No description available.

This work aims at studing the role of tachykinin NK-3 receptor (R) and kinin B1R in central autonomic regulation of blood pressure (BP) and to determine whether the B1R is overexpressed and functional in rat models of hypertension by measuring the effect of a B1R agonist on behavioural activity. Assumptions: (1) NK-3R located in the ventral tegmental area (VTA) modulates the mesolimbic dopaminergic system and has a tonic activity in hypertension; (2) B1R is overexpressed in the brain of hypertensive rats and has a tonic activity, which contributes to hypertension via a dopamine mechanism; (3) the inhibition of NK-3R and B1R with selective antagonists, reduces central dopaminergic hyperactivity and reverses hypertension. A model of genetic hypertension and a model of experimental hypertension were used: spontaneously hypertensive rats (SHR, 16 weeks) and Wistar-Kyoto (WKY) rats infused for 14 days with angiotensin II (Ang II) (200 ng / kg / min, subcutaneous (s.c.) with Alzet mini pump). The age-matched untreated WKY rats served as common controls. In the first study (article # 1), the cardiovascular response in SHR was evaluated following intracebroventricular (i.c.v.) and/or intra-VTA injection of an agonist (senktide) and antagonists (SB222200 and R-820) of NK-3R. These responses have also been characterized using selective dopamine antagonists DA-D1R (SCH23390), DA-D2R (raclopride) or non-selective dopamine DA-D2R (haloperidol). Also the VTA has been destroyed by ibotenic acid. The pressor response induced by senktide and the anti-hypertensive response induced by SB222200 or R-820 were more pronounced by intra-VTA. These responses were prevented by pre-treatment with raclopride and haloperidol. The lesion of the VTA has prevented the pressor response relayed by senktide (i.c.v.) and the anti-hypertensive effect of R-820 (i.c.v.). In addition, SB222200 (intra-VTA) prevented the pressor response of senktide (i.c.v.) and conversely, senktide (i.c.v.) prevented the antihypertensive effect of SB222200 (intra-VTA). The second study (article # 2) showed that the B1R antagonist (SSR240612) administered by gavage or i.c.v. reverses hypertension in both models. This anti-hypertensive effect was prevented by raclopride and haloperidol. In contrast, the two B1R antagonists (R-715 and R-954) injected s.c., which do not cross the blood-brain barrier reduced weakly blood pressure in hypertensive rats. In the third study (article # 3), the i.c.v. injection of a selective kinin B1R agonist Sar[DPhe8][des-Arg9]BK caused behavioural responses in SHR and Ang II-treated rats and had no effect in control WKY rats . The responses elicited by B1R agonist were blocked by an antagonist of NK-1 (RP67580), an antagonist of NMDA glutamate receptor (DL-AP5), an inhibitor of nitric oxide synthase (NOS) (L -NNA) as well as raclopride and SCH23390.The responses were modestly affected by the inhibitor of inducible NOS (iNOS). The B1R mRNA (measured by RT-PCR) was significantly increased in the hypothalamus, the VTA and the nucleus accumbens of hypertensive animals (SHR and treated with Ang II) compared with control rats. These neuropharmacological studies suggest that: (1) the NK-3R from the VTA is involved in the maintenance of hypertension in SHR by increasing DA transmission in the midbrain; (2) the B1R in SHR and Ang II-treated rats contributes to hypertension via a central mechanism involving DA-D2R; (3) the central B1R increases locomotor activity and nocifensive behaviours via the release of substance P (NK-1), DA and nitric oxide in both rat models of hypertension. Thus, the brain tachykinin NK-3R and kinin B1R represent potential therapeutic targets for the treatment of hypertension. The modulation of the mesolimbic/mesocortical dopaminergic pathway by these receptors suggests their involvement in other physiological functions (pleasure, motor activity, coordination of the response to stress) and pathophysiology (anxiety, depression). / Ce travail vise à étudier le rôle du récepteur NK-3 des tachykinines (NK-3R) et du récepteur B1 des kinines (B1R) dans la régulation autonomique centrale de la pression