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.

Titre de l'écran-titre (visionné le 16 août 2023) / Certaines caractéristiques de la larve de poisson-zèbre, telles que sa petite taille et sa transparence optique, en font un modèle stratégique en neurophotonique, en particulier avec la perspective d'études de l'activité du cerveau entier à l'échelle cellulaire. Malgré le relativement petit nombre de neurones présents dans le cerveau du poisson-zèbre, son organisation comprend plusieurs régions anatomiquement, biochimiquement et fonctionnellement analogues à celles présentes chez d'autres vertébrés, incluant l'humain. Les comportements émergeant de cette organisation forment un registre riche ouvrant la porte à la recherche en neurosciences. Par exemple, le système dopaminergique du poisson-zèbre régule plusieurs fonctions analogues chez l'humain, telles que les émotions et les fonctions motrices. Au cours de mon projet, j'ai modifié puis optimisé un microscope à fluorescence par excitation à deux photons, ce qui m'a permis de mesurer l'activité de plus de 60 000 neurones dans une lignée de poisson-zèbre transgénique exprimant un indicateur de calcium fluorescent (GCaMP6s) panneuronal. Pour identifier les neurones dopaminergiques, j'ai fait appel au marquage immunohistochimique des larves fixées suivant leur imagerie calcique. En projetant la localisation des neurones marqués sur les données fonctionnelles par recalage d'images, j'ai pu quantifier l'activité neuronale de la population dopaminergique. Enfin, pour mesurer les manifestations comportementales correspondant à l'activité neuronale, j'ai intégré au microscope un montage incluant un écran, projetant des stimuli visuels, et une caméra haute vitesse, captant les battements de queue. Ce montage a permis de corréler le comportement de nage de spécimens avec l'activité de neurones dont la distribution spatiale est cohérente avec la littérature. Mes travaux de maîtrise ont ainsi mis en place un modèle intégré d'imagerie neuronale, de stimulation sensorielle, et de comportement chez la larve de poisson-zèbre qui permettra d'explorer le rôle des différents circuits neuronaux dans le fonctionnement du cerveau ainsi que l'influence de l'exposome sur leur fonction.

Ce manuscrit détaille la stratégie utilisée par nos laboratoires pour identifier de nouvelles molécules neuroprotectrices pour le traitement curatif de la maladie de Parkinson (MP). La MP est une maladie neurodégénérative caractérisée par des symptômes moteurs invalidants qui résultent de la dégénérescence des neurones dopaminergiques (DA) des noyaux gris centraux. Précédemment, nos laboratoires ont synthétisé et identifié au cours d’un criblage 3 molécules chefs de file qui possèdent un effet neurotrophique sur les neurones DA embryonnaires. Des études préliminaires d’ADMEtox nous ont permis de sélectionner la molécule SF41, un dérivé 6-aminoquinoxaline, pour une première évaluation de l’effet neuroprotecteur in vivo de nos molécules. En effet, cette molécule est bien tolérée chez l’animal et, administrée par voie orale, elle est capable de traverser la BHE. SF41 a montré un faible effet protecteur vis-à-vis des fibres DA dans un modèle animal de la MP. Dans le but d’augmenter l’activité neurotrophique de cette molécule, une 50ène de dérivés de seconde génération ont été synthètisés et criblés in vitro dans un modèle de mort spontanée des neurones DA. Ce criblage nous a permis d’identifier 5 molécules lead plus puisssantes et efficaces que SF41. Ces molécules, qui possédent les mêmes propriétés physico-chimiques que SF41, pourraient également atteindre le système nerveux central et ainsi conduire à un effet neuroprotecteur marqué dans un modèle animal de la MP. De plus, ces molécules possèdent un profil pharmacologique intéressant car elles sont capables d’empêcher la mise en place de mécanismes qui peuvent potentiellement contribuer à la mort des neurones DA dans la MP (stress oxydant, stress médié par les astrocytes, dyshoméostasie calcique, stress médié par la diminution en facteur trophique…). Une étude préliminaire avec la molécule PAQ, l’une de ces 5 molécules, a permis d’obtenir un effet neuroprotecteur dans un modèle in vivo de la MP qui semble supérieur à celui de la molécule SF41. Ces résultats encourageants nous donnent bon