Behavioral adaptation and cognitive control are crucial for goal-reaching behaviors. Every creature is ubiquitously faced with choices between behavioral alternatives. Common sense suggests that errors are an important source of information in the regulation of such processes. Several theories exist regarding cognitive control and the processing of undesired outcomes. However, most of these models focus on the consequences of an error, and less attention has been paid to the mechanisms that underlie the commissioning of an error. In this article, we present an integrative review of neuro-cognitive models that detail the determinants of the occurrence of response errors. The factors that may determine the likelihood of committing errors are likely related to the stability of task-representations in prefrontal networks, attentional selection mechanisms and mechanisms of action selection in basal ganglia circuits. An important conclusion is that the likelihood of committing an error is not stable over time but rather changes depending on the interplay of different functional neuro-anatomical and neuro-biological systems. We describe factors that might determine the time-course of cognitive control and the need to adapt behavior following response errors. Finally, we outline the mechanisms that may proof useful for predicting the outcomes of cognitive control and the emergence of response errors in future research.

Dopamine is an important neurotransmitter that is involved in several human functions such as reward, cognition, emotions and movement. Abnormalities of the neurotransmitter itself, or the dopamine receptors through which it exerts its actions, contribute to a wide range of psychiatric and neurological disorders such as Parkinson’s disease and schizophrenia. Thus far, despite the great interest and extensive research, the exact role of dopamine and the causalities of dopamine related disorders are not fully understood. Here we have developed multimodal imaging methods, to investigate the release of dopamine and the distribution of the dopamine D2-like receptor family in-vivo in healthy humans. We use the [¹¹C]PHNO PET ligand, which enables exploration of dopamine-related parameters in striatal regions, and for the first time in extrastriatal regions, that are known to be associated with distinctive functions and disorders. Our methods involve robust approaches for the manual and automated delineation of these brain regions, in terms of structural and functional organisation, using information from structural and diffusion MRI images. These data have been combined with [¹¹C]PHNO PET data for quantitative dopamine imaging. Our investigation has revealed the distribution and the relative density of the D3R and D2R sites of the dopamine D2-like receptor family, in healthy humans. In addition, we have demonstrated that the release of dopamine has a functional rather than a structural specificity and that the relative densities of the D3R and D2R sites do not drive this specificity. We have also shown that the dopamine D3R receptor is primarily distributed in regions that have a central role in reward and addiction. A finding that supports theories that assigns a primarily limbic role to the D3R.

L’intégrité de notre système sensorimoteur est essentielle aux interactions adéquates avec notre environnement. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’efficacité des interactions quotidiennes entre le corps et l’environnement est fréquemment réduite et diminue la qualité de vie. La MP est une maladie neurodégénérative résultant prioritairement d’une perte neuronale dopaminergique dans les ganglions de la base (GB). Cette dégénérescence altère le fonctionnement normal de la circuiterie associant les GB au cortex cérébral. L’administration de médications dopaminergiques permet d’améliorer les principaux symptômes cliniques moteurs de la MP. Cette thèse porte sur les rôles des GB dans les processus de traitement et d’intégration des informations sensorielles visuelle et proprioceptive et dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice. Elle s’intéresse également à l’influence de la médication dopaminergique sur ces fonctions sensorimotrices. Nous avons réalisé trois études comportementales, utilisant l’atteinte manuelle tridimensionnelle comme modèle expérimental. Dans chacune de ces études, nous avons comparé la performance de personnes âgées en santé à celle de personnes souffrant de la MP avec et sans leur médication antiparkinsonienne quotidienne. Ces trois études ont été réalisées à l’aide d’un système d’analyse de mouvement et une station de réalité virtuelle. Dans la première étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans l’intégration sensorimotrice ou le traitement des informations proprioceptives. Pour se faire, nous avons testé la capacité des patients MP à effectuer des atteintes manuelles tridimensionnelles précises dans quatre conditions variant la nature des informations sensorielles (visuelles et/ou proprioceptives) définissant la position de la main et de la cible. Les patients MP ont effectué, en moyenne, de plus grandes erreurs spatiales que les personnes en santé uniquement lorsque les informations proprioceptives étaient la seule source d’information sensorielle disponible. De plus, ces imprécisions spatiales étaient significativement plus grandes que celles des personnes en santé, seulement lorsque les patients étaient testés dans la condition médicamentée. La deuxième étude présentée dans cette thèse a permis de démontrer que les imprécisions spatiales des patients MP dans les conditions proprioceptives étaient le résultat de déficits dans l’utilisation en temps réel des informations proprioceptives pour guider les mouvements. Dans la troisième étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice explicite ou implicite. Pour se