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Fabien Tell"Développement des synapses glutamatergiques dans le noyau du faisceau solitaire." "Development of excitatory synapses within the nucleus tractus solitarii"

Abstract :


T
he formation of neural circuits during development involves a series of events that ultimately lead to the adult pattern. Most neurons reach their final position within the brain before birth and then establish connections to other cells. Although early steps in the establishment of neural pathways are believed to be independent of neural activity, later steps such as formation of appropriate synaptic connections and tuning of synaptic strength mainly rely on patterned electrical activity of neurons. The classical model of synaptic development, generalized from hippocampal and cortical studies, states that the excitatory synapse formation is sequential.
According to Hebbian theories, appropriate synaptic activation of pure NMDA synapses triggers insertion of rectifying, polyamine-sensitive, calcium permeable AMPA receptors. They are then constitutively replaced by non-rectifying AMPA receptors mainly formed by edited GLUR2 subunits.
We have begun to evaluate this model on the formation of excitatory synapses within a brainstem structure, the nucleus of the solitarii tract (NTS).

This nucleus is the first central relay for afferents from visceral sensory receptors. Visceral information is conveyed to the NTS by afferent fibers running into cranial nerves that join centrally to form a fiber tract (the tractus solitarius, TS). By combining both electrophysiological and anatomical experiments, we sought for developmental changes in excitatory synaptic function. At the electron microscopy level, three separated phases of synaptogenesis have been observed. The first synapses appeared at E18, then synaptic density increased again between P7and P14 and between P21 and P28. In adulthood TS-evoked excitatory synaptic currents were generally mediated by NMDA and AMPA currents. In particular, the relationship between the amplitude of the AMPA response and the holding potential was linear in the presence of intracellular spermine.
Accordingly, virtually all excitatory synapses were characterized by close apposition between GLUR2 immunoreactive clusters and terminals. At any ages studied, starting at E18, TS-evoked EPSCs has the same characteristics that in adult rats. Amplitudes of miniature excitatory currents were never decreased by extracellular polyamines. Immunohistochemistry experiments confirms the presence of GLUR2 clusters at synaptic sites as early as E18. Thus, NTS excitatory synapses did not exhibit a developmental switch of AMPA receptors subunits. Although the insertion of AMPA receptors enriched in GLUR2 subunits does not require synaptic activity, their removal depends on NMDA receptor (NMDAR) activation that leads to long-term depression (LTD). Accordingly, LTD could be induced in NTS neurons at any ages from birth. In addition, blocking NMDA receptors (NMDAR) during the second postnatal week produces a net increase in synaptic density.
In conclusion, mechanisms of NTS excitatory synapses formation may differ from those described for higher brain structures. In particular, synapse formation does not require NMDAR activation. Instead NMDAR may be involved in controlling the rate of synapse elimination via LTD induction and GLUR2 subunit removal.         

 

Il est généralement admis que la mise en place des circuits de neurones est un processus séquentiel largement dépendent de l'activité. En particulier, l'activation synaptique des récepteurs NMDA serait nécessaire à l'acquisition de nouveau récepteurs AMPA. Ces récepteurs sont formés de sous-unités non éditées, calcium-perméables et sensibles aux polyamines extra et intracellulaires. Leur remplacement par des sous-unités éditées de type GLUR2 se fait de manière constitutive et provoque la perte de la perméabilité au calcium et de la sensibilité aux polyamines. Ainsi, l'acquisition de nouvelles synapses suivrait un processus Hebbien dans lequel l'activation synchrone de l'élément pré et post-synaptique permettrait la validation de la connexion synaptique.
Ce schéma de développement étant observé au niveau du cerveau antérieur, nous nous sommes interrogés sur sa pertinence pour des structures plus caudales considérées comme plus matures à la naissance. Nous nous sommes donc attachés à décrire et à comprendre les phénomènes qui concourent à la mise en place des synapses excitatrices au niveau du noyau du faisceau solitaire (NFS). Ce noyau, localisé au niveau du bulbe rachidien, constitue la voie d'entrée des informations perçues par les récepteurs viscéraux. Ces information cheminent principalement par les nerfs vagues et glossopharyngiens qui forment un faisceau commun au niveau central (le faisceau solitaire, FS).
Nos résultats montrent que l'acquisition des synapses se fait en trois phases: Une phase en prénatal à partir de 18éme jour embryonnaire (E18), une deuxième phase pendant la deuxième semaine postnatale et une phase plus tardive au début de la quatrième semaine postnatale. Quelque soit l'âge étudié, les réponses synaptiques déclenchés par la stimulation du FS étaient généralement portées par des courants NMDA et AMPA. Par ailleurs, ces derniers étaient insensibles aux polyamines extracellulaires et présentaient une relation linéaire avec le potentiel de membrane.


L'étude anatomique a confirmé cela en montrant que la grande majorité des synapses excitatrices présentait un enrichissement en sous-unités GLUR2. Des expériences de « pairing », qui miment une synchronisation des éléments pré et post-synaptiques par l'activité, ont permis de montrer que, à tous les âges étudiés, seule une dépression à long terme (DLT) pouvaient être obtenue. Enfin, le blocage des récepteurs NMDA chez l'animal éveillé entre P5 et P14 a provoqué une forte augmentation de la densité synaptique à P14.

En conclusion, nos résultats suggèrent que les mécanismes de synaptogenèse qui opèrent au niveau du NFS seraient en partie différents de ceux classiquement décrits pour les régions antérieures du cerveau. La formation des synapses ne serait pas déclenchée par l'activation de récepteurs NMDA. En fait, ces récepteurs pourraient plutôt jouer un rôle dans l'élimination des synapses inappropriées en réduisant leur influence via l'induction de DLT. 

 

Selected publications

Lachamp P, Balland B, Tell F, Baude A, Strube C, Crest M, Kessler JP.
EARLY EXPRESSION OF AMPA RECEPTORS AND LACK OF NMDA RECEPTORS IN DEVELOPING RAT CLIMBING FIBRE SYNAPSES.
J Physiol. 2005 Feb 24;
Vincent A, Kessler JP, Baude A, Dipasquale E, Tell F.
N-methyl-d-aspartate receptor activation exerts a dual control on postnatal development of nucleus tractus solitarii neurons in vivo.
Neuroscience. 2004;126(1):185-94.
Lachamp P, Balland B, Tell F, Crest M, Kessler JP.
Synaptic localization of the glutamate receptor subunit GluR2 in the rat nucleus tractus solitarii.
Eur J Neurosci. 2003 Feb;17(4):892-6.

Thierry Amédée