espoir d’obtenir la preuve de concept de l’activité neuroprotectrice de nos dérivés 6-aminoquinoxaline. / This manuscript describes the strategy used by our laboratories to identify new neuroprotective molecules for the therapy of Parkinson disease (PD). PD is a neurodegenerative disease characterized by disabling motor symptoms resulting from the degeneration of dopaminergic (DA) neurons of the basal ganglia. Previously, our laboratories have synthesized and identified in a screening 3 lead compound which exhibited a neurotrophic effect on embryonic midbrain DA neurons. Preliminary ADMEtox studies allowed us to select the molecule SF41, a 6-aminoquinoxaline derivative, for a first in vivo evaluation of the neuroprotective effect of our molecules in an animal model of PD. Indeed, SF41 is well tolerated in animals and is able of crossing the BBB after oral treatment. SF41 showed a weak protective effect on DA fibers in an animal model of PD.In order to increase the neurotrophic activity of this molecule, around fifty second generation derivatives were synthesized and screened in vitro in a model of spontaneous death of DA neurons. This screening allowed us to identify five lead compounds more powerful and effective than SF41. These molecules, which possess the same physico-chemical properties that SF41, could also reach the central nervous system and lead to a marked neuroprotective effect in an animal model of PD. In addition, these molecules have an interesting pharmacological profile because they are able to prevent the establishment of mechanisms that can potentially contribute to the death of DA neurons in PD (oxidative stress, stress mediated by astrocytes, calcium dyshomeostasis, stress mediated by trophic factor deprivation...).A preliminary study with the molecule PAQ, one of these five molecules, yielded a neuroprotective effect in animal model of PD that seems higher than with SF41. These encouraging results give us hope to achieve proof of concept of the neuroprotective activity of our 6-aminoquinoxaline derivatives.

Thèse (Ph.D.) -- Université Laval, 1997. / Bibliogr.: f. 225-294. Publié aussi en version électronique.

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La nicotine est considérée comme étant la « molécule » addictogène de la cigarette et du tabac. Mais différentes études cliniques, utilisant notamment des substituts nicotiniques, débouchent pratiquement toutes sur une même conclusion : efficacité ne dépassant que de peu celle d’un placebo, et très limitée dans le temps, contrastant avec le pouvoir hautement addictif du tabac, qu'il soit chiqué, prisé ou fumé. Dans ce travail de thèse, nous avons essayé de mettre en évidence le rôle que pourraient avoir certains des autres composés présents dans le tabac ou produits par pyrolyse. Nous avons d’abord utilisé des extraits aqueux de fumée et de tabac pour approcher un aspect global de ce que les fumeurs absorbent chaque fois qu’ils fument une cigarette, nous rapprochant ainsi des conditions physiologiques du fumeur. Puis nous avons choisi un certain nombre de substances. La cotinine, métabolite de la nicotine. L’harmane, une ß-carboline, synthétisée au cours de la combustion et dans l’organisme des fumeurs. La norharmane, une ß-carboline, présente en partie dans le tabac et synthétisée dans la fumée par pyrolyse. La technique utilisée tout au long de ce travail est l’enregistrement électrophysiologique. Cette technique s’applique très bien à l’étude in vivo de différents systèmes neuronaux y compris le système dopaminergique. Nous l’avons utilisée chez le rat, la souris WT et la souris Knockout ß2 (ß2KO). Nous nous sommes intéressés à deux aspects de l’activité cellulaire des neurones dopaminergiques de l’aire tegmentale ventrale : la fréquence de décharge (le firing) et les bouffées (bursts). En parallèle, nous avons conduit des expériences de liaison (binding) sur des cultures de cellules exprimant le récepteur nicotinique α4ß2. Nos résultats les plus significatifs ont montré que : Les bursts sont le plus souvent absents après les injections d’extraits de tabac et de fumée. Cela pourrait, entre autres, impliquer qu’il existe dans le tabac et la fumée des composés autres que la nicotine qui bloquent les effets de la nicotine sur les bursts. Les effets des extraits de tabac et de