Lmx1a et Lmx1b sont des facteurs de transcription connus pour leur rôle au cours du développement des neurones dopaminergiques du mésencéphale (mDA). Ils ont été montrés comme essentiels à chacune des étapes de différentiation des progéniteurs en neurones dopaminergiques matures. Des études récentes ont également mis en évidence l'importance de ces deux facteurs de transcription dans les neurones dopaminergiques chez l'adulte. Lmx1a/b sont impliqués dans la régulation de gènes mitochondriaux ainsi que dans l'autophagie. Cependant, jusqu'à présent, rien n'est connu sur le rôle de Lmx1a/b dans les neurones dopaminergiques post-mitotiques. Le but de cette thèse est d'élucider le rôle de Lmx1a/b dans les neurones dopaminergiques matures. L'analyse des projections axonales dopaminergiques de souris doubles conditionnelles mutantes (cKO) pour Lmx1a/b a mis en évidence un défaut de guidage axonal confirmant le rôle essentiel de ces deux facteurs de transcription dans la formation des circuits dopaminergiques. Afin d’identifier précisément les molécules impliquées dans la régulation du système dopaminergique des techniques adaptées doivent être développées pour déterminer les principaux acteurs régulés par Lmx1a/b. À cette fin, nous avons mis au point une technique de marquage immunohistochimique rapide de la tyrosine hydroxylase (TH, enzyme nécessaire à la synthèse de la dopamine) sur des sections de mésencéphale de souris afin de délimiter la région d’intérêt. Par la suite, nous utilisons une technique de microdissection au laser afin de spécifiquement récolter les cellules dopaminergiques du mésencéphale pour réaliser un profil d'expression génique. Un premier article de méthodologie a été publié concernant cette technique. Cette procédure menée sur des souris cKO pour Lmx1a et Lmx1b et leurs contrôles associés a permis de mettre en évidence des gènes régulés par Lmx1a et Lmx1b tels que Plxnc1. Plxnc1 est une protéine de guidage axonal ayant pour ligand la sémaphorine 7a (Sema7a). Afin d'observer si la régulation de Plxnc1 par Lmx1a/b est à l'origine du défaut de guidage axonal observé chez les souris cKO pour Lmx1a/b, nous avons réalisé une analyse in vitro de l’effet de la Sema7a sur les axones d'explants mDA. Notre étude a montré un effet chimiorépulsif de la Sema7a pour les axones des neurones mDA exprimant Plxnc1. De plus, l’étude de souris Sema7a KO montre une augmentation de l’innervation DA dans la partie dorsale du striatum, partie exprimant Sema7a chez des souris contrôles. Ce phénotype met en évidence une chimiorépulsion induite par l’interaction Sema7a/Plxnc1. L’étude de souris surexprimant Plxnc1 a, quant à elle, montré une perte d’innervation DA dans la partie dorsale du striatum. En effet, la majorité des cellules du mésencéphale se mettent à exprimer Plxnc1, les rendant ainsi sensibles à la chimiorépulsion induite par Sema7a. L’ensemble de ces résultats met en évidence l’importance de la régulation de la protéine de guidage axonal Plxnc1 par Lmx1a/b pour l'innervation des cibles du mésencéphale. La répression de Plxnc1 dans les neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta (SNpc) semble nécessaire à l’innervation du striatum dorsal riche en Sema7a. Cette étude est la première à identifier les bases moléculaires du guidage axonal expliquant la ségrégation des voies mDA nigrostriée et mésolimbique, et devrait contribuer à améliorer l'efficacité des thérapies cellulaires pour la maladie de Parkinson. Un second article sera soumis prochainement sur le rôle des facteurs de transcription Lmx1a/b dans les neurones dopaminergiques post-mitotiques du mésencéphale. La principale caractéristique histopathologique de la maladie de Parkinson est la dégénérescence des neurones mDA de la SNpc. La thérapie de remplacement cellulaire utilisant des neurones dopaminergiques nouvellement générés à partir de cellules souches représente une thérapie prometteuse. Cependant, la mauvaise innervation des neurones nouvellement greffés limite le succès des études de transplantation. L’identification de facteurs régulant la connectivité des neurones mDA devient primordiale pour élucider les mécanismes impliqués dans la mise en place du système dopaminergique. C'est pourquoi, dans une derniere partie, afin d'illustrer cette possibilité d'amélioration d'une thérapie de remplacement cellulaire, j’ai réalisé l’implantation de cellules souches différenciées en neurones dopaminergiques dans un modèle de souris lésées à la 6-hydroxydopamine (6OHDA). Les cellules nouvellement réimplantées sont