La sérotonine (5-hydroxytryptamine, 5-HT) est présente dans toutes les principales régions du cerveau et ce neurotransmetteur joue un rôle important dans une kyrielle de tâches cognitives et comportementales. Parmi les structures densément innervées par la 5-HT, on retrouve les ganglions de la base. Bien que l'on sache comment les axones à 5-HT innervent les ganglions de la base chez l'animal, ce sujet n'a fait l'objet d'aucune étude détaillée chez l'humain. Nous avons donc tenté de dégager le patron d'innervation à 5-HT des ganglion de la base chez l'homme. L'innervation de ces structures est très hétérogène; le noyau caudé est peu innervé comparativement au putamen et au pallidum, alors que le noyau sous-thalamique affiche un gradient décroissant le long de l'axe médiolatéral. La présente étude nous a permis de présenter une image très précise du patron de l'innervation à 5-HT des ganglions de la base chez l'homme.

Les ganglions de la base (GB) sont un ensemble de structures sous-corticales qui régulent le comportement psychomoteur. Le striatum (STR) constitue la principale structure intégratrice des ganglions de la base. Il contient des neurones de projection (MSN), dont une moitié exprime le récepteur dopaminergique D₁ et l'autre moitié exprime D₂. Le modèle anatomique des GB repose sur la ségrégation des projections axonales efférentes du striatum en voie directe et en voie indirecte. Selon ce schème organisationnel, la voie directe est constituée de MSN D₁ exprimant substance P (SP) et dynorphine (DYN) dont l'axone cible le noyau entopédonculaire (ENT) et la substance noire réticulée (SNr). Les MSN D₂ sont à l'origine de la voie indirecte, expriment l'enképhaline (ENK) et ciblent le globus pallidus(GP). Des reconstructions axonales unitaires ont toutefois démontré qu'un même axone de MSN puisse projeter dans toutes les structures cibles du STR. Ces résultats vont à l'encontre du modèle binaire et suggèrent que les voies directe et indirecte ne soient pas aussi ségréguées que ce que le modèle laisse présager. Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire visent à quantifier le degré de collatéralisation axonale des MSN D₁ et D₂ dans les différentes cibles du STR, ainsi qu'à élucider la distribution neuropeptidique au sein de ces axones striatofuges, et ce, chez la souris. L'hypothèse proposée implique que l'axone d'un même MSN D₁ ou D₂ puisse se projeter dans les trois cibles du STR via un jeu complexe de collatérales axonales, mais que son contenu neuropeptidique puisse être libéré différentiellement dans ces structures cibles. Les résultats obtenus indiquent que, bien que la grande majorité des MSN D₁ ou D₂ possèdent des collatérales axonales dans toutes les cibles, les axones D₁ ne libèrent de la DYN que dans l'ENT et la SNr, alors que les axones D₂ ne libèrent leur ENK que dans le GP. Ces résultats mettent en doute la validité du modèle binaire de l'organisation anatomique et fonctionnelle des GB et exposent un substratum morphologique pouvant expliquer la neuroplasticité adaptative qui caractérise ces structures sous-corticales. / The basal ganglia (BG) consist of a set of subcortical structures that regulate psychomotor behaviour. The striatum (STR) constitutes the main integrative structure of the BG. It is mostly composed of GABAergic medium spiny projection neurons (MSNs), of which one half expresses the dopamine receptor D₁ and the other half expresses D₂. The anatomical model of the BG, commonly used to explain the functioning of these subcortical structures, is based on the segregation of efferent axon projections from the STR into a direct pathway and an indirect pathway. According to this organizational scheme, the direct pathway is composed of D₁ MSNs expressing the neuropeptides substance P (SP) and dynorphin (DYN) whose axon directly targets the outputs of the BG - the entopeduncular nucleus (ENT) and the substantia nigra pars reticulata (SNr). D₂ MSNs give rise to the indirect pathway, express enkephalin (ENK) and target the globus pallidus (GP). Single-cell axon reconstructions have however shown that single MSN striatofugal axons project to all target structures of the STR (GP, ENT, SNr). These results are at odds with the binary model and rather suggest that the direct and indirect pathways are not as segregated as this model lets on. The research works presented in this thesis aim to quantify the degree of axonal collateralization of D₁ and D₂ MSNs projecting to the different target structures of the STR, and to elucidate the neuropeptide distribution within these striatofugal axons, in mice. The proposed hypothesis implies that the axon of a single D₁ or D₂ MSN projects to all STR targets through a complex set of axon collaterals, while its neuropeptide contents are released differentially into these target structures. Our data indicate that, while the vast majority of D₁ or D₂ MSNs possess axon collaterals that innervate all targets, D₁ axons release DYN only in the ENT and SNr, and D₂ axons release ENK only in the GP. These results challenge the validity of the binary model of the anatomical and functional organization of the BG and expose a morphological substratum that may explain the adaptive neuroplasticity that characterizes these subcortical structures.

