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Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Mu opioid receptors (MORs) mediate the analgesic and rewarding effects of opioids. Most research has focused on MORs in GABAergic neurons; however, MORs are also in glutamatergic neurons and their role in opioid-related behaviors was unclear. Our lab previously showed that MORs inhibit glutamate transmission from vesicular glutamate transporter 2 (vGluT2)-expressing thalamostriatal synapses. The behavioral relevance of MORs in vGluT2-expressing neurons was unknown; therefore, I utilized a conditional MOR knockout mouse with MORs deleted in vGluT2-expressing neurons (MORflox-vGluT2cre). MORflox-vGluT2cre mice have disrupted opioid reward, locomotor stimulation, and withdrawal, compared to cre-recombinase negative littermate controls. However, other MOR-mediated behaviors, including opioid-induced antinociception, alcohol reward, and palatable substance consumption are intact. MORs are expressed in vGluT2 neurons in several reward-related brain regions, including the thalamus and lateral habenula (LHb). To determine whether MORs in these brain regions modulate opioid-related behaviors, an adeno-associated viral (AAV) vector encoding cre-recombinase was stereotaxically injected into the thalamus or LHb of MORflox mice to specifically delete MORs in these brain regions. Opioid reward and locomotor stimulation remained intact in both thalamic and LHb MOR knockout mice; however, basal locomotor activity was increased in LHb MOR knockout mice. Sucrose consumption was also intact in LHb MOR knockout mice. Interestingly, in LHb MOR KO mice opioid withdrawal-induced paw shakes were increased, while withdrawal-induced jumping was completely ablated. Our lab previously showed that MORs inhibit glutamate transmission from the anterior insular cortex (AIC), which is disrupted by in vivo alcohol exposure. To determine the role of AIC MORs, AIC MORs were deleted with AAV vectors. AIC MOR knockout mice had intact opioid, sucrose, and alcohol reward, but had increased basal locomotor activity. MORs in glutamatergic neurons are critical mediators of opioid reward; however, the specific glutamatergic neurons mediating the rewarding effects of opioids remains to be determined.

Synaptische Vesikel (SV) besitzen abhängig vom Neurontyp unterschiedliche Neurotransmittertransporter. In glutamatergen Neuronen kommen die vesikulären Glutamattransporter (VGLUT)1, VGLUT2 und VGLUT3 vor. GABAerge Neurone besitzen den vesikulären GABA-Transporter (VGAT). Die getrennte Glutamat- und GABA-Speicherung in unterschiedlichen Neuronen dient dem exakten Funktionieren neuronaler Netze. Mitunter setzen glutamaterge Neurone auch GABA frei. Einige entscheidende Proteine GABAerger Nervenendigungen wurden auf dem Protein- und mRNA-Niveau nachgewiesen. GABAerge Transmission glutamaterger Neurone wurde elektrophysiologisch gezeigt. Diese Studie untersucht eine mögliche VGLUT/VGAT-Kolokalisation mittels Immunisolierungen (II) von SV (SP), Neurotransmitteraufnahmeversuchen mit aufgereinigten SV, SP und der elektronenmikroskopischen Postembeddingmethode. II aus dem Rattengehirn zeigen, dass die VGLUT1-SP VGLUT2 und die VGLUT2-SP auch VGLUT1 enthält. Beide VGLUT kommen auf dem selben SV vor. Die VGLUT2-SP beinhaltet VGAT- und die VGAT-SP VGLUT2-tragende SV. SP aus frühen Entwicklungsstadien zeigen bereits eine ausgeprägte vesikuläre VGLUT2/VGAT- Kolokalisation. SV der VGAT-SP akkumulieren GABA und Glutamat. Die Hemmung der VGLUT zeigt ihren unterstützenden Einfluss auf die vesikuläre GABA- und Monoaminaufnahme. Damit moduliert die VGLUT-Aktivität die Neurotransmitterspeicherung in nicht glutamatergen Neuronen. Doppelmarkierung im Postembeddingverfahren zeigen die synaptische VGLUT/VGAT- Kolokalisation in glutamatergen hippokampalen und cerebellären Moosfaserendigungen. Dagegen ist VGAT weder in den nur VGLUT1-positiven cerebellären Parallelfaser- noch in den nur VGLUT2-positiven Kletterfaserendigungen detektierbar. Die cerebellären GABAergen Korbzellenendigungen beinhalten auch VGLUT2. Diese Befunde liefern den morphologischen Beweis für die synaptische GABA/Glutamat-Koausschüttung aus speziellen großen glutamatergen und GABAergen präsynaptischen Endigungen. / Synaptic vesicles (SV) are equipped with a common set of proteins. Dependent on the type of nerve cell SV differ in their neurotransmitter transporters, i.e. the vesicular glutamate transporters (VGLUT) 1 and VGLUT2 in types of glutamatergic neurons and the vesicular GABA transporter (VGAT) in types of GABAergic neurons. The strict separation of glutamate and GABA storage generally guarantees the precise function of neuronal networks. However, GABA may be released by glutamatergic neurons under certain conditions as shown by electrophysiological studies. The project aims to analyse a putative vesicular and synaptic co-localisation of VGLUT and VGAT using immunoisolations, neurotransmitter uptake assays, and post-embedding electron microscopy. Immunoisolations from whole brain of adult rats revealed that VGLUT1 immunoisolates (ii) contain VGLUT2 and VGLUT2-ii also have VGLUT1 indicating the vesicular co-localisation of both VGLUT. VGLUT2-ii harbour in addition VGAT and VGAT-ii also contain VGLUT2. Transporter-specific ii from rat brain at different postnatal levels (P5/15/30) show a pronounced vesicular co-localisation of VGLUT2 and VGAT during these early developmental stages. Transmitter uptake studies show GABA and also glutamate concentrating VGAT-ii. Using the specific inhibitor trypan blue we found that VGLUT activity improves GABA as well as monoamine uptake into SV. Thus VGLUT activity modulates transmitter storage in non-glutamatergic neurons. Post-embedding immunogold double labelling indicates a synaptic co-localisation of VGLUT and VGAT in glutamatergic hippocampal and cerebellar mossy fibre terminals while VGAT was not seen in cerebellar parallel fibre (VGLUT1-positive only) and climbing fibre (VGLUT2-positive only) terminals. Remarkably, cerebellar GABAergic basket cell terminals also contain VGLUT2. These findings provide the morphological evidence for a synaptic co-release of GABA and glutamate from some large glutamatergic and GABAergic terminals.

Des travaux récents démontrent que certains neurones dopaminergiques du mésencéphale ont la capacité de libérer du glutamate en plus de la dopamine (DA). Ce phénomène de « co-transmission » requiert l’expression du transporteur vésiculaire du glutamate de type 2 (VGLUT2) dans les neurones dopaminergiques. Certaines observations montrent que l’expression de VGLUT2 dans les neurones dopaminergiques survient tôt durant leur développement et est essentiellement limitée aux neurones de l’aire tegmentaire ventrale (VTA). De plus, cette libération de glutamate se retrouve principalement au niveau des terminaisons de ces neurones dans le striatum ventral, mais pas dans le striatum dorsal. Ces données suggèrent d’une part un rôle développemental possible du glutamate dans les neurones dopaminergiques, et d’autre part, que les signaux dérivés des neurones cibles puissent réguler le double phénotype des neurones dopaminergiques menant ainsi à une plasticité phénotypique. Par ailleurs, il est toujours inconnu si cette libération de glutamate se fait à partir des terminaisons qui relâchent la DA ou à partir de terminaisons axonales distinctes. De plus, le rôle physiologique de ce surprenant phénomène de co-transmission reste également inconnu. Ainsi, dans cette étude, nous avons d’abord démontré in vitro et in vivo que l’expression de VGLUT2 est nécessaire pour la survie et la croissance d’une sous-population de neurones dopaminergiques. En utilisant une lignée de souris ayant une délétion génique spécifique de VGLUT2 dans les neurones dopaminergiques, nous avons observé une diminution du nombre de terminaisons dopaminergiques et glutamatergiques dans le striatum, une baisse de libération de DA dans le striatum ventral, une diminution de la coordination motrice ainsi qu’une diminution de l’activité locomotrice induite par les drogues d’abus. D’autre part, nous avons démontré in vitro et in vivo que les neurones dopaminergiques au double phénotype établissent des terminaisons distinctes afin de relâcher le glutamate et la DA. De plus, nous démontrons que ce phénomène de ségrégation des sites de libération semble être induit par une interaction avec les neurones du striatum ventral. Ces travaux démontrent le rôle physiologique déterminant de la co-transmission DA-glutamate pour l’homéostasie du système DAergique et dévoile une caractéristique fondamentale de l’établissement des terminaisons axonales de ces neurones. Ces travaux permettent ainsi de mieux comprendre les rôles physiologiques de la co-libération de glutamate par les neurones du système nerveux central et présentent une nouvelle perspective sur les dysfonctions potentielles de ces neurones dans les maladies du cerveau. / A subset of midbrain dopamine (DA) neurons has been shown to express the type 2 vesicular glutamate transporter (VGLUT2) supporting their capacity