faire, nous avons testé les capacités adaptatives des patients MP dans deux tâches variant le décours temporel de l’application d’une perturbation visuomotrice tridimensionnelle. Dans la tâche explicite, la perturbation était introduite soudainement, produisant de grandes erreurs détectées consciemment. Dans la condition implicite, la perturbation était introduite graduellement ce qui engendrait de petites erreurs non détectables. Les résultats montrent que les patients MP dans les conditions médicamentée et non médicamentée présentent des déficits adaptatifs uniquement dans la tâche explicite. Dans l’ensemble, les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse montrent que la médication dopaminergique n’améliore pas le traitement des afférences proprioceptives et l’adaptation visuomotrice des personnes souffrant de la MP. Ces observations suggèrent que les dysfonctions dans les circuits dopaminergiques dans les GB ne sont pas les seules responsables des déficits observés dans ces fonctions sensorimotrices. / The integrity of our sensorimotor system is essential for adequate interactions with the environment. In Parkinson’s disease (PD), the efficiency of the daily interactions between the body and the environment is often reduced and interfere with quality of life. PD is a neurodegenerative disease resulting primarily from a dopaminergic neuronal loss in the basal ganglia (BG). This progressive loss of neurons alters the normal functioning of the BG-cortical circuitry. Dopaminergic medication is well known to remediate the major clinical motor symptoms of PD. This thesis investigates the role of the BG in the processing and integration of visual and proprioceptive sensory information and in visuomotor adaptation. This thesis also explores the influence of dopaminergic medication on these sensorimotor functions. We performed three behavioral studies using three-dimensional reaching movements as an experimental model. In each study, we compared the performance of healthy controls and individuals suffering from PD, while in the non-medicated condition and when on their regular daily antiparkinsonian medication. These three studies were performed using a movement analysis system and a virtual reality station. In the first study, we evaluated whether the BG are primarily involved in sensorimotor integration or in the processing of proprioceptive sensory information. We tested the ability of PD patients to perform accurate reaching movements in four conditions in which the sensory signals defining target and hand positions (vision and/or proprioception) varied. On average, PD patients made larger spatial errors than healthy controls when proprioception was the only source of sensory information available. Furthermore, these movement inaccuracies were significantly larger than those of healthy controls only when PD patients where tested in the medicated condition. The second study presented in this thesis demonstrated that the greater movement inaccuracies of PD patients in the proprioceptive conditions resulted mainly from impaired use of proprioceptive information for on-line movement guidance. In the third study, we evaluated whether the BG are primarily involved in explicit or implicit visoumotor adaptation mechanisms. Visuomotor adaptation skills of non-medicated and medicated patients were assessed in two reaching tasks in which the size of spatial errors made during adaptation was manipulated by varying the temporal evolution of a three-dimensional visuomotor perturbation across trials. In the explicit task, the visuomotor perturbation was applied suddenly resulting in large consciously detected initial spatial errors, whereas in the implicit task, the visuomotor perturbation was gradually introduced in small undetectable steps such that subjects never experienced large movement errors. Results indicate that both non- medicated and medicated PD patients showed markedly impaired visuomotor adaptation only in the explicit task. Together, the different experimental data presented in this thesis indicate that dopaminergic medication does not improve proprioceptive processing and visuomotor adaptation skills of PD patients. These observations suggest that dysfunction of dopaminergic circuits within the BG is not solely responsible for the reported sensorimotor deficits.

Les dyskinésies tardives (DT) sont des troubles moteurs associés à l’utilisation chronique des antagonistes des récepteurs dopaminergiques D2 tels que les antipsychotiques et le métoclopramide. Ces dyskinésies correspondent à une incoordination motrice portant préférentiellement sur la musculature oro-faciale. La gestion des DT s'est imposée comme défi de santé publique surtout en l’absence d’une alternative thérapeutique efficace et abordable. L’hypothèse classiquement avancée pour expliquer la physiopathologie des DT inhérente au traitement par les antipsychotiques s’articule autour de l’hypersensibilité des récepteurs dopaminergiques D2, cibles principales de ces molécules. Néanmoins, plusieurs données remettent la véracité de cette hypothèse en question. Hypothèse: nous proposons que le blocage chronique des récepteurs dopaminergiques soit effectivement responsable d’un phénomène d’hypersensibilisation mais contrairement à l’hypothèse classique, cette hypersensibilisation porterait sur des paramètres de la transmission dopaminergique autres que les récepteurs D2. De même nous postulons que cette hypersensibilisation se traduirait par des altérations des cascades signalétiques au niveau des cellules du striatum. Ces altérations aboutissent à des changements portant sur le récepteur nucléaire (Nur77), qui est hautement associé au système dopaminergique; l’induction de ces récepteurs déclencherait des cascades associées à la compensation ou à la genèse des DT. Matériels et méthodes: 23 femelles Cebus apella, réparties