Search

International audience; Abstract Long-term depression (LTD) of synaptic strength can take multiple forms and contribute to circuit remodeling, memory encoding or erasure. The generic term LTD encompasses various induction pathways, including activation of NMDA, mGlu or P2X receptors. However, the associated specific molecular mechanisms and effects on synaptic physiology are still unclear. We here compare how NMDAR- or P2XR-dependent LTD affect synaptic nanoscale organization and function in rodents. While both LTDs are associated with a loss and reorganization of synaptic AMPARs, only NMDAR-dependent LTD induction triggers a profound reorganization of PSD-95. This modification, which requires the autophagy machinery to remove the T19-phosphorylated form of PSD-95 from synapses, leads to an increase in AMPAR surface mobility. We demonstrate that these post-synaptic changes that occur specifically during NMDAR-dependent LTD result in an increased short-term plasticity improving neuronal responsiveness of depressed synapses. Our results establish that P2XR- and NMDAR-mediated LTD are associated to functionally distinct forms of LTD.

Synaptic gain control and information storage in neural networks are mediated by alterations in synaptic transmission, such as in long-term potentiation (LTP). Here, we show using both in vitro and in vivo recordings from the rat cerebellum that tetanization protocols for the induction of LTP at parallel fiber (PF) to Purkinje cell synapses can also evoke increases in intrinsic excitability. This form of intrinsic plasticity shares with LTP a requirement for the activation of protein phosphatases 1, 2A, and 2B for induction. Purkinje cell intrinsic plasticity resembles CA1 hippocampal pyramidal cell intrinsic plasticity in that it requires activity of protein kinase A (PKA) and casein kinase 2 (CK2) and is mediated by a downregulation of SK-type calcium-sensitive K conductances. In addition, Purkinje cell intrinsic plasticity similarly results in enhanced spine calcium signaling. However, there are fundamental differences: first, while in the hippocampus increases in excitability result in a higher probability for LTP induction, intrinsic plasticity in Purkinje cells lowers the probability for subsequent LTP induction. Second, intrinsic plasticity raises the spontaneous spike frequency of Purkinje cells. The latter effect does not impair tonic spike firing in the target neurons of inhibitory Purkinje cell projections in the deep cerebellar nuclei (DCN), but lowers the Purkinje cell signal-to-noise ratio, thus reducing the PF readout. These observations suggest that intrinsic plasticity accompanies LTP of active PF synapses, while it reduces at weaker, non-potentiated synapses the probability for subsequent potentiation and lowers the impact on the Purkinje cell output.

