Contrairement à la dopamine (DA), le rôle de la sérotonine (5-HT) dans les maladies neurodegeneratives affectant les ganglions de la base est mal connu. L'objectif de cette étude était donc de caractériser l'état de l'innervation DA et 5-HT du striatum chez des patients ayant souffert de la maladie de Parkinson (MP) ou de la maladie d'Huntington (MH) en comparaison avec des individus contrôles appariés pour l'âge. Des anticorps contre la tyrosine hydroxylase (TH) et le transporteur de la sérotonine (SERT) ont été utilisés comme marqueurs des profils axonaux DA et 5-HT, respectivement La densité et les patrons de l'innervation DA et 5-HT ont été déterminés en examinant des sections coronales du striatum afin de détecter des variations dans la densité optique. Cette approche semi-quantitative a été validée par des estimations stéréologiques de la densité des varicosités axonales marquées. Une diminution significative de l'intensité du marquage TH accompagnée d'une baisse dans la densité des varicosités axonales TH+ a été notée à travers tout le striatum des patients atteints de MP et de MH. À l'opposé, l'intensité du marquage SERT et la densité des varicosités axonales SERT+ étaient augmentés dans le striatum des patients souffrant de MP et de MH. Ces résultats indiquent que la voie dopaminergique nigrostriée est significativement altérée dans la M H, comme dans la MP. Cependant, l'altération présente dans la MH pourrait être secondaire à la perte massive des neurones épineux de taille moyenne, lesquels sont les cibles principales des axones DA. L'augmentation de l'innervation 5-HT striatale observée dans la MP pourrait être due à un mécanisme neuronal compensant pour la dénervation DA. Dans la MH, l'atrophie striatale prononcée pourrait expliquer l'augmentation de la densité de l'innervation 5-HT striatale remarquée dans cette maladie. Les résultats de notre étude suggèrent l'existence d'une interaction complexe entre les systèmes DA et 5-HT au niveau striatal pour assurer un contrôle fiable et adéquat du comportement moteur.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / La famille des récepteurs nucléaires orphelins représente un regroupement de facteurs de transcription pour lesquels nous ne connaissons pas, à l'heure actuelle, de ligands endogènes. Parmi ces récepteurs nucléaires nous retrouvons la sous-famille Nur dont fait partie Nur77, une protéine dont la fonction fut étudiée in vitro et in vivo dans différents systèmes, particulièrement les systèmes immunitaire et endocrinien. Comme la grande majorité des gènes, Nur77 est aussi exprimé à l'intérieur du cerveau. Il a cependant ceci de distinctif, soit d'être retrouvé préférentiellement dans les structures cibles des systèmes dopaminergiques, notamment dans le striatum. Afin de clarifier son rôle dans la fonction de ces systèmes, nous avons d'abord étudié la régulation de son expression suivant différentes manipulations pharmacologiques et lésionnelles des structures dopaminergiques. En ayant recours à un modèle animal de la maladie de Parkinson, le rongeur hémiparkinsonien, nous avons identifié de façon précise les populations neuronales du striatum concernées par les changements dans la régulation de l'expression de ce gène, ceci suivant la déplétion sélective des neurones dopaminergiques nigro-striataux, puis à la suite d'un traitement de remplacement à la levo-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA). En mettant à profit le génie génétique, nous avons également évalué l'impact de la délétion du gène codant pour ce récepteur nucléaire sur les mécanismes adaptatifs intrinsèques aux neurones du striatum en réponse à une atteinte de la fonction dopaminergique. Nous avons alors parallèlement observé les conséquences de cette délétion génétique sur la réponse locomotrice des souris hémiparkinsoniennes avant et après la thérapie de remplacement de L-DOPA. Les conclusions de ces différentes études suggèrent un rôle primordial du récepteur nucléaire Nur77 dans le maintien des mécanismes adaptatifs neuronaux responsable de l'homéostasie de la fonction dopaminergique dans le cerveau. / The orphan nuclear receptors family includes a group of transcription factors without any known endogenous ligand. Nur77 is one member of the Nur sub-family of orphan nuclear receptors. Its function was studied both in vitro and in vivo in different Systems, namely and particularly the immune and endocrine Systems. In the brain, its expression is found preferentially in target structures of dopaminergic Systems such as the striatum. In order to clarify its role in this structure, we studied Nur 7 7 regulation following pharmacological and surgical manipulation of the dopaminergic function in the brain. We use the hemiparkinsonian rat model of Parkinson's disease to identify neuronal populations of the striatum concerned by changes in Nur 7 7 expression pattern following selective dopamine depletion in the nigro-striatal pathway, and also following levo-dihydroxyphenylalanine (LDOPA) replacement therapy. Taking advantage of genetic engineering, we also assessed the consequences of Nur 7 7 gene deletion on adaptive mechanisms taking place in striatal neurons in response to alteration of dopaminergic function. Concomitantly, we studied the impact of this gene knockout on hemiparkinsonian mice's locomotor response, before and after L-DOPA replacement therapy. Our conclusions strongly suggest that the nuclear receptor Nur77 is essential to the expression of appropriate adaptive neuronal mechanisms that will maintain the integrity of dopaminergic function in the brain.