en 3 groupes: groupe halopéridol, groupe clozapine, et groupe contrôle, ont été exposées aux traitements respectifs pendant 6-36 mois. Après l’analyse comportementale, les animaux ont été décapités et leurs cerveaux isolés pour fin d’analyse. Hybridation in situ: nous avons fait appel à cette technique pour mesurer l’expression de l’ARNm de Nur77 et du neuropeptide enképhaline. Hybridation in situ double: nous avons exploités cette technique pour identifier les populations neuronales exprimant les récepteurs dopaminergiques D3 et localiser leur éventuelle induction. Autoradiographies des récepteurs dopaminergiques D1, D2 et D3 et autoradiographies des récepteurs i glutamatergiques mGluR5. Ces autoradiographies avaient pour objectif d’évaluer l’expression de ces différents récepteurs. Mutagenèse dirigée et transfection cellulaire: nous faisons appel à ces techniques pour reproduire le polymorphisme identifié au niveau de la région 3’UTR de l’ARNm Nur77 et évaluer l’impact que pourrait avoir ce polymorphisme sur la stabilité de l’ARNm Nur77 sinon sur l’expression de la protèine Nur77. Western Blot des kinases ERK 1 et 2: cette technique nous a servi comme moyen pour quantifier l’expression globale de ces kinases. Analyses statistiques: l’expression de l’ARNm Nur77 a été évaluée en utilisant l’analyse de la variance à un seul facteur (One way ANOVA). Nous avons procédé de la même façon pour mesurer l’expression des récepteurs D2, D3 et mGluR5. Résultats: le groupe des animaux traités par l’halopéridol montre une plus forte expression des récepteurs D3 par rapport aux sujets des autres groupes. Cette expression se produit au niveau des neurones de la voie directe. De plus, cette augmentation corrèle positivement avec la sévérité des DT. L’expression des récepteurs D2 et mGluR5 reste relativement inchangée entre les différents groupes, alors qu’un gradient d’expression a été observé pour le récepteur D1. Par ailleurs, Nur77 est induit par l’halopéridol, alors que son expression semble baisser chez les animaux traités par la clozapine. L’induction de l’expression de Nur77 par l’halopéridol est plus accrue chez les animaux non dyskinétiques. Les animaux traités par la clozapine démontrent une expression amoindrie de l’ARNm de Nur77 qui tend à être plus faible que l’expression de base. D’autre part, la présence du polymorphisme au niveau de la région 3’UTR semble affecter l’expression cellulaire de Nur77. Conclusion: ces résultats confortent notre hypothèse concernant l’existence d’un phénomène d’hypersensibilisation prenant place suite un traitement chronique par les antipsychotiques. Ce phénomène s’est traduit par une augmentation de l’expression des récepteurs D3 sans porter sur les récepteurs D2 tel que prôné classiquement. Cette hypersensibilisation des récepteurs D3 implique également l’existence d’un débalancement des voies striatales pouvant ainsi sous tendre l’apparition des DT. Ces résultats dévoilent ainsi un nouveau mécanisme qui pourrait contribuer à l’apparition des DT et pourraient permettre une meilleure gestion, nous l’espérons, des DT à l’échelle clinique. / Tardive dyskinesia (TD) is a potentially disabling and irreversible motor complication including all persistent, abnormal, involuntary movements, classicaly caused by the chronic therapy with typical antipsychotic drugs (haloperidol, fluphenazine). Atypical antipsychotic drugs like clozapine have been introduced because they showed little potential to induce TD, raising the hope to completely eradicate this complication. However, it has been later shown that these drugs have several serious metabolic side- effects and that some atypical molecules are as responsible as typical drugs for inducing TD. Besides, the typical drugs are still widely prescribed in a large spectrum of disorders. For all these reasons, TD still constitutes a major challenge for psychotic disorders treatments especially that the pathophysiology of TD remains elusive and therapeutics are difficult. Based on rodent experiments, it was proposed that dopamine D2 receptor hypersensitivity could be responsible for TD. However, this hypothesis lacks strong support in humans. We suggest, in this thesis, that TD is associated with the hypersensitivity of other receptors, than D2. To investigate the neurochemical basis of TD, we chronically exposed 23 adult capuchin monkeys to haloperidol (median 18.5 months, N=11) or clozapine (median 6 months, N=6). Six unmedicated animals were used as controls. Five haloperidol-treated animals developed mild TD movements, and no TD was observed in the clozapine group. Using receptor autoradiography, we measured dopamine D1, D2, D3 and mGluR5 receptor levels. We also examined the D3 receptor/preprotachykinin mRNA co-expression, and quantified enkephalin and Nur77 mRNA levels, in striatal sections. Unlike clozapine, haloperidol strongly induced dopamine D3 receptor binding sites in the anterior striatum, particularly in TD animals, and binding levels positively correlated with TD intensity. In contrast, D2 receptor binding was comparable to controls, and dopamine D1 receptor binding reduced in the anterior (haloperidol and clozapine) and posterior (clozapine) putamen. Preprotachykinin mRNA-labeled cell count was unaffected by either haloperidol or clozapine, enkephalin mRNA widely increased in all animals, but to a greater extent in TD-free animals. Nur77 mRNA levels in the caudate-putamen were strongly up regulated iv in animals exposed to haloperidol but were spared following clozapine treatment. Interestingly, within the haloperidol-treated group, TD-free animals showed higher Nur77 expression in putamen sub territories compared with dyskinetic animals. These results corroborate our hypersensitivity hypothesis, and indicate that an imbalance between the striatal pathways could contribute to the pathophysiology of TD.

