Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / L’élucidation de la position qu’occupent les projections sérotoninergique (5-HT), cholinergique (ACh) et dopaminergique (DA) du tronc cérébral dans l’organisation anatomofonctionelle du globus pallidus externe (GPe) et interne (GPi) au sein des ganglions de la base chez le primate est primordiale à la compréhension de ce système neuronal hautement complexe impliqué dans le contrôle du comportement moteur. Les travaux de recherche consolidés dans la présente thèse rapportent les résultats principalement obtenus chez le singe écureuil (Saimiri sciureus) à l’aide de marquages immunohistochimiques et de quantifications stéréologiques servant à évaluer la distribution régionale et les caractéristiques ultrastructurales des varicosités axonales 5-HT, ACh et DA observées dans le pallidum. Nos données ont permis l’éloboration d’un nouveau modèle du neurone pallidal en tenant compte de la hiérarchie et des caractéristiques neurochimiques de ses entrées synaptiques. Ainsi, l’analyse quantitative en microscopie optique révèle que le GPe et le GPi reçoivent des innervations 5-HT, ACh et DA de densités variables et distribuées de façon hétérogène. Plus particulièrement, le GPe est innervé par 600 000 varicosités 5-HT/mm3 de tissu, 500 000 varicosités ACh/mm3 et 170 000 varicosités DA/mm3. En revanche, le GPi reçoit 600 000 varicosités 5-HT/mm3, 250 000 varicosités ACh/mm3 et 190 000 varicosités DA/mm3. De plus, la 5-HT, l’ACh et la DA ciblent préférentiellement les secteurs correspondant aux territoires fonctionnels associatifs et limbiques du pallidum, suggérant un rôle de ces projections dans la planification du comportement moteur ainsi que dans la régulation de l’attention et de l’humeur. Nos analyses en microscopie électronique révèlent que très peu de ces varicosités axonales établissent un contact synaptique, puisque plus de 70% des varicosités 5-HT, ACh et DA sont complètement dépouvues de jonction synaptique. Ainsi, bien que la 5-HT, l’ACh et la DA seraient en mesure de moduler directement les neurones pallidaux grâce à la transmission synaptique, leur plus grande influence s’opérerait par la transmission volumique, permettant d’influencer à la fois les neurones pallidaux et leurs afférences, principalement du striatum et noyau subthalamique. L’ensemble de ces résultats indique que les projections 5-HT, ACh et DA du tronc cérébral agissent de concert avec les afférences plus robustes en provenance du striatum et du noyau subthalamique. Ces nouvelles données neuroanatomiques positionnent le tronc cérébral en tant qu’acteur important dans l’organisation anatomique et fonctionnelle du pallidum 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, tel que la maladie de Parkinson. / A better understanding of the place that the brainstem serotoninergic (5-HT), cholinergic (ACh) and dopaminergic (DA) projections occupy in the anatomical and functional organization of the primate external (GPe) and internal (GPi) globus pallidus within the basal ganglia is primordial to enhance our comprehension of this complex neuronal system involved in the control of motor behaviors. The present thesis reports novel neuroanatomical findings gathered in the squirrel monkey (Saimiri sciureus) using immunohistochemical labelings and the stereological quantification approach to determine the distribution and ultrastructural features of the 5-HT, ACh and DA axon varicosities observed in the monkey pallidum. Our findings have led to the elaboration of a new model of the pallidal neuron based on a precise knowledge of the hierarchy and neurochemical features of its various synaptic inputs. Quantitative analyses at the light microscopic level reveal that the GPe and GPi receive heterogeneously distributed 5-HT, ACh and DA innervations in variable densities. More precisely, the GPe is innervated by 600,000 5-HT varicosities/mm3 of tissue, 500,000 ACh varicosities/mm3 and 170,000 DA varicosities/mm3. In contrast, the GPi receives 600,000 5-HT varicosities/mm3, 250,000 ACh varicosities/mm3 and 190,000 DA varicosities/mm3. Furthermore, the 5-HT, ACh and DA innervations preferentially target sectors corresponding to the associative and limbic pallidal functional territories, suggesting that these brainstem inputs are involved in the planification of motor behavior, more than in its execution, and in the regulation of attention and mood. Electron microscopic analyses reveal that very few of these axon varicosities establish genuine synaptic contacts, since more than 70% of these axon varicosities are devoid of any synaptic junction. Hence, even though the 5-HT, ACh and DA innervations can directly modulate pallidal neurons through synaptic delivery, the vast majority use volume transmission to influence both pallidal neurons and their major afferents from the striatum and the subthalamic nucleus. Altogether, these results indicate that the 5-HT, ACh and DA projections act in concert with the more robust striatopallidal and subthalamopallidal inputs. Our novel neuroanatomical data suggest that these brainstem projections are ideally positioned to act as major modulators of the primate globus pallidus. The understanding of the relation between the brainstem and the basal ganglia is a prerequisite for the development of new therapeutics avenues for the treatment of neurodegenerative disorders involving the basal ganglia network, such as Parkinson’s disease.

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.