The striatum is the initial input nuclei of the basal ganglia, and it serves as an integral processing center for action selection and sensorimotor learning. Glutamatergic projections from the cortex and thalamus converge with dense dopaminergic axons from the midbrain to provide the primary inputs to the striatum. Striatal output is then relayed to downstream basal ganglia nuclei by GABAergic medium – sized spiny neurons, which comprise at least 95% of the population of neurons in the striatum. The remaining population of local circuit neurons is dedicated to regulating the activity of spiny projection neurons, and although spiny neurons form a weak lateral inhibitory network among themselves via local axon collaterals, feedforward modulation exerts more powerful control over spiny neuron excitability. Of the striatal interneurons, only one class is not GABAergic. These neurons are cholinergic and correspond to the tonically active neurons (TANs) recorded in vivo, which respond to specific environmental stimuli with a transient depression, or pause, of tonic firing. Striatal cholinergic interneurons account for less than 2 % of the striatal neuronal population, yet their axons form an extensive and complex network that permeates the entire striatum and significantly shapes striatal output by acting at numerous targets via varied receptor types. Indeed, the persistent level of ambient striatal acetylcholine as well as changes to that basal acetylcholine level underlie the major mechanisms of cholinergic signaling in the striatum, however regulation of this system by the local striatal microcircuitry is not well understood. This dissertation finds that activation of intrastriatal cholinergic fibers elicits polysynaptic GABAA inhibitory postsynaptic currents (IPSCs) in cholinergic interneurons recorded in brain slices. Excitation of striatal GABAergic neurons via nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) mediates this polysynaptic inhibition in a manner independent of dopamine. Moreover, activation of a single cholinergic interneuron is capable of eliciting polysynaptic GABAA IPSCs onto itself and nearby cholinergic interneurons. These findings provide an important insight into the striatal microcircuitry controlling cholinergic neuron excitability. / text

Dès les stades précoces du développement et jusqu’à l’âge adulte, le facteur de transcription TSHZ3 est fortement exprimé dans les neurones pyramidaux (PNs) du cortex. Les PNs de la couche V forment la synapse cortico-striée en contactant les neurones épineux moyens (MSNs) du striatum. A ce niveau, l’expression de TSHZ3 n’est pas retrouvée dans les MSNs mais dans les interneurones cholinergiques (CINs). Des données récentes ont établi un lien entre délétion hétérozygote du gène TSHZ3/Tshz3, troubles du spectre autistique (TSA) et dysfonctionnement de la circuiterie cortico-striée (Caubit et al., Nat Genet 2016). Afin de mieux comprendre le rôle de TSHZ3 dans la circuiterie cortico-striée, nous avons caractérisé deux modèles murins de délétion conditionnelle de Tshz3, ciblant soit les neurones de projection à partir de la période postnatale (souris Tshz3-pnCxKO), soit les neurones cholinergiques à partir de la période embryonnaire (souris Tshz3-ChATCre). Chez les souris Tshz3-pnCxKO, la perte de TSHZ3 entraîne une moindre excitabilité des PNs de la couche V, ainsi qu’une diminution de la probabilité de libération du glutamate par leurs afférences. Nous montrons également une profonde altération du fonctionnement de la synapse cortico-striée. Chez les souris Tshz3-ChATCre, nous montrons que la perte de Tshz3 modifie les propriétés membranaires et de décharge d’une proportion des CINs, qui sont les seuls neurones cholinergiques de l'encéphale exprimant TSHZ3 de façon importante. Ces changements fonctionnels suggèrent que TSHZ3 joue un