for glutamate co-release from some of their axon terminals. However, the physiological significance of this phenomenon is presently unknown. VGLUT2 expression by DA neurons occurs early during their development and is mainly found in DA neurons localized to the ventral tegmental area (VTA). Glutamate release by DA neurons can be detected at terminals contacting ventral but not dorsal striatal neurons. Together, these findings suggest the possibility glutamate co-release by DA neurons plays a developmental role and that target-derived signals regulate the neurotransmitter phenotype of DA neurons. Whether glutamate can be released from the same terminals that release DA or from a special subset of axon terminals is undetermined. Moreover, the physiological role of glutamate release by DA neurons is essentially unknown. Using a conditional gene knock-out approach to selectively disrupt the Vglut2 gene in mouse DA neurons, we obtained in vitro and in vivo evidence demonstrating reduced growth and survival of mesencephalic DA neurons, associated with a decrease in the density of DA innervation in the nucleus accumbens, reduced activity-dependent DA release, decreased motor coordination and impaired locomotor activation induced by drugs of abuse. In this study we also provide in vitro and in vivo data supporting the hypothesis that DA and glutamate-releasing terminals are mostly segregated and that striatal neurons regulate the co-phenotype of midbrain DA neurons and the segregation of release sites. These findings provide strong evidence for a functional role of the glutamatergic cophenotype in the development of mesencephalic DA neurons, unveils a fundamental feature of dual neurotransmission and plasticity of the DA system and open new perspectives into the pathophysiology of brain diseases implicatingthe DA system.

De nombreuses études ont établi que la majorité des neurones libèrent plus qu’une substance chimique. Il est bien connu que les neurones peuvent co-exprimer et co-libérer des neuropeptides en plus de leur neurotransmetteur, mais des évidences de la co-libération de deux petits neurotransmetteurs à action rapide se sont accumulées récemment. Des enregistrements électrophysiologiques ont aussi montré que des neurones sérotoninergiques et dopaminergiques isolés peuvent libérer du glutamate quand ils sont placés en culture. De plus, la présence de glutamate et de glutaminase a été détectée dans des neurones sérotoninergiques, dopaminergiques et noradrénergiques par immunomarquage sur des tranches de cerveau. Malheureusement, en considérant le rôle métabolique du glutamate, sa détection immunologique n’est pas suffisante pour assurer le phénotype glutamatergique d’un neurone. Récemment, la découverte de trois transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUT1-3) a grandement facilité l’identification des neurones glutamatergiques. Ces transporteurs sont nécessaires pour la libération de glutamate et constituent les premiers marqueurs morphologiques du phénotype glutamatergique. Il a été démontré que des neurones noradrénergiques expriment VGLUT2 et que des neurones sérotoninergiques expriment VGLUT3. Mais aucune évidence d’expression d’un des sous-types de VGLUT n’a été reportée pour les neurones dopaminergiques. Le but de notre travail était d’identifier quel sous-type de VGLUT est exprimé par les neurones dopaminergiques mésencéphaliques, et de déterminer si le phénotype glutamatergique de ces neurones peut être modulé dans des conditions particulières. Premièrement, nous avons utilisé des microcultures pour isoler les neurones dopaminergiques et des doubles marquages immunocytochimiques pour observer l’expression de VGLUT dans les neurones positifs pour la tyrosine hydroxylase (TH). Nous avons montré que la majorité (80%) des neurones TH+ isolés exprime spécifiquement VGLUT2. Cette expression est précoce au cours du développement in vitro et limitée aux projections axonales des neurones dopaminergiques. Toutefois, cette forte expression in vitro contraste avec la non-détection de ce transporteur dans les rats adultes in vivo. Nous avons décidé ensuite de regarder si l’expression de VGLUT2 pouvait être régulée pendant le développement cérébral de jeunes rats et sous des conditions traumatiques, par double hybridation in situ. Entre 14 et 16 jours embryonnaires, les marquages de VGLUT2 et de TH montraient une superposition significative qui n’était pas retrouvée à des stades ultérieurs. Dans le mésencéphale de jeunes rats postnataux, nous avons détecté l’ARNm de VGLUT2 