Repetitive Störungen manifestieren sich als Leitsymptom in der Zwangsstörung und dem Tourette-Syndrom. Die Symptome werden als enthemmte Stereotypien eines desinhibierten Basalganglien-thalamo-kortikalen (BGTC) Regelkreises verstanden. Überdies wird als neurochemisches Korrelat ein dysregulatives Dopamin (DA)-System innerhalb dieser Kerngebiete nahegelegt, welches über ein überaktives Dopamintransporter (DAT)-System erklärt werden könnte. In der Induktion repetitiver Erkrankungen ist die Interaktion des BGTC Regelkreises und des DA-Systems dennoch unklar. In der vorliegenden Arbeit wurden daher anhand von zwei Pathologiemodellen (Ratte) mit unterschiedlich induzierter Dysregulation des DA-Systems (transgen versus pharmakologisch) die dysfunktionalen Einheiten im BGTC Regelkreises vergleichend untersucht. Im transgenen Modell führte die zentralnervöse DAT-Überexpression: (1) zu einer verstärkten Genexpression des vesikulären Monoamintransporter 2 (VMAT2) sowie des DA-Rezeptors 1 und DA–Rezeptors 2 (DRD1, DRD2), (2) zu einem reduzierten DA-Spiegel mit erhöhter DA-Umsatzrate und veränderten serotonergen- und GABAergen-System, und (3) zu perserverativen Verhalten. Im Gegensatz dazu zeigte die chronische Applikation mit dem D2-Agonisten Quinpirol im pharmakologischen Modell: (1) eine Reduktion des DAT, VMAT2 und DRD2, (2) eine reduzierte DA-Umsatzrate und (3) zwanghaftes Kontrollverhalten. Die Ergebnisse legen nahe, dass die unterschiedlichen klinischen Subtypen der Zwangsstörung unterschiedlichen neurobiologischen Veränderungen zugrunde liegen könnten. Ferner bietet das hier vorgestellte transgene Modell erfolgsversprechende Ansatzpunkte um als neues valides Tiermodell der repetitiven Störungen etabliert zu werden. / Repetitive disorders manifest as the cardinal symptom in obsessive-compulsive disorder and Tourette syndrome. The symptoms are understood as disinhibited stereotypies of a basal ganglia-thalamo-cortical (BGTC) circuit. Furthermore, it is suggested that a dysregulated dopamine (DA) system within this circuit is the underlying neurochemical correlate which could be explained by an overactive dopamine transporter (DAT). At this point, it is still unclear how the BGTC circuit and the DA system interact in the induction of repetitive disorders. Therefore we investigated the dysfunctional unities within the BGTC circuit by comparing two pathological rat models (transgenic versus pharmacologic) with different induced dopaminergic dysregulation. The DAT overexpressing rat model showed: (1) increased gene expression of the vesicular monoamine transporter 2 (VMAT2), DA receptor D1 (DRD1) and DA receptor D2 (DRD2), (2) lower levels of DA with an increased DA metabolism and alterations in the serotonin- and GABA system, and (3) perseverative behavior. In contrast, the chronic application of the D2 receptor agonist quinpirole resulted in the pharmacologic model in: (1) lower gene expressions of the DAT, VMAT2 and DRD2, (2) reduced DA-turnover and (3) compulsive control behavior. These results suggest that different clinical subtypes of obsessive-compulsive disorder caused by different neurobiological alterations. In addition, the presented transgenic model provides the opportunity to be established as a new valid animal model of repetitive disorders.