rôle clé dans le développement des PNs du cortex, de la voie cortico-striée et des CINs, confirmant son implication dans les TSA. / The zinc-finger transcription factor TSHZ3 is highly expressed by cortical projection neurons (PNs) from embryonic stages to adulthood, including layer V pyramidal neurons that project to the striatum. There, TSHZ3 is expressed by cholinergic interneurons (CINs) but not by the main targets of PNs, i.e. the medium spiny neurons. Interestingly, recent evidences link heterozygous TSHZ3/Tshz3 gene deletion to autism spectrum disorder (ASD) and to corticostrial circuitry dysfunction (Caubit et al., Nat Genet 2016). In order to provide further insights on the role of Tshz3 in the corticostriatal circuitry, we have characterized two conditional KO mouse models in which its expression is lost either in projection neurons at early postnatal stage (Tshz3-pnCxKO) or in cholinergic cells beginning at embryonic stage (Tshz3-ChATCre). In Tshz3-pnCxKO mice, we confirmed that Tshz3 expression is lost in glutamatergic PNs without altering their number. Our electrophysiological study revealed that layer V PNs are less excitable and that glutamate release probability from their afferents is decreased. We also found dramatic changes of both corticostriatal synaptic transmission and plasticity. In ChAT-Cre mice, we found that Tshz3 is expressed in the striatum by almost 100% of CINs, while it is little or no expressed in the other cholinergic nuclei of the brain. Interestingly, the loss of Tshz3 impacts the spontaneous firing pattern of a subpopulation of CINs without altering their number. These functional changes suggest that TSHZ3 plays a key role in PNs, corticostriatal pathway and CINs development, supporting its implication in ASD.

The prevailing view is that enhancement of dopamine (DA) transmission in the mesolimbic system consisting of DA neurons in the ventral tegmental area (VTA) that project to the nucleus accumbens (NAc) underlies the rewarding properties of ethanol (EtOH) and nicotine (NIC). Although the dogma is that EtOH enhancement of DA neural activity contributes to enhancement of DA transmission, DA neurons are not sensitive to rewarding levels of EtOH. However, VTA GABA neurons are sensitive to low-dose EtOH. We have shown previously that EtOH modulation of DA release in the NAc is mediated by α6-containing nicotinic receptors (α6*-nAChRs), that α6*-nAChRs mediate low-dose EtOH effects on VTA GABA neurons and EtOH preference, and α6*-nAChRs may be a molecular target for low-dose EtOH. Thus, the most sensitive target for reward-relevant EtOH modulation of mesolimbic DA transmission and the involvement of α6*-nAChRs in the mesolimbic DA reward system remains to be elucidated. The aim of this study was to evaluate EtOH effects on VTA GABAergic input to CINs and DA release in the NAc. Using DIO channel rhodopsin-2 (ChR2) viral injections into the VTA of VGAT Cre mice, we found that VTA GABA neurons send an inhibitory projection to CINs, replicating what has been demonstrated by others. This study investigated the acute and chronic effects of EtOH at this synapse. We demonstrate that EtOH markedly enhances CIN firing rate and that these effects are blocked by the α6-conotoxin MII (α-Ctx MII), knockout of accumbal α6*-nAChRs with α6-shRNA, and atypical GABA receptor antagonists. This study also investigated plasticity at this synapse. We demonstrate that a low frequency stimulation (LFS; 1 Hz, 240 pulses) causes inhibitory long-term depression at this synapse (CIN-iLTD) which is also blocked by α-Ctx MII, α6-shRNA, and atypical GABA receptor antagonists. We also show that CIN-iLTD is blocked in EtOH-dependent mice. Taken together, these findings suggest that EtOH affects the VTA GABAergic projection to CINs via α6*-nAChRs and that atypical GABA receptors also play a role.

