entrées vestibulaires et visuelles reste altérée chez les souris traitées par l'IDPN après 6 semaines de sevrage, ce qui entraîne une stabilisation suboptimale du regard. Collectivement, les résultats produits au cours de ma thèse éclairent l'intégration des entrées visuelles et vestibulaires dans les modèles de souris en fournissant de nouvelles données sur la dynamique de l'adaptation hebdomadaire qui se développe lorsqu'une perte sensorielle transitoire se produit. Ces résultats sont importants pour mieux comprendre les mécanismes physiologiques qui soutiennent la repondération multisensorielle chez les patients souffrants, par exemple, d'un dysfonctionnement vestibulaire périphérique fluctuant

Intégration visuelle et vestibulaire pour la stabilisation du regard dans le modèle murin

Une image stable de l'environnement est cruciale pour l'équilibre, l'orientation et la navigation. La stabilisation du regard est assurée chez tous les vertébrés par les réflexes vestibulaires et visuels qui compensent les respectivement mouvements internes ou externes. Le réflexe vestibulo-oculaire dans l'obscurité (VORd) minimise le flou de mouvement induit par les mouvements de la tête grâce à des mouvements oculaires compensatoires. Le réflexe optocinétique (OKR) stabilise l'œil dans un environnement visuel en mouvement. Ces deux réflexes fonctionnent en synergie pour assurer une stabilisation optimale du regard combiné dans des conditions physiologiques. Pour mieux comprendre l'intégration visuo-vestibulaire et sa plasticité suite à une perte sensorielle, nous avons réalisé chez la souris une série d'expériences comportementales en quantifiant le VORd et l'OKR suite à des perturbations visuelles ou vestibulaires. Dans une première étude, les altérations du VOR et de l'OKR au cours de la semaine ont été étudiées en utilisant un protocole de mismatch visuo-vestibulaire précédemment développé. Ce protocole est basé sur un dispositif implanté de façon permanente sur la tête de la souris pendant deux semaines, perturbant ainsi la vision sans altérer les signaux vestibulaires. Les dynamiques d'adaptation et de récupération des réflexes OKR et VOR ont été comparées dans deux conditions de mismatch qui différaient par l'importance du glissement rétinien (França de Barros, Schenberg et al 2020). Nous avons constaté que le protocole de mismatch visuo-vestibulaire a entraîné une réduction du gain du VOR et de l'OKR, qui concerne principalement les réponses aux basses fréquences de stimulation. Les changements observés dans l'OKR étaient généralement de moindre intensité et se sont rétablis plus rapidement que les changements dans le VOR. L'utilisation de 2 variantes de l'appareil avec des contrastes différents n'a pas révélé de différences majeures, ce qui suggère que l'absence de retour visuel est le principal facteur déterminant des changements dans la calibration du VOR et de l'OKR. La deuxième étude (Schenberg et al. en prép.) est basée sur l'altération transitoire des entrées vestibulaires. Elle utilise un protocole ototoxique dit " subchronique ", basé sur une exposition d'une semaine à de faibles doses d'IDPN (3,3'-iminodipropionitrile) dans l'eau potable (Greguske et al. 2021). Nous rapportons que 6 semaines de traitement subchronique à l'IDPN affectent également les réflexes vestibulo-oculaires dépendants des canaux semi-circulaires et des organes otolithiques et que la perte de cellules ciliées spécifique à l'organe est en corrélation avec les déficiences individuelles des souris. Nous montrons que la plasticité adaptative optocinétique est spécifique à la fréquence et est dynamiquement décalée par rapport aux changements du VOR. Les changements du VOR se produisent dans la gamme de fréquences où les entrées vestibulaires dominent physiologiquement les réflexes compensatoires de stabilisation du regard. Enfin, l'intégration des entrées vestibulaires et visuelles reste altérée chez les souris traitées par l'IDPN après 6 semaines de sevrage, ce qui entraîne une stabilisation suboptimale du regard. Collectivement, les résultats produits au cours de ma thèse éclairent l'intégration des entrées visuelles et vestibulaires dans les modèles de souris en fournissant de nouvelles données sur la dynamique de l'adaptation hebdomadaire qui se développe lorsqu'une perte sensorielle transitoire se produit. Ces résultats sont importants pour mieux comprendre les mécanismes physiologiques qui soutiennent la repondération multisensorielle chez les patients souffrants, par exemple, d'un dysfonctionnement vestibulaire périphérique fluctuant.A stable image of the environment is crucial to balance, orientation and navigation. Gaze stabilization is achieved in all vertebrates by the vestibular and visual reflexes that compensate for internal or external movements, respectively. The vestibulo-ocular reflex in dark (VORd) minimizes motion blur induced by head movements with compensatory eye movements. The optokinetic reflex (OKR) stabilizes the eye in a moving visual environment. Both reflexes work synergistically to perform optimal combined gaze stabilization in physiological conditions. To better understand visuo-vestibular integration and its plasticity following sensory loss, we performed in the mouse a series of behavioural experiments by quantifying VORd and OKR following visual or vestibular perturbations. In a first study, VOR and OKR week-long alterations were studied using a previously developed visuo-vestibular mismatch protocol. This protocol is based on a device permanently implanted on the mouse head for two weeks, thus perturbing vision without altering vestibular signals. The adaptation and recovery dynamics of the OKR and VOR reflexes were compared in two mismatch conditions that differed in the amount of retinal slip (França de Barros, Schenberg et al 2020). We found that the visuo-vestibular mismatch protocol led to a reduction of the gain of both VOR and OKR, which mostly concerned the responses to lower frequencies of stimulation. The changes observed in the OKR were generally of lower intensity and recovered more rapidly than the changes in the VOR. Using 2 variants of the device with different contrasts didn’t reveal major differences, suggesting that the absence of visual feedback is the main determining factor driving the changes in the calibration of the VOR and OKR. The second study (Schenberg et al. in prep) is based on the transitory alteration of vestibular inputs. This is achieved using a so-called “subchronic” ototoxic protocol, based on week-long exposure to low doses of IDPN (3,3'-iminodipropionitrile) in the drinking water (Greguske et al. 2021). We report that 6 weeks of IDPN subchronic treatment equally affects the canal- and otolith-dependent vestibulo-ocular reflexes and that organ-specific loss of hair cells correlates with individual mice impairments. We show that optokinetic adaptive plasticity is frequency-specific and dynamically lags VOR changes. OKR changes occur in the frequency range where the vestibular inputs are physiologically dominating compensatory gaze-stabilizing reflexes. Finally, the integration of vestibular and visual inputs remains impaired in IDPN-treated mice after 6 weeks of washout, leading to suboptimal gaze stabilization. Collectively, the results produced during my PhD shed light on the integration of visual and vestibular inputs in the mouse models by providing new data about the dynamics of week-long adaptation that develop when a transitory sensory loss occurs. These results are of importance to better understand the physiological mechanisms that sustain the multisensory reweighting in patients suffering from e.g fluctuating peripheral vestibular malfunction