fumée sur le firing et les bursts ne sont plus présents chez les souris ß2 KO, ce qui implique que l’ensemble des composés du tabac agit essentiellement sur les récepteurs nicotiniques porteurs de la chaine ß2, même si des hypothèses alternatives existent. L’harmane a des effets activateurs très puissants sur le firing des neurones dopaminergiques, et ces effets sont bloqués à 80% par la mécamylamine, ce qui démontre qu’un des principaux composés du tabac et de la fumée autre que la nicotine agit par un mécanisme essentiellement nicotinique. Les expériences de binding confirment que les effets du tabac et de la fumée impliquent les récepteurs nicotiniques d’une façon majeure, mais d’une façon qui diffère légèrement de celle de la nicotine.Les résultats que nous avons obtenus montrent que les effets pharmacologiques du tabac ne se résument pas à ceux de la seule nicotine. Ils peuvent constituer un point de départ pour d’autres travaux, notamment pour étudier de plus près les effets des ß-carbolines. Il est nécessaire d’identifier les types de récepteurs sur lesquels elles se fixent, en utilisant des agonistes et antagonistes de récepteurs aux neurotransmetteurs contrôlant l’activité des neurones dopaminergiques. Des expériences sur des souris transgéniques chez lesquelles différents types de sous-unités de récepteurs nicotiniques ont été supprimés doivent également être envisagées, pour déterminer les mécanismes d’action des composants autres que la nicotine contenus dans le tabac et sa fumée sur les neurones dopaminergiques / Nicotine is generally considered as the sole tobacco addictive compound. However, nicotine replacement therapy studies almost all end with the same conclusion: the effectiveness of nicotine replacement is very limited on the short-term, and hardly exceeds that of placebo on the long-term. In addition, studies dealing with the effects of denicotinized cigarettes have provided evidence that these cigarettes have an addictive potential. In the present work, we tried to determine the behavioral role of some tobacco or smoke compounds other than nicotine at the neuronal level. We first compared the effects of nicotine with those of whole tobacco and smoke extracts, given that these preparations closer mimic the smoking situation than nicotine alone. We then examined the effects of a number of selected tobacco or smoke compounds. Cotinine, a major nicotine metabolite. Harmane and norharmane, two ß-carbolines synthesized in smoke as well as in the body of smokers. The technique used consists in the in vivo recording of the firing rate and bursts of dopamine neurons in the ventral tegmental area after intravenous injections of compounds in rats and mice. This electrophysiological technique is known to be a useful way to investigate the properties of selected compounds. In the case of mice, we used wild type and ß2 KO mice. We also made a series of in vitro experiments investigating the binding properties of the compounds on cells expressing high densities of α4ß2 nicotinic receptors. The main results of our studies are the following: Bursts are absent most of the times after the injection of the extracts. These results suggest that tobacco and smoke extracts contain compounds that inhibit the burst-promoting effects of nicotine. Increased firing is no longer present in ß2 KO mice treated with tobacco or smoke extracts, indicating that tobacco and smoke components, as a whole, primarily acts on nicotinic receptors that carry the ß2 chain, although alternative hypotheses may exist. Harmane very strongly activates the firing of dopaminergic neurons. Up to 80% of this effect is blocked by mecamylamine, demonstrating that that a major component of tobacco and smoke other than nicotine acts primarily through a nicotinic mechanism. The binding experiments confirm that the effects of tobacco and smoke involve nicotinic receptors in a major way, but in a way that slightly differs from that of nicotine. Our results may constitute a new starting point for further work, especially for a closer look at the effects of ß-carbolines. Attempts to identify the types of receptors involved in these effects are needed, using agonists and antagonists of neurotransmitter receptors that control the activity of dopamine neurons. Experiments on transgenic mice with deletion of different types of subunits of nicotinic receptors should also be made, to determine the different mechanisms of action of tobacco and smoke compounds other than nicotine on dopaminergic neurons