artérielle et de déterminer si le B1R est surexprimé et fonctionnel chez le rat hypertendu en mesurant l’effet d’antagoniste B1R sur l’activité comportementale. Hypothèses: (1) le NK-3R localisé dans l’aire tegmentale ventrale (VTA) module l’activité dopaminergique du système mésolimbique et possède une activité tonique dans l’hypertension; (2) le B1R est surexprimé dans le cerveau du rat hypertendu et possède une activité tonique qui contribue à l’hypertension via un mécanisme dopaminergique; (3) l’inhibition des NK-3R et B1R avec des antagonistes sélectifs réduit l’hyperactivité dopaminergique centrale et renverse l’hypertension. Un modèle d’hypertension génétique et un modèle d’hypertension expérimentale ont été utilisés: le rat spontanément hypertendu (SHR, 16 sem) et le rat Wistar Kyoto (WKY) infusé pendant 14 jours avec l’angiotensine II (Ang II) (200 ng/kg/min, s.c. avec mini pompe Alzet). Le rat WKY non traité du même âge a servi de témoin commun. Dans la première étude (article # 1), la réponse cardiovasculaire des SHR a été évaluée à la suite de l’injection i.c.v. et/ou intra-VTA d’un agoniste (senktide) et d’antagonistes (SB222200 et R-820) du NK-3R. Ces réponses ont aussi été caractérisées en utilisant des antagonistes sélectifs des récepteurs DA-D1R (SCH23390), DA-D2R (raclopride) ou non-sélectif DA-D2R (halopéridol). Aussi le VTA a été détruit par l’acide iboténique. La réponse pressive induite par senktide et la réponse anti-hypertensive induite par SB222200 ou R-820 étaient plus marquées par la voie intra-VTA. Ces réponses ont été prévenues par un pré-traitement avec le raclopride et l’halopéridol. La lésion du VTA a prévenu la réponse pressive relayée par le senktide (i.c.v.) ainsi que l’effet anti-hypertenseur du R-820 (i.c.v.). De plus, le SB222200 (intra-VTA) a prévenu la réponse pressive du senktide (i.c.v.) et inversement, le senktide (i.c.v.) a prévenu l’effet anti-hypertenseur du SB222200 (intra-VTA). La deuxième étude (article # 2) a montré que l’antagoniste du B1R (SSR240612) administré par gavage ou i.c.v. renverse l’hypertension artérielle dans les deux modèles. Cet effet dépresseur a été prévenu par le raclopride ainsi que l’halopéridol. Par contre, le traitement avec deux antagonistes du B1R (R-715 et R-954) qui ne traversent pas la barrière hémo-encéphalique a réduit faiblement la pression artérielle chez les rats hypertendus. Dans la troisième étude (article # 3), l’injection i.c.v. d’un agoniste sélectif du B1R, le Sar[DPhe8][des-Arg9]BK a causé des réponses comportementales typiques chez le SHR et le rat traité à l’Ang II mais il n’a pas eu d’effet chez le rat témoin WKY. Les réponses induites par l’agoniste B1R ont été bloquées par un antagoniste du récepteur NK-1(RP67580), un antagoniste du récepteur NMDA du glutamate (DL-AP5), un inhibiteur des synthétases du monoxyde d’azote (NOS) (L-NNA) ainsi qu’avec le raclopride et le SCH23390. Les réponses ont été modestement influencées par l’inhibiteur de la NOS inductible (iNOS). L’ARNm du B1R (mesuré par RT-PCR) était significativement augmenté dans l’hypothalamus, le VTA et le noyau accumbens des animaux hypertendus (SHR et traités à l’Ang II) comparativement aux rats témoins. Ces études neuropharmacologiques suggèrent : (1) que le NK-3R du VTA est impliqué dans le maintien de l’hypertension chez le SHR en augmentant la transmission DA au niveau du mésenséphale. (2) Le B1R chez le SHR et les rats traités à l’Ang II contribue à l’hypertension artérielle via un mécanisme central impliquant le DA-D2R. (3) le B1R central augmente l’activité locomotrice et les comportements défensifs, via la relâche de substance P (NK-1), de DA et de NO dans un modèle d’hypertension génétique et expérimental chez le rat. Ainsi, les récepteurs cérébraux NK-3 des tachykinines et B1 des kinines représentent des cibles thérapeutiques potentielles pour le traitement de l’hypertension artérielle. La modulation de la voie dopaminergique mésolimbique/mésocorticale par ces récepteurs suggère une participation dans d’autres fonctions physiologiques (plaisir, activité motrice, coordination de la réponse au stress) et en pathophysiologie (anxiété, dépression).