Der Morbus Parkinson ist die häufigste Erkrankung der Basalganglien und wird durch einen Abbau der dopaminergen Neurone in der Substantia nigra des Mittelhirns verursacht. Um Wege zu finden, die Nebenwirkungen bisheriger Therapien dieser Erkrankung zu vermeiden, sollten neue Angriffspunkte für pharmakologische Interventionen gesucht werden. Prinzipiell ist dabei jeder Schritt einer Signaltransduktions-Kaskade zu prüfen. Dazu gehören präsynaptische Transmitterfreisetzung, G-Protein-gesteuerte Effektormechanismen oder Veränderungen prä- und postsynaptischer Potentiale, wie sie durch ein bestimmtes lokales Ionenkanalmuster festgelegt werden. Aufgrund ihrer enormen molekularen Vielfalt bei gleichzeitig weiter, aber spezifischer Verbreitung, stellen Kaliumkanäle interessante Angriffspunkte für neue therapeutische Strategien dar. Die vorliegende Arbeit untersucht die zelluläre und subzelluläre Verteilung aller Mitglieder der Kir2-Familie, einer Gruppe von Proteinen, die einwärts-gleichrichtende Kaliumkanäle bildet. Zu diesem Zweck wurden polyklonale, monospezifische, affinitätsgereinigte Antikörper gegen den wenig konservierten carboxyterminalen Anteil der Kir2.1-, Kir2.2-, Kir2.3- und Kir2.4-Proteine hergestellt. Alle Untereinheiten der Kir2-Familie wurden an den Somata und Dendriten der meisten striatalen Neurone nachgewiesen. Zwei dieser Kanäle zeigten jedoch ein inhomogenes Verteilungsmuster: Das "patch"-Kompartiment des Striatums wurde von der Expression des Kir2.3-Kanals ausgespart, und das Kir2.4-Protein wurde am stärksten auf den tonisch aktiven, cholinergen striatalen Interneuronen exprimiert. Diese beiden Strukturen stellen die Schlüsselstellen für die Kontrolle und Regulation der dopaminergen und cholinergen Transmission im Striatum dar, weswegen ihnen eine zentrale Rolle für die efferenten Projektionen der Basalganglien zukommt. Die nachgewiesene heterogene Lokalisation der Kir2.3- und Kir2.4-Untereinheit an diesen strategisch relevanten Strukturen macht diese Kanäle zu viel versprechenden Angriffspunkten für zukünftige Pharmakotherapien. / Parkinson’s disease is the most frequent movement disorder caused by loss of dopaminergic neurons in the midbrain. Intentions to avoid side effects of conventional therapy should aim to identify additional targets for potential pharmacological intervention. In principle, every step of a signal transduction cascade, such as presynaptic transmitter release, type and occupation of postsynaptic receptors, G protein-mediated effector mechanisms, and the alterations of pre- or postsynaptic potentials as determined by the local ion channel composition, have to be considered. Due to their diversity and their widespread but distinct localizations, potassium channels represent interesting candidates for new therapeutic strategies. As a first step, the present report aimed to study the cellular and subcellular distribution of the individual members of the Kir2 family in the striatum, a group of proteins forming inwardly rectifying potassium channels. For this purpose polyclonal, monospecific, affinity purified antibodies against the less conserved carboxyterminal sequences from the Kir2.1, Kir2.2, Kir2.3, and Kir2.4 proteins were prepared. All subunits of the Kir2 family were detected on somata and dendrites of most striatal neurons. However, the distribution of two of them was not homogeneous. Striatal patch areas were largely devoid of the Kir2.3 protein, and the Kir2.4 subunit was most prominently expressed on the tonically active, giant cholinergic interneurons of the striatum. These two structures are among the key players in regulating dopaminergic and cholinergic neurotransmission within the striatum, and therefore are of major importance for the output of the basal ganglia. The heterogeneous localization of the Kir2.3 and the Kir2.4 subunits with respect to these strategic structures pinpoints these channel proteins as promising targets for future pharmacological efforts.

Há evidências de comportamentos associados à impulsividade e prejuízos de funções de lobo frontal, sobretudo das funções executivas, em jogadores patológicos. Na tentativa de melhor caracterizar o fenômeno do jogo patológico, este estudo teve por objetivo verificar a utilidade de diferentes medidas de personalidade, desempenho em testes neuropsicológicos e análise das estruturas, na discriminação entre amostras jogadores patológicos e voluntários normais. Foram avaliados, em dois estudos, 50 jogadores patológicos e 50 controles normais, pareados por sexo, idade e anos de escolaridade formal. A bateria de testes neuropsicológicos consistiu de testes clássicos e computadorizados, avaliando funções atencionais e executivas. A personalidade foi avaliada através de inventários de auto-preenchimento desenvolvidos a partir de diferentes referenciais teóricos. Os dados de neuroimagem foram obtidos através de exames de ressonância magnética e foram analisados através do método automático de morfometria baseada no voxel. As pontuações obtidas nos testes neuropsicológicos e os resultados das diferentes medidas de personalidade revelaram que jogadores patológicos apresentam disfunção executiva e exacerbação de traços impulsivos e compulsivos. Os achados de ressonância magnética indicaram menor volume do núcleo caudado à esquerda e maior volume das porções dorsolaterais do córtex pré-frontal esquerdo na amostra de jogadores em relação aos controles. Estes achados, associados à relação encontrada entre impulsividade e compulsividade com as porções posteriores e anteriores do giro cingulado, respectivamente e sub-regiões dos gânglios da base, indicam que jogadores patológicos apresentam falhas das circuitarias cerebrais implicadas na regulação do comportamento. / High impulsivity and neuropsychological deficits associated to frontal lobes, specifically executive dysfunction, are reported among pathological gamblers (PG). In order to better understand the pathological gambling phenomena, the aim of this study was to verity the ability of personality measures, neuropsychological tests and brain structures to discriminate a sample of pathological gamblers from a sample of normal volunteers. A two-study format was adopted evaluating 50 pathological gamblers matched to 50 healthy volunteers according to gender, age and years of formal education. The neuropsychological measures consisted of classic and computerized tests that evaluate attentional and executive functions. Personality traits were measured by self-report scales developed under different theoretical approaches. Neuroimage data were analyzed using an optimized Voxel-Based Morphometric protocol. The scores obtained on the neuropsychological tests and self-report inventories showed that pathological gamblers present executive dysfunction and high personality traits of impulsivity and compulsivity. The magnetic resonance imaging of pathological gamblers showed smaller caudate volume on the left hemisphere and larger prefontal dorsolateral areas on left frontal cortex than the control group. An association between posterior and anterior cingulated, basal ganglia sub regions and compulsivity and impulsivity was also found too. These data suggest that pathological gamblers have dysfunctional brain circuits implicated in behavioural regulation.