Les ganglions de la base (GB) sont formés de structures sous-corticales essentielles à un comportement psychomoteur normal. Le dérèglement d’une seule de ces composantes provoque un comportement moteur inadapté qui peut être très handicapant. La maladie de Parkinson est la pathologie neurodégénérative la plus fréquente affectant les GB. Elle est principalement caractérisée par la dégénérescence progressive des neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire pars compacta provoquant l’apparition de symptômes moteurs tels que la bradykinésie, la rigidité musculaire et le tremblement au repos. Cependant, le bouleversement majeur de l’innervation DA des GB conduit également à plusieurs autres changements neuroadaptatifs et compensatoires. Les travaux de recherche décrits dans cette thèse traitent de plusieurs de ces changements qui affectent la microcircuiterie des ganglions de la base et qui se produisent en marge de la perte massive des neurones DA. Tout d’abord, une étude portant sur l’innervation à sérotonine (5-HT) des ganglions de la base en condition normale et effectuée à partir de cerveaux post-mortem humains sera présentée. Cette étude immunohistochimique a permis de décrire la trajectoire qu’empruntent les faisceaux d’axones 5-HT en provenance des noyaux du raphé du tronc cérébral afin d’innerver les différentes composantes des GB. Ensuite, une description plus précise de l’arborisation axonale unitaire des neurones 5-HT provenant du noyau raphé dorsal chez le rat sera apportée. L’injection par microiontophorèse d’un traceur antérograde a permis de marquer et de reconstruire en trois dimensions l’arborisation axonale complète de plusieurs neurones, mettant ainsi en lumière l’hétérogénéité des projections 5-HT ascendantes. Les études seront ensuite présentées ont été effectuées à partir de modèles animaux de la maladie de Parkinson et mettent en valeur d’importants changements compensatoires. Ces travaux ont permis d’identifier de nouveaux phénomènes neuroadaptatifs concernant l’innervation DA et 5-HT du striatum et du globus pallidus (GP) suite à une lésion DA chez le singe cynomolgus (Macaca fascicularis). L’immunohistochimie combinée à une méthode quantitative stéréologique a conduit à mettre en évidence un bourgeonnement important des axones 5-HT dans le striatum ainsi que dans le GP. Une description précise en microscopie électronique de la structure morphologique fine suggère que les nouvelles varicosités axonales 5-HT retrouvées dans le striatum sont fonctionnelles et présentent davantage de contacts synaptiques, en lien avec un phénomène de bourgeonnement axonal. Contrairement à la dénervation DA massive du striatum, nos résultats indiquent une augmentation de près de dix fois le nombre d’axones DA dans le segment interne du GP. Finalement, des reconstructions du domaine somatodendritiques de neurones du striatum effectuées suite à l’injection intracellulaire de fluorophores ont mis en lumière un nouveau sous-type de neurones de projection du striatum. Ces injections effectuées chez un modèle murin de la maladie de Parkinson nous permettent de conclure que ce sous-type de neurones est affecté différemment par une dénervation DA. Dans l’ensemble, les travaux présentés dans cette thèse soulèvent l’importance de l’innervation DA et 5-HT dans le fonctionnement normal des GB, ainsi que les changements neuroadaptatifs qui surviennent dans la maladie de Parkinson. La description précise de ces changements morphologiques doit être prise en compte afin de mieux comprendre l’expression des symptômes moteurs et non-moteurs de la maladie de Parkinson et expliquer l’apparition des dyskinésies qui surviennent chez une vaste majorité des patients parkinsoniens suite à l’administration quotidienne de L-Dopa, principal traitement pharmacologique de la maladie. / The basal ganglia are a set of subcortical structures involved in psychomotor behaviour. Parkinson’s disease is the most common neurodegenerative disorder affecting the basal ganglia. The slow and progressive degeneration of dopamine (DA) neurons located in the substantia nigra pars compacta leads to disabling motor symptoms such as bradykinesia, resting tremor and rigidity. This work aims at describing the compensatory mechanisms affecting other neuronal systems and designed to compensate for the massive loss of the DA innervation of the basal ganglia. The thesis begins with a post-mortem human study of the main serotonin (5-HT) pathways arising from the raphe nuclei and innervating the different basal ganglia components in normal condition. The next chapter contains a morphological study providing the first detailed description of single axons arising from the dorsal raphe nucleus (DRN) in rats. In order to achieve our goal, under electrophysiological guidance, microiontophoretic tracer injections of an anterograde tracer were placed in the DRN to provide three-dimensional axonal reconstructions of single 5-HT neurons. Other studies presented were performed in animal models of Parkinson’s disease and brought to light new compensatory mechanisms involving the 5-HT and DA innervation of the basal ganglia. Two articles contain data on major