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.

Dans la maladie de Parkinson, un déficit d'activité électrique serait impliqué dans le processus de dégénérescence des neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire. Or des structures non-DA, en particulier les neurones cholinergiques du noyau pédonculopontin (PPN) et orexinergiques de l'hypothalamus, sont affectés dans la pathologie. Ces neurones étant la source d'une innervation excitatrice pour les neurones DA, un déficit de ces inputs chez les patients pourrait jouer un rôle clé dans la progression de la perte DA. Le premier but de ce projet était d'évaluer l'impact d'une lésion des neurones cholinergiques du PPN sur la survie des neurones DA nigraux de rats et de macaques sains et parkinsoniens. Nous avons montré que 1) une déafférentation cholinergique induit une atrophie neuronale voire une dégénérescence DA, 2) une lésion DA induit une perte de neurones cholinergiques du PPN, et 3) combiner une lésion cholinergique du PPN à une lésion DA induit une exacerbation des pertes neuronales dans les deux systèmes. Enfin, le taux de dégénérescence DA est corrélé à l'intensité de la perte des neurones cholinergiques. Nos résultats confirment que le PPN joue un rôle clé dans la physiopathologie de la maladie de Parkinson et démontrent la forte interrelation existant entre ces deux systèmes. Concernant le système orexinergique, nous montrons que les fibres sont en position de moduler l'activité des neurones DA, mais qu'une lésion sélective du système DA chez le macaque n'est pas suffisante pour induire la mort des neurones à orexine. Ces résultats suggèrent que l'atteinte du système orexinergique chez des patients parkinsoniens pourrait résulter de lésions non-DA. / In Parkinson’s disease, there is evidence that dopaminergic (DA) neurons of the substantia nigra degenerate when they become electrically less active. Many non-DA structures including cholinergic neurons of the pedunculopontine nucleus (PPN) and orexinergic neurons of the hypothalamus, are also degenerating. Since these non-DA neurons are sources of excitatory inputs to the nigral DA neurons, their lesion in parkinsonian patients might play a key role in the progression of DA neuronal death. The first goal of this study was to evaluate the effect of a cholinergic PPN lesion on the survival of nigral DA neurons in healthy and parkinsonian rats and macaques. We found that 1) a PPN cholinergic lesion induced neuronal atrophy and death; 2) a DA lesion alone resulted in a loss of PPN cholinergic neurons; and 3) adding a PPN cholinergic lesion to a DA lesion in rats when the process of DA degeneration was in progress exacerbated neuronal losses in both systems. Last, the rate of DA degeneration was highly correlated to the level of cholinergic loss. Our results highlight the key role of the PPN in the physiopathology of Parkinson’s disease and clearly demonstrate strong reciprocal interactions with nigral DA neurons. The second aim of our study was to focus on the hypothalamic orexinergic system using a morphological approach in macaques. We show that orexinergic fibers are in position to modulate DA neurons activity. However, a relatively selective DA lesion in macaques was not sufficient to induce death of the orexinergic neurons. These data suggest that the loss of orexinergic neurons observed in parkinsonian patients likely results from non-DA lesions.

Les troubles de la marche constituent chez la personne âgée un problème de santé publique. Dans l'hypothèse d'un continuum vieillissement normal/maladie de Parkinson, cette dernière pourrait se révéler un bon modèle d'étude des mécanismes physiopathologiques sous-jacents aux troubles de la marche. Leur réponse à la lévodopa et à la stimulation du noyau subthalamique, souvent hétérogène, reflète l'existence d'un système de contrôle multiniveaux. En particulier, le système cholinergique dévoile de plus en plus son importance dansla survenue des troubles de la marche lévodopa-résistants. En témoigne, l'existence d'un lien entre syndrome dysexécutif et freezing de la marche lévodopa-résistant. De plus, la préservation des fonctions exécutives chez certains patients en appelle à l'existence d'autres mécanismes pouvant impliquer notamment la région du noyau pédonculopontin. Nous rapportons un effet net de sa stimulation sur le freezing et les chutes reliées au freezing chez certains patients. Les résultats apparaissent toutefois décevants au vu de l'enthousiasme des premières études et nécessitent de déterminer si l'optimisation de la sélection des patients, le ciblage et le réglage des paramètres de stimulation pourraient améliorer les résultats au point de transformer ces études de recherche clinique en un traitement présentant un rapport bénéfice-risque favorable.