dans environs 1-2% des neurones exprimant l’ARNm de TH dans la substance noire et l’aire tegmentaire ventrale (ATV). Pour explorer la régulation de l’expression de VGLUT2 dans des conditions traumatiques, nous avons utilisé la 6-hydroxydopamine (6-OHDA) pour léser les neurones dopaminergiques dans les jeunes rats. Dix jours après la chirurgie, nous avons trouvé que 27% des neurones dopaminergiques survivants dans l’ATV exprimaient l’ARNm de VGLUT2 dans les rats 6-OHDA. Finalement, nous avons observé la colocalisation de la protéine VGLUT2 dans les terminaisons TH positives par microscopie électronique. Dans les rats normaux, la protéine VGLUT2 est retrouvée dans 28% des terminaisons axonales TH dans le noyau accumbens. Dans les rats lésés à la 6-OHDA, nous avons observé une diminution considérable des terminaisons TH positives, et une augmentation dans la proportion (37%) des terminaisons dopaminergiques présentant du VGLUT2. Nos résultats suggèrent que le phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques est régulé au cours du développement, peut être réactivé dans des états pathologiques, et que ces neurones peuvent libérer du glutamate dans conditions spécifiques. / Numerous studies have established that the majority of neurons release more than one chemical substance. It is well known that neurons can co-express and co-release neuropeptides in addition to their neurotransmitter, but evidence of co-release of two small and fast-acting neurotransmitters has been accumulated recently. Electrophysiological recordings have also shown that isolated serotonine and dopamine neurons can release glutamate as a co-transmitter when they are placed in culture. Furthermore, the presence of glutamate and glutaminase has been detected in serotonine, dopamine and noradrenaline neurons by immunolabelling in brain slices. Unfortunately, considering the metabolic role of glutamate, its immunodetection is not sufficient to assert the glutamatergic phenotype of a neuron. Recently, the discovery of three vesicular glutamate transporters (VGLUT1-3) has greatly facilitated the identification of glutamate neurons. These transporters are necessary for the glutamate release by neurons and constitute the first molecular markers of a glutamatergic phenotype. Interestingly, it was demonstrated that some noradrenaline neurons express VGLUT2 and that some serotonin neurons express VGLUT3. But no evidence for expression of any VGLUT subtypes was initially reported for dopamine neurons. The goal of our work was to identify which VGLUT subtype is expressed by mesencephalic dopamine neurons, and to determine if the glutamatergic phenotype of these neurons can be modulated under specific conditions. First, we used microcultures to isolate dopamine neurons and double immunocytochemistry to visualize VGLUT expression in tyrosine hydroxylase (TH) positive neurons. We showed that the majority (80%) of isolated TH+ neurons express specifically VGLUT2. This expression occurred early during in vitro development and was limited to axonal projections of dopamine neurons. However, this strong expression in vitro contrasted with the lack of detection of this transporter in adult rats in vivo. We next decided to investigate if VGLUT2 expression could be regulated during brain development of young rats and under traumatic conditions, using double in situ hybridization. At embryonic days 14 to 16, VGLUT2 and TH labelling displayed significant overlap which was no longer found at later stages. In postnatal mesencephalon of young rats, we detected VGLUT2 mRNA in approximately 1-2% of neurons expressing TH mRNA in the substantia nigra and in ventral tegmental area (VTA). To explore the regulation of VGLUT2 expression under traumatic condition, we used 6-hydroxydopamine (6-OHDA) to damage dopamine neurons in young rats. Ten days post-surgery, we found that 27% of surviving dopamine neurons in the VTA expressed VGLUT2 mRNA in 6-OHDA animals. Finally, we observed the colocalisation of VGLUT2 protein in TH positive terminals by electron microscopy. In normal rats, VGLUT2 protein was found in 28% of TH positive axon terminals in nucleus accumbens. In 6 OHDA-lesioned rats, we observed a considerable reduction of TH positive terminals, and an increase in the proportion (37%) of dopamine terminals displaying VGLUT2. Our results suggest that the glutamatergic phenotype of dopamine neurons is developmentally regulated, can be reactivated under pathological states, and that these neurons are able to release glutamate under specific conditions.