Ce travail de neurobiologie intégrative porte sur l’étude des contrôles exercés par les récepteurs 5-HT2C au niveau du réseau des ganglions de la base, un groupe de structures sous-corticales impliquées dans le contrôle du comportement moteur. Les récepteurs 5-HT2C exercent trois modalités de contrôle sur les cellules des ganglions de la base comprenant les contrôles phasique, tonique et constitutif, ce dernier contrôle étant indépendant de la présence de la sérotonine (5-HT), le ligand endogène. A l’aide d’outils pharmacologiques appropriés (agoniste, antagoniste et agoniste inverse), nous avons étudié chez le rat les différents contrôles des récepteurs 5-HT2C sur un comportement moteur, les mouvements orofaciaux. Nous avons aussi étudié ces contrôles dans les ganglions de la base en mesurant l’expression du marqueur neuronal de changement d’activité cellulaire, le proto-oncogène c-Fos, et en utilisant des enregistrements extracellulaires unitaires de la fréquence basale ou évoquée par des stimulations corticales des structures de sortie du réseau, le noyau entopédonculaire (NEP) ou la substance noire pars reticulata (SNr). Mes données montrent que la stimulation du récepteur 5-HT2C ou le blocage de son activité constitutive entrainent une augmentation des mouvements orofaciaux anormaux. Les données anatomiques révèlent que les différents contrôles 5-HT2C s’expriment au niveau des structures d’entrées des ganglions de la base, le striatum et le noyau sous-thalamique (NST), avec une expression préférentielle de l’activité constitutive au niveau du striatum et du noyau accumbens (NAc). Le contrôle phasique et l’activité constitutive étendent leur influence vers les structures de sortie des ganglions de la base ce qui pourrait être associé à l’émergence des mouvements orofaciaux anormaux. Les contrôles 5-HT2C sont influencés par le niveau d’activité du réseau et notamment le niveau de transmission dopaminergique (DA). En effet, une lésion des neurones DA potentialise les réponses comportementales et électrophysiologiques induites par un agoniste 5-HT2C au niveau du NEP. La stimulation des récepteurs D2 entraîne des dyskinésies orofaciales et une augmentation des réponses électrophysiologiques de la voie cortico-sous-thalamo-nigrale et ces effets sont supprimés par des antagonistes 5-HT2C. Ce travail apporte des éléments concernant la distribution et la nature de divers contrôles exercés par les récepteurs 5-HT2C au sein des ganglions de la base. Il ouvre des perspectives thérapeutiques sur l’utilisation des antagonistes 5-HT2C dans la schizophrénie ou la maladie de Parkinson. Pour autant, ces contrôles sont complexes et une meilleure connaissance de leur rôle dans ces régions permettrait de mieux appréhender des thérapies éventuelles avec des agents 5-HT et/ou 5-HT2C. / This work of integrative neurobiology focuses on the study of the controls exerted by the 5-HT2C receptors in the basal ganglia, a group of subcortical structures involved in the control of motor behavior. 5-HT2C receptors exert three modalities of control over cells of the basal ganglia, including a phasic, tonic and a constitutive control, the latter one being independent of the presence of serotonin (5-HT), the endogenous ligand. Using appropriate pharmacological tools (agonist, antagonist and inverse agonist), we have studied in rats the different controls of 5-HT2C receptors on one motor behavior, the purposeless orofacial movements. We also have studied these controls in the basal ganglia by measuring the expression of the proto-oncogene c-Fos, a marker of change of neuronal activity by determining the firing rate, basal or evoked by cortical stimulations, of neurons located in the output structures, the entopeduncular nucleus (EPN) or the substantia nigra pars reticulata (SNr), using single unit extracellular recordings. My data showed that stimulation or the blockade of the constitutive activity of 5-HT2C receptor induced an increase in abnormal orofacial movements. Anatomical data indicated that the different 5-HT2C controls are expressed in the input structures of the basal ganglia, the striatum and the subthalamic nucleus (STN), with a preferential influence of the constitutive activity in the striatum and nucleus accumbens (NAc). In addition, the phasic control and the constitutive activity extended their control to the output structures of the basal ganglia which could be associated with the emergence of orofacial movements. 5-HT2C controls are influenced by the network activity, in particular the level of dopaminergic (DA) transmission. Indeed, a lesion of DA neurons potentiated behavioral and electrophysiological responses induced by a 5-HT2C agonist by acting in the EPN. The stimulation of D2 receptors induced oral dyskinesia and an increase in electrophysiological responses of the cortico-subthalamo-nigral pathway, and these effects were suppressed by selective 5-HT2C antagonists. This work brings up elements regarding the distribution and the nature of the diverse controls exerted by 5-HT2C receptors in the basal ganglia. It opens therapeutic perspectives for the use of 5-HT2C antagonists in the treatment of schizophrenia and Parkinson's disease. Nevertheless, these controls are complex and a better understanding of these controls in these regions would permit to apprehend possible treatments using 5-HT and/or 5-HT2C agents.