neuroadaptative changes of DA and 5-HT innervation of the striatum and the globus pallidus (GP), following a DA lesion in cynomolgus monkeys (Macaca fascicularis). Immunohistochemistry combined to unbiased quantitative approaches indicate an important sprouting of 5-HT axons in the monkey striatum and GP. Interestingly, in contrast to the massive striatal DA denervation, we report a ten-time increase of the number of DA axons in the GP internal segment of parkinsonian monkeys. Electron microscopy study suggests that the newly-formed 5-HT axon varicosities observed in the striatum establish more synapses after DA lesion, in line with the sprouting of 5-HT axons. The last chapter contains a meticulous morphological study of a peculiar population of medium spiny neurons endowed with a dendritic arborization that is less affected by DA lesion in mice. In summary, studies presented in this doctoral thesis shed a new light on some of the compensatory mechanisms observed in different basal ganglia components and designed to cope for the massive loss of DA neurons that characterize Parkinson’s disease. The compensatory mechanisms outlined in this work should be taken into account to better understand the expression of motor and non-motor symptoms as well as the expression of dyskinesia induced by long-term pharmacological treatment with L-Dopa.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. [157]-185. Publié aussi en version électronique.

The striatum represents the main input nucleus of the basal ganglia, a system of subcortical nuclei critically involved into motor control and motivational processes and altered in several conditions such as Parkinson’s diseases or drug addiction. The projection neurons of the striatum are GABAergic (γ-aminobutyric acid) medium-sized spiny neurons (MSNs), and account for the large majority of striatal neurons, while interneurons represent about 10% of striatal cells. The MSNs are subdivided into two subpopulations that form two main efferent pathways: the striatonigral and striatopallidal neurons. The striatonigral MSNs project to the entopeduncular nucleus (EP) and substancia nigra pars reticulata (SNr) (direct pathway) and co-express dopamine D1 receptors (D1R) and substance P neuropeptide (SP). On the other hand, striatopallidal MSNs project to the lateral globus pallidus (LGP) (indirect pathway) and co-express dopamine D2 receptor (D2R), adenosine A2A receptor (A2AR) and enkephalin (Enk). The D1R striatonigral and D2R striatopallidal MSNs are equal in number and shape and are mosaically distributed through all the striatum. The dorsal striatum is mainly involved in motor control and learning while the ventral striatum is crucial for motivational processes. In view of the still debating respective functions of projection D2R-striatopallidal and D1R-striatonigral neurons and striatal interneurons, both in motor control and learning of skills and habits but also in more cognitive processes such as motivation, we were interested in the development of models allowing the removal of selective striatum neuronal populations in adult animal brain. Because of the mosaical organisation of the striatum, a targeting of specific neuronal type, with techniques such as chemical lesions or surgery, is still impossible. Taking advantage of new transgenic approaches, the goal of the present work was to generate and/or to initiate the characterization of genetic models in which a selective subtype of striatal neuron can be ablated in an inducible way. We used a transgenic approach in which mice express a monkey diphtheria toxin (DT) receptor (DTR) in D2R-striatopallidal or D1R-striatonigral neurons. Local stereotactic injections of DT can then induce selective neuronal ablation in functionally different striatal areas.<p>We first investigated functions of D2R-striatopallidal neurons in motor control and drug reinforcement by their selective ablation in the entire striatum or restricted to the ventral striatum. This DTR strategy produced selective D2R striatopallidal MSN ablation with integrity of the other striatal neurons as well as the striatal dopaminergic function. D2R MSN ablation in the entire striatum induced permanent hyperlocomotion while ventral striatum-restricted ablation increased amphetamine place preference.<p>We next compared respective roles of D2R-striatopallidal and D1R-striatonigral neurons in motor control and skill learning in functionally different striatum subregions.<p>Finally, to target nitrergic interneurons of the striatum, we developed a bacterial artificial chromosome genetic strain in which the cre-recombinase expression is under the control of the neuronal nitric oxide gene promoter.<p><p>Altogether, those results show that DTR expression and DT local injections is an efficient and flexible strategy to ablate selective striatum neuronal types with spatial resolution. We provide the first direct experimental evidences that D2R striatopallidal neurons inhibit both locomotor and drug-reinforcement processes and that D2R and D1R MSNs in different striatum subregions have distinct functions in motor control and motor skill learning. Those results strongly support a cell-type and topographic functional organization of the striatum and underscore the need for characterization of the specific cellular and molecular modifications that are induced in D2R and D1R MSNs during drug-reinforcement or procedural learning.<p> / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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