Savoir apprendre de ses actions est crucial pour la survie de l'individu. Apprenons-nous différemment selon que nos actions sont récompensées ou punies? Le cerveau intègre-t-il de la même façon les différentes dimensions du choix, tels que les récompenses, les punitions et l'effort physique? Ces dimensions de choix sont-elles représentées par le même circuit neural? Quelle est l'influence de la dopamine sur différents types d'apprentissage (A)?La théorie d'A par renforcement postule que l'A s'effectue par la minimisation de la différence entre les prédictions (des représentations internes du résultat attendu) et le réel résultat des choix. On a étudié l'activité cérébrale liée à ces variables internes dans différents types d'A et comment elles sont altérées par des manipulations pharmacologiques ou par la stimulation cérébrale profonde.Dans l'étude 1, on a observé une puissance spectrale (10-20Hz) élevée dans le noyau pédonculopontin (NP) de patients parkinsoniens suite à la récompense. La stimulation du NP améliore l'A par la récompense, mais pas par la punition. Le NP pourrait contribuer à la représentation de la récompense via une interaction avec les neurones dopaminergiques mésolimbiques impliqués dans la computation de l'erreur de prédiction.Dans les études 2 et 3, on a comparé l'A par la récompense et par l'effort. Les résultats d'IRMf montrent des circuits neuraux partiellement dissociables pour ces deux types d'A. La dopamine, connue pour ces effets bénéfiques sur l'A par la récompense, n'a pas d'effet sur l'A par l'effort.Ce travail permet de généraliser l'algorithme d'A à plusieurs dimensions du choix ainsi que son implémentation dans des circuits spécialisés. / Learning from actions is a key ability for survival. But do we learn differently depending on whether the action outcome is positive or negative? Did the brain integrate different choice dimensions such as rewards, punishments or physical efforts in the same way? Do they all rely on the same neural circuit? Does dopamine influence both learning from rewards and efforts? Reinforcement learning theory postulates that learning follows stepwise minimization of the difference between prediction (e.g. internal representation of expected outcome) and actual outcome. We investigated how brain activity relates to these internal variables in different types of learning and how these representations are altered by pharmacological manipulation and deep brain stimulation.In study 1, we found an increase in power in beta band (10-20Hz) in response to reward in the peduncolopontine nucleus (PPN) of patients with Parkinson’s disease. Stimulation of the PPN specifically improved learning from rewards but not from punishments. This brainstem structure might contribute to the reward-related representations in the midbrain dopamine neurons that are known for their computations of reward prediction errors.In the studies 2 and 3, we compared learning to maximize reward with learning to minimize effort. FMRI results suggest that reward and effort related computations are carried by partially dissociable neural networks. Moreover, dopamine, a neuromodulator known to enhance reward maximization did not influence learning to minimize efforts.Overall, this PhD helps generalizing learning algorithms across different choice dimensions and specifying their implementation in different neural networks.