Mes travaux de thèse se sont axés sur deux thématiques. Elles ont en commun un possible dysfonctionnement de la transmission dopaminergique. La première visait à étudier l’implication de la dopamine dans les troubles de la régulation veille/sommeil se produisant dans la maladie de Parkinson en utilisant le modèle de référence de cette pathologie, le primate non-humain (PNH) intoxiqué au 1-methyl-4-phenyl-1, 2, 3, 6-tetrahydropyridine (MPTP). Pour y parvenir, nous avons utilisé un système télémétrique totalement implantable autorisant des enregistrements électroencéphalographiques, électrooculographiques et électromyographiques de longue durée chez des animaux libres de leurs mouvements. L’induction d’un syndrome parkinsonien a eu pour conséquence une totale dérégulation de l’architecture des cycles veille/sommeil persistant durant des années après les injections de MPTP. La somnolence diurne excessive et la dérégulation du sommeil paradoxal sont les signes les plus marquants de l’intoxication au MPTP et apparaissent avant l’émergence des signes moteurs. Ces dérégulations précoces sont concomitantes d’une perturbation profonde de l’homéostasie dopaminergique qui se rétablit partiellement sur le long cours grâce à des mécanismes compensatoires au sein du système dopaminergique. L’ensemble étant responsable d’une réapparition partielle du sommeil paradoxal ainsi qu’une diminution de la somnolence diurne, parallèlement à la récupération motrice. En conclusion, ces résultats soulignent la validité du modèle du primate non-humain intoxiqué au MPTP pour la modélisation des troubles du sommeil de la maladie de Parkinson. Il permettra in fine de comprendre le rôle de la déplétion dopaminergique et, au-delà, de l’intervention des autres systèmes de neurotransmission dans la physiopathologie de ces troubles. La seconde partie de ma thèse a été consacrée à l’étude anatomo-fonctionnelle de la voie dopaminergique diencéphalospinale (groupe A11) chez le PNH. En effet, si cette voie semble impliquée dans les processus sensori-moteurs et son dysfonctionnement supposé dans de nombreuses pathologies, son organisation anatomique reste méconnue, à la fois chez l’homme et le PNH. L’hybridation in situ réalisée au niveau médullaire a révélé que le sous-type de récepteur dopaminergique D1 est absent alors que les récepteurs D2 et D5 sont exprimés au niveau des cornes dorsales et les récepteurs D3 dans l’ensemble de la substance grise. Des injections unilatérales du traceur rétrograde FluoroGold au niveau de la moelle cervicale ont quasi-exclusivement marqué les neurones hypothalamiques du groupe A11 parmi l’ensemble des régions dopaminergiques. Des analyses détaillées de ces neurones par immunohistochimie indiquent qu’ils sont positifs pour la tyrosine hydroxylase et négatifs pour la dopa-décarboxylase et le transporteur à la dopamine, suggérant un noyau de nature « L-Dopaergique ». Cependant, une intoxication au MPTP conduisant au développement d’un syndrome Parkinsonien a induit une perte de 50% des neurones de l’aire A11. En conclusion, la voie diencéphalospinale serait la source majeure de L-dopa dans la moelle épinière du PNH où elle jouerait un rôle dans la modulation de l’intégration sensori-motrice principalement au travers des récepteurs D2 et D3 soit directement, soit indirectement par conversion de la L-dopa en dopamine au niveau des cellules médullaires monoenzymatiques pour la dopa-décarboxylase. La remarquable correspondance anatomique entre l’homme et le PNH renforce la pertinence de cette espèce pour l’étude de la physiologie des circuiteries dopaminergiques hypothalamiques et des conséquences fonctionnelles de leurs dysfonctionnements. / My thesis work was based on two topics bridged by a common dopaminergic neurotransmission dysfunction. The first one aimed to investigate the role of dopaminergic denervation in the pathophysiology of the sleep-wake disorders that occur in Parkinson’s disease (PD) by using the gold-standard model of parkinsonism, the 1-methyl-4-phenyl-1, 2, 3, 6-tetrahydropyridine (MPTP)-treated non-human primate (NHP) model. To this end, we