L’habenula, un noyau épithalamique, est située au centre de la voie dorsale diencéphalique. Cette voie relie les structures limbiques et les ganglions de la base aux cellules monoaminergiques du mésencéphale. En particulier, l’habenula latérale (HbL) projette directement aux cellules dopaminergiques et GABAergiques de l’aire tegmentale ventrale (ATV). L’ATV est le site d’origine de la voie mésolimbique dopaminergique, une voie impliquée de façon cruciale dans la manifestation des comportements dirigés. L’importance de cette projection habenulaire pour le comportement demeure encore méconnue. Ainsi, l’objectif de cette étude est d’approfondir notre compréhension du rôle de régulation de l’HbL sur les comportements dépendants de la neurotransmission dopaminergique. MATÉRIEL ET MÉTHODES: Des rats adultes mâles Sprague-Dawley ont été anesthésiés avec de l’isofluorane et installés sur un appareil stéréotaxique. L’acide iboténique, une neurotoxine agoniste des récepteurs glutamatergiques, était infusée bilatéralement dans l’HbL (0,25 μg/0,25 μl/côté). Les rats du groupe contrôle recevaient des infusions NaCl 0,9%. Les rats de l’expérience d’autostimulation intracérébrale (ASIC) étaient aussi implantés d’une électrode monopolaire dans le mésencéphale postérieur. Un groupe de rats était testé pour leur réponse de locomotion à l’amphétamine (0; 0,5 ou 1 mg/kg, intrapéritonéal), dix jours suivant la lésion de l’HbL. La locomotion était mesurée dans des chambres d’activité, chacune équipée de deux faisceaux parallèles infrarouges. Le jour du test, les rats étaient pesés et placés dans la chambre d’activité puis leur activité locomotrice de base était mesurée pendant une heure. Les rats recevaient ensuite une dose d’amphétamine ou le véhicule (NaCl 0,9%) par voie intrapéritonéale et l’activité locomotrice était mesurée pendant deux heures supplémentaires. Un groupe de rats distinct a été utilisé dans l’expérience d’ASIC. Commençant sept jours suivant la lésion, les rats étaient entraînés à appuyer sur un levier afin de s’autoadministrer des stimulations électriques, au cours de sessions quotidiennes. Nous avons ensuite mesuré chacun des taux de réponses d’une série de stimulations aux fréquences décroissantes. À partir d’une courbe réponses-fréquences, le seuil de récompense était inféré par la fréquence de la stimulation nécessaire pour produire une réponse semi-maximale. Les seuils de récompense étaient stabilisés à un niveau similaire pour l’ensemble des rats. Enfin, l’effet sur la récompense de l’amphétamine était testé aux mêmes doses employées pour l’expérience de locomotion. RÉSULTATS: Une lésion neurotoxique de l’HbL n’a pas altéré les niveaux de base de l’activité locomotrice dans chaque groupe. Cependant, une telle lésion a potentialisé l’effet de locomotion de l’amphétamine (1 mg/kg) pendant la première heure suivant son administration, et une tendance similaire était observable pendant la seconde heure. À l’inverse, nous n’avons observé aucune interaction entre une lésion à l’HbL et l’effet amplificateur sur la récompense de l’amphétamine. CONCLUSION: Nos résultats révèlent une importante contribution fonctionnelle de l’HbL à la locomotion induite par l’activation de la voie mésolimbique dopaminergique avec une dose de 1 mg/kg d’amphétamine. À l’opposé, aucun effet sur la récompense n’a été observé. Ces résultats suggèrent que l’activation psychomotrice et l’amplifiation de la récompense produite par l’amphétamine dépendent de substrats dissociables, chacun étant différentiellement sensible à la modulation provenant de l’HbL. / The habenula, an epithalamic nucleus, is centrally located within the dorsal diencephalic conduction system. This dorsal pathway connects the limbic forebrain and basal ganglia to midbrain monoaminergic cell groups intricately involved in the control of behavior. In particular, the lateral habenula (LHb) projects to, among other sites, the ventral tegmental area (VTA). Indeed, recent work has revealed direct LHb innervation of VTA dopamine as well as GABA cells. Little is known, however, about the behavioral relevance of this innervation but this knowledge is of potential importance, since the VTA gives rise to the mesolimbic dopamine pathway, a system critically involved in goal-directed behavior. Our aim here was to begin to understand the contribution of the LHb to dopamine-dependent behaviors. To do this, we produced neurotoxic lesions of the LHb and measured amphetamine-enhanced locomotion and intracranial self-stimulation (ICSS), two behaviors highly sensitive to mesolimbic dopamine neurotransmission. METRIALS AND METHODS: Adult male Sprague-Dawley rats were anesthetised with isoflurane and mounted onto a stereotaxic apparatus. Ibotenic acid, an excitatory neurotoxin at glutamatergic receptors, was infused bilaterally