Characterization of calcium signals generated by activation of the two excitatory synaptic inputs in Purkinje neurons

Dans le cervelet, l’interaction entre l’activité des fibres parallèles (FPs) et celle de la fibre grimpante (FG), les deux principaux inputs excitateurs des neurones de Purkinje (NPs), engendre des signaux calciques supra-linéaires procurant des informations sur leur activité concomitante. Ce phénomène déclenche des mécanismes synaptiques qui induisent la dépression à court- ou à long-terme des synapses FP-NPs. L’activation des FPs génère des signaux calciques locaux confinés aux épines activées tandis que l’activation de la FG génère une dépolarisation qui se propage passivement dans les dendrites. Cette dépolarisation transitoire qui n’est pas locale joue un rôle important dans la régulation de la signalisation locale des FPs et leur plasticité. L’étude menée durant ma thèse s’est focalisée sur deux principaux points : les canaux dendritiques des NPs activés par la dépolarisation transitoire générée par l’activation de la FG et les mécanismes responsables de la génération des signaux dendritiques supra-linéaires associés à l’activité concomitante des FPs et de la FG. Les résultats reportés ici ont été obtenus en utilisant des méthodes optiques récemment développés.Nous avons caractérisé le comportement des canaux ioniques dendritiques qui sont activés par la dépolarisation dendritique générés par l’activation de la FG. Nous avons découvert que deux différents groupes de canaux ioniques sont sélectivement activés selon le potentiel membranaire initial. En effet, quand les dendrites sont hyperpolarisées, les CF-EPSPs activent principalement des canaux calciques voltage-dépendant (CCVDs) de type T, des canaux SK et des canaux potassiques voltage-dépendant (CPVDs) de type A. Ces derniers maintiennent le potentiel membranaire en dessous de ~0 mV. En revanche, quand les dendrites sont dépolarisées, les CCVDs de type T et les CPVDs de type A s’inactivent complètement et les CF-EPSPs activent des CCVDs de type P/Q, des CPVDs et des canaux BK. L’activation de cet ensemble de canaux déclenche des spikes calciques. Notamment, nous avons établi l’importance des CPVDs de type A dans le control du deuxième ensemble de canaux. En effet, ils limitent l’activation des CCVDs de type P/Q et les canaux potassiques associés empêchant le déclenchement des spikes calciques.Nous avons démontré que l’activation occurrente de la FG et des FPs induit deux différents types de signaux calciques supra-linéaires. L’induction de l’un ou de l’autre dépend du temps entre l’activation des deux inputs, qui est aussi un principal déterminant des mécanismes impliqués dans la génération des ces signaux calciques. Nous avons trouvé que quand les CF-EPSPs se produisent à de courts délais après la fin du burst des FPs, les signaux calciques supra-linéaires associés sont indépendant de l’activation des mGluR1 et sont générés par l’effet combiné de deux mécanismes : l’augmentation du flux calcique via les CCVD de type P/Q activés par la dépolarisation membranaire médiée par l’activation de FPs inactivant les CPVDs de type A; et la saturation transitoire des buffers calciques endogènes durant le burst des PF-EPSPs amplifiant les concentrations du Ca2+ libre. Quand les CF-EPSPs se produisent à de longs délais après la fin du burst des PF-EPSPs, les signaux calciques supra-linéaires associés dépendent de l’activation des mGluR1 et n’impliquent aucun des mécanismes précédents. Dans ce cas, nous avons démontré que les signaux calciques supra-linéaires sont corrélés avec l’augmentation du flux calcique via les conductances cationiques associées à l’activation des mGluR1.Les résultats reportés ici ont avancé notre compréhension sur la génération des signaux calciques supra-linéaires associés à l’activité concomitante des PFs et de la FGs ainsi les mécanismes qui y sont impliqués. Néanmoins, nous n’avons pas pu procurer une réponse définitive sur la nature du flux calcique médiant les signaux calciques supra-linéaires dépendant de l’activation des mGluR1s.In the cerebellum, the interplay between PFs and CF inputs generates supralinear Ca2+ signals that provide the information on their concomitant occurrance. These phenomena trigger both short- and long-term depression at PF-PN synapses associated with motor learning and coordination, i.e. the primary functions of the cerebellum. While activation of PFs elicits local Ca2+ transients that are confined to activated spines, the activation of the CF generates a large depolarization that spreads passively into the dendrites. The CF-mediated transient dendritic depolarization, not localized, plays a fundamental role in dendritic integration and in regulating local PF signals and their plasticity at distal sites. The study carried out in my thesis addressed two crucial questions of this problem: the dendritic ion channels activated by the CF-mediated dendritic depolarization at different initial Vm and the mechanisms underlying dendritic supralinear Ca2+ signals associated with concomitant PF and CF activity. The results reported here were obtained using recent optical methods of Vm imaging and ultrafast Ca2+ imaging with low affinity Ca2+ and high affinity Ca2+ indicators combined with pharmacological analysis.During the first part of my work, I characterized the behavior of the dendritic Ca2+ and K+ channels activated by CF-EPSPs at different initial dendritic Vm, using optical measurements of Vm and Ca2+ transients. We found that two different sets of ion channels are selectively activated at different states. When the dendrite is hyperpolarized, CF-EPSPs mainly activate T-type voltage-gated Ca2+ channels (VGCCs), SK channels and A-type voltage-gated Ca2+ channels (VGKCs) that limit the transient Vm below ~0 mV. When in contrast the dendrite is depolarized, T-type VGCCs and A-type VGKCs are inactivated and CF-EPSPs activate P/Q-type VGCCs, high-voltage activated VGKCs and BK channels, initiating Ca2+ spikes. We demonstrated that A-type VGKCs play a crucial role in controlling the second set of channels. Indeed, these channels limit the activation of P/Q-type VGCCs and associated K+ channels, preventing Ca2+ spikes.During the second part of my work, we demonstrated that the concomitant activation of PF and CF triggers two different types of supralinear Ca2+ signals. The activation of one or the other path depends on the delay between the activation of the two inputs which is the crucial discriminator of the mechanisms involved in the generation of supralinear Ca2+ signals. We found that when CF-EPSPs occur near the end of a burst of PFs, the associated supralinear Ca2+ transients are independent of the activation of mGluR1 and are produced by a combined effect of two mechanisms: the increased Ca2+ influx through P/Q-type VGCCs enabled by PF-depolarization inactivating A-type VGKCs; and the transient saturation of endogenous Ca2+ buffers during the PF-EPSP burst amplifying free Ca2+ concentration. When CF-EPSPs occur at longer delays after the end of the PF burst, the associated supralinear Ca2+ transients are mGluR1-dependent and do not involve the mechanisms underlying the generation of mGluR1-independent supralinear Ca2+ transients. Instead, an entirely different mechanism is recruited. We found that, the supralinear Ca2+ transients were correlated with an increase in mGluR1-dependent Ca2+ influx via the slow mGluR1-activated cation conductance.The results reported here advance our understanding of the generation of supralinear Ca2+ transients associated with the concomitant PF and CF activity with respect to the potential molecular mechanisms that are involved. Nevertheless, we were not able to provide a definitive answer on the nature of the Ca2+ influx mediating mGluR1-depedent supralinear Ca2+ signals. This issue must be further explored in future experiments