performed long-term continuous electroencephalographic monitoring of vigilance states in unrestrained rhesus monkeys using a completely implanted miniaturized telemetry device and tested the effect of MPTP intoxication on their sleep-wake organization. MPTP injection yielded a dramatic disruption of sleep-wake architecture with reduced sleep efficacy that persisted years after MPTP administration. Primary deregulation of REM sleep and increased daytime sleepiness occurring before the emergence of motor symptoms were the most striking features of the MPTP administration. This was concomitant with a breakdown of the dopaminergic homeostasis, as evidenced by a decreased dopamine turnover measured after a single MPTP injection. In the long term, partial reemergence of REM sleep and resolution of excessive daytime sleepiness paralleled the partial adaptation to parkinsonism, the latter being known to result from compensatory mechanisms within the dopaminergic system. Altogether, these findings highlight the suitability of the MPTP model of PD as a valid tool to model the sleep/wake disturbances of the human disease. Ultimately, this may help in deciphering the specific role of dopamine depletion and the different interventions of other neurotransmitters in the occurrence of these disorders. The second part of my thesis was dedicated to an anatomical study of the diencephalospinal pathway (A11 cell group) in the NHP. This pathway is thought to be involved in sensorimotor integration and, when disrupted, in some pathological conditions such as PD or Restless Legs Syndrome. However, its anatomical organization is almost unknown both in human and NHP. In situ hybridization of dopamine receptors showed that D1 receptor mRNA is absent while D2 and D5 receptor mRNAs are expressed in the dorsal horn and D3 receptor mRNA in both the dorsal and ventral horns. Unilateral injections of the retrograde tracer FluoroGold (FG) into the cervical spinal enlargement labeled A11 neurons quasi-exclusively among all others dopamine areas. Detailed immunohistochemical analysis showed that these FG-labeled A11 neurons are tyrosine hydroxylase-positive and dopa-decarboxylase and dopamine transporter-negative, suggestive of a L-DOPAergic group. Nevertheless, MPTP intoxication with subsequent development of a parkinsonian syndrome produced a 50% neuronal cell loss in the A11 group. In conclusion, the diencephalic A11 area could be the major source of L-DOPA in the NHP spinal cord, where it may play a role in the modulation of sensorimotor processes through D2 and D3 receptors either directly or indirectly via dopamine formation in spinal monoenzymatic dopa-decarboxylase cells.

L'un des aspects les plus problématiques de l’addiction est la vulnérabilité à la rechute qui persiste même longtemps après la disparition des symptômes de sevrage. Les modèles rongeurs d'auto-administration (AA) démontrent que la réexposition à la drogue, les stimuli associés à la drogue ou le stress sont des déclencheurs majeurs de la rechute. Bien que les différentes catégories de drogues varient dans leurs mécanismes pharmacologiques primaires, elles partagent toutes un effet aigu d'augmentation des niveaux de dopamine (DA) dans le striatum. Après une utilisation répétée, les propriétés addictives des psychostimulants tels que la cocaïne (COC) sont sous-tendues par la mise en place de neuroadaptations persistantes dans le système DA (SDA) mésocorticolimbique. Le striatum est une cible majeure du SDA et, dans cette région, la DA agit sur deux familles de récepteurs (D1R et D2R) séparées positionnées sur les neurones épineux moyens (NEM) et donnant naissance à deux voies de sorties striatales différenciées et ayant des rôles différents dans l’addiction.Des travaux antérieurs dans notre équipe ont montré une implication différentielle de ces deux sous-types de récepteurs DA sur le rétablissement du comportement de recherche de COC. Alors que l'administration systémique d'un agoniste D2R induisait de puissants effets de rétablissement de recherche de cocaïne sur des rats entraînés à s'autoadministrer de la COC, l'administration systémique de l'agoniste D1R n’avait aucun effet (Dias et al, 2003).Les sous-régions ventrale (noyau accumbens) et dorsale du striatum (caudate putamen) sont modulées par l’innervation