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.

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.

Environ 500 000 enfants au Canada souffrent de maladies génétiques rares. Chacune de ces pathologies causant divers problèmes de santé et touchant un nombre restreint d'individus, nos connaissances des mécanismes sous-jacents et des possibles approches thérapeutiques sont ainsi limitées. Néanmoins, les progrès actuels des technologies de séquençage de l'ADN permettent désormais de découvrir efficacement de nouveaux gènes impliqués dans les maladies neuronales. Grâce à cette approche, le gène de la Tenascin R (TNR) a récemment été identifié comme étant à l'origine d'une maladie neurologique rare. Jusqu'ici, il a été montré chez un enfant souffrant de troubles du développement neurologique que des mutations de la TNR sont associées à une ataxie cérébelleuse et un retard de développement global. TNR est une glycoprotéine de la matrice extracellulaire exclusivement exprimée dans le système nerveux central. Elle participe à la régulation de l'extension et la régénération de l'axone, mais également à la synaptogenèse, la croissance et la migration neuronales. Néanmoins, nos connaissances du rôle de la TNR dans les processus neurodéveloppementaux se basent sur des travaux réalisés chez des rongeurs, et la fonction de cette protéine au cours du développement du cerveau humain demeure inconnue. L'objectif de mon projet de recherche est d'investiguer le profil développemental de cellules progénitrices neuronales humaines (NPCs) issues du patient mentionné ci-dessus, et de déterminer si les anomalies observées au sein du cerveau humain présentant une mutation de TNR sont liées à une altération de la migration, maturation ou encore intégration fonctionnelle des neurones. Grâce à ces travaux, il sera possible d'acquérir des informations importantes sur la fonction de la TNR dans la migration et la maturation des neurones humains. Ce programme de recherche approfondira également notre compréhension des mécanismes fondamentaux régulant le développement neuronal des NPCs issues de patients, ceci étant essentiel à la conception de stratégies thérapeutiques ainsi qu'à la validation de médicaments. / Approximately 500,000 children in Canada are affected by rare genetic disorders. Each specific disorder causes several health problems and affects a small number of individuals, therefore our knowledge about mechanisms underlying the disease and possible therapeutic interventions are strongly limited. However, the progress in DNA sequencing technologies now provides an effective way to discover new genes involved in neuronal diseases. Using this innovative approach, Tenascin R (TNR) gene has been recently identified as novel rare neurological disease-causing gene. So far, it has been showed, in a child affected by neurodevelopmental disorder, that mutations in TNR correlate with cerebellar ataxia and global development delay. TNR is a member of extracellular matrix glycoproteins and is exclusively expressed in the central nervous system. TNR contributes to the regulation of axon extension and regeneration, but also to synaptogenesis, neuronal growth and migration. However, our knowledge about the role of TNR in different neurodevelopmental processes is based on experimental work performed in rodents, and the function of this protein in human brain development remains unknown. The aim of this research project is to study the developmental profile of human neuronal progenitor cells (NPCs) derived from the above-mentioned patient and control subjects and to determine whether abnormalities observed in the human brain with TNR mutation are linked to affected neuronal migration, maturation or functional integration. This work will provide crucial information on TNR function during migration and maturation of human neurons. This research project will also deepen our understanding of fundamental mechanisms regulating neuronal development of patient-derived NPCs which will be crucial for designing treatment strategies and drug testing/validation.