The brain is a complex network of interconnected neurons responsible for all our cognitive functions and behaviors. Neurons receive inputs at specialized contact zones named synapses which convert an all or none electrical signal to a chemical one, through the release of neurotransmitters. This chemical signal is then turned back in a tunable electrical signal by receptors to neurotransmitters. However, a single neuron receives thousands of inputs coming from several neurons in a spatial- and temporal-dependent manner. The precise mechanism by which neurons receive, integrate and transmit this synaptic inputs is highly complex and is still not perfectly understood. At excitatory synapses, AMPA receptors (AMPARs) are responsible for the fast synaptic transmission. With the recent developments in super-resolution microscopy, the community has changed its vision of synaptic transmission. One breakthrough was the discovery that AMPARs are not randomly distributed at synapses but are organized in nanodomains of ~80 nm of diameter containing ~20 receptors. This content is an important factor since it will determine the intensity of the synaptic response. Due to their mM affinity for glutamate, AMPARs can only be activated when located in an area of ~150 nm in front of the neurotransmitter release site. Recently, AMPAR nanodomains have been shown to be located in front of glutamate release sites and to form trans-synaptic nanocolumns at basal state. Thus, the nanoscale organization of AMPARs regarding release sites seems to be a key parameter for the efficiency of synaptic transmission. Another breakthrough in the field was the observation that AMPARs diffuse at the cell surface and are immobilized at synapses to participate to synaptic transmission. The dynamic exchange between AMPAR diffusive pool and the receptors immobilized into the nanodomains participates to maintain the efficiency of synaptic response upon high-frequency stimulation.The overall aim of my PhD has been to determine the role of each above listed parameters on the intimate properties of synaptic transmission both at basal state and during synaptic plasticity. First, we identified the crucial role of Neuroligin in the alignment of AMPAR nanodomains with glutamate release sites. In addition, we managed to break this alignment to understand its impact on synaptic transmission properties. In parallel, we demonstrated that, due to a decrease in their affinity for synaptic traps, desensitized AMPARs diffuse more at the plasma membrane than opened or closed receptors. This mechanism allows synapses to recover faster from desensitization and ensure the fidelity of synaptic transmission upon high-frequency release of glutamate. Finally, synapses can modulate their strength through long-term synaptic plasticity, in particular, Long-Term Depression (LTD) corresponds to a long-lasting weakening of synaptic strength and is thought to be important in some cognitive processes and behavioral flexibility through synapse selective elimination. Following the previous discoveries about the impact of AMPAR dynamic nano-organization at synapses on the regulation of the synaptic transmission strength and reliability, I decided to investigate their role in the weakening of synapses. I found that AMPAR nanodomain content drops down rapidly and this depletion last several minutes to hours. The initial phase seems due to an increase of endocytosis events, but in a second phase, AMPAR mobility is increased following a reorganization of the post-synaptic density. This change in mobility allows depressed synapses to maintain their capacity to answer to high-frequency inputs. Thus, we propose that LTD-induced increase in AMPAR mobility allows to conduct a reliable response in synapses under high-frequency stimulation and thus to selectively maintain them while eliminating the inactive ones., Le cerveau est formé d’un réseau complexe de neurones responsables de nos fonctions cognitives et de nos comportements. Les neurones reçoivent via des contacts spécialisés nommés « synapses », des signaux d’autres neurones.[...] Le mécanisme par lequel les neurones reçoivent, intègrent et transmettent ces informations est très complexe et n'est toujours pas parfaitement compris. Dans les synapses excitatrices, les récepteurs AMPA (AMPARs) sont responsables de la transmission synaptique rapide. Les récents développements en microscopie de super résolution ont permis à la communauté scientifique de changer la vision de la transmission synaptique. Une première avancée fait suite à l’observation que les AMPARs ne sont pas distribués de façon homogène dans les synapses, mais sont organisés en nanodomaines de ~ 80 nm de diamètre contenant ~ 20 récepteurs. Ce contenu est un facteur important pour déterminer l'amplitude de la réponse synaptique. En raison de la basse affinité des AMPARs pour le glutamate, un AMPAR ne peut être activé que lorsqu'il est situé dans une zone de ~ 150 nm en face du site de libération des neurotransmetteurs. Récemment, il a été montré que les nanodomaines d’AMPARs sont situés en face de ces sites de libération, formant des nano-colonnes trans-synaptiques à l'état basal. Cette organisation précise à l’échelle nanométrique semble être un facteur clé dans l'efficacité de la transmission synaptique. Une autre avancée a été l'observation que les AMPARs diffusent à la surface des neurones et sont immobilisés à la synapse pour participer à la transmission synaptique. L'échange dynamique entre le pool diffusif d’AMPARs et les récepteurs immobilisés dans les nanodomaines participe au maintien de l’efficacité de la réponse synaptique lors de stimulations à hautes fréquences. L'objectif de ma thèse a été de déterminer le rôle des paramètres indiqués ci-dessus sur les propriétés de la transmission synaptique, à l'état basal et au cours de phénomènes dits de plasticité synaptique. Tout d'abord, nous avons identifié le rôle crucial de la Neuroligine dans l'alignement des nanodomaines d’AMPARs avec les sites de libération du glutamate. En plus de cela, nous avons mis en évidence l’impact de cet alignement sur l’efficacité de la transmission synaptique en perturbant celui-ci. En parallèle, nous avons démontré que les AMPARs désensibilisés sont plus mobiles à la membrane plasmatique que les récepteurs ouverts ou fermés, et ce, en raison d'une diminution de leur affinité pour les sites d’immobilisation synaptiques. Nous avons montré que ce mécanisme permettait aux synapses de récupérer plus rapidement de la désensibilisation et d'assurer la fidélité de la transmission synaptique lors de stimulations à hautes fréquences. Enfin, les synapses peuvent moduler leurs intensités de réponse grâce à des mécanismes de plasticité synaptique à long terme, et plus particulièrement, la dépression à long terme (LTD) qui correspond à un affaiblissement durable de ce poids synaptique. [...] À la suite des découvertes précédentes concernant le rôle de la nano-organisation dynamique des AMPARs pour réguler le poids et la fiabilité de la transmission synaptique, j'ai décidé d'étudier leur rôle dans l'affaiblissement et la sélection des synapses. J'ai découvert que la quantité d’AMPAR par nanodomaine diminue rapidement et durablement. Cette première phase semble due à une augmentation de l’internalisation des AMPARs. Dans un deuxième temps, la mobilité des AMPARs augmente suite à une réorganisation moléculaire de la synapse. Ce changement de mobilité des AMPARs permet aux synapses déprimées de maintenir leur capacité à répondre aux signaux neuronaux à hautes fréquences. Ainsi, nous proposons que l'augmentation de la mobilité des AMPARs au cours de la LTD permet de transmettre une réponse fidèle dans les synapses stimulées à hautes fréquences et donc de sélectivement les maintenir tout en éliminant les synapses inactives.