de type SNpc, en raison de l'infection par un vecteur viral induisant l'inhibition de l'expression de Plxnc1. / Lmx1a and Lmx1b are transcription factors known for their role in the development of midbrain dopamine neurons (mDA). They were shown as essential for each stage of differentiation from progenitors to mature dopaminergic neurons. Recent studies have also highlighted the importance of these two transcription factors in dopaminergic neurons in adult mice. Lmx1a/b are involved in the regulation of mitochondrial genes and in autophagy. Although some evidence suggest that they could be involved in the formation of mDa circuit formation, their role in post-mitotic mDA neurons remains unknown. The aim of this thesis is to elucidate the role of Lmx1a/b in post-mitotic dopaminergic neurons. Analysis of dopaminergic axonal projections of double conditional mutant (cKO) mice for Lmx1a/b showed an axon guidance defect confirming the essential role of these transcription factors in the formation of dopaminergic circuits. In order to precisely identify the molecules involved in the regulation of the dopamine system, suitable techniques must be developed to identify the main genes that are regulated by Lmx1a/b. To this end we developed a new technique allowing gene profiling of brain sub-population. By combining rapid immunolabeling of mDA neurons with laser capture microdissection we manage to extract RNA from two sub-regions of mDA neurons such as ventral tegmental area (VTA) and substantia nigra pars compacta (SNpc). The advantage of this technique is to compare quickly the regulation of genes expression by studying controls and mutant mice. A first methodological article has been published regarding this procedure. We then applied this technique on cKO mice for Lmx1a/b and their associated controls to identify genes regulated by Lmx1a and Lmx1b. Among these genes, we identified Plxnc1, an axon guidance receptor for the semaphorin 7a (Sema7a). In order to verify whether the regulation of Plxnc1 by Lmx1a/b is at the origin of the axon guidance defect observed in double conditional mutant for Lmx1a/b, we have made an in vitro analysis of the effect of Sema7a on mDA explants. Our study showed a chemorepulsive effect of Sema7a on Plxnc1 positives axons. In addition, the study of knockout mice for Sema7a shows an increase of DA innervation in the dorsal part of the striatum which is the region expressing Sema7a in control mice. This phenotype reveals a chemorepulsion induced by Sema7a/Plxnc1 interaction. The study of mice overexpressing Plxnc1 shows a loss of DA innervation in the dorsal striatum. Indeed, by overexpressing Plxnc1, the majority of midbrain cells begin to express this axon guidance protein instead of only mDA neurons from the VTA. Thus, all mDA neurons including neurons from the SNpc express Plxnc1 making them sensitive to Sema7a. This interaction Sema7a/Plxnc1 leads to a chemorepulsion of axons guided away from the dorsal striatum. Overall these results highlight the importance of the regulation of the axon guidance protein Plxnc1 by Lmx1a/b for the innervation of midbrain targets. The repression of Plxnc1 expression in dopaminergic neurons of the SNpc appears necessary for the innervation of dopaminergic axons in the dorsal striatum, rich in Sema7a. This study is the first to identify the molecular basis of the development of the dopaminergic system explaining the segregation of the nigrostriatal and mesolimbic pathways. These results should help to improve the effectiveness of cell therapies for Parkinson's disease. A second article will be submitted soon about the role of Lmx1a/b transciption factors in post-mitotic midbrain dopaminergic neurons. The main histopathological feature of Parkinson's disease (PD) is the degeneration of SNpc neurons. The cell replacement therapy using newly generated dopaminergic neurons from stem cells represents a promising therapy. However, a poor innervation of the newly grafted neurons limits the success of transplantation studies. The identification of factors regulating neuronal connectivity of mDA neurons becomes essential to elucidate the mechanisms involved in the establishment of the dopaminergic system. Therefore, in a final section of this thesis, I report preliminary study about cell replacement therapy in PD mouse model. I differentiated DA neurons from stem cells, knock-down Plxnc1 expression and performed grafting in 6-hydroxydopamine (6OHDA) mouse model to illustrate the possibility of improving a cell replacement therapy.