Les neurones dopaminergiques mésodiencephaliques jouent un rôle central dans la régulation d'un large éventail de fonctions cérébrales allant des mouvements volontaires aux comportements associés. Ces fonctions sont régulées par des sous-types distincts de neurones dopaminergiques situés à la base du cerveau soit l'air tegmentaire ventrale et la substance noire compacte. Ces neurones innervent différentes régions du cerveau en formant les voies nigrostriatales, mésolimbiques et mésocorticales. Les mécanismes moléculaires qui régissent la formation de voies dopaminergiques dans le cerveau sont en grande partie inconnus. L'autophagie est la principale voie de renouvellement cytoplasmatique et s'est révélée importante pour le développement du système nerveux. Nous montrons ici que les protéines nécessaires à l'autophagie sont présentes dans les cônes de croissance des neurones dopaminergiques et qu'elles sont régulées temporellement pendant leur développement. En outre, le niveau d'autophagie change de façon dynamique dans les neurones dopaminergiques en réponse à des signaux de guidage chimio-répulsifs et chimio-attractifs. Pour caractériser le rôle de l'autophagie dans la croissance / guidage des axones dopaminergiques, nous avons utilisé la méthode d'édition du génome CRISPR-Cas9 ainsi qu'une souris knock-out conditionnelle (cKO) pour les gènes essentiels de l'autophagie (Atg12, Atg5) spécifiquement dans les neurones dopaminergiques. Les axones ATG5 cKO présentent des renflements axonaux et une diminution du nombre de ramifications in vitro et in vivo, probablement en raison de la formation de boucles de microtubules aberrantes. De manière frappante, la suppression de gènes liés à l'autophagie a complètement bloqué la réponse des neurones dopaminergiques aux signaux de guidage chimio-répulsifs et chimio-attractifs. Nos données démontrent que l'autophagie joue un rôle central dans la régulation du développement des neurones dopaminergiques et dans l'amélioration de notre compréhension des processus physiologiques régissant la croissance et le guidage axonal. / Mesodiencephalic dopamine neurons play a central role in the regulation of a wide range of brain functions ranging from voluntary movement to reward associated behaviours. These functions are regulated by distinct subtypes of dopamine neurons located in the ventral midbrain substantia nigra pars compacta and ventral tegmental area that project to different brain regions by forming the nigrostriatal, mesolimbic, and mesocortical pathways. The molecular mechanisms that drive the midbrain dopaminergic trajectory formation are largely unknown. Autophagy is the major cytoplasmatic turnover pathway and has been shown to be important to neural system development. Here we show that autophagy machinery is present in the growth cones of dopaminergic neurons and is temporally regulated during their growth and guidance. Furthermore, autophagy level changes dynamically in dopaminergic neurons in response to both chemo-repulsive and chemo-attractive guidance cues. To characterize the role of autophagy in dopaminergic axon growth/guidance, we used CRISPR-Cas9 gene editing as well as a conditional knock-out mice (cKO) for the essential autophagy genes (Atg12, Atg5) deleted in dopaminergic neurons. ATG5 cKO axons exhibit axonal swellings and decreased branching in vitro and in vivo, likely due to aberrant microtubule looping. Strikingly, deletion of autophagy-related genes blunted completely the response of dopaminergic neurons to chemo-repulsive and chemo-attractive guidance cues. Our data demonstrate that autophagy plays a central role to tightly regulate dopaminergic neurons development and improve our understanding about basic physiological processes orchestrating axonal growth and guidance.