into the LHb (0.25 μg/0.25 μl/side). Sham-lesioned rats received infusions of 0.9% sterile saline. Rats in the ICSS experiment were additionally implanted with a monopolar stimulation electrode in the posterior mesencephalon. One group of rats was tested for their locomotor response to amphetamine (0, 0.5 or 1 mg/kg, i.p.), ten days after LHb lesion. Locomotion was measured in rectangular activity chambers, each equipped with two parallel infrared photobeams. On test day, rats were weighed, placed in the activity chamber and baseline locomotor activity was measured for 1 hour. Rats then received amphetamine or vehicle (0.9% saline) and locomotor activity was measured for 2 more hours. A separate group of rats was used in the ICSS experiment. Beginning seven days post-lesion, rats were trained to press a lever in order to self-administer trains of stimulation pulses. We then measured response rates at each of a series of pulse frequencies during daily sessions. From these response-frequency curves, we obtained estimates of reward thresholds, defined as the pulse frequency necessary for half-maximal responding. Baseline reward thresholds were matched across all rats and once stable, we tested the reward-enhancing effect of amphetamine, at the same doses tested in the locomotion experiment. RESULTS: Neurotoxic lesions of the LHb did not alter baseline locomotor activity in either group. Amphetamine enhanced locomotor activity throughout the entire 2 hour test. Importantly, the locomotor stimulant effect of amphetamine (1 mg/kg) was significantly greater in lesioned rats during the first hour, and a similar tendency was observed during the second hour. On the other hand, we did not observe any difference in amphetamine-induced enhancement of reward between lesioned and sham rats, at any dose or any time post-injection. CONCLUSION: Our findings reveal an important functional contribution of the LHb to dopamine-mediated locomotion. On the other hand, the clear dissociation between the locomotor-stimulant and rewarding effects of amphetamine suggests that the neural substrates mediating these two are dissociable and differentially sensitive to LHb modulation.

La contribution de la neurotransmission dopaminergique dans le noyau accumbens à l’effet de récompense induit par la stimulation électrique du cerveau a été l’objet de plusieurs années de recherche. Cependant, d’autres sites recevant des terminaisons dopaminergiques pourraient contribuer à moduler la récompense dans d’autres régions cérébrales. Parmi elles, on retrouve l’habenula qui reçoit des projections dopaminergiques de l’aire tegmentale ventrale. La contribution de cette voie au phénomène de récompense en général et à l’effet de recompense induit par l’autostimulation intracrânienne est peu connue. Le but de cette recherche était d’étudier la contribution de la dopamine mésohabenulaire à l’effet de recompense induit par la stimulation électrique du raphé dorsal. Des rats ont été implantés d’une bicanule dans l’Hb et d’une électrode dans le raphé dorsal. Le paradigme du déplacement de la courbe a été utilisé pour évaluer les changements dans l’effet de récompense à la suite de l’injection intra-habenulaire d’amphétamine (10-40 μg). À titre de contrôles positifs, des rats ont reçu l’amphétamine dans le core et dans le shell (1-20 μg) du noyau accumbens. Les injections d’amphétamine dans l’habenula n’ont pas changé l’effet de récompense induit par la stimulation électrique. Dans le noyau accumbens, les injections dans le shell et le core provoquent des augmentations dans l’effet de récompense comme il a déjà été démontré. Nos résultats suggèrent que la neurotransmission dopaminergique dans l’habenula latérale ne contribue pas significativement au circuit soutenant l’effet renforçant de la stimulation électrique du cerveau. / The contribution of nucleus accumbens dopamine neurotransmission to reward and reinforcement has been the focus of many years of study. Other terminal sites have received comparatively less research attention, but may be potentially important. One of these sites is the lateral habenula, which receives dopaminergic innervation from cells arising from the ventral tegmental area. Very little is known about the contribution of this pathway to reward in general and to the rewarding effect of electrical brain stimulation in particular. The goal of this study was to study the contribution of mesohabenular dopamine to reward induced by electrical stimulation of the dorsal raphe. Male Sprague-Dawley rats were implanted with bilateral cannulae in the lateral habenula and a stimulation electrode aimed at the dorsal raphe nucleus. Using the curveshift paradigm, we measured the rewarding effect of intra-habenular infusions of amphetamine (10-40 μg). Control rats received amphetamine infusions into nucleus accumbens core or shell subregions (1-20 μg). Our findings show that regardless of concentration, intra-habenular amphetamine did not alter brain stimulation reward. Infusions into the nucleus accumbens enhanced the rewarding effectiveness of the stimulation, as previously shown. Our findings suggest that dopaminergic neurotransmission within the lateral habenula does not contribute significantly to the circuitry that mediates the rewarding effect of electrical brain stimulation.