Les neurones dopaminergiques du mésencéphale (mDA) sont impliqués de manière critique dans diverses fonctions clés du cerveau, y compris les mouvements volontaires, la récompense, l'attention et l'apprentissage. La bonne spécification des neurones dopaminergique, ainsi que l’établissement des circuits dopaminergiques sont nécessaires à un bon fonctionnement du cerveau. Le dysfonctionnement des circuits dopaminergiques est lié au développement de troubles neuropsychiatriques, y compris le trouble déficitaire de l'attention avec hyperactivité (TDAH), le trouble obsessionnel compulsif (TOC) et les troubles liés aux TOCs, comme le syndrome de Gilles de la Tourette. L’obtention d’un circuit dopaminergique fonctionnel dépend du développement des neurones dopaminergiques. Les facteurs de transcription Lmx1a et Lmx1b font partie de la famille des LIM à homeodomain et sont des déterminants précoces de l’avenir des neurones dopaminergique. Lmx1a/b sont essentiels pour chaque étape de la différenciation des progéniteurs de neurone dopaminergique. Il a été démontré précédemment que les souris Lmx1a/b cKO ont une activité locomotrice augmentée par rapport aux contrôles. Ici, une caractérisation approfondie des souris Lmx1a/b a révélé que ces souris avaient un comportement hyperactif, en lien avec le TDAH, et démontraient des symptômes du type TOC. Au niveau cellulaire, la perte de fonction de Lmx1a/b a induit une réduction de l’arborisation dendritique et de la fréquence des courants postsynaptiques excitateurs miniatures spontanés (mEPSCs) dans les neurones dopaminergiques. Le profil d'expression des gènes chez les souris Lmx1a / b cKO a révélé que Lmx1a/b contrôle l'expression de Slitrk2 et Slitrk5, deux membres de la famille des protéines Slit et Trk (Slitrk). Le gain et la perte de fonction de Slitrk2 et Slitrk5 dans des cultures de neurones dopaminergiques ont montré que Slitrk2 régule positivement et Slitrk5 régulent négativement la croissance dendritique. Également, le gain et la perte de fonction de Slitrk2 ont induit une variation de la densité des punctas synaptiques excitateurs (PSD95 et VGLUT). En conséquence, la perte de fonction de Slitrk2 a réduit la fréquence des mEPSCs, tandis que l'augmentation de l'expression de Slitrk2 a augmenté la fréquence des mEPSCs, sans changement d'amplitude ou dans la fréquence ou de l'amplitude des mIPSCs. Ces données suggèrent un rôle pour Slitrk2 dans la formation de synapses excitatrices fonctionnelles. À l'inverse, le gain et la perte de fonction de Slitrk5 ont induit une modification de la densité des punctas synaptiques inhibiteurs (géphyrine et VGAT). La perte d’expression de Slitrk5 a réduit la fréquence des mIPSCs tandis que l'augmentation de l'expression de Slitrk5 a augmenté la fréquence des mIPSCs, sans changement dans l'amplitude ou de la fréquence et de l'amplitude des mEPSCs. Ces données suggèrent un rôle pour Slitrk5 dans la formation de synapses fonctionnelles inhibitrices. Nous avons également étudié les conséquences sur le comportement de Slitrk2 et Slitrk5 dans les neurones mDA. Les souris, dans lesquelles Slitrk2 a été invalidé dans la VTA, démontrent un changement significatif dans l'activité locomotrice et montrent de l’hyperactivité. À l'inverse, les souris avec une expression réduite de Slitrk5 présentent une activité locomotrice réduite et un comportement analogue à un TOC. Ces changements de comportement peuvent être causés par une modification de l'activité des neurones dopaminergiques. L'inhibition chronique des neurones de la VTA, en utilisant une approche pharmacogénétique, pendant le développement postnatal à induit une activité motrice augmentée, similaire au TDAH, et un comportement analogue à un TOC. Ceci évoque certains aspects du comportement des souris Lmx1a/b cKO. Une inhibition aiguë a entraîné une diminution de l'activité locomotrice, alors que l'inhibition chronique chez des animaux plus âgés n'a eu aucun effet. Ensemble, ces résultats indiquent que Lmx1a/b, Slitrk2, et Slitrk5 sont des acteurs clés du développement des neurones dopaminergique et de la formation des synapses, ce qui peut avoir un impact sur le développement de TDAH et de TOC. / Midbrain dopaminergic (mDA) neurons are critically involved in various key functions of the brain, including voluntary movement, reward, attention, and learning. The proper specification of dopaminergic neurons, as well as the establishment of dopaminergic circuits are necessary to a good functioning of the brain. Dopaminergic circuitry dysfunctions are linked to the development of neuropsychiatric disorders, including attention deficit hyperactivity disorder (ADHD), obsessive-compulsive disorder (OCD) and OCD-like disorders, such as Gilles de la Tourette’s syndrome. The LIM-homeodomain transcriptional factors Lmx1a and Lmx1b are early determinants of the dopaminergic fate