The many faces of corticostriatal spike-timing dependent plasticity

par Yihui Cui

Thèse de doctorat en Neuroscience

Sous la direction de Laurent Venance.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .

  • Titre traduit

    Les différentes formes de la spike-timing dependent plasticity corticostriatale


  • Résumé

    The corticostriatal plasticity is thought to be the neuronal substrate of procedural learning. We first investigated non-hebbian plasticity and found that both depolarization-induced suppression of excitation (DSE) and low-frequency stimulation (LFS) protocols induced LTD and are both mediated by endocannabinoid (eCB)-signaling. We then focused on corticostriatal spike timing-dependent plasticity (STDP) characterization and robustness. We found that with 100 STDP pairings, corticostriatal LTP was NMDA-dependent while LTD involved eCB-signaling. We then tested the robustness of corticostriatal STDP. We uncovered that LTP was even inducible with 5 pairings. Thanks to a model-driven experiment strategy, we demonstrated that this LTP relies on eCB-signaling. This eCB-LTP is homosynaptic, depends on cannabinoid-type-1 receptor (CB1R) and transient receptor potential vanilloid-type-1 (TRPV1) activation and is supported by presynaptic PKA and calcineurin. Our results considerably enlarge the spectrum of action of eCBs since they show that eCBs promote not only depression but also potentiation. To investigate the limits of corticostriatal STDP, we varied the STDP rate. We observed a transition from timing- to rate-dependent plasticity. This rate-dependency exists with both 100 and 10 pairings, in which LTP is respectively NMDA-dependent and CB1 and NMDA receptors. We then applied a randomized jitter within STDP protocol. We showed that NMDA-LTP is highly sensitive to jitter while eCB-LTP is not. These results showed novel forms of corticostriatal plasticity and demonstrated that the multiple learning rules at play for governing the corticostriatal information processing.


  • Résumé

    La plasticité corticostriatale est le substrat de l’apprentissage procédural. Nous avons caractérisé l’implication des endocannabinoides (eCBs) dans des formes de plasticité non-hebiennes telle que la depolarization-induced suppression of excitation (DSE) ou les stimulations à basse fréquence. Nous nous sommes ensuite concentré sur la caractérisation de la spike timing-dependent plasticity (STDP). Nous avons démontré que la LTP-STDP etait NMDAR dépendante alors que la LTD dépendait des eCBs. En baissant le nombre de stimulations nous avons mis en évidence une nouvelle forme de plasticité: une eCB-LTP induite par un très faible nombre de stimulations appariées (5-10). Cette eCB-LTP est homosynaptique, médiée par l’activation des récepteurs CB1 et TRPV1 et par le couple présynaptique PKA-calcineurine. Nos résultats démontrent le large spectre d’action des eCBs puisque ceux-ci sous-tendent non seulement les phénomènes de dépression synaptique mais aussi de potentiation. Nous avons alors exploré les limites de la STDP en variant la fréquence des stimulations corticostriatales et observé une transition entre la dépendance au timing vs fréquence de la STDP dans laquelle la LTP est médiée par les NMDAR (pour de faibles fréquences) puis par un mélange NMDAR / CB1R (pour des fréquences plus élevées). Enfin, nous avons montré une très sensibilité des plasticités NMDA-dépendantes face au jitter alors que celles médiées par les eCBs sont beaucoup plus résistantes au jitter. Ces résultats montrent de nouvelles formes de plasticités corticostriatales et la grande complexité des règles d’apprentissage synaptiques qui gouvernent le traitement des informations corticostriatales.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (218 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.197-218. Index

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