Synaptic integration in the cerebellar Golgi cell network

par Katarzyna Pietrajtis

Thèse de doctorat en Biologie, Neurosciences

Sous la direction de Stéphane Dieudonné.

Soutenue le 18-09-2014

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) .

Le jury était composé de Michael Hausser, Jean-Marc Goaillard, Ann Lohof, Lia Forti, Alberto Bacci.

  • Titre traduit

    Intégration synaptique dans le réseau des cellules de Golgi du cervelet


  • Résumé

    Les cellules de Golgi constituent une composante essentielle du cortex cérébelleux et la seule source d’inhibition de la couche granulaire. Leur ablation produit des déficits moteurs sévères. Malgré plusieurs études intensives, notre compréhension de la fonction des ces cellules et de leur influence sur le transfert d’informations dans le cortex cérébelleux reste limitée. La fonction de la cellule de Golgi découle de ses interconnexions synaptiques locales. Lors de ma thèse nous avons identifié’ un véritable circuit de rétro-inhibition, qui est implémenté par les synapses entre les axones ascendants des cellules granulaires et les dendrites baso-latérales des cellules de Golgi. Cette connectivité puissante constitue la première preuve de l’existence d’un circuit de rétro-inhibition dans la couche granulaire. Nous avons par la suite cherché à comprendre comment le recrutement des interneurones de Golgi par l’activité détermine la dynamique du transfert d’informations. Nous avons développé un système de stimulation optique basé sur la déflection acousto-optique (AODs) de faisceaux Gaussiens de faible convergence, qui évoqué des patrons d’activité des fibres moussues avec une grande répétabilité et précision temporelle. Des stimulations électriques minimales des fibres moussues, qui à elles seules n’évoquent pas de potentiel d’action dans les cellules en grain, évoquent de large CPSEs phasique dans les cellules de Purkinje lorsqu’elles sont couplées avec des stimulations optogénétiques. Nous proposons un modèle de codage contextuel par lequel les évènements notables sont transmis par les cellules en grain dans le contexte d’activité des autres fibres moussues.


  • Résumé

    Golgi interneurons are an essential cellular component of the cerebellar cortex and the only source of inhibition to billions of granule cells. Their acute ablation causes severe motor deficits. Despite extensive research for the last decades, we still have limited understanding of Golgi cell function and of its impact on the information flow in the cerebellar cortex. Golgi cell function will ultimately depend on its synaptic connections within the cerebellar microcircuit. During my thesis we demonstrated the existence of a specific local feedback circuit onto granule cells, which is implemented by synapses between the ascending axons of granule cells and the basolateral dendrites of Golgi cells. The abundance of these local connections constitutes the first evidence of a powerful feed-back inhibitory circuit in the granule cell layer. Further we sought to understand how Golgi interneurons recruitment by the activity may influence information transfer in the granular layer. We developed a new illumination device, based on acousto–optic deflectors (AODs) stirring of low NA Gaussian beams at 1MHz, which delivered patterned optogenetic stimulations of mossy fibers with high reproducibility and sub-millisecond precision. Minimal electrical stimulations of the mossy fibers in the white matter, which alone where unable to fire granule cells, evoked large phasic EPSCs in Purkinje cells, when paired with asynchronous optogenetic stimulations. We propose that optimal sparse encoding of mossy fiber activity by granule cells is obtained through the relay of salient events (spiking onset, sensory driven synchrony or bursts) in the context of previous ongoing mossy fiber activity.

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