and are essential for each step of mDA progenitor differentiation. Previously, it has been demonstrated that Lmx1a/b cKO mice show increased locomotor activity. Further characterization of Lmx1a/b cKO mice revealed that these mice had ADHD- and OCD-like behaviour. The loss of function of Lmx1a/b reduced dendritic morphology and frequency of spontaneous miniature excitatory postsynaptic currents (mEPSCs) in mDA neurons. Gene expression profiling in Lmx1a/b cKO mice revealed that Lmx1a/b controls the expression of Slitrk2 and Slitrk5, two members of the Slit and Trk-like (Slitrk) protein family. Gain and loss of function of Slitrk2 and Slitrk5 in mDA neuron cultures showed that Slitrk2 positively regulates and Slitrk5 negatively regulate dendritic growth. Additionally, gain and loss of function of Slitrk2 induced a change in the density of excitatory synaptic puncta (PSD95 and VGLUT). Accordingly, Slitrk2 knockdown reduced the frequency of mEPSCs while increased Slitrk2 expression increased the frequency of mEPSCs, with no change in amplitude or in mIPSCs frequency or amplitude. These data suggest a role for Slitrk2 in the formation of functional excitatory synapses. Inversely, gain and loss of function of Slitrk5 induced a modification in the density of inhibitory synaptic puncta (gephyrin and VGAT). Slitrk5 knockdown reduced the frequency of mIPSCs while increased Slitrk5 expression increased the frequency of mIPSCs, with no change in amplitude or in mEPSCs frequency or amplitude. These data suggest a role for Slitrk5 in the formation of functional inhibitory synapses. We also investigated the consequences on behaviour of Slitrk2 and Slitrk5 reduced expression in mDA neurons. Mice, in which Slitrk2 was knocked down in the VTA, display significant change in locomotor activity and show ADHD. Inversely, mice with reduced expression of Slitrk5 exhibit lower activity and OCD-like behaviour. These behavioural changes might be caused by a change in mDA neuron firing activity. Chronic inhibition of mDA neurons during postnatal development using a pharmacogenetic approach induced ADHD and OCD-like behaviour and mimic some aspects of the Lmx1a/b cKO mice. Acute inhibition resulted in decreased locomotor activity, while chronic inhibition in older animals had no effect. Altogether, these results indicate that Lmx1a/b and Slitrk2/5 are key players of mDA neuron development and synapse formation, which may have an impact on ADHD and OCD-like disorders. / Résumé en espagnol

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.

Les estrogènes exercent une modulation des fonctions cérébrales, du développement au vieillissement. Nous avons d'abord étudié l'implication des récepteurs estrogéniques ERa et ERB dans l'effet de l'estradiol au cerveau dans un modèle de rattes ovariectomisées. Nous avons choisi l'approche des agonistes spécifiques des récepteurs estrogéniques. Au niveau du système dopaminergique, sur le récepteur D2 et sur le transporteur DAT, nous avons montré que ERP est le récepteur impliqué dans l'augmentation de la densité de ces marqueurs induite par l'estradiol au striatum. Au niveau du DAT, nous avons montré que le tamoxifène et le raloxifène reproduisait l'effet de l'estradiol chez des rattes ovariectomisées à long terme. Nous avons ensuite rapporté que sur le système glutamatergique, notamment sur les récepteurs ionotropiques NMDA et AMPA, ERa est le récepteur impliqué dans la diminution de la densité de AMPA et des niveaux d'ARNm de (ïluR2 au niveau du cortex, striatum et noyau accumbens. Sur NMDA, ERa est impliqué dans l'augmentation de la densité du récepteur ainsi que des niveaux d'ARNm de la sous-unité NMDAR2B induite par l'estradiol dans la sous région CA1 hippocampique. Cependant au niveau du cortex, il semble que ni ERa ni ERB ne soit impliqué dans la diminution de la densité de NMDA induite par l'estradiol. Nous avons par la suite observé que chez des rattes ovariectomisées à long ternie, ce modèle reproduisant la ménopause, l'estradiol induit une modulation de la densité et du couplage du récepteur 5-111',A au raphé, similaire à celui de certains antidépresseurs. Au niveau du cortex, l'estradiol ne module pas la densité mais le couplage du récepteur 5-HT1A. Les SERM tamoxifène et raloxifène n'ont pas reproduit l'effet de l'estradiol sur ce récepteur. A l'hippocampe l'estradiol induit des effets plus discrets. Enfin nous avons observé que l'estradiol augmente les niveaux d'ARNm de la préproenképhaline (PPE) au striatum et au noyau accumbens via ERa et ERB. Le tamoxifène et le raloxifène induisent eux aussi une augmentation des niveaux de PPE. Nous avons donc soulevé un coin du voile sur l'effet mécanistique de l'estradiol au cerveau via des effets génomiques ou non génomiques, médiés par Ella, ERB ou autre. D'autres études complémentaires permettront de compléter ces travaux.