In Vivo Intracerebral Stereotaxic Injections for Optogenetic Stimulation of Long-Range Inputs in Mouse Brain Slices

International audienceKnowledge of cell type specific synaptic connectivity is a crucial prerequisite for understanding brain wide neuronal circuits. The functional investigation of long-range connections requires targeted recordings of single neurons combined with the specific stimulation of identified distant inputs. This is often difficult to achieve with conventional, electrical stimulation techniques, because axons from converging upstream brain areas may intermingle in the target region. The stereotaxic targeting of a specific brain region for virus-mediated expression of light sensitive ion channels allows to selectively stimulate axons coming from that region with light. Intracerebral stereotaxic injections can be used in well-delimited structures, such as the anterodorsal thalamic nuclei, and also in other subcortical or cortical areas throughout the brain. Here we describe a set of techniques for precise stereotaxic injection of viral vectors expressing channelrhodopsin in the anterodorsal thalamus, followed by photostimulation of their axon terminals in hippocampal slices. In combination with whole-cell patch clamp recording from a postsynaptically connected presubicular neuron, photostimulation of thalamic axons allows the detection of functional synaptic connections, their pharmacological characterization, and the evaluation of their strength in the brain slice preparation. We demonstrate that axons originating in the anterodorsal thalamus ramify densely in presubicular layers 1 and 3. The photostimulation of Chronos expressing thalamic axon terminals in presubiculum initiates short latency postsynaptic responses in a presubicular layer3 neuron, indicating a monosynaptic connection. In addition, biocytin filling of the recorded neuron and posthoc revelation confirms the layer localization and pyramidal morphology of the postsynaptic neuron. Taken together, the optogenetic stimulation of long-range inputs in ex vivo brain slices is a useful method to determine the cell-type specific functional connectivity from distant brain regions