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La dépression est une pathologie grave qui, malgré de multiples stratégies thérapeutiques, demeure résistante chez un tiers des patients. Les techniques de stimulation cérébrale sont devenues une alternative intéressante pour les patients résistants à diverses pharmacothérapies. La stimulation du nerf vague (SNV) a ainsi fait preuve de son efficacité en clinique et a récemment été approuvée comme traitement additif pour la dépression résistante. Cependant, les mécanismes d’action de la SNV en rapport avec la dépression n’ont été que peu étudiés. Cette thèse a donc eu comme premier objectif de caractériser l’impact de la SNV sur les différents systèmes monoaminergiques impliqués dans la pathophysiologie de la dépression, à savoir la sérotonine (5-HT), la noradrénaline (NA) et la dopamine (DA), grâce à l’utilisation de techniques électrophysiologiques et de la microdialyse in vivo chez le rat. Des études précliniques avaient déjà révélé qu’une heure de SNV augmente le taux de décharge des neurones NA du locus coeruleus, et que 14 jours de stimulation sont nécessaires pour observer un effet comparable sur les neurones 5-HT. Notre travail a démontré que la SNV modifie aussi le mode de décharge des neurones NA qui présente davantage de bouffées, influençant ainsi la libération terminale de NA, qui est significativement augmentée dans le cortex préfrontal et l’hippocampe après 14 jours. L’augmentation de la neurotransmission NA s’est également manifestée par une élévation de l’activation tonique des récepteurs postsynaptiques α2-adrénergiques de l’hippocampe. Après lésion des neurones NA, nous avons montré que l’effet de la SNV sur les neurones 5-HT était indirect, et médié par le système NA, via l’activation des récepteurs α1-adrénergiques présents sur les neurones du raphé. Aussi, tel que les antidépresseurs classiques, la SNV augmente l’activation tonique des hétérorécepteurs pyramidaux 5-HT1A, dont on connait le rôle clé dans la réponse thérapeutique aux antidépresseurs. Par ailleurs, nous avons constaté que malgré une diminution de l’activité électrique des neurones DA de l’aire tegmentale ventrale, la SNV induit une augmentation de la DA extracellulaire dans le cortex préfrontal et particulièrement dans le noyau accumbens, lequel joue un rôle important dans les comportements de récompense et l’hédonie. Un deuxième objectif a été de caractériser les paramètres optimaux de SNV agissant sur la dépression, en utilisant comme indicateur le taux de décharge des neurones 5-HT. Des modalités de stimulation moins intenses se sont avérées aussi efficaces que les stimulations standards pour augmenter l’activité électrique des neurones 5-HT. Ces nouveaux paramètres de stimulation pourraient s’avérer bénéfiques en clinique, chez des patients ayant déjà répondu à la SNV. Ils pourraient minimiser les effets secondaires reliés aux périodes de stimulation et améliorer ainsi la qualité de vie des patients. Ainsi, ces travaux de thèse ont caractérisé l’influence de la SNV sur les trois systèmes monoaminergiques, laquelle s’avère en partie distincte de celle des antidépresseurs classiques tout en contribuant à son efficacité en clinique. D’autre part, les modalités de stimulation que nous avons définies seraient intéressantes à tester chez des patients recevant la SNV, car elles devraient contribuer à l’amélioration des bénéfices cliniques de cette thérapie. / Depression is a severe psychiatric disorder, in which a third of patients do not achieve remission, despite the wide variety of therapeutic strategies that are currently available. Brain stimulation has emerged as a promising alternative therapy in cases of treatment resistance. Vagus nerve stimulation (VNS) has shown promise in treating resistant-depressed patients, and it has been approved as an adjunctive treatment for resistant depression. However, the mechanism of action by which VNS exerts its antidepressant effects has remained elusive. The first goal of this thesis was therefore to characterize the impact of VNS on monoaminergic systems known to be implicated in the pathophysiology of depression such as serotonin (5-HT), norepinephrine (NE) and dopamine (DA), by means of electrophysiologic techniques and microdialysis in the rat brain. Previous