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

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

Les neurones dopaminergiques (DA) du mésencéphale sont la principale source de dopamine dans le cerveau. Les neurones moyens épineux (MSN) du striatum reçoivent la majorité de la dopamine. Cette dopamine se lie à des récepteurs DAergiques qui existent principalement sous deux formes : ceux de type D1 (DrD1) ou de type D2 (DrD2). En se liant à DrD1 ou DrD2, la dopamine exerce des effets opposés, respectivement excitateurs ou inhibiteurs. De précédentes études de traçage neuronal ont fait état d'une innervation différentielle à travers le cerveau des MSN du striatum dorsal (DSt) pour l'un et l'autre type de récepteur DA. Nous **prévoyons** que les MSN du noyau accumbens (NAc) du striatum ventral (VSt) ont également une innervation différentielle pour chaque type de récepteur DA. Par ailleurs, les neurones DA du mésencéphale ne sont pas homogènes et possèdent des profils génétiques et projections axonales distincts. L'identification de nouveaux sous-types de neurones DA nous mène à émettre **l'hypothèse** que certains d'entre eux cibleraient spécifiquement les MSN DrD1+ ou DrD2+. Nous avons développé une **approche** de marquage neuronal utilisant des vecteurs viraux trans-synaptiques afin de visualiser les sous-circuits ciblant les récepteurs DA du NAc. Pour marquer les neurones ciblant DrD1 ou DrD2, nous utilisons des souris transgéniques qui expriment les recombinases Cre et Flippase (Flp) dans les neurones DrD1 et DrD2 respectivement. À l'aide d'AAV dépendants de Cre ou de Flip, nous forçons l'entrée d'un second vecteur viral rabique (RabV) exprimant des protéines fluorescentes. Cette approche nous permet de marquer sélectivement les neurones établissant des synapses avec les MSN du NAc exprimant DrD1 ou DrD2. Afin de caractériser les sous-types de neurones DA ciblant les MSN DrD1+ ou DrD2+, nous utilisons des techniques de marquage immunohistochimique spécifiques aux différents sous-types de neurones DA. Nos résultats suggèrent qu'il existe des régions du cerveau ciblant de manière préférentielle les MSN exprimant DrD1 ou DrD2 dans le NAc. D'autre part nous nous sommes retrouvés confrontés à une toxicité accrue des neurones DA du mésencéphale marqués par le vecteur RabV. Cette toxicité de RabV a grandement altéré l'identification de sous-types DA marqués et ne nous permet pas de tirer de conclusions satisfaisantes En **conclusion**, la réalisation de ce projet sert de base à l'établissement d'une cartographie des sous-circuits dopaminergiques du NAc. Notre modèle pourrait être appliqué à des études fonctionnelles et à d'autres régions cérébrales afin de mieux caractériser des sous-circuits du cerveau qui demeurent encore inconnus. / The midbrain dopaminergic (DA) neurons are the main source of dopamine in the brain. The medium spiny neurons (MSNs) of the striatum receive most of the dopamine. This dopamine binds to DA receptors, which mainly exist in two forms: type D1 (DrD1) and type D2 (DrD2). By binding to DrD1 or DrD2, dopamine exerts opposite effects, respectively, excitatory, or inhibitory. Previous neuronal tracing studies have reported differential innervation across the brain of dorsal striatum (DSt) for each type of MSN DA receptor. We **hypothesize** that the MSNs of the nucleus accumbens (NAc) in the ventral striatum (VSt) also have a differential innervation for each type of DA receptor. Moreover, midbrain DA neurons are not homogeneous and have distinct genetic profiles and axonal projections. The identification of new DA neuron subtypes leads us to **hypothesize** that some of them specifically target DrD1+ or DrD2+ MSNs. We have developed a neuronal tracing **approach** using trans-synaptic viral vectors to visualize the brain sub-circuits targeting specific DA receptors in the NAc. To label the neurons targeting those expressing DrD1 or DrD2, we used transgenic mice whose MSNs express Cre recombinase (DrD1) and Flip recombinase (DrD2). Using Cre- or Flip-dependent AAV vectors, we induce the entry of a rabies (RabV) viral vector expressing fluorescent proteins. This approach allows us to selectively label neurons that form synapses with NAc MSNs expressing DrD1 or DrD2. To characterize the subtypes of DA neurons targeting DrD1+ or DrD2+ MSNs, we use immunohistochemical techniques using antibodies to specifically mark the different subtypes of DA neurons. Our results suggest that there are regions across the brain that preferentially form synapses with MSNs expressing DrD1 or DrD2 in the NAc. On the other hand, we encountered increased toxicity in midbrain DA neurons labeled by the RabV vector. This RabV toxicity significantly impaired the identification of labeled DA subtypes and does not allow us to draw satisfactory conclusions. In **conclusion**, this project serves as a basis for establishing a mapping of the dopaminergic sub-circuits of the NAc. Our model could be applied to functional studies and to other brain regions to better characterize brain sub-circuits that remains unknown.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Les variations de sodium (Na+) extracellulaire sont, chez le rat, détectées par les neurones du noyau préoptique médian (MnPO) grâce à la présence des canaux NaX. Nous voulions tout d’abord étudier les propriétés électriques des neurones senseurs de Na+ du MnPO en réalisant des enregistrements électrophysiologiques. Nous démontrons une augmentation de l’excitabilité des senseurs de Na+ due probablement à une diminution des canaux responsables de l’adaptation de fréquence et une augmentation des canaux responsables de la rectification membranaire dépendante du temps. Comme notre laboratoire a démontré une modulation de l’excitabilité des senseurs de Na+ par le système des enképhalines (ENK) et des récepteurs aux opiacés de type mu (mu-OR) fonctionnels lors d’un déficit sodique aigü, nous voulions démontrer alors un renforcement de cette excitabilité neuronale lors de déplétions sodiques répétées. Nos résultats démontrent que des déplétions sodiques répétées induisent une désensibilisation des neurones senseurs de Na+ et de l’expression des canaux NaX. Toutefois, les senseurs de Na+ montrent une hyperexcitabilité en réponse à trois déficits en Na+ qui semble être modérée par la surexpression fonctionnelle des mu-OR . De ce fait, nous voulions déterminer les régions cérébrales qui libéraient les ENK au MnPO en y injectant un traceur rétrograde fluorescent. Nos données rapportent le noyau parabrachial et le noyau du tractus solitaire comme principales sources ENKergiques au MnPO; le noyau lit de la strie terminale et le noyau paraventriculaire comme sources ENKergiques modérées. Cette relâche d’ENK pourrait initier l’appétit pour le sel en réponse à un déficit sodique. Comme l’appétit pour le sel est un comportement motivé et que certaines études rapportent un renforcement de l’appétit pour le sel appelé sensibilisation au sel, nous voulions alors établir une corrélation entre expression des ENK et/ou des mu-OR dans le circuit de récompense et sensibilisation au sel. Nous montrons que la sensibilisation au sel n’est pas un phénomène universel chez les rats et que celle-ci est corrélée à une diminution de l’expression des mu-OR dans le pallidum ventral (VP). De plus, l’expression des mu-OR dans le VP est un requis essentiel à la mise en place de la sensibilisation au sel. / In rats, extracellular sodium (Na+) variations are detected by neurons in the median preoptic nucleus (MNPO) due to the presence of NaX channels. First, we wanted to determine the electrical properties of MnPO Na+ sensor neurons using electrophysiological recordings. We demonstrate an increase in the excitability of Na+ sensors, probably due to a decrease in ionic channels responsible for spike frequency adaptation and an increase in the ionic channels sustaining time-dependent membrane rectification. Since our laboratory demonstrated a modulation of Na+ sensors excitability by enkephalins (ENK) and mu-opioid receptors (mu-OR) system for an acute sodium deficit, so we wanted to demonstrate an enhancement in this neuronal excitability during repeated sodium depletion. Our results demonstrate that repeated sodium depletion induced desensitization of Na+ sensors and NaX channels expression. However, Na+ sensors show a hyperexcitability in response to three Na+ deficits that appears to be mitigated by the overexpression of functional mu-OR. Then, we wanted to determine the brain regions releasing ENK within the MNPO by injecting a fluorescent retrograde tracer. Our data report the parabrachial nucleus and the nucleus of solitary tract as the main ENK sources to MNPO; the bed nucleus of stria terminalis and the paraventricular nucleus as moderate ENK projections. This ENK release could initiate salt appetite in response to sodium deficit. Since salt appetite is a motivated behavior and some studies reported an enhanced salt appetite named salt sensitization, so we wanted to correlate ENK and/or mu-OR expression in reward circuit and salt sensitization. We show that salt sensitization is not a universal phenomenon in rats and that it is correlated with a decreased mu-OR expression in the ventral pallidum (VP). In addition, mu-OR expression in the VP is a fundamental requisite to the development of salt sensitization.