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L'addiction est un comportement compulsif de recherche et de prise de drogues alternant des phases d'abstinence et de rechute malgré les conséquences négatives sur la vie de l'individu. Les êtres humains ne sont pas égaux devant l'addiction et les mécanismes moléculaires sous jacents sont encore mal compris. De nombreuses structures cérébrales, telles que l'aire tegmentale ventrale (VTA), le cortex préfrontal ou l'amygdale convergent sur le noyaux accumbens (NAc) pour réguler les circuits de la " récompense ". Les neurones GABAergiques épineux de taille moyenne (MSN) sont à la fois la voie d'entrée et de sortie majeure du NAc. Les MSNs sont régulés de façon dynamique par les fibres dopaminergiques provenant de la VTA ainsi que par les interneurones cholinergiques locaux (TANs). La destruction sélective des TANs entraine une importante modification des propriétés renforçantes des psychostimulants tel que la cocaïne. En 2002 nous avons découvert que, de façon surprenante, ces neurones expriment à la fois le transporteur vésiculaire de l'acétylcholine (VAChT) et le transporteur vésiculaire du glutamate de type 3 (VGLUT3). Plus récemment nous avons établi que VGLUT3 augmentait le stockage vésiculaire ainsi que la libération d'acétylcholine (ACh) par un mécanisme que nous avons appelé " synergie vésiculaire ". De plus, il a été observé que VGLUT3 confère aux TANs la capacité d'utiliser le glutamate aussi bien qu'avec l'ACh pour communiquer. De façon surprenante, des souris ayant perdu la capacité de libérer l'ACh dans le NAc ne présente que très peu d'altération de leurs réponses comportementales à la cocaïne. Ce résultat suggère que l'ACh n'est pas indispensable à la régulation des comportements de « récompense ». 1.2 Afin de déterminer le rôle de la signalisation VGLUT3-dépendante par les TANs nous avons utilisé une souris n’exprimant plus VGLUT3. Au cours de cette thèse j’ai pu établir que l’absence de VGLUT3 exacerbe les effets comportementaux induit par la cocaïne. Il semble donc que les TANs utilisent l’ACh ou le glutamate pour réguler différentiellement la libération de DA. Nous avons des résultats préliminaires suggérant que le glutamate libéré par les TANs va activer des mGluR qui exercent un contrôle inhibiteur sur la libération de DA. De plus j’ai observé que l’augmentation de libération de DA chez les souris VGLUT3-KO entraine une activation des cascade de signalisation DR1-dépendantes. De plus les MSNs du NAc des souris VGLUT3-KO présentent des augmentations morphologiques et synaptiques de l’activité glutamatergique du NAc. Finalement une augmentation de la fréquence des mutations du gène codant pour VGLUT3 a été trouvée dans une cohorte de sujets souffrants de formes sévères d’addictions. L’ensemble de ces résultats suggère que la régulation concomitante de la signalisation DAergique et glutamatergique dans le NAc agit comme un filtre protecteur contre les effets renforçant de la cocaïne. / Drug addiction is a compulsive pattern of drug-taking/drug-seeking behavior with alternate phases of abstinence and relapse despite adverse consequences. Human beings are not equally susceptible to addictions and molecular mechanisms underlying addiction are still poorly understood. Numerous brain structures such as the ventral tegmental area (VTA), the prefrontal cortex, the amygdala or the hippocampus converge onto the nucleus accumbens (NAc) to regulate reward. GABAergic medium spiny neurons (MSN) are the major input target as well as output pathway of the NAc. MSNs are dynamically regulated by dopaminergic fibers originating from the VTA and by local tonically active cholinergic interneurons (TANs). The selective destruction of TANs modulates rewarding properties of psychostimulant such as cocaine. Twelve years ago we made the surprising discovery that these neurons express both the vesicular acetylcholine transporter (VAChT) and the vesicular glutamate transporter type 3 (VGLUT3). We recently established that VGLUT3 increases the acetylcholine (ACh) vesicular accumulation (and release) by a mechanism named vesicular synergy. Furthermore, the presence of VGLUT3 confers to TANs the ability to release glutamate in addition to ACh. Unexpectedly, mice that have lost the ability to secrete ACh in the NAc show minimal alteration of their behavioral response to cocaine. This result suggests that ACh is not sufficient to modulate reward.To investigate the role of VGLUT3-mediated signaling by TANs we used a mouse line that no longer expressed VGLUT3. During this PhD I established that silencing VGLUT3 in mice dramatically exacerbated cocaine-induced behaviors. Furthermore, we found that VAChT-KO and VGLUT3-KO mice showed a decreased and increased DA release (respectively) in the NAc. Therefore, TANs use ACh and glutamate to differentially regulate DA release. We have preliminary data suggesting the glutamate released by TANs activate mGluR that negatively control DA release. I further observed that in VGLUT3-KO mice the increased DA release enhanced DR1-signaling cascades. In addition, MSNs from the NAc of VGLUT3-KO mice had increased morphologic and synaptic glutamatergic activity in the NAc. Finally, we report non-synonymous mutations in the gene encoding VGLUT3 in patients with severe addictions. Our results suggested that the concomitant regulation of the dopaminergic and glutamatergic tone by VGLUT3 in the NAc acted as a protective filter against reinforcing properties of cocaine.