L'élucidation de la microcircuiterie liant les différentes composantes des ganglions de la base est d'une importance capitale afin d'améliorer notre compréhension de ce système neuronal hautement complexe impliqué notamment dans le contrôle de la motricité. C'est dans cette optique qu'ont été entrepris les travaux de recherche consolidés dans cet ouvrage qui rapporte des données neuroanatomiques nouvelles obtenues chez le singe cynomolgus {Macaca fascicularis) et le singe écureuil (Saimiri sciureus) à l'aide d'une technique de pointe permettant le marquage et la reconstruction tridimensionnelle complète de neurones individuels. L'injection par microiontophorèse d'un traceur antérograde, la biotine dextran aminé, dans le pallidum interne, le complexe centre médian/parafasciculaire du thalamus ainsi que le cortex moteur primaire, a permis de tracer en détail l'arborisation axonale des neurones composant ces structures. L'étude approfondie des neurones de projection du pallidum interne révèle que la majorité des axones pallidofuges sont fortement collatéralisés, un même neurone étant en mesure d'influencer à la fois le thalamus ventral, le complexe centre médian/parafasciculaire du thalamus ainsi que le noyau pédonculopontin du tegmentum mésencéphalique par le biais d'un jeu complexe de collatérales axonales. Il en est de même pour les neurones de projection du complexe thalamique centre médian/parafasciculaire dont le branchement axonal permet d'influencer individuellement et de façon variée, à la fois le cortex cérébral et le striatum. Nos travaux révèlent en plus que, contrairement à ce que l'on croyait, la projection corticostriée en provenance du cortex moteur primaire chez le primate n'est pas dédiée uniquement au striatum. En effet, la découverte de neurones corticaux projetant à la fois au striatum et vers le tronc cérébral via des collatérales axonales prouve que le cortex moteur primaire peut influencer le striatum de façon directe et indirecte. L'ensemble de ces résultats révèle que les ganglions de la base forment un réseau neuronal très vaste dont les éléments constitutifs possèdent un axone fortement collatéralisé. Ces données neuroanatomiques jettent un éclairage nouveau sur l'organisation anatomique et fonctionnelle des ganglions de la base 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, comme ceux associés aux maladies de Parkinson et de Huntington. / A better knowledge of the neural wiring that links the major components of the basai ganglia is essential to understand the complex spatiotemporel séquence of neural events that ensures the correct flow of cortical information through this set of subcortical structures involved in the control of motor behavior. The présent thesis reports novel neuroanatomical findings gathered in both Old World (cynomolgus; Macaca fascicularis) and New Word (squirrel monkey, Saimiri sciureus) primates using a state-of-the-art method allowing a complète labelling and three-dimension reconstruction of single neurons. Microiontophoretic injections of biotin dextran aminé, an anterograde neuronal tracer, in the internai pallidum, the centre médian/parafascicular thalamic complex and the primary motor cortex allowed a detailed description of projection neurons within thèse forebrain structures. Our data show that the majority of pallidal neurons are endowed with a highly collateralized axon that projects to the ventral tiers thalamic nuclei, the centre médian/parafascicular thalamic complex and the brainstem pedunculopontin tegmental nucleus. Our results also reveal that single centre médian or parafascicular neurons are able to influence in a multifarious fashion both the cérébral cortex and the striatum. Furthermore, we hâve shown that the corticostriatal projection arising from primary motor cortex is not dedicated solely to the striatum, in contrast to current belief. We found neurons that project to the striatum indirectly through a thin collatéral emitted by a thick long-range axon heading towards the brainstem, a finding that indicates that the primary motor cortex also has an indirect access to the primate striatum providing this structure with a copy of the neuronal information that is being sent to the brainstem and/or spinal cord. Altogether, thèse data indicate that the main components of basai ganglia in primates harbour différent types of projection neurons, each endowed with a highly collateralized axons. In the light of thèse findings, the basai ganglia can now be viewed as a widely distributed neuronal network, whose éléments are endowed with a highly patterned set of axon collaterals. The understanding of this finely tuned network is a prerequisite for the development of new therapeutic avenues for the treatment of basai ganglia disorders, such as Parkinson's disease and Huntington's chorea.

