Les ganglions de la base (GB) forment une boucle complexe avec le cortex et le thalamus qui est impliquée dans la sélection de l’action et le contrôle du mouvement. Les activités oscillatoires synchronisées dans le réseau des GB ont été proposées comme pouvant jouer un rôle essentiel dans la coordination du flux de l’information au sein de ces circuits neuronaux. Ainsi, leur dérégulation dans le temps et l’espace pourrait devenir pathologique. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’expression anormalement élevée d’oscillations neuronales comprises dans les gammes de fréquences beta (β, 10-30 Hz) serait la cause des déficits moteurs (akinétique et bradykinétique) de cette maladie. Cependant, les réseaux neuronaux à l’origine des oscillations β et l’implication physiopathologique de celles-ci restent encore inconnus. Le noyau sous-thalamique (NST) est un carrefour anatomique des GB situé au centre de réseaux potentiellement impliqués dans l’émergence de ces états hyper-synchronisés. L’objectif de cette thèse était de déterminer le rôle causal des principales entrées du NST (i.e. le cortex moteur, le globus pallidus, et le noyau parafasciculaire du thalamus) dans le maintien et la propagation des oscillations β. Pour cela, nous avons développé des approches de manipulation optogénétique combinées à des enregistrements électrophysiologiques in vivo dans un modèle rongeur de la MP. L’ensemble de nos travaux démontre la contribution respective des différents circuits neuronaux interrogés et souligne l’importance du globus pallidus dans le contrôle de la propagation et du maintien des oscillations β dans l’ensemble de la boucle des GB. / The basal-ganglia (BG) form a complex loop with the cortex and the thalamus that is involved in action selection and movement control. Synchronized oscillatory activities in basal-ganglia neuronal circuits have been proposed to play a key role in coordinating information flow within this neuronal network. If synchronized oscillatory activities are important for normal motor function, their dysregulation in space and time could be pathological. Indeed, in Parkinson’s disease (PD), many studies have reported an abnormal increase in the expression level of neuronal oscillations contain in the beta (β) frequency range (15-30 Hz). These abnormal β oscillations have been correlated with two mains symptoms of PD: akinesia/bradykinesia. However, which BG neuronal circuits generate those abnormal β oscillations, and whether they play a causal role in PD motor dysfunction is not known. The subthalamic nucleus (STN) is a key nucleus in BG that receives converging inputs from the motor cortex, the parafascicular thalamic nucleus and the globus pallidus. Here, we used a rat model of PD combined with in vivo electrophysiological recordings and optogenetic silencing to investigate how selective manipulation of STN inputs causally influence BG network dynamic. Our data highlight the causal role of the globus pallidus in the generation and propagation mechanisms of abnormal β-oscillations.

La stimulation cérébrale profonde (SCP) est actuellement un traitement efficace pour la maladie de parkinson. Cette approche est maintenant fortement envisagée pour le traitement des addictions. Elle consiste à délivrer des impulsions électriques au sein d’une structure cérébrale : le noyau subthalamique. Nous avons montré dans le noyau subthalamique l’existence de signatures associée à la transition vers l’addiction et la prise compulsive de drogue, ainsi que le potentiel thérapeutique de la SCP pour réduire la consommation pathologique et compulsive de cocaïne chez des rats. Nous avons également montré le contrôle spécifique du noyau subthalamique sur la motivation pour la nourriture sucrée et les drogues d’abus. Dans l’ensemble, cette thèse devrait permettre une meilleure compréhension des mécanismes de la SCP, de son potentiel thérapeutique pour les addictions et de ses éventuels effets secondaires. / Deep brain stimulation (DBS) is currently one form of effective treatment for Parkinson’s disease. This approach is currently considered for the treatment of addiction. It consists in the delivery of small electric impulses inside a brain structure: the subthalamic nucleus. We have shown in the subthalamic nucleus the existence of signature associated with the transition to addiction and compulsive drug abuse, as well as the therapeutic potential of DBS to reduce pathological intake and compulsive cocaine abuse in rats. We also established the specific control exerted by the subthalamic nucleus on the motivation for sweet food and drug of abuse. Overall this thesis could allow a better understanding of the mechanisms of DBS, its therapeutic potential in addiction and possible side effects.

Dopamine agonist therapy and deep brain stimulation (DBS) are both linked to increased impulsivity in Parkinson’s disease (PD), but the underlying mechanisms remain unclear. We trained intact and PD-like rats on a rat gambling task (rGT) measuring impulsive choice and premature responding. Animals were then retested with/without treatment, pramipexole (PPX) or DBS, administered chronically prior to rGT testing. Early PD-like rats did not exhibit major differences in rGT performance or treatment response. Our work suggests that DBS and PPX are not intrinsically linked with increases in impulsivity. Neither DBS nor PPX disrupted gambling-like behaviour in our paradigm, while differential effects on premature and perseverant responding in the task were observed with treatment. Based on our findings, the previously reported ability of PPX to increase impulsive choice might not be mediated by the dopamine D3 receptor. Interestingly, our work suggests that the effects of STN-DBS on impulse control might be amplitude-dependent.

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.