research has indicated that one hour of VNS increased the basal firing activity of locus coeruleus NE neurons and, secondarily, that of 5-HT neurons, but only after 14 days of stimulation. Our work demonstrated that VNS also modified the firing pattern of NE neurons towards a bursting mode of discharge. This mode of firing was shown to lead to enhanced NE release in the prefrontal cortex and hippocampus after 14 days. Increased NE neurotransmission was also evidenced by enhanced tonic activation of postsynaptic α2-adrenoceptors in the hippocampus. Selective lesioning of NE neurons was then used to demonstrate that the effects of VNS on the 5-HT system were indirect, and mediated by the activation of α1-adrenoceptors located on the dorsal raphe 5-HT neurons. Similar to classical antidepressants, VNS also enhanced the tonic activation of pyramidal 5-HT1A heteroreceptors, which are known to play a key role in the antidepressant response. We also found that in spite of a diminished firing activity of ventral tegmental area DA neurons after VNS, extracellular DA levels were significantly elevated in the prefrontal cortex, and particularly in the nucleus accumbens which plays an important role in reward behavior and hedonia. A second objective was to characterize the optimal VNS parameters to treat depression using the firing activity of 5-HT neurons as an indicator. It was found that less stimulation was as effective as the standard levels to increase 5-HT neurons firing rate. These novel parameters could be helpful for clinical application in VNS responsive patients, to potentially minimize and/or even prevent stimulation-related side effects, thus improving their quality of life. In brief, these studies reveal an influence of VNS on all three central monoamine systems, which differs in part from that of classical antidepressants while contributing to the clinical efficacy of this approach. It will also be interesting to determine whether the proposed lower stimulation parameters are as effective in providing antidepressant response in patients receiving VNS, which should contribute to improve the clinical benefits of that therapy.

The dopamine D2 receptor exists in vitro in two states of agonist affinity: a high-affinity state mediating dopamine’s physiological effects, and a physiologically-inert low-affinity state. Our primary goal was to determine the in vivo relevance of this two-affinity-state model for the agonist PET radiotracer [11C]-(+)-PHNO, developed for measurement of the D2 high-affinity state. Our second goal was to characterize the regional D2 versus D3 pharmacology of [3H]-(+)-PHNO binding and assess its utility for measuring drug occupancy at both receptor subtypes. Using ex vivo dual-radiotracer experiments in conscious rats, we showed that, contrary to the two-affinity-state model, the binding of [11C]-(+)-PHNO and the antagonist [3H]-raclopride were indistinguishably inhibited by D2 partial agonist (aripiprazole), indirect agonist (amphetamine) and full agonist ((-)-NPA) pretreatment. Furthermore, ex vivo [11C]-(+)-PHNO binding was unaffected by treatments that increase in vitro high-affinity state density (chronic amphetamine, ethanol-withdrawal), whereas unilateral 6-OHDA lesion, which increases total D2 receptor expression, similarly increased the ex vivo binding of [11C]-(+)-PHNO and [3H]-raclopride. These results do not support the in vivo validity of the two-affinity-state model, suggesting instead a single receptor state for [11C]-(+)-PHNO and [3H]-raclopride in conscious rat. Importantly, we also demonstrated that the increased amphetamine-sensitivity of the agonist radiotracers [11C]-(+)-PHNO and [11C]-(-)-NPA, commonly seen in isoflurane-anaesthetized animals and cited as evidence for the two-affinity-state model, is due to the confounding effects of anaesthesia. Using in vitro and ex vivo autoradiography in rat and the D3 receptor-selective drug SB277011, we found that [3H]-(+)-PHNO binding in striatum and cerebellum lobes 9 and 10 was due exclusively to D2 and D3 receptor binding, respectively, but in other extra-striatal regions to a mix of the two receptor subtypes. Surprisingly, the D3 contribution to [3H]-(+)-PHNO binding was greater ex vivo than in vitro. Also surprising, several antipsychotic drugs, at doses producing 80% D2 occupancy, produced insignificant (olanzapine, risperidone, haloperidol) or small (clozapine, ~35%) D3 occupancy, despite similarly occupying both receptor subtypes in vitro. These data reveal a significant discrepancy between in vitro and ex vivo measures of dopamine receptor binding and suggest that the D3 occupancy is not necessary for the therapeutic effect of antispychotic drugs.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karolinska institutet, 2005. / Härtill 5 uppsatser.

