Somatic calcium imaging reveals simple spike activity of cerebellar Purkinje cells : applications and limitations to in vivo research

Le cervelet est impliqué dans la coordination des mouvements, et il traite l'information sensorimotrice au niveau du cortex cérébelleux avant d'envoyer le résultat de ce traitement aux autres régions du cerveau. Comme toute l'information traitée par le cervelet converge sur les cellules de Purkinje (CP), la perspective d'enregistrer l'activité nerveuse de populations bien identifiées de ces cellules est un enjeu crucial pour la compréhension du traitement d'information par le cervelet. Dans cette thèse, nous montrons que des enregistrements par imagerie calcique somatique des cellules de Purkinje peuvent fournir une image fidèle de l'activité de potentiels d'action simples sodium dépendants (SS), sans souffrir de contamination significative provenant de fluctuations calciques dendritiques liées à des potentiels d'action complexes (CS). En utilisant cette approche nous avons développé des méthodes permettant l'enregistrement de changements de rythmes de décharge de potentiels SS dans des cellules de Purkinje dans des tranches de cerveau et in vivo. Dans des tranches de cervelet, nous avons effectué des enregistrements simultanés de groupes de cellules de Pukinje, et nous avons ainsi montré une organisation spatiale remarquable de pauses de l'activité nerveuse des cellules de Purkine à l'intérieur d'un plan sagittal. Nous avons de plus montré que cette organisation résulte de l'activité du réseau de cellules inhibitrices présynaptiques, puisque le blocage de récepteurs ionotropiques au GABA abolit la synchronicité entre cellules voisines. En ce qui concerne les expériences in vivo, nous avons testé la faisabilité de notre méthode d'imagerie pour inférer l'activité des cellules de Purkinje en utilisant l'indicateur calcique génétique GCaMP6f. Bien que la fluorescence de cet indicateur soit une fonction complexe de la concentration en calcium, nous avons pu développer une méthode qui permet une estimation quantitative des changements du rythme de décharge de potentiels SS dans les cellules de Purkinje. Cette méthode est susceptible d'ouvrir des perspectives nouvelles pour l'étude de l'activité nerveuse du cortex cérébelleux in vivo.The cerebellum is thought to coordinate movement by processing sensorimotor information in the cerebellar cortex before relaying its output to other brain structures. Since all information processed by the cerebellar cortex converges on Purkinje cells (PCs), the ability to record the spiking output from identified populations of these cells is crucial for understanding cerebellar processing. In this thesis, we demonstrate that somatic calcium imaging in Purkine cells is a faithful reporter of sodium-dependent simple spike (SS) activity, with almost no interference coming from the dendritic calcium fluctuations of complex spikes (CS). This enabled us to optically record changes in SS firing rates from Purkinje cells in brain slices and in vivo. In cerebellar slices, the simultaneous recordings of Purkinje cell groups revealed a striking spatial organization of pauses in Purkinje cell activity inside a sagittal plane. The source of this organization is shown to be the presynaptic gamma-Aminobutyric acid producing (GABAergic) network, since blocking ionotropic GABA receptors (GABAARs) abolishes the synchrony. Concerning in vivo experiments, we tested the feasibility of this imaging method to infer Purkinje cell activity in combination with the genetically encoded calcium indicator GCaMP6f. Despite the nonlinear binding kinetics of GCaMP6f with calcium, we developed a method that allows a quantitative estimate of changes in Purkinje cell SS firing activity. This method is susceptible to open new avenues for research on cerebellar cortex output in vivo