Dopamine agonist therapy and deep brain stimulation (DBS) are both linked to increased impulsivity in Parkinson’s disease (PD), but the underlying mechanisms remain unclear. We trained intact and PD-like rats on a rat gambling task (rGT) measuring impulsive choice and premature responding. Animals were then retested with/without treatment, pramipexole (PPX) or DBS, administered chronically prior to rGT testing. Early PD-like rats did not exhibit major differences in rGT performance or treatment response. Our work suggests that DBS and PPX are not intrinsically linked with increases in impulsivity. Neither DBS nor PPX disrupted gambling-like behaviour in our paradigm, while differential effects on premature and perseverant responding in the task were observed with treatment. Based on our findings, the previously reported ability of PPX to increase impulsive choice might not be mediated by the dopamine D3 receptor. Interestingly, our work suggests that the effects of STN-DBS on impulse control might be amplitude-dependent.

Paradoxically enhanced cognitive processes in neurological disorders provide vital clues to understanding neural function. However, what determines whether the neurological damage is impairing or enhancing is unclear. Here we use the performance of patients with two disorders of the striatum to dissociate mechanisms underlying cognitive enhancement and impairment resulting from damage to the same system. In a two-choice decision task, Huntington\'s disease patients were faster and less error prone than controls, yet a patient with the rare condition of benign hereditary chorea (BHC) was both slower and more error prone. EEG recordings confirmed significant differences in neural processing between the groups. Analysis of a computational model revealed that the common loss of connectivity between striatal neurons in BHC and Huntington\'s disease impairs response selection, but the increased sensitivity of NMDA receptors in Huntington\'s disease potentially enhances response selection. Crucially the model shows that there is a critical threshold for increased sensitivity: below that threshold, impaired response selection results. Our data and model thus predict that specific striatal malfunctions can contribute to either impaired or enhanced selection, and provide clues to solving the paradox of how Huntington\'s disease can lead to both impaired and enhanced cognitive processes.

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.

A major challenge in the field of neuroscience is to link behavior with specific neuronal circuitries and cellular events. One way of facing this challenge is to identify unique cellular markers and thus have the ability to, through various mouse genetics tools, mimic, manipulate and control various aspects of neuronal activity to decipher their correlation to behavior. The Vesicular Glutamate Transporter 2 (VGLUT2) packages glutamate into presynaptic vesicles for axonal terminal release. In this thesis, VGLUT2 was used to specifically target cell populations within the basal ganglia of mice with the purpose of investigating its connectivity, function and involvement in behavior. The motor and limbic loops of the basal ganglia are important for processing of voluntary movement and emotions. During such physiological events, dopamine plays a central role in modulating the activity of these systems. The brain reward system is mainly formed by dopamine projections from the ventral tegmental area (VTA) to the ventral striatum. Certain dopamine neurons within the VTA exhibit the ability to co-release dopamine and glutamate. In paper I, glutamate and dopamine co-release was targeted and our results demonstrate that the absence of VGLUT2 in dopamine neurons leads to perturbations of reward consumption and reward-associated memory, probably due to reduced DA release observed in the striatum as detected by in vivo chronoamperometry. In papers II and IV, VGLUT2 in a specific subpopulation within the subthalamic nucleus (STN) was identified and targeted. Based on the described role of the STN in movement control, we hypothesized that the mice would be hyperlocomotive. As shown in paper II, this was indeed the case. In paper IV, a putative reward-related phenotype was approached and we could show reduced operant-self administration of sugar and altered dopamine release levels suggesting a role for the STN in reward processes. In paper III, we investigated and identified age- and sex-dimorphisms in dopamine kinetics in the dorsal striatum of one of the most commonly used mouse lines worldwide, the C57/Bl6J. Our results point to the importance of taking these dimorphisms into account when utilizing the C57/Bl6J strain as model for neurological and neuropsychiatric disorders.

Why is it that only some people who use drugs actually become addicted? In fact, addiction depends on a complicated process involving a confluence of risk factors related to biology, cognition, behaviour, and personality. Notably, all addictive drugs act on a neural system for reinforcement learning called the midbrain dopamine system, which projects to and regulates the brain's system for cognitive control, called frontal cortex and basal ganglia. Further, the development and expression of the dopamine system is determined in part by genetic factors that vary across individuals such that dopamine related genes are partly responsible for addiction-proneness. Taken together, these observations suggest that the cognitive and behavioral impairments associated with substance abuse result from the impact of disrupted dopamine signals on frontal brain areas involved in cognitive control: By acting on the abnormal reinforcement learning system of the genetically vulnerable, addictive drugs hijack the control system to reinforce maladaptive drug-taking behaviors. The goal of this research was to investigate this hypothesis by conducting a series of experiments that assayed the integrity of the dopamine system and its neural targets involved in cognitive control and decision making in young adults using a combination of electrophysiological, behavioral, and genetic assays together with surveys of substance use and personality. First, this research demonstrated that substance dependent individuals produce an abnormal Reward-positivity, an electrophysiological measure of a cortical mechanism for dopamine-dependent reward processing and cognitive control, and behaved abnormally on a decision making task that is diagnostic of dopamine dysfunction. Second, several dopamine-related neural pathways underlying individual differences in substance dependence were identified and modeled, providing a theoretical framework for bridging the gap between genes and behavior in drug addiction. Third, the neural mechanisms that underlie individual differences in decision making function and dysfunction were identified, revealing possible risk factors in the decision making system. In sum, these results illustrate how future interventions might be individually tailored for specific genetic, cognitive and personality profiles. / Graduate

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