Ce travail s’est focalisé sur l’implication, longtemps négligée, du complexe centremédian/parafasciculaire (CM/Pf) du thalamus dans le fonctionnement physiopathologique des ganglions de la base (GB), avec pour objectif principal d’évaluer le potentiel thérapeutique du ciblage de ce noyau dans le traitement chirurgical par stimulation cérébrale profonde (SCP) des mouvements anormaux. Notre étude a porté dans un premier temps sur un modèle de la maladie de Parkinson (MP) chez le rat. La SCP à haute fréquence (SHF) du CM/Pf réduit différents troubles parkinsoniens (akinésie et négligence sensorimotrice) ainsi que les dyskinésies L‐Dopa induites. Cependant, la mise en évidence d’une action négative du traitement dopaminergique sur les effets anti‐parkinsoniens de cette stimulation compromet l’intérêt de cette cible dans le cadre de la MP dont la L‐Dopa reste le traitement de référence. Au niveau cellulaire, la SHF‐CM/Pf interfère très largement avec les effets de la lésion dopaminergique dans le réseau des GB, confirmant la position clé de ce complexe dans la modulation de l’activité des GB. De plus, la comparaison des effets comportementaux et cellulaires de la SHF de cette cible avec celle du noyau subthalamique, cible actuellement privilégiée dans le traitement de la MP, montre des spécificités en relation notamment avec une action sélective de la manipulation du CM/Pf sur le noyau entopédonculaire (EP), homologue chez le rongeur du globus pallidus interne dont l’implication dans les dyskinésies est bien documentée. Notre étude électrophysiologique in vivo confirme la relation entre activité du Pf et manifestation des dyskinésies en mettant en évidence une réactivité du Pf au traitement chronique à la L‐Dopa. Nous avons également montré que la lésion dopaminergique entraine une diminution de l’expression d’un marqueur métabolique de l’activité neuronale dans le Pf qui est complètement normalisée par la SHF, suggérant pour la première fois que la SHF pourrait corriger une diminution d’activité du noyau ciblé. Enfin, la relation étroite entre l’EP et le CM/Pf nous a encouragé à évaluer les effets de la SCP du Pf sur les dystonies sachant que celles‐ci sont traitées par SCP du globus pallidus interne. Nous avons montré, sur le modèle de hamster dtsz, que l’induction des dystonies est favorisée par la SCP à basse fréquence du Pf alors qu’elle est retardée par la SHF appliquée de façon subchronique (9 jour), ce qui met en évidence l’implication du CM/Pf dans cette autre affection motrice liée aux GB. / The involvement of the centremedian/parafascicular (CM/Pf) thalamic complex has long been neglected in the pathophysiological functioning of basal ganglia (BG). However, this complex forms a functional loop with the BG suggesting that it could be a new target for the surgical treatment by deep brain stimulation (DBS) of BG‐related disorders such as Parkinson's disease (PD). In this context, we evaluated the therapeutic potential of CM/Pf‐DBS in a rat PD model. DBS at high frequency (HFS) of CM/Pf alleviates PD symptoms (akinesia, sensorimotor neglect) as well as L‐Dopa‐induced dyskinesias. However, our observation that chronic L‐Dopa suppresses the antiparkinsonian benefits provided by CM/Pf‐HFS compromises the interest of this target for PD. At cellular level, CM/Pf‐HFS widely impacts the dopaminergic denervation‐induced changes in the BG, showing that CM/Pf is a key node for modulating BG function. Comparison of the behavioral and cellular effects of HFS of CM/Pf versus subthalamic nucleus, the currently preferred target for PD treatment, led us to suggest that their differential impact on akinesia and dyskinesia may be due to a selective action of CM/Pf‐HFS on entopeduncular nucleus (EP), the rodent homologous of internal globus pallidus, whose involvement in dyskinesia is already documented. In vivo electrophysiological recordings of CM/Pf neurons provided further support for the relationship between CM/Pf and dyskinesia. We also showed that the dopaminergic lesion resulted in a decreased gene expression of a metabolic marker of neuronal activity in the CM/Pf, which is completely normalized by HFS, providing the first evidence that HFS may be able to correct a decrease in activity of the targeted nucleus. Finally, given the close relationship between EP and CM/Pf and knowing that internal globus pallidus is a target for DBS in dystonia, we evaluated the effects of CM/Pf‐DBS in an animal model of this disorder, the dtsz hamster. We found that the stress induction of dystonia in this model is delayed by subchronic CM/Pf HFS whereas it is favored by low frequency stimulation providing evidence forthe involvement of CM/Pf in another BG‐related movement disorder.