Les neurones dopaminergiques du mésencéphale (mDA) sont impliqués dans une variété de fonctions clefs du système nerveux central, incluant le mouvement volontaire, les processus affectifs, la récompense, l’attention, la mémoire de travail et l’apprentissage. La spécification des neurones mDA, de même que l’établissement des circuits dopaminergiques, sont finement régulés au cours du développement et requièrent l’activation spatiotemporelle complexe de facteurs de transcription et de leurs gènes cibles. La dégénérescence ou une perturbation de l’activité des neurones mDA peut mener au développement de troubles neurodégénératifs ou neuropsychiatriques graves, tels la maladie de Parkinson (PD), la schizophrénie (SCZ) et les troubles du spectre obsessif compulsif (OCD). Les facteurs de transcriptions Lmx1a et Lmx1b sont des déterminants précoces de la destinée dopaminergique, essentiels à la différenciation et à la spécification des neurones mDA. Des polymorphismes de LMX1A/B ont précédemment été associés à la SCZ et aux troubles du spectre OCD. Parmi les gènes développementaux sous le contrôle transcriptionnel de Lmx1a/b, nous avons identifié deux membres de la famille Slit et Trk (Slitrk), Slitrk2 et Slitrk5, comme contrôlant la formation des synapses excitatrices et inhibitrices afférentes aux neurones mDA. Des mutations de SLITRK2 et SLITRK5 furent également associées au développement de divers désordres neuropsychiatriques. Nous présentons ici le rôle de Lmx1a/b dans la régulation de l’activité électrophysiologique des neurones mDA, par leur régulation transcriptionnelle de Slitrk2 et Slitrk5. En utilisant un modèle de culture primaire de neurones mDA, nous avons identifié un rôle de Slitrk2 et de Slitrk5 dans la régulation postsynaptique de la synaptogénèse excitatrice et inhibitrice, respectivement. La perturbation de l’activité électrique des neurones mDA résultant de la perte ou du gain de fonction de Slitrk2/5 pourrait possiblement résulter en une perturbation de la libération de la dopamine aux noyaux cibles des neurones mDA, menant ainsi au développement de comportements pathologiques associés aux troubles neuropsychiatriques humains. / Mesodiencephalic dopaminergic (mDA) neurons regulate key functions of the mammalian central nervous system, including voluntary movement, affection, reward, attention, working memory and learning. The specification of mDA neurons and dopaminergic circuitry’s establishment are finely regulated during development and require specific and complex spatial and temporal activation of transcription factors and target genes. The degeneration of mDA pathways or their dysfunction can lead to severe neurodegenerative or neuropsychiatric disorders, including Parkinson’s disease (PD), schizophrenia (SCZ) and obsessive-compulsive disorder (OCD). Lmx1a and Lmx1b transcription factors are early determinants of the dopaminergic fate, essential to mDA neurons differentiation and specification. Polymorphisms of LMX1A/B were previously linked to SCZ and OCD. Within the transcriptional targets of Lmx1a/b, we identified to members of the Slit and Trk (Slitrk) family, Slitrk2 and Slitrk5, controlling excitatory and inhibitory afferent synapses formation of mDA neurons. Mutations of SLITRK2 and SLITRK5 were also previously linked to various neuropsychiatric diseases. We here present the role of Lmx1a/b in the regulation of the electrophysiological activity of mDA neurons, by their transcriptional regulation of Slitrk2 and Slitrk5. Using a mDA neurons’ primary cell culture paradigm, we identified a role of Slitrk2 and Slitrk5 in the post-synaptic regulation of excitatory and inhibitory synaptogenesis, respectively. The perturbation of mDA neurons’ electrophysiological activity, resulting from Slitrk2/5 loss or gain of function could lead to an alteration in dopamine release to mDA neurons target nuclei, and thus to the development of pathological behaviours associated with human neuropsychiatric diseases.

Sémaphorine 7A est une molécule de guidage axonal pour les neurones dopaminergiques en développement. Elle permet de ségréguer les neurones de la voie nigrostriée et mésolimbique. Nous montrons dans cette étude qu’elle participe également à l’organisation de la voie mésocorticale. L’effet chémorépulsif de la molécule Sémaphorine 7A se fait via sa liaison avec le récepteur membranaire PlexinC1, présent tout au long du développement embryonnaire dans les neurones de l’aire tegmentale ventral. Il se manifeste in vitro par une modulation morphologique du cône de croissance, ainsi qu’une réduction de l’arborisation dendritique. Les kinases de la famille des Src sont les médiatrices de ces effets. En forçant leur inactivation, on peut empêcher l’apparition des effets chémorépulsifs de Sémaphorine 7A. Il est intéressant de noter que les kinases de la famille des Src sont également activées in vivo dans les cônes de croissance de neurones dopaminergiques en développement. La liaison de Sémaphorine 7A à PlexinC1 mène aussi à une inactivation de la protéine de liaison à l’actine cofiline. L’identification de cet acteur moléculaire permet de faire un lien entre l’activation du récepteur et la modulation subséquente du cytosquelette, une étape essentielle afin de médier le mouvement du cône de croissance. En somme, cette étude permet de mettre en évidence certains mécanismes moléculaires agissant au niveau du cône de croissance, et dont l’effet est nécessaire au guidage des neurones dopaminergiques par Sémaphorine7A. / Semaphorin7A is an important axon guidance molecule for developing dopaminergic neurons. It allows to segregate the neurons of the nigrostriate and mesolimbic pathway. In this study, we bring to light its role in the organization of the mesocortical pathway. The chemorepulsive effect of Semaphorin 7A occur via its binding with the PlexinC1 membrane receptor, present throughout embryonic development in the neurons form the Ventral Tegmental Area. These effects include, in vitro a morphological modulation of the growth cone, as well as a reduction of the dendritic arborization. Src family kinases mediate these effects and when inactivated, they prevent both chemorepulsion and growth cone morphology changes induced by Séma7A. Interestingly, Src family kinases are also activated in vivo in growth cones of developing dopaminergic neurons. The binding of Séma7A to PlexinC1 also leads to inactivation of the actin binding protein cofilin. The identificatio; n of this molecular actor links the activation of the receptor and the subsequent modulation of the cytoskeleton, an essential step in order to mediate the movement of the growth cone. In sum, this study reveals the molecular mechanisms acting at the level of the growth cone in midbrain dopaminergic neurons during axonal guidance by Semaphorin7A.

