Emergence of functional and structural cortical connectomes through the developmental prism

par Yannick Bollmann

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Agnès Baude.

Le président du jury était Fanny Mann.

Le jury était composé de Brice Bathellier, Jean-Pierre Kessler.

Les rapporteurs étaient Jean Livet, Sonia Garel.

  • Titre traduit

    Connectome structural et fonctionnel des neurones GABAergiques et glutamatergiques en fonction de leur date de neurogenèse


  • Résumé

    Les neurones corticaux sont générés sur de longues périodes embryonnaires et post-natales. Des travaux précédents ont montré que les neurones générés à des stades embryonnaires précoces jouent un rôle essentiel dans la coordination de l'activité neuronale nécessaire à la maturation des réseaux de neurones corticaux. La première partie de mon travail a consisté à caractériser le connectome structural des neurones glutamatergiques et GABAergiques en utilisant la méthode du « fate mapping » permettant l’expression de protéines fluorescentes en fonction de la date de genèse des neurones. En utilisant la microscopie à feuillet de lumière sur des cerveaux transparisés, j’ai pu quantifier la distribution de différentes populations neuronales dans le cerveau entier.La deuxième partie de mon travail a été consacrée à caractériser le connectome fonctionnel des neurones GABAergiques et à démontrer la présence de neurones « hubs » dans le cortex en baril en développement. En utilisant des lignées de souris transgéniques exprimant l’indicateur de calcium GCaMP6s, nous avons suivi la maturation et la dynamique fonctionnelle du réseau neuronal au cours des deux premières semaines postnatales en utilisant l’imagerie à deux photons in vivo. La distribution des liens fonctionnels entre neurones suit une loi de probabilité à queue lourde suggérant la présence de neurones « hubs ». En utilisant l’imagerie calcique à deux photons et une stimulation « optogénétique-holographique », nous avons démontré le rôle « hub » d’une sous-population de neurones GABAergiques dans la synchronisation de l’activité du réseau dans le cortex en baril au cours du développement.


  • Résumé

    Cortical neurons are generated throughout an extended embryonic period. Recent studies indicate that the cells originating from the earliest stages of neurogenesis are critically involved in coordinating neuronal activity, instructing network maturation throughout large cortical areas. The first part of my work was building and mining brain cell atlases and connectomes. I first characterized the brain-wide structural connectome of early-born glutamatergic and GABAergic neurons, fluorescently labeled according to their date of birth (genetic fate-mapping approach). Using light-sheet microscopy on cleared brains, I quantify the distribution of both populations in the whole brain to create an Atlas.The second part of my work was the characterization of GABAergic neurons functional connectome and the characterization of hub cells in the developing barrel cortex in vivo. By using transgenic mice lines expressing the calcium indicator GCaMP6s, we follow the maturation and the functional dynamics of the network during the two first postnatal weeks using two-photon imaging. The characteristically heavy-tailed distribution of functional connections between neurons that we observed, strongly suggest the presence of hub neurons. Using two-photon calcium imaging and holographic-optogenetic stimulation we entangle the necessary and sufficient conditions of how GABAergic neurons contribute to and synchronize network activity as acting as hub neuron in the barrel cortex.

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