Le contrôle cognitif de l’action est un processus permettant de supprimer un comportement inapproprié au profit d’une action dirigée par l’intention. Il est particulièrement important en situation de conflit où l’expression de comportements alternatifs entre en compétition. Ce processus est largement soutenu par des réseaux cortico-sous-corticaux frontaux dont le bon fonctionnement est impacté par la maladie de Parkinson. Nous nous sommes intéressés au rôle de ces différentes structures cérébrales dans le contrôle cognitif de l’action en s’appuyant sur l’impact de la maladie de Parkinson et de ses traitements. Plus précisément, nous avons discuté des aspects dynamiques de sélection et de suppression des réponses impulsives tel que proposé par le modèle d’activation-suppression dans le cas de réponses oculaires. Nous avons donc adapté une tâche expérimentale de conflit classique, la Simon task, utilisant les mouvements oculaires, et validé son utilisation de notre dans le cadre de ce modèle. Les travaux suivant ont porté sur l’impact de divers facteurs sur ce processus. Nous avons montré que le vieillissement normal exacerbe la sélection impulsive des actions qui pourrait être compensée par la mise en place d’une inhibition sélective plus efficace. Ces résultats sont en accord avec de récentes théories proposant le recrutement plus important des structures préfrontales afin de pallier aux déficits cognitifs entrainés par le vieillissement. Nos résultats ont également indiqué que la maladie de Parkinson entraine une augmentation très importante de la sélection impulsive des actions ce que nous attribuons au dysfonctionnement des boucles cortico-sous-corticales causé par la maladie. Finalement, nous nous sommes intéressés à l’impact de la stimulation cérébrale profonde du noyau subthalamique. Nos résultats préliminaires n’ont pas montré d’effet de ce traitement sur les capacités de contrôle cognitif de l’action. Nous discutons l’ensemble de nos résultats à la lumière des travaux majeurs portant sur les structures cérébrales impliquées dans le contrôle cognitif de l’action et proposons plusieurs perspectives de recherches pouvant avoir un impact fondamental ou clinique. / Cognitive action control is a process that allows suppressing an inappropriate behavior to the benefit of an intentionally-guided action. It is particularly important in situations of conflict when alternative behaviors compete for their expression. This process relies mostly on cortical-subcortical networks which functioning is impaired by Parkinson’s disease. We were interested in the role of these different brain structures in cognitive action control by focusing on the impact of Parkinson’s diseases and its treatments. More precisely, we addressed the dynamic aspects of impulsive action selection and suppression as proposed by the recent activation-suppression model regarding oculomotor responses. We thus adapted a classical experimental conflict task, the Simon task, using eye movements, and validated its use within the context of the activation-suppression model. Our further work focused on the impact of several factors on cognitive action control. We showed that normal aging enhances impulsive action selection that could be compensated for by the set-up of a more efficient selective inhibition. These results are in accordance with recent theories proposing that age-related cognitive deficits are compensated for by an increased recruitment of prefrontal structures. Our results also revealed that Parkinson’s disease results in a strong increase in impulsive action selection which we attribute to the impairment of the cortical-basal ganglia loops. Finally, we were interested by the impact of deep brain stimulation of the subthalamic nucleus. Our preliminary results revealed no effect of this treatment on cognitive action control. We discuss all of our results according to previous researches on the brain structures involved in cognitive action control and we propose several perspective that can have a fundamental or clinical impact.