Parce qu'il est naturel et facile de marcher, il peut sembler que cet acte soit produit aussi facilement qu'il est accompli. Au contraire, la locomotion nécessite une interaction neurale complexe entre les neurones supraspinaux, spinaux et périphériques pour obtenir une locomotion fluide et adaptée à l'environnement. La région locomotrice mésencéphalique (MLR) est un centre locomoteur supraspinal situé dans le tronc cérébral qui a notamment pour rôle d'initier la locomotion et d'induire une transition entre les allures locomotrices. Cependant, bien que cette région ait initialement été identifiée comme le noyau cunéiforme (CnF), un groupe de neurones glutamatergiques, et le noyau pédonculopontin (PPN), un groupe de neurones glutamatergiques et cholinergiques, son corrélat anatomique est encore un sujet de débat. Et alors qu'il a été prouvé que, que ce soit lors d’une stimulation de la MLR ou pour augmenter la vitesse locomotrice, la plupart des quadrupèdes présentent un large éventail d'allures locomotrices allant de la marche, au trot, jusqu’au galop, la gamme exacte des allures locomotrices chez la souris est encore inconnue. Ici, en utilisant l'analyse cinématique, nous avons d'abord décidé d'identifier d’évaluer les allures locomotrices des souris C57BL / 6. Sur la base de la symétrie de la démarche et du couplage inter-membres, nous avons identifié et caractérisé 8 allures utilisées à travers un continuum de fréquences locomotrices allant de la marche au trot puis galopant avec différents sous-types d'allures allant du plus lent au plus rapide. Certaines allures sont apparues comme attractrices d’autres sont apparues comme transitionnelles. En utilisant une analyse graphique, nous avons également démontré que les transitions entre les allures n'étaient pas aléatoires mais entièrement prévisibles. Nous avons ensuite décidé d'analyser et de caractériser les contributions fonctionnelles des populations neuronales de CnF et PPN au contrôle locomoteur. En utilisant des souris transgéniques exprimant une opsine répondant à la lumière dans les neurones glutamatergiques (Glut) ou cholinergiques (CHAT), nous avons photostimulé (ou photo-inhibé) les neurones glutamatergiques du CnF ou du PPN ou les neurones cholinergiques du PPN. Nous avons découvert que les neurones glutamatergiques du CnF initient et modulent l’allure locomotrice et accélèrent le rythme, tandis que les neurones glutamatergiques et cholinergiques du PPN le ralentissent. En initiant, modulant et en accélérant la locomotion, notre étude identifie et caractérise des populations neuronales distinctes de la MLR. Définir et décrire en profondeur la MLR semble d’autant plus urgent qu’elle est devenue récemment une cible pour traiter les symptômes survenant après une lésion de la moelle épinière ou liés à la maladie de Parkinson. / Because it is natural and easy to walk, it could seem that this act is produced as easily as it is accomplished. On the contrary, locomotion requires an intricate and complex neural interaction between the supraspinal, spinal and peripheric neurons to obtain a locomotion that is smooth and adapted to the environment. The Mesencephalic Locomotor Region (MLR) is a supraspinal brainstem locomotor center that has the particular role of initiating locomotion and inducing a transition between locomotor gaits. However, although this region was initially identified as the cuneiform nucleus (CnF), a cluster of glutamatergic neurons, and the pedunculopontine nucleus (PPN), a cluster of glutamatergic and cholinergic neurons, its anatomical correlate is still a matter of debate. And while it is proven that, either under MLR stimulation or in order to increase locomotor speed, most quadrupeds exhibit a wide range of locomotor gaits from walk, to trot, to gallop, the exact range of locomotor gaits in the mouse is still unknown. Here, using kinematic analysis we first decided to identify to assess locomotor gaits C57BL/6 mice. Based on the symmetry of the gait and the inter-limb coupling, we identified and characterized 8 gaits during locomotion displayed through a continuum of locomotor frequencies, ranging from walk to trot and then to gallop with various sub-types of gaits at the slowest and highest speeds that appeared as attractors or transitional gaits. Using graph analysis, we also demonstrated that transitions between gaits were not random but entirely predictable. Then we decided to analyze and characterize the functional contributions of the CnF and PPN’s neuronal populations to locomotor control. Using transgenic mice expressing opsin in either glutamatergic (Glut) or cholinergic (CHAT) neurons, we photostimulated (or photoinhibited) glutamatergic neurons of the CnF or PPN or cholinergic neurons of the PPN. We discovered that glutamatergic CnF neurons initiate and modulate the locomotor pattern, and accelerate the rhythm, while glutamatergic and cholinergic PPN neurons decelerate it. By initiating, modulating, and accelerating locomotion, our study identifies and characterizes distinct neuronal populations of the MLR. Describing and defining thoroughly the MLR seems all the more urgent since it has recently become a target for spinal cord injury and Parkinson’s disease treatment.