The midbrain dopamine system is involved in many aspects of purposeful behaviour and, when compromised, can have devastating effects on movement and cognition as seen in diseases like Parkinson's. In the healthy brain, dopamine neurons are thought to play particularly important roles in learning by signalling errors in reward prediction. The objective of this thesis was to investigate the diversity in the functional properties of the midbrain dopamine system, and how this is altered through genetic variation of relevance to Parkinson's and development of cell phenotype. This objective was addressed with a combination of behavioural experiments, in vivo single-cell recording and labelling (both in anaesthetised as well as awake rodents), immunofluorescence labelling, retrograde tracing and stereology. In a first set of experiments, it was demonstrated that chronic as well as acute genetic challenges can alter the firing patterns of midbrain dopamine neurons. Using a novel bacterial artificial chromosome-transgenic rat model, it was shown that the R1441C mutation in human leucine-rich repeat kinase 2, which is linked to Parkinson's, leads to motor deficits and an age-dependent reduction in the in vivo firing variability and burst firing of substantia nigra pars compacta (SNc) dopamine neurons. These findings help reveal processes of early, pre-degenerative dysfunction in dopamine neurons in Parkinson's. Similar effects on firing variability and burst firing of SNc dopamine neurons were found in a mouse model with conditional knock- out of the transcription factors Forkhead box A1 and A2 (FoxA1/2) in midbrain dopamine neurons. These findings indicate that FoxA1/2 are not only crucial for the early development of dopamine neurons, but also their function in the mature brain. In a second set of experiments in wildtype mice, it was demonstrated that midbrain dopamine neurons (located in SNc and ventral tegmental area) show diverse expression of the molecular markers Calbindin, Calretinin, Aldh1a1, Sox6, Girk2, SatB1 and Otx2. It was found that selective expression of these markers is of use for discriminating between midbrain dopamine neurons that project to dorsal striatum or nucleus accumbens. To elucidate whether the diverse molecular marker expression would map onto dopamine neurons whose firing correlates with distinct behavioural events, midbrain dopamine neurons were recorded and labelled in head-fixed awake mice either exposed to neutral sensory stimuli or performing a classical conditioning paradigm. The population activity of midbrain dopamine neurons was not modulated by neutral sensory stimuli. Interestingly, fewer than 50% of identified dopamine neurons showed phasic firing increases following reward- predicting cue and/or reward delivery, despite the common assumption that most (if not all) midbrain dopamine neurons signal reward prediction errors. Instead, firing was modulated by other explanatory factors, such as licking, or showed no modulation during the task. Response types of midbrain dopamine neurons were not correlated with their anatomical location nor the selective or combinatorial expression of the markers Aldh1a1, Calbindin and Sox6. In conclusion, the first set of experiments identified how different genetic burdens can alter the in vivo firing of midbrain dopamine neurons, and provide new insights into how circuits can change in pathological or compensatory ways at early disease stages in Parkinson's. The second set of experiments revealed striking heterogeneity of midbrain dopamine neurons in the intact system, and established further a functional diversity in the response types of identified midbrain dopamine neurons that is only partially consistent with canonical reward prediction error signalling.

