Spatial organization of sensorimotor representations in cerebellar molecular layer interneurons

Différence de dépendance en profondeur de la représentation sensori-motrice des interneurones de la couche moléculaire du cervelet pendant le mouvement de fouet

• Auteur / Autrice : Maria-Miruna Costreie
• Direction : David Di Gregorio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 05/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Gènes, synapses et cognition
• Jury : Président / Présidente : Fekrije Selimi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michael Graupner, Jason Christie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Isope, Indira Monica Raman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Souris de laboratoire

Stimulation sensorielle

Réseaux neuronaux (physiologie)

Interneurones

Cervelet

Mots clés libres

Cervelet

Interneurones

Réseau de neurones

Stimulation sensorielle

Cerebellum

Interneurons

Neural circuits

Sensory stimulation

Résumé

L'adaptation fine de comportements temporellement précis par le cervelet nécessite divers types de cellules et une connectivité spécifique pour générer l'activité neuronale qui sous-tend les transformations sensori-motrices. Les interneurones de la couche moléculaire (MLI) sont bien placés pour influencer l'activité de sortie du cortex cérébelleux par les cellules de Purkinje et pour contrôler la plasticité synaptique qui sous-tend l'adaptation motrice. Cependant, on ne comprend pas comment la diversité de l'anatomie, des propriétés intrinsèques et de la connectivité des MLI influence les calculs du circuit cortical cérébelleux. Nous émettons l'hypothèse que les propriétés spécifiques des circuits MLI dépendant des lames sont un mécanisme critique de la diversité fonctionnelle des MLI. Pour répondre à cette question, nous avons surveillé l'activité du MLI en utilisant l'imagerie calcique à deux photons à grande vitesse chez des souris éveillées, en réponse à des stimuli aériens du visage et des moustaches. De brèves bouffées d'air sur le visage ont provoqué des réponses Ca2+ dans les MLI profondes, avec des amplitudes progressivement plus faibles et des déclenchements de réponse en moyenne 10 ms plus rapides que dans la couche moléculaire externe. Nous avons identifié un groupe transcriptionnel de MLI (Penk1) qui marque les cellules corbeilles putatives afin d'examiner si les classes de MLI pouvaient expliquer la dépendance laminaire des réponses MLI. Nous n'avons pas observé de différence dans la cinétique de réponse à l'activité dans les MLI Penk1+. En revanche, nous avons observé une différence laminaire des délais d'apparition des réponses axonales des cellules de la granule, ce qui suggère une dépendance spatiale héritée de l'entrée des réponses des MLI. Contrairement aux études précédentes, l'amplitude maximale de toutes les réponses axonales des cellules granuleuses de Penk1+ n'a pas été observée.

Fine-tuning of temporally precise behaviours by the cerebellum requires diverse cell types and specific connectivity to generate the neural activity underlying sensory-motor transformations. Molecular layer interneurons (MLIs) are well-positioned to influence cerebellar cortical output activity by Purkinje cells and gate synaptic plasticity underlying motor adaptation. However, how the diversity of MLI anatomy, intrinsic properties and connectivity influence cerebellar cortical circuit computations is not understood. We hypothesize that specific lamina-dependent properties of MLI circuits are a critical mechanism of functional MLI diversity. To address this question, we monitored MLI activity using high-speed two-photon calcium imaging in awake mice, in response to air stimuli of the face and whiskers. Brief puff stimuli to the face evoked Ca2+ responses in deep MLIs displayed gradually smaller amplitudes and on average 10 ms faster response onsets as compared with those in the outer molecular layer. We identified a transcriptional cluster of MLIs (Penk1) that marked putative basket cells to examine if MLI classes could account for laminar dependence of MLI responses. We did not observe a difference in activity response kinetics in Penk1+ MLIs. In contrast, we did observe a laminar difference of onset delays of granule cell axonal responses, suggesting an input-inherited spatial dependence of MLIs responses. In apparent contrast to previous studies, the peak amplitude of all MLI responses did not correlate with the peak whisker deflection angle. However, for a subset of MLIs in which their Ca2+ response onset occurred after the initiation of whisking, response amplitudes correlated with the whisker deflection. These slow-onset MLIs were located preferentially in the outer molecular layer. Longer stimulation induced prolonged Ca2+ activity in over half of the cells in the inner, middle and outer molecular layers, suggesting a robust somatosensory representation throughout the molecular layer. During spontaneous whisking, Ca2+ response amplitudes correlated with the whisker deflection angle, suggesting that somatosensory response occludes motor-related responses during air puff stimuli. Thus, our results are consistent with a layer-specific sensorimotor representation in MLIs that is, at least in part, dictated by the intrinsic GC input properties and/or a spatial segregation of whisk-related information across GC inputs.