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les lésions médullaires entraînent un déficit fonctionnel moteur d’importance variable selon leur localisation et leur sévérité. En cas de lésion partielle, il est possible d’observer chez des modèles animaux et des patients un certain degré de récupération fonctionnelle après une période allant de quelques semaines à plusieurs années selon les cas. Cette récupération impliquerait une réorganisation anatomique du circuit locomoteur spinal ainsi que des centres supraspinaux. Parmi ces derniers se trouve la région locomotrice mésencéphalique (MLR) qui est une région fonctionnelle capable d’initier et de moduler la locomotion. Un débat entoure cependant la nature de ses corrélats anatomiques qui pourraient être le noyau cunéiforme (CnF) qui est essentiellement composé de neurones glutamatergiques, le noyau pédonculopontin (PPN) formé de neurones cholinergiques et glutamatergiques, le noyau mésencéphalique profond (MRN/DpMe) qui est glutamatergique et le tegmentum latérodorsal (LDT) formé de populations neuronales semblables au PPN. Des études suggèrent une augmentation des projections de la MLR vers le tronc cérébral après lésion et que les neurones glutamatergiques du CnF sont responsables de l’initiation et de l’accélération de la locomotion. En combinant le traçage rétrograde, la stéréologie et la cinématique, nous mettons en évidence, dans le CnF mais aussi dans le PPN et le LDT contralatésionnels, une augmentation des projections glutamatergiques de la MLR vers la formation réticulée. Étant donné le rôle majeur des neurones glutamatergiques dans la locomotion, leur recrutement pourrait contribuer à la récupération fonctionnelle spontannée observée après lésion médullaire partielle. Une expérience de traçage antérograde nous permettra de confirmer que ces projections glutamatergiques supplémentaires forment bien de nouvelles synapses dans la formation réticulée voire dans la moelle épinière. Ce projet pourrait contribuer à préciser les sites optimaux de stimulation cérébrale profonde de la MLR pour traiter les déficits moteurs causés par les lésions médullaires partielles voire par d’autres pathologies comme la maladie de Parkinson. / Spinal cord injuries cause a functional motor deficit of varying importance depending on their location and their severity. After incomplete spinal cord injury, it is possible to notice in animal models and patients a certain functional recovery occurring on a period going from a few weeks to several years. This recovery may occur thanks to an anatomical reorganization of the spinal locomotor circuit and supraspinal locomotor centers. Among these centers is the mesencephalic locomotor region (MLR) which is a functional region able to initiate and modulate locomotion. Its exact anatomical correlates are still a matter of debate but they could include the cuneiform nucleus (CnF), a cluster of glutamatergic neurons, the pedunculopontine nucleus (PPN) that is cholinergic and glutamatergic, the deep mesencephalic nucleus (MRN/DpMe) that is glutamatergic and the laterodorsal tegmentum which is formed by neuronal populations similar to the PPN. Some studies suggest that there is an increase of projections from the MLR to the brainstem after lesion and that the glutamatergic neurons of the CnF can initiate and accelerate locomotion. Using retrograde tracing, stereological analysis and kinematic, we show, in the CnF but also in the contralesional PPN and LDT, that there is a recruitment of MLR glutamatergic projections to the medullar reticular formation. Considering the major role of glutamatergic neurones in locomotion, this recruitment could contribute to motor functional recovery after incomplete spinal cord injury. An anterograde tracing experiment could then help us to confirm that these “new” projections form synaptic connections in the medullar reticular formation and, maybe, in the spinal cord. This project could contribute to specify the optimal deep brain stimulation sites in the MLR to treat motor deficits caused by incomplete spinal cord injuries and maybe also by other pathologies such as Parkinson’s disease. / Résumé en espagnol

Initier la marche vient naturellement pour tout être vivant qui se déplace. Malgré cette apparente facilité, cet acte nécessite une interaction complexe entre différentes régions du cerveau et la moelle épinière. Une de ces régions a été découverte dans le mésencéphale et a été identifiée il y a maintenant 50 ans comme la région locomotrice mésencéphalique. En effet, la stimulation électrique de cette région engendre de manière systématique l’initiation de la locomotion dans de nombreuses espèces animales. Malgré tout, la localisation anatomique précise et l’identification des populations neuronales de cette région sont un sujet de débat encore aujourd’hui. Dans notre projet, nous avons utilisé les outils optogénetiques accessibles chez la souris afin de stimuler spécifiquement les populations glutamatergiques ou cholinergiques des deux noyaux qui constituent la région locomotrice mésencéphalique, le noyau cunéiforme (CnF) et le noyau pedonculopontin (PPN). Nous avons découvert que nous ne pouvions initier la marche en stimulant seulement les neurones glutamatergiques du noyau cunéiforme, indiquant ainsi que ces neurones constituent le corrélat anatomique de la région locomotrice mésencéphalique. Étant donné l’intérêt clinique de la stimulation profonde chez des patients parkinsoniens, épileptiques ou médullaires, il paraît d’autant plus urgent de définir la localisation et les fonctions précises des populations neuronales contribuant à cette région fonctionnelle. / The act of initiating locomotion comes naturally to every living and moving the animal. Despite this apparent easiness, this act relies upon a complex neuronal interaction between brain regions and the spinal cord. One of those regions was found in the brainstem and has been identified 50 years ago as the mesencephalic locomotor region. Indeed, electrical stimulation of this region consistently leads to the initiation of locomotion in many species. However, the precise anatomical location and neuronal composition responsible for this effect on locomotion remained a matter of debate for years. Here, using neuronal specific optogenetic stimulation in mice, we stimulated either the glutamatergic or the cholinergic population in the two proposed nuclei that form the MLR (cuneiform and pedunculopontine nuclei, CnF and PPN). We simultaneously recorded kinematics and EMG activity and found that we could only reliably induce locomotion when stimulating the glutamatergic neurons of the CnF, therefore establishing those neurons as the correlates of the MLR. Considering that the MLR is being tested as a deep brain stimulation target for disease ranging from Parkinson to epilepsy and spinal cord injury, it seems even more urgent to ascertain precisely its anatomical location and physiological role.

