Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. 180-200. Publié aussi en version électronique.

Ce mémoire traite de l’organisation anatomique et fonctionnelle de la voie corticosubthalamique chez le singe macaque. Cette projection neuronale, aussi connue sous le nom de voie hyperdirecte, a été étudiée grâce à une méthode de marquage neuronal unitaire. L’injection d’un traceur antérograde, la biotine dextran amine, dans la couche V du cortex moteur primaire de quatre singes cynomolgus (Macaca fascicularis) par microiontophorèse nous a permis de tracer en détails l’arborisation axonale de 28 axones corticofuges composants la voie hyperdirecte. Les principaux résultats de cette étude montrent que la projection corticosubthalamique est essentiellement ipsilatérale et que la population de neurones à l’origine de cette projection est indépendante de celle composant la voie corticostriée. Après avoir quitté le cortex, les axones de fort calibre (jusqu’à 3.7 μm de diamètre) de la voie hyperdirecte voyagent le long de la capsule interne jusqu’au tronc cérébral. À la hauteur du noyau subthalamique, ces axones émettent des collatérales de plus petit diamètre qui innervent non seulement le noyau subthalamique, mais également la zona incerta, le noyau rouge, les noyaux pontiques supérieurs et le noyau réticulaire du thalamus. Dans le noyau subthalamique, les fines collatérales de la voie hyperdirecte s’arborisent profusément au sein du territoire sensorimoteur. Les résultats obtenus dans le cadre de la présente étude par marquage neuronal unitaire révèlent, pour la toute première fois chez le singe, que la voie « hyperdirecte » est majoritairement « indirecte » puisque celle-ci provient essentiellement de collatérales d’axones principaux qui innervent les étages inférieurs du tronc cérébral. En outre, cette projection ne semble pas exclusive au noyau subthalamique puisque les axones qui la composent ciblent plusieurs autres régions motrices cérébrales. / This thesis deals with the anatomical and functional organization of the corticosubthalamic pathway in macaque monkey. This neuronal projection, which is also known as the hyperdirect pathway, was investigated with the help of a single-cell labeling method. An anterograde tracer, biotin dextran amine, was microiontophoretically delivered in layer V of the primary motor cortex in four cynomolgus monkeys (Macaca fascicularis), allowing us to trace in detail the axonal arborization of 28 corticofugal axons forming the hyperdirect pathway. The main results of this study indicate that the corticosubthalamic pathway is essentially ipsilateral and that the population of neurons at the origin of this projection is distinct from those giving rise to the corticostriatal projection. After leaving the cortex, the large caliber axons (up to 3.7 μm in diameter) that form the hyperdirect pathway travel along the internal capsule, heading toward the brainstem. At the subthalamic nucleus level, these axons emit some small-diameter collaterals that innervate the zona incerta, the red nucleus, the superior pontine nuclei, the thalamic reticular nucleus, and the subthalamic nucleus. In the latter structure, thin collaterals of the corticosubthalamic projection arborize principally within its sensorimotor territory. The results of the present single-axons tracing study reveal, for the very first time in primates, that the so called “hyperdirect” pathway is largely “indirect” since it is mainly composed of collaterals of main axons that travel downward to the brainstem. Moreover, this projection does not seem exclusive to the subthalamic nucleus since it targets several other cerebral motor nuclei.

L'élucidation de la microcircuiterie liant les différentes composantes des ganglions de la base est d'une importance capitale afin d'améliorer notre compréhension de ce système neuronal hautement complexe impliqué notamment dans le contrôle de la motricité. C'est dans cette optique qu'ont été entrepris les travaux de recherche consolidés dans cet ouvrage qui rapporte des données neuroanatomiques nouvelles obtenues chez le singe cynomolgus {Macaca fascicularis) et le singe écureuil (Saimiri sciureus) à l'aide d'une technique de pointe permettant le marquage et la reconstruction tridimensionnelle complète de neurones individuels. L'injection par microiontophorèse d'un traceur antérograde, la biotine dextran aminé, dans le pallidum interne, le complexe centre médian/parafasciculaire du thalamus ainsi que le cortex moteur primaire, a permis de tracer en détail l'arborisation axonale des neurones composant ces structures. L'étude approfondie des neurones de projection du pallidum interne révèle que la majorité des axones pallidofuges sont fortement collatéralisés, un même neurone étant en mesure d'influencer à la fois le thalamus ventral, le complexe centre médian/parafasciculaire du thalamus ainsi que le noyau pédonculopontin du tegmentum mésencéphalique par le biais d'un jeu complexe de collatérales axonales. Il en est de même pour les neurones de projection du complexe thalamique centre médian/parafasciculaire dont le branchement