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La leucomalacie periventriculaire est l’une des causes principales d’infirmité motrice cérébrale chez le nouveau-nés prématurés. Notre hypothèse est qu’une inflammation maternelle sensibilise le cerveau immature à des lésions de la substance blanche (SB) et neuronales excitotoxiques. Afin de la tester, des rates Sprague Dawley ont reçu de LPS d’E.coli à 19 et 20 jours de gestation. Les rates témoins ont reçu des injections de PBS. Les rats nouveau-nés ont reçu d’iboténate à P4 puis sacrifiés à P5 et P9. Dans le groupe LPS vs temoin, nous avons montré une aggravation des lésions de la substance blanche caractérisées par une activation microgliale, hypomyélinisation et astrogliose. Une diminution des neurones GABAergiques et dopaminergiques était associée aux lésions de la SB. Nous avons montré une diminution de la liaison des récepteurs dopaminergiques D1 et D2 aux ligands spécifiques. Le LPS potentialise les effets de l’Ibo en majorant les lésions cérébrales macroscopiques et diffuses. / The periventricular leucomalacia is one of the main causes of cerebral palsy in premature infants. This disorder desease is multifactorial. Our hypothesis is that maternal inflammation sensitizes the immature brain to white matter (WM) and neuronal excitotoxic lesions. To test it, Sprague Dawley rats received LPS E. Coli at 19 and 20 days of gestation. The female control have received injections of PBS. The newborn rats received iboténate at P4 and then sacrificed at P5 and P9. In LPS groups vs control groups, immunohistochemical study showed an aggravation of histological lesions of the WM characterized by microglial activation, a hypomyelinisation and astrogliose. A decrease in GABAergic neurons and dopaminergic neurons were associated with WM lesions. Autoradiographic studies also showed a decrease of dopaminergic receptors D1 and D2 binding specific ligands. In this study, we showed that the LPS potentiates the effects of the Ibo by increasing macroscopic and diffuse brain injury.