dopaminergique du mésencéphale ventral (VTA, substance noire) et la plasticité induite par la cocaïne dans ces circuits est supposée sous-tendre plusieurs aspects du comportement de recherche de drogue (Pierce and Vanderschuren, 2010). C’est pourquoi la première section de ce travail comprend une description de trois expériences réalisées dans le but d'étudier la participation des récepteurs DA du striatum au niveau ventral et dorsal à la réinstallation du comportement de recherche de cocaïne. / For many, drug taking may continue on an occasional basis for a long time; however, some individuals lose control of their drug use and are unable to stop. The transition from casual use to addiction is accompanied by drug-induced changes in the brain, followed by associated changes in behavioral functions. One of the most problematic aspects of addiction is the enduring vulnerability to relapse that persists even long after withdrawal symptoms have abated. Rodent models of drug self-administration (SA) show that re-exposure to the drug itself, drug associated cues or stress are major triggers of relapse. While different classes of drugs vary in their primary pharmacological mechanisms, they all share an acute effect of raising dopamine (DA) levels in the striatum. Following repeated use, the addictive properties of psychostimulants such as cocaine (COC) are believed to take place through the induction of neuroadaptations within the mesocorticolimbic DA system.The striatum is a major target of the DA system, where DA acts on two families of metabotropic receptors (D1-like or D2-like) that are segregated into two pathways of medium spiny neurons (MSNs) and have different roles in addiction and relapse. For instance, while systemic D2 receptor (D2R) stimulation induces reinstatement of COC seeking in rats, D1 receptor (D1R) stimulation does not. DA signaling in the nucleus accumbens (NAcc) responds to rewarding and aversive stimuli; in turn, the dorsolateral striatum (DLS) plays a key role in the transition to compulsive use, and the habitual aspects of drug-seeking after prolonged drug SA. Despite several works examining their role in relapse, the results remain somewhat unclear. Given their critical but differential involvement in COC seeking, here we investigated the role of D1R and D2R receptors of the NAcc and DLS in relapse, employing pharmacological manipulations, as well as assessing their protein expression using an animal model of COC SA. Our results showed a double dissociation between the actions of both DA receptors (DARs) in the striatum. Pharmacological activation of the D1R, but not D2R of the NAcc induces reinstatement of COC seeking, whereas the same effect is triggered by the activation of D2R, but not D1R of the DLS. Also, the reinstating effects of the systemic D2R stimulation is blocked by D1R or D2R antagonists injected into the NAcc or D1R antagonist into the DLS, while being blunted by the D2R inhibition in the DLS. These results convey an interaction between both receptor subtypes, likely relying on ascending spiraling connections associating the ventral and the dorsal striatum through midbrain-reaching loops. Finally, we found the reinstatement of COC seeking elicited by D1R or D2R agonists in either region is not due to changes in DAr expression.These results enticed us to examine the behavioral mechanisms underpinning reinstating behavior. Though initially goal-directed, COC seeking is argued to become habitual after extended training. This progression is believed to initially elicit functional changes within the NAcc, and gradually hijack the circuitry of the dorsal striatum. The activation of D1R in the NAcc and D2R in the DLS has been associated with the processing of rewarding properties and habitual responding for drugs, respectively. Therefore, we aimed to assess whether the reinstatement of COC seeking triggered by the D2R stimulation within the DLS would involve incentive motivational or reinforcing processes likely underlying those induced by the D1R stimulation within the NAcc. Also, we aimed to assess whether the D1R stimulation within the NAcc involves the overtaking of the behavioral control by habitual stimulus-response mechanisms which may be involved in the reinstatement of drug-seeking after the D2R stimulation in the DLS.