axonal permet d'influencer individuellement et de façon variée, à la fois le cortex cérébral et le striatum. Nos travaux révèlent en plus que, contrairement à ce que l'on croyait, la projection corticostriée en provenance du cortex moteur primaire chez le primate n'est pas dédiée uniquement au striatum. En effet, la découverte de neurones corticaux projetant à la fois au striatum et vers le tronc cérébral via des collatérales axonales prouve que le cortex moteur primaire peut influencer le striatum de façon directe et indirecte. L'ensemble de ces résultats révèle que les ganglions de la base forment un réseau neuronal très vaste dont les éléments constitutifs possèdent un axone fortement collatéralisé. Ces données neuroanatomiques jettent un éclairage nouveau sur l'organisation anatomique et fonctionnelle des ganglions de la base chez le primate et doivent être prises en considération dans l'élaboration de nouvelles approches thérapeutiques visant à contrer les processus neurodégénératifs qui affectent les ganglions de la base, comme ceux associés aux maladies de Parkinson et de Huntington. / A better knowledge of the neural wiring that links the major components of the basai ganglia is essential to understand the complex spatiotemporel séquence of neural events that ensures the correct flow of cortical information through this set of subcortical structures involved in the control of motor behavior. The présent thesis reports novel neuroanatomical findings gathered in both Old World (cynomolgus; Macaca fascicularis) and New Word (squirrel monkey, Saimiri sciureus) primates using a state-of-the-art method allowing a complète labelling and three-dimension reconstruction of single neurons. Microiontophoretic injections of biotin dextran aminé, an anterograde neuronal tracer, in the internai pallidum, the centre médian/parafascicular thalamic complex and the primary motor cortex allowed a detailed description of projection neurons within thèse forebrain structures. Our data show that the majority of pallidal neurons are endowed with a highly collateralized axon that projects to the ventral tiers thalamic nuclei, the centre médian/parafascicular thalamic complex and the brainstem pedunculopontin tegmental nucleus. Our results also reveal that single centre médian or parafascicular neurons are able to influence in a multifarious fashion both the cérébral cortex and the striatum. Furthermore, we hâve shown that the corticostriatal projection arising from primary motor cortex is not dedicated solely to the striatum, in contrast to current belief. We found neurons that project to the striatum indirectly through a thin collatéral emitted by a thick long-range axon heading towards the brainstem, a finding that indicates that the primary motor cortex also has an indirect access to the primate striatum providing this structure with a copy of the neuronal information that is being sent to the brainstem and/or spinal cord. Altogether, thèse data indicate that the main components of basai ganglia in primates harbour différent types of projection neurons, each endowed with a highly collateralized axons. In the light of thèse findings, the basai ganglia can now be viewed as a widely distributed neuronal network, whose éléments are endowed with a highly patterned set of axon collaterals. The understanding of this finely tuned network is a prerequisite for the development of new therapeutic avenues for the treatment of basai ganglia disorders, such as Parkinson's disease and Huntington's chorea.

Les primates représentent un modèle animal idéal pour étudier la stéroïdogénèse puisqu'ils sécrètent, comme les humains, de grandes quantités de dehydroepiandrosterone (DHEA) et de DHEA-sulfate (DHEA-S). La transformation de DHEA et de DHEA-S en androgènes et estrogènes actifs dans les tissus périphériques cibles dépend du niveau de l'expression des diverses enzymes stéroïdogéniques dans chaque type de cellules. Afin de mieux comprendre la formation et l'inactivation périphériques des androgènes et des estrogènes chez le singe, nous avons isolé chez le singe Macaca fascicularis, les orthologues des enzymes humaines par PCR, en utilisant des oligonucléotides dégénérés. Nous avons étudié d'une façon quantitative, la distribution de l'ARN messager des enzymes principales de biosynthèse et de métabolisme pour les stéroïdes chez le singe de cynomolgus, avec la méthode de PCR en temps réel. Finalement, nous avons caractérisé l'activité enzymatique des enzymes clés chez le singe de cynomolgus, soit la 311-HSD, la 1713-HSD du type 12 et les membres de la famille d'AKR 1C (la 3a-HSD, le type 5 1713- HSD et la 20a-HSD). Notre étude montre qu'il existe une forme unique de 3P-HSD chez le Macaca fascicularis, tandis que chez l'humain 2 isoformes sont présents de façon spécifique au tissu. La quantification des niveaux d'expression de l'ARNm a montré que l'enzyme est fortement présent dans les tissus stéroïdogénique classiques et plusieurs tissus périphériques. Aussi, les résultats suggèrent qu'une défecience en 313-11SD, en plus de l'hyperplasie congénitale surrénalienne, des