De nombreuses études ont établi que la majorité des neurones libèrent plus qu’une substance chimique. Il est bien connu que les neurones peuvent co-exprimer et co-libérer des neuropeptides en plus de leur neurotransmetteur, mais des évidences de la co-libération de deux petits neurotransmetteurs à action rapide se sont accumulées récemment. Des enregistrements électrophysiologiques ont aussi montré que des neurones sérotoninergiques et dopaminergiques isolés peuvent libérer du glutamate quand ils sont placés en culture. De plus, la présence de glutamate et de glutaminase a été détectée dans des neurones sérotoninergiques, dopaminergiques et noradrénergiques par immunomarquage sur des tranches de cerveau. Malheureusement, en considérant le rôle métabolique du glutamate, sa détection immunologique n’est pas suffisante pour assurer le phénotype glutamatergique d’un neurone. Récemment, la découverte de trois transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUT1-3) a grandement facilité l’identification des neurones glutamatergiques. Ces transporteurs sont nécessaires pour la libération de glutamate et constituent les premiers marqueurs morphologiques du phénotype glutamatergique. Il a été démontré que des neurones noradrénergiques expriment VGLUT2 et que des neurones sérotoninergiques expriment VGLUT3. Mais aucune évidence d’expression d’un des sous-types de VGLUT n’a été reportée pour les neurones dopaminergiques. Le but de notre travail était d’identifier quel sous-type de VGLUT est exprimé par les neurones dopaminergiques mésencéphaliques, et de déterminer si le phénotype glutamatergique de ces neurones peut être modulé dans des conditions particulières. Premièrement, nous avons utilisé des microcultures pour isoler les neurones dopaminergiques et des doubles marquages immunocytochimiques pour observer l’expression de VGLUT dans les neurones positifs pour la tyrosine hydroxylase (TH). Nous avons montré que la majorité (80%) des neurones TH+ isolés exprime spécifiquement VGLUT2. Cette expression est précoce au cours du développement in vitro et limitée aux projections axonales des neurones dopaminergiques. Toutefois, cette forte expression in vitro contraste avec la non-détection de ce transporteur dans les rats adultes in vivo. Nous avons décidé ensuite de regarder si l’expression de VGLUT2 pouvait être régulée pendant le développement cérébral de jeunes rats et sous des conditions traumatiques, par double hybridation in situ. Entre 14 et 16 jours embryonnaires, les marquages de VGLUT2 et de TH montraient une superposition significative qui n’était pas retrouvée à des stades ultérieurs. Dans le mésencéphale de jeunes rats postnataux, nous avons détecté l’ARNm de VGLUT2 dans environs 1-2% des neurones exprimant l’ARNm de TH dans la substance noire et l’aire tegmentaire ventrale (ATV). Pour explorer la régulation de l’expression de VGLUT2 dans des conditions traumatiques, nous avons utilisé la 6-hydroxydopamine (6-OHDA) pour léser les neurones dopaminergiques dans les jeunes rats. Dix jours après la chirurgie, nous avons trouvé que 27% des neurones dopaminergiques survivants dans l’ATV exprimaient l’ARNm de VGLUT2 dans les rats 6-OHDA. Finalement, nous avons observé la colocalisation de la protéine VGLUT2 dans les terminaisons TH positives par microscopie électronique. Dans les rats normaux, la protéine VGLUT2 est retrouvée dans 28% des terminaisons axonales TH dans le noyau accumbens. Dans les rats lésés à la 6-OHDA, nous avons observé une diminution considérable des terminaisons TH positives, et une augmentation dans la proportion (37%) des terminaisons dopaminergiques présentant du VGLUT2. Nos résultats suggèrent que le phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques est régulé au cours du développement, peut être réactivé dans des états pathologiques, et que ces neurones peuvent libérer du glutamate dans conditions spécifiques. / Numerous studies have established that the majority of neurons release more than one chemical substance. It is well known that neurons can co-express and co-release neuropeptides in addition to their neurotransmitter, but evidence of co-release of two small and fast-acting neurotransmitters has been accumulated recently. Electrophysiological recordings have also shown that isolated serotonine and dopamine neurons can release glutamate as a co-transmitter when they are placed in culture. Furthermore, the presence of glutamate and glutaminase has been detected in serotonine, dopamine and noradrenaline neurons by immunolabelling in brain slices. Unfortunately, considering the metabolic role of glutamate, its immunodetection is not sufficient to assert the glutamatergic phenotype of a neuron. Recently, the discovery of three vesicular glutamate transporters (VGLUT1-3) has greatly facilitated the identification of glutamate neurons. These transporters