Le centre médian/parafasciculaire (CM/Pf) du thalamus a récemment émergé comme un élément d'intérêt dans le contexte de la maladie de Parkinson. Ainsi le fonctionnement normal et pathologique des GB ne peut pas être pleinement élucidé sans qu'il ne soit pris en considération. Dans ce contexte, nous avons analysé le transfert des informations thalamiques dans les GB en enregistrant, in vivo, les réponses évoquées au niveau de la structure de sortie des GB, la substantce noire pars reticulata (SNr) soit par la stimulation électrique ou optogénétique du CM/Pf. Ensuite, nous avons étudié les composantes des GB impliquées dans ces réponses en analysant les réponses évoquées par l'activation optogenetique spécifique des voies thalamo-striée, thalamo-subthalamique ou thalamo-nigrale. À la fois l'activation électrique et optogenetique du CM/Pf évoquent des réponses complexes dans la SNr qui sont composées d'une inhibition qui peut être précédée et/ou suivie d'excitations. L'inhibition et l'excitation tardive dépendent de l'activation des voies trans-striatales, alors que les premières excitations mettent en jeu les voies thalamo-subthalamique et thalamo-nigrale. Nous avons également étudié l'impact des interneurones cholinergiques du striatum ainsi que les afférences dopaminergiques sur le transfert des informations thalamiques dans les GB. Pour ce faire, nous avons enregistré les réponses évoquées au niveau des neurones de projection du striatum suite à la stimulation électrique du CM/Pf avec ou sans l'inhibition optogénétique des CINs. Nous serons alors en mesure de déterminer comment les CINs sont impliqués dans le transfert des informations thalamiques au sein des GB. / The centre median/parafascicular (CM/Pf) of the thalamus has recently emerged as a component of interest in the context of Parkinson’s disease. Thus normal and pathological dynamics of BG cannot be fully understood unless it is taken into account. Here, we analyzed the transfer of CM/Pf information through BG by recording, in vivo, the evoked responses of BG output neurons in the substantia nigra pars reticulata (SNr) to either electrical or optogenetic CM/Pf stimulations. Then, we investigated the BG components involved in these responses by analyzing the responses evoked by specific optogenetic activation of the thalamo-striatal, thalamo-subthalamic or thalamo-nigral pathways. Both electrical and optogenetic activation of CM/Pf evoke complex responses in SNr that are composed of an inhibition that can be preceded and/or followed by excitations. The inhibition and the late excitation rely on the activation of the trans-striatal pathways, whereas the early excitations involve thalamo-subthalamic and thalamo-nigral projections. We are currently analyzing whether and how the striatal cholinergic interneurons (CINs) and the dopaminergic afferent system modulate the transfer of thalamic information within the BG. For the second part of my project, we analyzed the treatment of thalamic information from CM/Pf at the level of the striatum. To do this, we recorded the evoked responses of striatal projection neurons by the electrical stimulation of the CM/Pf with or without the inhibition of the CINs by optogenetics. We will then be able to determine how CINs are involved in the transfer of thalamic information at the level of the striatum.