Les neurones dopaminergiques (DAergiques) de l’aire tegmentaire ventrale (ATV) et de la substance noire compacte (SNc) sont impliqués dans de nombreuses fonctions physiologiques telles que la motivation, la récompense, l’apprentissage ou encore le contrôle du mouvement volontaire. Ces neurones sont également connus pour être perturbés dans plusieurs grandes maladies du cerveau telles que la schizophrénie, les maladies associées aux drogues d’abus ou dans la maladie de Parkinson. Des études in vivo ont démontré que la structure des terminaisons axonales DAergiques pouvait être de type « synaptique » et « non-synaptique ». Ces terminaisons dites « non-synaptiques », dépourvues de toute apposition avec un domaine membranaire postsynaptique, semblent représenter la grande majorité des terminaisons axonales établies par les neurones DAergiques. De façon intéressante, certaines des terminaisons synaptiques ont quant à elles, la capacité de co-libérer du glutamate ou du GABA. D’une façon générale, la formation et le maintien des synapses fait intervenir des protéines d’adhésion cellulaire dont les plus courantes sont les neurexines (Nrxn) et les neuroligines (Nlgn). Au niveau présynaptique, ces molécules d’adhésion interagissent avec des protéines de la zone active qui sont impliquées dans la régulation de l’exocytose. Parmi elles, on retrouve RIM1/2, Piccolo/Bassoon, ELKS ou encore Munc-13. Du côté postsynaptique, ces protéines d’adhésion cellulaire interagissent directement avec les protéines d’échafaudages telles que PSD95 ou Géphyrine. Mes travaux de doctorat ont consisté dans un premier temps à caractériser de façon exhaustive les terminaisons axonales établies par les neurones DAergiques. La proportion et la structure moléculaire des terminaisons synaptiques et non-synaptiques ont ainsi été évaluées. Dans un premier article, via l’utilisation d’un système in vitro, nous avons démontré qu’une minorité des terminaisons DAergiques (20%) était de nature synaptique, une proportion totalement différente lorsque comparée avec les neurones glutamatergique ou GABAergiques, dont les terminaisons synaptiques sont très fortement majoritaires (80%). De façon intéressante, la protéine de ZA Bassoon a été retrouvée majoritairement au sein des terminaisons synaptiques suggérant une différence de structure avec les terminaisons non-synaptiques. Finalement, au niveau du mécanisme de formation des synapses, nous avons mis en évidence que la surexpression de la protéine présynaptique Nrxn-1SS4- dans les neurones DAergiques permet d’augmenter la proportion de terminaisons synaptiques alors que la surexpression de la Nlgn-1AB est, quant à elle, capable d’induire une différentiation présynaptique DAergique. Dans un second article, nous avons voulu investiguer plus en détails le rôle des Nrxn dans la synaptogénèse DAergique. Pour ce faire, nous avons pris avantage d’un modèle animal totalement inédit mais absolument fascinant où nous avons évalué l’impact d’une délétion conditionnelle de l’ensemble des Nrxn sur la connectivité DAergique. Dans cette étude nous avons démontré que la densité de synapses excitatrices et inhibitrices établies par les neurones DAergiques n’était pas affectée chez les souris DAT::NrxnsKO et ce en comparaison des animaux de souche sauvage. Dans un deuxième temps, via des enregistrements électrophysiologiques, nous avons évalué la neurotransmission excitatrice et inhibitrice établie par les neurones DAergiques. Les résultats n’ont pas révélé de changement dans la neurotransmission excitatrice mais ont curieusement révélé un renforcement de l’activité synaptique inhibitrice chez les animaux Nrxn DAT::NrxnsKO et ce par rapport aux animaux du groupe contrôle. Finalement, via la mise en place de tests comportementaux, nous avons pu observer que les animaux DAT::NrxnsKO avaient une capacité d’apprentissage et de locomotion identique aux animaux de souche sauvage, cependant, une stimulation pharmacologique du système DAergique par l’amphétamine a révélé d’une diminution significative de la locomotion chez les souris DAT::NrxnsKO, pouvant refléter une baisse de la neurotransmission DAergique en condition non physiologique. Ces travaux de doctorat amènent pour la première fois une nouvelle vision sur la capacité des neurones DAergiques à établir une arborisation axonale majoritairement non-synaptique. Cette thèse démontre que les neurones DA du mésencéphale ont un programme intrinsèque de développement de leur arborisation axonale qui est différent des neurones GABAergiques du striatum et glutamatergiques du cortex. Aussi, au