are necessary for the glutamate release by neurons and constitute the first molecular markers of a glutamatergic phenotype. Interestingly, it was demonstrated that some noradrenaline neurons express VGLUT2 and that some serotonin neurons express VGLUT3. But no evidence for expression of any VGLUT subtypes was initially reported for dopamine neurons. The goal of our work was to identify which VGLUT subtype is expressed by mesencephalic dopamine neurons, and to determine if the glutamatergic phenotype of these neurons can be modulated under specific conditions. First, we used microcultures to isolate dopamine neurons and double immunocytochemistry to visualize VGLUT expression in tyrosine hydroxylase (TH) positive neurons. We showed that the majority (80%) of isolated TH+ neurons express specifically VGLUT2. This expression occurred early during in vitro development and was limited to axonal projections of dopamine neurons. However, this strong expression in vitro contrasted with the lack of detection of this transporter in adult rats in vivo. We next decided to investigate if VGLUT2 expression could be regulated during brain development of young rats and under traumatic conditions, using double in situ hybridization. At embryonic days 14 to 16, VGLUT2 and TH labelling displayed significant overlap which was no longer found at later stages. In postnatal mesencephalon of young rats, we detected VGLUT2 mRNA in approximately 1-2% of neurons expressing TH mRNA in the substantia nigra and in ventral tegmental area (VTA). To explore the regulation of VGLUT2 expression under traumatic condition, we used 6-hydroxydopamine (6-OHDA) to damage dopamine neurons in young rats. Ten days post-surgery, we found that 27% of surviving dopamine neurons in the VTA expressed VGLUT2 mRNA in 6-OHDA animals. Finally, we observed the colocalisation of VGLUT2 protein in TH positive terminals by electron microscopy. In normal rats, VGLUT2 protein was found in 28% of TH positive axon terminals in nucleus accumbens. In 6 OHDA-lesioned rats, we observed a considerable reduction of TH positive terminals, and an increase in the proportion (37%) of dopamine terminals displaying VGLUT2. Our results suggest that the glutamatergic phenotype of dopamine neurons is developmentally regulated, can be reactivated under pathological states, and that these neurons are able to release glutamate under specific conditions.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

De nombreuses études ont établi que la majorité des neurones libèrent plus qu’une substance chimique. Il est bien connu que les neurones peuvent co-exprimer et co-libérer des neuropeptides en plus de leur neurotransmetteur, mais des évidences de la co-libération de deux petits neurotransmetteurs à action rapide se sont accumulées récemment. Des enregistrements électrophysiologiques ont aussi montré que des neurones sérotoninergiques et dopaminergiques isolés peuvent libérer du glutamate quand ils sont placés en culture. De plus, la présence de glutamate et de glutaminase a été détectée dans des neurones sérotoninergiques, dopaminergiques et noradrénergiques par immunomarquage sur des tranches de cerveau. Malheureusement, en considérant le rôle métabolique du glutamate, sa détection immunologique n’est pas suffisante pour assurer le phénotype glutamatergique d’un neurone. Récemment, la découverte de trois transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUT1-3) a grandement facilité l’identification des neurones glutamatergiques. Ces transporteurs sont nécessaires pour la libération de glutamate et constituent les premiers marqueurs morphologiques du phénotype glutamatergique. Il a été démontré que des neurones noradrénergiques expriment VGLUT2 et que des neurones sérotoninergiques expriment VGLUT3. Mais aucune évidence d’expression d’un des sous-types de VGLUT n’a été reportée pour les neurones dopaminergiques. Le but de notre travail était d’identifier quel sous-type de VGLUT est exprimé par les neurones dopaminergiques mésencéphaliques, et de déterminer si le phénotype glutamatergique de ces neurones peut être modulé dans des conditions particulières. Premièrement, nous avons utilisé des microcultures pour isoler les neurones dopaminergiques et des doubles marquages immunocytochimiques pour observer l’expression de VGLUT dans les neurones positifs pour la tyrosine hydroxylase (TH). Nous avons montré que la majorité (80%) des neurones TH+ isolés exprime spécifiquement VGLUT2. Cette expression est précoce au cours du développement in vitro et limitée aux projections axonales des neurones dopaminergiques. Toutefois, cette forte expression in vitro contraste avec la non-détection de ce transporteur dans les rats adultes in vivo. Nous avons décidé ensuite de regarder si l’expression de VGLUT2 pouvait être régulée pendant le développement cérébral de jeunes rats et sous