maladies secondaires liées à une insuffisance de métabolisme stéroïde dans les tissus périphériques tels que la peau, les glandes mammaires, la prostate, et le cerveau. Un fragment de la région codante cADN de la 17(3-HSD du type 12 a été isolé par RT-PCR dans l'ARNm de foie de Macaca fascicularis. En utilisant les cellules HEK-293 qui expriment la 1713-HSD type 12 de Macaca fascicularis par transfection stable, nous avons montré que l'enzyme catalyse efficacement et sélectivement la transformation d'El en E2. En plus, l'ARNm de la 17[3-HSD12 de Macaca fascicularis est exprimé de façon ubiquiste, avec les niveaux les plus élevés trouvés dans le cervelet, le rate, et la surrénale. Ces résultats suggèrent fortement que cette enzyme est impliqué dans la biosynthèse de l'estradiol à la suite de l'étape de la transformation de 4-androstène-3,17-dione en estrone par l'aromatase. En utilisant des amorces spécifiques, nous avons isolé les fragments d'ADN complémentaire encodant les membres de famille d'aldo-keto réductases (AKR1C) chez le singe Macaca fascicularis, soit la 3a-HSD, le type 5 17S-HSD et la 20a-HSD. L'identité de chaque clone a été déterminée par la caractérisation de l'activité de l'enzyme exprimée par transfection stable dans les cellules HEK-293. La comparaison des caractéristiques enzymatiques de la famille AKR1C de Macaca fascicularis avec celles des orthologues d'humain et de souris montre différentes spécificités de substrat entre les espèces. La quantification des niveaux d'expression l'ARNm de la famille AKR1C de Macaca fascicularis montre que 1) la 3a-HSD est spécifique pour le foie, 2) le type 5 170-HSD est principalement trouvé dans le rein et le foie, et 3) 20a-HSD est très fortement exprimée dans le rein, l'estomac et le foie. L'expression des enzymes est en accord avec les fonctions de ces enzymes. / Human and some other primates are unique in having adrenals that secrete large amounts of dehydroepiandrosterone (DHEA) and its sulfated derivative DHEA-sulfate (DHEA-S). The transformation of DHEA and DHEA-S into active androgens and /or estrogens in peripheral target tissues depends on the expression of the various steroidogenic and metabolizing enzymes in each cell type. Since monkeys produce high levels of circulating DHEA and DHEA-S like humans, they represent an ideal animal model for studying steroidogenesis in humans. To gain more knowledge about the peripheral formation and inactivation of androgens and estrogens in the monkey, we isolated the cynomolgus monkey (Macaca fascicularis) orthologs of human enzymes by PCR-based cloning using degenerate oligonucleotides. Each clone was verified by automated dideoxynucleotide DNA sequencing. We also examined quantitatively the distribution of mRNAs of key steroidogenic and steroid metabolizing enzymes in the Macaca fascicularis using RealTime PCR. Furthermore, we characterized the enzymatic activity of the key enzymes, namely 313-HSD, type 12 1713-11SD and the members of the AKR IC family, namely 3a-HSD, type 5 1711-HSD and 20a-HSD. A unique isoform of Macaca fascicularis 315-HSD has been isolated by RT-PCR. Phylogenetic analysis suggests that Macaca fascicularis 313-HSD is the ortholog of human type 2 313-HSD. In addition, this enzyme shows a similar affinity to both 3H-Preg and 3H-DHEA. The quantification of mRNA expression levels showed that the enzyme is widely presented in classic steroidogenic tissues and several peripheral tissues. Thus the results suggest that deficiencies in 313-HSD enzyme would cause, in addition to congenital adrenal hyperplasia, secondary diseases related to a deficiency of steroid metabolism in the peripheral tissues such as skin, mammary glands, prostate, and brain. A fragment of the encoding region of type 12 1713-HSD cDNA was isolated by RT-PCR in Macaca fascicularis liver mRNA. Using HEK-293 cells which stably express Macaca fascicularis type 12 1715-HSD, we found that the enzyme catalyzes efficiently and selectively the transformation of El into E2. In addition, Macaca fascicularis 1713- HSDI2 mRNA is broadly expressed in all tissues examined, with the highest levels found in the cerebellum, spleen, and adrenal. These results strongly suggested that this enzyme act as a partner of aromatase in the formation of active estrogen in various tissues. Using isoform-specific primers, the cDNA fragments of Macaca fascicularis AKRIC family members, namely 3a-HSD, type 5 170-HSD and 20a-HSD, have been isolated. The identity of each clone was determined by substrate specificities using HEK-293 cells stably expressing the enzymes. Comparison of the enzymatic characteristics of Macaca fascicularis AKRIC family with human and mouse orthologs shows different substrate specificities between species. Quantification of mRNA expression levels of Macaca fascicularis AKRIC family shows that 1) the 3a-HSD is liver specific, 2) the type 5 170- IISD is mainly found in the kidney and liver, and 3) 20a-HSD is very highly expressed in the kidney, stomach and liver. Such tissue-specific expression patterns are in agreement with the metabolism function of the enzymes.