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.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Titre de l'écran-titre (visionné le 12 juin 2023) / Situé dans le tronc cérébral, le noyau pédonculopontin (PPN) suscite présentement un grand intérêt puisqu'il constitue une cible thérapeutique afin de traiter, par stimulation cérébrale profonde (DBS), l'instabilité posturale et le « freezing » de la marche dont souffrent certains patients atteints de la maladie de Parkinson. Les résultats des études sur la position exacte qu'occupe le PPN dans le tronc cérébral demeurent contradictoires. Face à cette imprécision, nous avons entrepris une étude anatomique et neurochimique détaillée du tronc cérébral des primates, en portant une attention particulière aux deux principaux groupes de neurones cholinergiques qu'il referme soit le PPN et le noyau latérodorsal tegmentaire (LDTg). Ces études comparées ont été réalisées à partir de tissus post-mortem provenant de singes cynomolgus (Macaca fascicularis) et d'humains. Le premier chapitre du présent mémoire contient un atlas topographique du tronc cérébral humain composé de 45 planches anatomiques comprenant chacune une paire de sections adjacentes marquées au Crésyl Violet et au Bleu de Luxol ayant permis la délimitation des noyaux et des faisceaux de fibres qui s'y retrouvent. Cet atlas a été conçu selon un plan de référence appelé jonction ponto-mésencéphalique qui facilite la localisation relative des groupes neuronaux contenus dans le tegmentum mésencéphalique. Le second chapitre porte sur la localisation topographique et la neurochimie des groupes cholinergiques contenus dans le PPN et le LDTg. Des études quantitatives réalisées chez le singe et l'humain à partir de sections immunomarquées pour la choline acétyltransférase (ChAT) et la nicotinamide adénine dinucléotide phosphate diaphorase (Nadph-δ) ont permis d'identifier trois types de neurones selon leur contenu neurochimique et de décrire leur distribution régionale à la jonction ponto-mésencéphalique ainsi que leur densité respective. Dans l'ensemble, les données présentées dans ce mémoire permettent d'améliorer notre compréhension de l'organisation anatomique et neurochimique du tronc cérébral des primates humains et non-humains, plus particulièrement en ce qui a trait aux deux principaux groupes cholinergiques qu'il referme. / Located in the brainstem, the pedunculopontine nucleus (PPN) is currently of great interest since it constitutes a promising target to treat, by deep brain stimulation (DBS), postural instability and freezing of gait that afflict some patients suffering from Parkinson's disease. Studies on the exact position that the PPN occupies in the brainstem remain contradictory. The work presented in this mémoire focuses on the anatomical and neurochemical characterization of the primate brainstem, particularly of its two main groups of cholinergic neurons, namely the PPN and the laterodorsal tegmental nucleus (LDTg). These comparative studies were carried out using post-mortem tissues from cynomolgus monkeys (Macaca fascicularis) and humans. In the first chapter, a topographic atlas of the human brainstem is presented. It is composed of 45 anatomical plates each comprising a pair of adjacent sections stained with Cresyl Violet and Luxol Fast Blue, which allow the delineation of brainstem nuclei and bundles, respectively. This atlas is based on a particular reference plane called the ponto-mesencephalic junction, which facilitates the location of the neuronal groups contained in the mesencephalic tegmentum. The work presented in the second chapter deals with the topographic localization and the neurochemistry of the cholinergic groups contained in the PPN and the LDTg. Quantitative studies were carried out on monkeys and humans using brain sections immunostained for choline acetyltransferase (ChAT) and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate diaphorase (Nadph-δ). Three types of neurons were identified according to their neurochemical feature. We also described their regional distribution at the ponto-mesencephalic junction, as well as their respective cell density. Overall, the data presented in this mémoire improves our understanding of the anatomical and neurochemical organization of the brainstem in humans and non-human primates, particularly regarding the two main cholinergic groups that it contains.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'objectif de cette étude était de développer des biomarqueurs de la neurotoxicité précoce du MeHg chez le rat adulte, en utilisant les lymphocytes et plaquettes du sang circulant comme substituts de neurones centraux. Pour ce faire, nous avons d'abord évalué la captation de la choline, de la dopamine (DA), de la sérotonine (5-HT), la liaison aux récepteurs muscarinergiques (mChRs) et dopaminergic Ds dans les synaptosomes du cortex cérébral, du striatum, de l'hypothalamus, de l'hippocampe, du tronc cérébral et du cervelet, après exposition in vitro à différentes concentrations de chlomre de MeHg (0, l, 2.5 et 5 µM). Dans ces conditions, la captation de la 5-HT était mesurée au niveau des plaquettes. De même, la captation de la DA et la liaison aux récepteurs mCKRs et Dz étaient évaluées au niveau des lymphocytes du sang circulant. Enfin, les résultats in vitro étaient validés en évaluant les voies cholinergiques et monoaminergiques dans les mêmes régions du cerveau et au niveau des plaquettes et lymphocytes chez des rats mâles adultes gavés au chlorure de MeHg (0, 2, 4 et 6 mg/kg pendant 10 jours consécutifs).

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.