des conditions traumatiques, par double hybridation in situ. Entre 14 et 16 jours embryonnaires, les marquages de VGLUT2 et de TH montraient une superposition significative qui n’était pas retrouvée à des stades ultérieurs. Dans le mésencéphale de jeunes rats postnataux, nous avons détecté l’ARNm de VGLUT2 dans environs 1-2% des neurones exprimant l’ARNm de TH dans la substance noire et l’aire tegmentaire ventrale (ATV). Pour explorer la régulation de l’expression de VGLUT2 dans des conditions traumatiques, nous avons utilisé la 6-hydroxydopamine (6-OHDA) pour léser les neurones dopaminergiques dans les jeunes rats. Dix jours après la chirurgie, nous avons trouvé que 27% des neurones dopaminergiques survivants dans l’ATV exprimaient l’ARNm de VGLUT2 dans les rats 6-OHDA. Finalement, nous avons observé la colocalisation de la protéine VGLUT2 dans les terminaisons TH positives par microscopie électronique. Dans les rats normaux, la protéine VGLUT2 est retrouvée dans 28% des terminaisons axonales TH dans le noyau accumbens. Dans les rats lésés à la 6-OHDA, nous avons observé une diminution considérable des terminaisons TH positives, et une augmentation dans la proportion (37%) des terminaisons dopaminergiques présentant du VGLUT2. Nos résultats suggèrent que le phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques est régulé au cours du développement, peut être réactivé dans des états pathologiques, et que ces neurones peuvent libérer du glutamate dans conditions spécifiques. / Numerous studies have established that the majority of neurons release more than one chemical substance. It is well known that neurons can co-express and co-release neuropeptides in addition to their neurotransmitter, but evidence of co-release of two small and fast-acting neurotransmitters has been accumulated recently. Electrophysiological recordings have also shown that isolated serotonine and dopamine neurons can release glutamate as a co-transmitter when they are placed in culture. Furthermore, the presence of glutamate and glutaminase has been detected in serotonine, dopamine and noradrenaline neurons by immunolabelling in brain slices. Unfortunately, considering the metabolic role of glutamate, its immunodetection is not sufficient to assert the glutamatergic phenotype of a neuron. Recently, the discovery of three vesicular glutamate transporters (VGLUT1-3) has greatly facilitated the identification of glutamate neurons. These transporters are necessary for the glutamate release by neurons and constitute the first molecular markers of a glutamatergic phenotype. Interestingly, it was demonstrated that some noradrenaline neurons express VGLUT2 and that some serotonin neurons express VGLUT3. But no evidence for expression of any VGLUT subtypes was initially reported for dopamine neurons. The goal of our work was to identify which VGLUT subtype is expressed by mesencephalic dopamine neurons, and to determine if the glutamatergic phenotype of these neurons can be modulated under specific conditions. First, we used microcultures to isolate dopamine neurons and double immunocytochemistry to visualize VGLUT expression in tyrosine hydroxylase (TH) positive neurons. We showed that the majority (80%) of isolated TH+ neurons express specifically VGLUT2. This expression occurred early during in vitro development and was limited to axonal projections of dopamine neurons. However, this strong expression in vitro contrasted with the lack of detection of this transporter in adult rats in vivo. We next decided to investigate if VGLUT2 expression could be regulated during brain development of young rats and under traumatic conditions, using double in situ hybridization. At embryonic days 14 to 16, VGLUT2 and TH labelling displayed significant overlap which was no longer found at later stages. In postnatal mesencephalon of young rats, we detected VGLUT2 mRNA in approximately 1-2% of neurons expressing TH mRNA in the substantia nigra and in ventral tegmental area (VTA). To explore the regulation of VGLUT2 expression under traumatic condition, we used 6-hydroxydopamine (6-OHDA) to damage dopamine neurons in young rats. Ten days post-surgery, we found that 27% of surviving dopamine neurons in the VTA expressed VGLUT2 mRNA in 6-OHDA animals. Finally, we observed the colocalisation of VGLUT2 protein in TH positive terminals by electron microscopy. In normal rats, VGLUT2 protein was found in 28% of TH positive axon terminals in nucleus accumbens. In 6 OHDA-lesioned rats, we observed a considerable reduction of TH positive terminals, and an increase in the proportion (37%) of dopamine terminals displaying VGLUT2. Our results suggest that the glutamatergic phenotype of dopamine neurons is developmentally regulated, can be reactivated under pathological states, and that these neurons are able to release glutamate under specific conditions.