La méthamphétamine (METH) est une drogue stimulante qui peut causer des déficiences des fonctions cognitives et des dommages irréversibles dans le cerveau des utilisateurs. Il est important de comprendre les mécanismes moléculaires de la toxicité de la drogue pour pouvoir développer des traitements pour contrer les effets toxiques de la METH. Plusieurs études dans notre laboratoire et autres ont montré qu’une seule dose élevée de METH (30-40 mg/kg de poids corporel) suffit à endommager l’arborisation terminale des neurones dopaminergiques dans le striatum et le cortex chez les rongeurs, de même qu’elle peut causer l’activation des signaux apoptotiques produits a partir du réticulum endoplasmique (RE) et de la mitochondrie dans le striatum. De ce fait, le but de cette thèse était d’analyser si la dose toxique de 40 mg/kg de METH injectée par faibles doses répétées (4 fois, avec des intervalles de 2 heures), appelée « binge METH », peut aussi causer des stress cellulaires du RE et de la mitochondrie dans le striatum. Des travaux récents ont suggéré que les récepteurs D1 et D2 de la dopamine pourraient être les intermédiaires de l’apoptose des neurones dans le striatum causée par l’administration d’une unique toxique dose de METH. Nous avons alors émis l’hypothèse que les messages cellulaires diriges par la stimulation des récepteurs D1 et D2 de la dopamine pourraient être à l’ origine des effets toxiques du « binge modele ». Le rôle des récepteurs de la dopamine sur l’activation des signaux de l’apoptose a été examiné en utilisant des antagonistes de ces récepteurs. Dans cette dissertation, je donne la preuve que « binge METH » affecte l’expression des immediate early genes de façon différente. Il semble que ces effets soient dépendants de la stimulation du récepteur D1. Un autre volet de cette dissertation a analysé les effets de « binge METH » sur l’expression de gènes impliqués dans la réponse au stress du RE et à l’altération de la fonction de la mitochondrie. Le prétraitement avec l’antagoniste du récepteur D1 de la dopamine, SCH23390, a complètement bloqué l’apparition de ces stress cellulaires après les injections de METH, alors que l’antagoniste du récepteur D2, raclopride, a eu des effets minimes. SCH23390 a aussi bloqué l’effet de METH à causer l’augmentation de la température corporelle des animaux, mais pas raclopride. Cependant, les deux antagonistes ont protégés contre les pertes dans plusieurs marqueurs des neurones de dopamine et sérotonine dans le striatum. De plus, SCH23390, mais non raclopride, a aussi protégé les neurones de sérotonine dans le cortex. Durant mes travaux, j’ai aussi identifié qu’il y a une augmentation de l’ARN messager de activin βA, la protéine TGF-β et Smad2 phosphorylée après les injections de METH. Ces effets sont réduits suite à un prétraitement par SCH23390 ; cependant, raclopride n’a eu aucun effet sur l’expression de TGF-β.En résumé, ces nouvelles données suggèrent que le récepteur D1 joue un rôle prédominant dans la toxicité de la METH. / Methamphetamine (METH) is a potent psychostimulant known to cause cognitive abnormalities and neurodegenerative changes in the brains of METH abusers. One approach for developing therapies for METH abuse is to understand the molecular mechanisms of toxicity of the drug. Investigations in our laboratory and elsewhere have shown that single intraperitoneal injections of METH (30-40 mg/kg of body weight) can cause damage to striatal and cortical monoaminergic systems and induce neuronal apoptosis in the striatum of rodents via activation of endoplasmic reticulum (ER) and mitochondrial death pathways. Hence, the purpose of this thesis was to investigate if toxic binge METH injections can cause ER- and mitochondria-induced stress in the rat striatum. Recent studies have suggested that dopamine (DA) D1 and D2 receptors might mediate neuronal apoptosis in the striatum after single toxic METH doses. We therefore hypothesized that signaling through these two types of DA receptors might activate toxic effects of the binge METH regimen. The role of DA D1 or D2 receptors in METH-induced cell death pathways was thus examined by using pharmacological inhibitors of these receptors. In this dissertation, I report that binge METH regimen caused differential changes in immediate early genes (IEGs) that are known to influence synaptic changes in the brain. METH-induced changed in the expression of the IEGs were dependent on DA D1 receptor stimulation. The second study examined the effects of binge METH on the expression of ER stress- and mitochondrial dysfunction-responsive genes. Pretreatment with the DA D1 receptor antagonist, SCH23390, caused complete inhibition of METH-induced ER and mitochondrial stresses whereas the DA D2 receptor antagonist, raclopride, provided only partial blockade. SCH23390 also blocked METH-induced hyperthermia whereas raclopride failed to do so. Interestingly, both antagonists attenuated METH-induced dopaminergic and serotonergic deficits in the striatum. Moreover, SCH23390 but not raclopride blocked METH-induced serotonergic deficits in cortical tissues. I also found that METH treatment induced upregulation of activin βA mRNA, increased TGF-β and phosphorylated Smad2 proteins in the rat striatum. SCH23390 pretreatment completely blocked all these effects whereas raclopride did not block METH-induced increases in TGF-β expression.