La maladie de Parkinson (MP) est caractérisée par une perte dopaminergique dans le striatum, structure sous-corticale impliquée dans le contrôle moteur, la mémoire et les comportements émotionnels. Les interneurones cholinergiques (ChIs) striataux jouent un rôle clef dans cette réorganisation pathologique du striatum en modulant l’activité des neurones de projection striataux (MSNs). Ce travail vise à étudier l’implication des ChIs et des récepteurs muscariniques (mAChRs) dans les mécanismes qui sous-tendent l’expression des déficits moteurs, cognitifs et émotionnels dans différents modèles de la MP chez la souris. L’inhibition optogénétique des ChIs réduit les déficits moteurs (akinésie, asymétrie posturale, déficit sensori-moteur). Les enregistrements électrophysiologiques montrent que l’inhibition des ChIs réduit l’excitabilité des MSNs et rétablit l’équilibre d’activité des deux voies de sortie striatale. Ces effets antiparkinsoniens sont reproduits par le blocage pharmacologique striatal des mAChRs M1 et M4. Ils sont dus à une action préférentielle de l’ACh sur les mAChRs au niveau des MSNs à l’origine de la voie striatonigrale puisqu’ils disparaissent chez des souris invalidées pour les récepteurs M4 exprimés dans ces neurones. La photoinhibition des ChIs réduit les déficits mnésiques et l’anxiété. L’antagoniste des mAChRs M1 réduit l’anxiété mais est inefficace sur les déficits mnésiques, suggérant que d’autres récepteurs cholinergiques striataux puissent être engagés dans les fonctions mnésiques. L’ensemble de nos résultats apporte un éclairage nouveau sur l’implication des ChIs striataux dans le fonctionnement physiologique et pathologique du striatum. / Parkinson’s disease (PD) is characterized by a dopamiergic loss into the striatum, a subcortical structure involved in motor control, memory and emotional behaviors. Striatal cholinergic interneurons (ChIs) play a key role in this pathological reorganization of the striatal circuitry by modulating striatal projection neurons (MSNs). This study aims to investigate the involvement of ChIs and muscarinic receptors (mAChRs) in the mechanisms underlying the expression of motor, cognitive and emotional deficits observed in different models of PD in mice. ChIs optogenetic inhibition reduced motor deficits (akinesia, postural asymmetry, sensorimotor deficit). Electrophysiological recordings show that ChIs photoinhibition reduces MSNs excitability and restores the balance between the two striatal output pathways. These antiparkinsonian effects are reproduced by pharmacological intrastriatal blockade of M1 and M4 mAChRs. They are due to a preferential action of ACh on mAChRs expressed on striatonigral MSNs since the deficits disappear in mutant mice that lack M4 mAChRs only in these neurons. ChIs photoinhibition also reduces memory deficits and anxiety. M1 mAChRs antagonist reduces anxiety but is inefficient on memory deficits, suggesting that other cholinergic receptors might be involved in striatal memory functions. Overall, these results give new insights on the role of cholinergic interneurons in the normal and pathological functioning of the striatum.

The therapeutic benefits attributed to activation of peripheral mechanoreceptors are poorly understood. There is growing evidence that mechanical stimulation modulates substrates in the supraspinal central nervous system (CNS) that are outside the canonical somatosensory circuits. This work demonstrates that activation of peripheral mechnoreceptors via mechanical stimulation (MStim) is sufficient to increase dopamine release in the nucleus accumbens (NAc), alter neuron firing rate in the ventral tegmental area (VTA) and increase membrane translocation of delta opioid receptors (DORs) in the NAc. Further, we demonstrate that these effects are dependent on DORs and acetylcholine receptors. Additionally, MStim can block neuronal markers of chronic ethanol dependence including ethanol-induced changes to VTA GABA neuron firing during withdrawal, and DA release profiles after reinstatement ethanol during withdrawal. These are presented in tandem with evidence that MStim also ameliorates behavioral indices of ethanol withdrawal. Finally, exercise, a modality that includes a mechanosensory component, is shown to alter expression of kappa opioid receptors (KORs) in the NAc. This change substantively depresses KORs influence over evoked DA release in direct contraversion to the effects of chronic ethanol. These changes translate into reduced drinking behavior.