Les études neurophysiologiques de la locomotion ont été en très grande majorité conduites chez l’animal. Elles ont permis de mettre en évidence une région locomotrice dans le mésencéphale, dans laquelle le noyau pédonculopontin (NPP) joue un rôle prépondérant. Des troubles de la marche et de l’équilibre dans la maladie de Parkinson sont en lien avec la perte de neurones cholinergiques dans le NPP, mais également avec la dysfonction dopaminergique dans les ganglions de la base. L’activité du noyau subthalamique (NST) est impactée par la perte dopaminergique. Recevant de nombreuses afférences corticales et ayant une connectivité réciproque forte avec le PPN, la connectivité du NST suggère son importance pour le contrôle locomoteur. Néanmoins, il existe peu de données sur le rôle du NST et du NPP dans le contrôle de la marche et de l’équilibre chez l’Homme. Ce manuscrit regroupe des enregistrements électrophysiologiques du NST pendant l’initiation de la marche, une étude de l’effet de la fréquence de la stimulation cérébrale profonde du NST sur l’initiation de la marche en contexte de charge cognitive, une étude par immunohistochimie de la région du NPP chez l’Homme, et des données préliminaires d’activité électrophysiologique du NPP pendant une tâche de marche imaginaire et l’initiation de la marche. Ensemble, ces données participent à une meilleure compréhension des bases anatomo-fonctionnelles du contrôle de la marche et de l’équilibre chez l’Homme. De plus, la mise en évidence de marqueurs électrophysiologiques des troubles de la marche et de l’équilibre laisse à penser que la prise en charge de ces troubles est possible par stimulation cérébrale profonde. / Neurophysiological studies of locomotion have been in majority driven on animal models. These approaches led to the identification of a mesencephalic locomotor region in which the pedonculopontin nucleus (PPN) plays a preponderant role. Gait and posture disabilities in Parkinson’s disease were linked with a loss of cholinergic neurons in the PPN as well as a dopaminergic dysfunction in the basal ganglia. The activity in the subthalamic nucleus (STN) is impacted by the dopaminergic loss. The STN receives numerous cortical inputs and is reciprocally connected with the PPN, suggesting an important role of the STN in the locomotor control. However, few data exist on the role of the STN and the PPN in gait and balance control in humans. This manuscript regroups electrophysiological recordings of the STN during gait initiation, a study of the effect of deep brain stimulation frequency of gait initiation in the context of cognitive load, an immunochemistry study of the region of the PPN in human, and preliminary results of the electrophysiological activity of the PPN during virtual gait and real gait initiation. Together, these data participate to a better understanding of the anatomo-functional basis of the gait and balance control in human. Moreover, the identification of electrophysiological markers of gait and balance dysfunction suggest that a deep brain stimulation may be relevant for their alleviation.

Les troubles du contrôle postural (TCP) sont une cause majeure d’invalidité dans la maladie de Parkinson (MP) au stade évolué et sont fréquemment associés aux RBD (REM sleep behavior disorders). Les substrats anatomiques des TCP sont mal connus. Ils reposent en partie sur des lésions de la région locomotrice mésencéphalique (noyau pédonculopontin-PPN et noyau cunéiforme), également impliquée dans le contrôle du sommeil/vigilance et oculomoteur. Les saccades oculaires sont un modèle de contrôle moteur dont la quantification est robuste et les réseaux largement élucidés. Dans la MP au stade évolué, il existe une altération des saccades volitionnelles qui pourrait être associée aux TCP. Des dysfonctions des sous-réseaux du PPN pourraient participer à la survenue des TCP, du sommeil/vigilance et oculomoteurs.Notre objectif est de préciser les corrélats physiologiques et anatomo-fonctionnels des TCP, et le substrat de l’association clinique entre TCP et RBD dans la MP. Nous confrontons l’étude de l’initiation du pas (ajustements posturaux anticipatoires-APA) et d’autres tests de marche-équilibre à l’étude des saccades, et analysons les réseaux locomoteurs, de vigilance et oculomoteurs du PPN en IRM fonctionnelle. Nous montrons pour la première fois que les patients avec instabilité posturale ont un allongement de la latence des antisaccades et de la durée des APA, inter-corrélés. La durée des APA est corrélée aux anomalies de connectivité fonctionnelle entre le PPN et la SMA/préSMA. La présence de RBD est sous-tendue par des anomalies du réseau PPN-cortex cingulaire antérieur. L’allongement de la latence des antisaccades est associé à une désorganisation du réseau PPN-FEF. / Postural control (PC) impairment is a major cause of disability in Parkinson’s Disease (PD) and is frequently associated with RBD (REM-sleep behavior disorders-RBD). The networks underlying PC impairment in PD are not well known. They include lesions of the mesencephalic locomotor region (pedunculopontine nucleus-PPN, and cuneiform nucleus), which is also involved in the control of sleep/vigilance. Saccades are a model of motor control, their quantification is reliable and their networks have been largely elucidated. PD patients at evolved stages have predominant volitional saccades alterations which could be associated with some aspects of postural control disorders. Dysfunctions of specific PPN networks could be involved in PC impairment, sleep/vigilance and oculomotor disorders. Our goal is to specify the neurophysiological and anatomo-functional correlates of postural control impairment and to specify the substrates underlying the co-occurrence of postural control disorders and RBD in PD. We confront the study of gait initiation (anticipatory postural adjustments-APA) with the antisaccades paradigm, and we analyze the PPN functional locomotor, vigilance and oculomotor networks. We show for the first time that PD patients with postural instability have prolonged antisaccades latencies and APA duration, and that these disorders are intercorrelated. APA duration is correlated with PPN-SMA/préSMA functional connectivity abnormalities, the presence of RBD is associated with disruptions in the PPN-anterior cingular cortex network and prolonged antisaccade latencies are possibly underlined by PPN-FEF functional disorganization.