Depuis les années 60, la maladie de Parkinson est considérée comme une conséquence de la perte des neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta. Cependant, dans les modèles animaux de cette pathologie, la perte dopaminergique seule ne reproduit pas de façon simultanée les symptômes moteurs et non moteurs observés chez les patients. De plus en plus d’études suggèrent l’implication des systèmes noradrénergique et sérotoninergique à la fois dans la manifestation des symptômes mais aussi dans les effets secondaires de la L-Dopa et de la stimulation à haute fréquence (SHF) du noyau sous thalamique (NST). Le travail de cette thèse s’inscrit dans ce champ de recherche visant une meilleure compréhension de la physiopathologie et la thérapie de la maladie de Parkinson.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés au rôle respectif des trois monoamines dans la manifestation des symptômes moteurs et non moteurs ainsi que dans l’activité pathologique de trois structures majeures des ganglions de la base, le NST, la pars reticulata de la substance noire et le globus pallidus. L’ensemble de nos résultats démontre que la perturbation des trois systèmes monoaminergiques joue un rôle important à la fois dans la manifestation des troubles moteurs et non moteurs mais aussi dans l’induction de l’activité électrique pathologique des neurones au sein des ganglions de la base. Dans un second temps, nous avons étudié l’efficacité des traitements antiparkinsoniens sur les troubles moteurs et non-moteurs induits par les différentes déplétions monoaminergiques. Nos résultats montrent que quand la déplétion dopaminergique est associée à la déplétion d’une autre monoamine la SHF du NST présente une efficacité moins importante que celle lors d’une déplétion en dopamine seule. Ceci permet d’expliquer le manque d’efficacité de ce traitement chez certains patients.Enfin, comme peu d’études se sont intéressées au rôle de la noradrénaline dans la modulation de l’activité neuronale au sein des ganglions de la base, nous avons étudié les effets d’agents noradrénergiques injectés localement dans le NST sur le comportement moteur et sur l’activité électrique des neurones du NST. Nos résultats montrent que la modulation noradrénergique au niveau du NST ne dépendait pas de l’innervation dopaminergique au sein des ganglions de la base. De plus, nous avons pu mettre en évidence que les récepteurs alpha1 modulent la fréquence de décharge, tandis que les récepteurs alpha2 jouent un rôle important dans la genèse de l’activité en bouffée des neurones du NST ce qui pourrait être á l’origine des déficits moteurs.Les résultats des travaux de cette thèse ont donc permis d’apporter de nouvelles évidences sur l’implication des trois systèmes monoaminergiques dans la physiopathologie des symptômes moteurs et non moteurs, dans l’activité pathologique des ganglions de la base ainsi que dans l’efficacité des traitements antiparkinsoniens. De plus, nous avons pu montrer que les récepteurs noradrénergiques alpha sont impliqués dans le contrôle de l’activité des neurones du NST et par conséquent dans le contrôle moteur. / The loss of dopamine (DA) nigro-striatal neurons has been the pathophysiological focus of the devastating conditions of Parkinson’s disease, but depletion of DA alone in animal models has failed to simultaneously elicit both the motor and non-motor deficits of PD. There is growing evidence that additional loss of locus coeruleus noradrenaline (NA) and dorsal raphe serotonin (5-HT) neurons in PD could be involved in the clinical expression of many of the observed deficits but also on the efficiency and on the side effects of antiparkinsonian treatments, L-Dopa and High Frequency Stimulation (HFS) of the subthalamic nucleus (STN).First, we focused on the respective role of DA, NA and 5-HT systems on motor and non-motor deficits and on the pathological activity of three basal ganglia nuclei, STN, substantia nigra pars reticulata and globus pallidus. Results of the present study bring new insights into the combined roles of the three monoaminergic systems in the motor and non motor symptoms of PD and also into the pathological activity of basal ganglia nuclei.Second, we studied the involvement of DA, NA and 5-HT depletions on the efficiency of L-Dopa and HFS of STN. Our results show that when DA depletion is combined with another monoamine depletion, STN HFS is less efficient compared to the situation when DA is depleted alone. These data provide a clear explanation on the lack of efficacy of this treatment in some operated parkinsonian patients.Finally, as few studies focused on NAergic modulation of basal ganglia, we studied the effects of NAergic agents locally injected into the STN on motor behavior and also on STN neuronal activity. We show that alpha 1 NAergic receptors are implicated in the modulation of firing rate and that alpha 2 receptors play an important role in the emergence of burst activity, which could be at the origin of motor deficits.Results of this thesis provide new evidences on the involvement of the three monoaminergic systems in motor and non motor symptoms and also in the efficiency of antiparkinsonian treatments. Moreover, we show that NAergic alpha receptors are implicated in the control of STN neuronal activity and consequently in the motor control.