Effets des manipulations optogénétiques sur les circuits corticaux in vivo

Effects of optogenetic manipulations of cortical circuits in vivo

• Auteur / Autrice : Alexandre Mahrach
• Direction : David Hansel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 03/03/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Neurosciences intégratives et cognition (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Bernard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicholas Priebe, Bertrand Lambolez, Carl Van Vreeswijk
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Golomb, Thomas Boraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photorécepteurs (cellules) de la rétine

Pourpre rétinien

Canaux ioniques

Réseaux neuronaux (physiologie)

Interneurones

Optogénétique

Mots clés libres

Cortex

Balance

Interneurones

Neurosciences

Optogénétique

Photostimulation

Neuroscience

Optogenetic

Balance

Résumé

Ce travail est consacré à la description de la réponse des réseaux corticaux de la souris à deux variantes de photostimulation assistée par ChR des interneurones positifs à la parvalbumine (PV). Dans la première partie, nous étudions les effets de la photostimulation optogénétique avec ReaChR des neurones PV dans le cortex moteur antérolatéral (ALM) et dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) sur les réponses moyennes de des cellules excitatrices (PC) et des interneurones PV. ReaChR permet une stimulation uniforme des neurones sur des régions largement étendues (jusqu'à quelques mm). Après avoir étendu la théorie des réseaux balancés à des réseaux à de multiples populations inhibitrices, nous déterminons les connections essentielles pour tenir compte de ces effets. Nous montrons que les réponses moyennes des PC et des neurones PV dans les couches 2/3 et 5 de ALM peuvent être expliquées avec un réseau à quatre populations et une connectivité similaire à celle rapportée dans le cortex visuel primaire. Nous proposons une architecture de réseau alternative pour rendre compte de manière robuste des réponses dans S1. Dans la deuxième partie, nous examinons les effets de la stimulation optogénétique ChR2 des neurones PV dans S1. ChR2 permet la stimulation des neurones sur des régions très localisées (quelques centaines de microns). Nous étudions ces effets dans des modèles de réseau à deux populations où la probabilité de connexion entre les neurones décroît de façon exponentielle avec la distance.

This work is devoted to describing the mechanisms underlying the response of mouse cortical networks to two variants of ChR-assisted photostimulation of the parvalbumin-positive interneurons (PV). In the first part, we investigate the effects of the ReaChR optogenetic photostimulation of PV neurons in the anterolateral motor cortex (ALM) and in the barrel cortex (S1) on the population average responses of principal excitatory cells (PCs) and PV interneurons. ReaChR allows for a uniform stimulation of the neurons upon broadly extended regions (up to a few mm). After extending the theory of balanced networks to networks with multiple inhibitory populations, we investigate the connectivity patterns that are essential in accounting for these effects. We show that the average responses of PCs and PV neurons in ALM layer 2/3 and layer 5 can be accounted for by a four-population network with connectivity similar to that reported in the primary visual cortex. We propose an alternative network architecture to robustly account for these responses in S1. In the second part, we examine the effects of the ChR2 optogenetic stimulation of PV neurons in the mouse barrel cortex on the spatial profile of the responses of PCs and PV neurons. ChR2 allows for stimulation of the neurons upon very localized regions (a few hundred microns). We investigate these effects in two-population network models where the probability of connection between the neurons decay exponentially with distance. We show that for stimulation of strong enough intensity, the activity of the excitatory neurons is suppressed on a characteristic length that non-linearly depends on the radius of the perturbation.