De nombreux patients parkinsoniens souffrent de troubles du sommeil, et à un stade avancé de troubles de la marche dopa-résistants. Des résultats expérimentaux et cliniques orientent vers un dysfonctionnement de la région locomotrice mésencéphalique (MLR) formée des noyaux pédonculopontin (PPN) et cunéiforme (CuN). La stimulation cérébrale profonde du PPN chez les patients parkinsoniens ayant des troubles de la marche modifiant aussi l'architecture du sommeil, un dysfonctionnement de ce noyau pourrait expliquer en partie ces symptômes. Afin d'étudier l'anatomie et le rôle du PPN et du CuN à l'état normal et à l'état parkinsonien, ce projet a associé une étude comportementale et anatomique de la MLR. Axe comportemental. Nous avons analysé les troubles du sommeil dans un modèle primate de maladie de Parkinson avancée, puis l'effet du traitement dopaminergique et de la mélatonine, et d'une lésion cholinergique du PPN surajoutée. Les troubles du sommeil sont similaires à ceux observés chez les patients, et améliorés par la L-dopa et la mélatonine. La lésion du PPN aggrave les troubles du sommeil en aigu, puis améliore la qualité du sommeil à distance. Axe anatomique. Nous avons défini l'hodologie du PPN et du CuN chez le singe et l'homme en fonction des trois territoires anatomo-fonctionnels des ganglions de la base. Le PPN intègre des informations très diverses (sensori-motrices, associatives et limbiques), le CuN est impliqué dans un réseau limbique. L'innervation cholinergique du PPN sur le NST a été caractérisée en microscopie optique et électronique chez le singe et l'homme, afin de préciser leur implication dans les effets cliniques de la stimulation du NST. / Parkinsonian patients suffer from disabling sleep disorders, and at an advanced stage gait disorders become resistant to dopaminergic treatment. Evidence from experimental and clinical studies consider the implication of the mesencephalic locomotor region (MLR), associating the pedunculopontine (PPN) and the cuneiform nuclei (CuN). Deep brain stimulation in this regionto treat doparesistant gait disorders in parkinsonian patients, was shown to improve sleep parameters. Dysfunction of this network could explain part of the pathophysiology of these symptoms. In order to have an anatomo-functional study of the PPN and the CuN at normal and parkinsonian state, this project has associated a behavioral axis in monkeys and an anatomic axis in monkeys and humans. Behavioral study. Sleep disorders have been analyzed in an advanced Parkinson disease primate model. These symptoms were improved with dopaminergic treatment and melatonin.After a cholinergic PPN lesion, there was an acute worsening of the symptoms, which improved three weeks after. Anatomic study. We analyzed the connections between the PPN and the CuN relating to the three anatomo-functional territories of the basal ganglia in monkeys and humans. The PPN integrated information from the three territories (sensori-motor, associative and limbic), compared to the CuN which connected to limbic territories. We then studied the subthalamic cholinergic innervation from the PPN at optic and ultra-structural level in monkeys and humans, comparing it with the dopaminergic innervation. Our results showed a homogeneous cholinergic innervation of the subthalamic nucleus (STN) compared to the heterogeneous dopaminergic innervation.