Il existe dans le cerveau un regroupement de structures sous-corticales que l’on nomme ganglions de la base (GB) et qui contrôle de nombreuses fonctionnalités psychomotrices. L’apparition de débalancements neurochimiques dans l’une de ces structures est suffisante pour induire des phénotypes pathologiques extrêmement déstabilisants. L’un des syndromes les plus fréquemment rencontrés est la maladie de Parkinson (MP), une affection des GB dont la principale déterminante neuropathophysiologique implique principalement les neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire pars compacta (SNc). La dégénérescence marquée de ces neurones ne peut pourtant pas, à elle seule, expliquer l’ensemble des symptômes dont font montre les patients. L’usage thérapeutique du précurseur de la DA, la L-dopa, ne se montre pas infaillible face aux troubles posturaux caractéristiques de la MP. Récemment, des études anatomiques et électrophysiologiques suggèrent que l’acétylcholine (ACh) pourrait jouer un rôle déterminant dans ce désordre neurologique. Ces travaux mettent l’emphase sur la dégénérescence des neurones ACh du noyau pédonculopontin, une structure du tronc cérébral dont les axones ascendants s’arborisent massivement dans le thalamus, mais aussi dans le noyau sous-thalamique (NST), une composante-clé des GB fortement dérégulée dans la MP. Ces données nous ont orientés vers l’étude de l’innervation ACh du NST en conditions normale et pathologique dans le tissu humain post-mortem. Nous avons eu recours à l’immunohistochimie et à la stéréologie pour obtenir des estimations non-biaisées du nombre de varicosités axonales ACh dans la région d’intérêt. Les résultats obtenus mettent en évidence, et ce pour la première fois, une baisse significative de la neurotransmission ACh dans le NST des sujets MP, une diminution important affectant tous les secteurs du NST. Ces résultats soulignent l’importance de tenir compte de l’impact fonctionnel de l’innervation ACh dans le NST et considérer son implication possible dans les dérèglements de l’activité neuronale du NST qui survient dans la MP. / The basal ganglia (BG) – a set of subcortical structures lying at the basis of the cerebral hemispheres – are known to play a crucial role in the control of psychomotor functions. A single neurochemical imbalance in one of the components of the BG can induce severe motor disabilities that range from hyperkinesia to hypokinesia. One of the most frequently encountered syndromes associated with BG malfunction is Parkinson’s disease (PD). The pathological hallmark of PD, clinically characterized by tremor, bradykinesia and rigidity, is the death of the dopaminergic (DA) neurons of the substantia nigra pars compacta (SNc). However, the marked reduction of the DA neurons does not, by itself, explain the entire symptomatic spectrum experienced by the patients. In fact, the main pharmacological treatment of PD, which is based on the administration of L-dopa, the metabolic precursor of DA, to restore the endogenous DA store, does not alleviate all symptoms of this neurodegenerative disease, postural instabilities being particularly resistant to L-dopa therapy. Recently, numerous anatomical and electrophysiological studies have revealed that acetylcholine (ACh) might also be involved in the pathogenesis of this neurodegenerative disorder. Of particular significance was the report of a loss of the ACh neurons contained in the peduculopontine nucleus, an upper brainstem nucleus that projects massively to the thalamus, but also to the subthalamic nucleus (STN), a key component of the BG that is markedly dysregulated in PD. These findings led us to analyze post-mortem brain tissue collected from normal individuals and PD patients in order to determine quantitatively the strength of the ACh innervation in the STN in normal and pathological conditions. Unbiased estimations of the number of ACh axonal varicosities in the different sectors of the STN were gathered by applying stereological methods to material immunostained for an ACh marker. Our results have provided a first direct evidence for a significant reduction of the ACh neurotransmission in the STN of parkinsonian patients, a decrease that is evident in all regions of the STN. These findings suggest that the ACh input plays an important role in the normal functioning of the STN and that it might even be involved in the induction of the abnormal neuronal activity that characterizes this nucleus in PD.

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.