travers de ces travaux, nous montrons clairement que des protéines aussi fondamentales que les Nrxn et les Nlgn ont un impact limité dans la formation, le maintien et le fonctionnement des synapses établies par les neurones DAergiques. / Dopamine (DA) neurons from the substantia nigra compacta (SNc) and ventral tegmental area (VTA) are key players of the neuronal circuitry regulating movement initiation, reward and learning. Their functioning and survival are also perturbed in diseases such as schizophrenia, drug abuse and Parkinson’s. The axonal connectivity of DA neurons is particularly intriguing due to the hyperdense nature of the axonal arbor of these neurons, containing a very large number of neurotransmitter release sites. Ultrastructural examination of the axon terminals established by DA neurons failed to identify a tight pre- and postsynaptic coupling at most of release sites, giving rise to the concept of non-synaptic terminals and “diffuse” or volume transmission. Furthermore, it is now well established that a subset of terminals established by DA terminals has the capacity to release other neurotransmitters such a glutamate and GABA. A large literature implicates trans-synaptic proteins including neurexins (Nrxns) and neuroligins (Nlgns) in the development of synaptic contacts. In the presynaptic compartment, these cell adhesion molecules interact with active zone proteins like RIM1/2, Bassoon, ELKS and Munc-13 involved in regulating exocytosis. In the postsynaptic compartment, these cell adhesion molecules closely interact with scaffolding proteins like PSD95 or Gephyrin. In this thesis work, we first performed an exhaustive characterization of axon terminals established by DA neurons in primary co-culture system. We evaluated the proportion and the molecular structure of synaptic and non-synaptic terminals established by VTA and SNc DA neurons. In our first article, using and efficient in vitro system, we demonstrated that DA neurons develop a small proportion of synaptic terminals that is strikingly lower compared to glutamatergic and GABAergic neurons. Interestingly, we discovered that the active zone protein Bassoon is mainly expressed in DA terminals that are in contact or in close proximity to a target cell, and less expressed in non-synaptic DA terminals. Finally, we found that overexpression of Nrxn-1SS4- in DA neurons leads to an increase in the proportion of synapses whereas, overexpression of Nlgn-1A+B is able to trigger a DA presynaptic differentiation of DA neurons, suggesting a key role for these transsynaptic proteins in synapse formation by DA neurons. In a second article, we studied more globally the role of Nrxns proteins in the formation of synapses by DA neurons. We took advantage of a recently introduced triple conditional Nrxn mouse line to selectively delete Nrxns in DA neurons and examine the impact of this gene inactivation on the connectivity of DA neurons. In this part we demonstrated that the density of excitatory and inhibitory synapses density established by DA neurons is not affected by the deletion of all Nrxns, in comparison to the wild type group and does not impair the basic development and axonal connectivity of DA neurons at least, in vitro. In a second set of experiments, using patch-clamp recordings, we evaluated the function of excitatory and inhibitory synapses established by DA neurons in the striatum. GABA and glutamate synaptic currents evoked in the striatal medium spiny neurons by optogenetic stimulation of DA neuron axons revealed that glutamate release was unchanged, but identified a strong tendency for enhanced GABA co-release. Furthermore, using fast scan cyclic voltammetry, we found that the loss of Nrxns was associated with impaired DA transmission in the brain of adult mice, revealed by a reduced rate of DA reuptake after electrically-evoked DA release and with impaired amphetamine-induced locomotion. With this thesis, we bring a new perspective on the capacity of DA neurons to develop an axonal arborization that is mainly non-synaptic. With this work, we provide strong evidence arguing that mesencephalic DA neurons are endowed with an intrinsic developmental program leading them to develop an axonal connectivity that is very different from striatal GABA neurons or cortical glutamate neurons. Ours findings suggest that although Nrxns and Nlgns are unlikely to be the main determinants of on the formation of synapses by DA neurons, that are likely to act as key regulators of DA and GABA signaling by these.

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.