De nombreuses études ont établi que la majorité des neurones libèrent plus qu’une substance chimique. Il est bien connu que les neurones peuvent co-exprimer et co-libérer des neuropeptides en plus de leur neurotransmetteur, mais des évidences de la co-libération de deux petits neurotransmetteurs à action rapide se sont accumulées récemment. Des enregistrements électrophysiologiques ont aussi montré que des neurones sérotoninergiques et dopaminergiques isolés peuvent libérer du glutamate quand ils sont placés en culture. De plus, la présence de glutamate et de glutaminase a été détectée dans des neurones sérotoninergiques, dopaminergiques et noradrénergiques par immunomarquage sur des tranches de cerveau. Malheureusement, en considérant le rôle métabolique du glutamate, sa détection immunologique n’est pas suffisante pour assurer le phénotype glutamatergique d’un neurone. Récemment, la découverte de trois transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUT1-3) a grandement facilité l’identification des neurones glutamatergiques. Ces transporteurs sont nécessaires pour la libération de glutamate et constituent les premiers marqueurs morphologiques du phénotype glutamatergique. Il a été démontré que des neurones noradrénergiques expriment VGLUT2 et que des neurones sérotoninergiques expriment VGLUT3. Mais aucune évidence d’expression d’un des sous-types de VGLUT n’a été reportée pour les neurones dopaminergiques. Le but de notre travail était d’identifier quel sous-type de VGLUT est exprimé par les neurones dopaminergiques mésencéphaliques, et de déterminer si le phénotype glutamatergique de ces neurones peut être modulé dans des conditions particulières. Premièrement, nous avons utilisé des microcultures pour isoler les neurones dopaminergiques et des doubles marquages immunocytochimiques pour observer l’expression de VGLUT dans les neurones positifs pour la tyrosine hydroxylase (TH). Nous avons montré que la majorité (80%) des neurones TH+ isolés exprime spécifiquement VGLUT2. Cette expression est précoce au cours du développement in vitro et limitée aux projections axonales des neurones dopaminergiques. Toutefois, cette forte expression in vitro contraste avec la non-détection de ce transporteur dans les rats adultes in vivo. Nous avons décidé ensuite de regarder si l’expression de VGLUT2 pouvait être régulée pendant le développement cérébral de jeunes rats et sous des conditions traumatiques, par double hybridation in situ. Entre 14 et 16 jours embryonnaires, les marquages de VGLUT2 et de TH montraient une superposition significative qui n’était pas retrouvée à des stades ultérieurs. Dans le mésencéphale de jeunes rats postnataux, nous avons détecté l’ARNm de VGLUT2 dans environs 1-2% des neurones exprimant l’ARNm de TH dans la substance noire et l’aire tegmentaire ventrale (ATV). Pour explorer la régulation de l’expression de VGLUT2 dans des conditions traumatiques, nous avons utilisé la 6-hydroxydopamine (6-OHDA) pour léser les neurones dopaminergiques dans les jeunes rats. Dix jours après la chirurgie, nous avons trouvé que 27% des neurones dopaminergiques survivants dans l’ATV exprimaient l’ARNm de VGLUT2 dans les rats 6-OHDA. Finalement, nous avons observé la colocalisation de la protéine VGLUT2 dans les terminaisons TH positives par microscopie électronique. Dans les rats normaux, la protéine VGLUT2 est retrouvée dans 28% des terminaisons axonales TH dans le noyau accumbens. Dans les rats lésés à la 6-OHDA, nous avons observé une diminution considérable des terminaisons TH positives, et une augmentation dans la proportion (37%) des terminaisons dopaminergiques présentant du VGLUT2. Nos résultats suggèrent que le phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques est régulé au cours du développement, peut être réactivé dans des états pathologiques, et que ces neurones peuvent libérer du glutamate dans conditions spécifiques. / Numerous studies have established that the majority of neurons release more than one chemical substance. It is well known that neurons can co-express and co-release neuropeptides in addition to their neurotransmitter, but evidence of co-release of two small and fast-acting neurotransmitters has been accumulated recently. Electrophysiological recordings have also shown that isolated serotonine and dopamine neurons can release glutamate as a co-transmitter when they are placed in culture. Furthermore, the presence of glutamate and glutaminase has been detected in serotonine, dopamine and noradrenaline neurons by immunolabelling in brain slices. Unfortunately, considering the metabolic role of glutamate, its immunodetection is not sufficient to assert the glutamatergic phenotype of a neuron. Recently, the discovery of three vesicular glutamate transporters (VGLUT1-3) has greatly facilitated the identification of glutamate neurons. These transporters are necessary for the glutamate release by neurons and constitute the first molecular markers of a glutamatergic phenotype. Interestingly, it was demonstrated that some noradrenaline neurons express VGLUT2 and that some serotonin neurons express VGLUT3. But no evidence for expression of any VGLUT subtypes was initially reported for dopamine neurons. The goal of our work was to identify which VGLUT subtype is expressed by mesencephalic dopamine neurons, and to determine if the glutamatergic phenotype of these neurons can be modulated under specific conditions. First, we used microcultures to isolate dopamine neurons and double immunocytochemistry to visualize VGLUT expression in tyrosine hydroxylase (TH) positive neurons. We showed that the majority (80%) of isolated TH+ neurons express specifically VGLUT2. This expression occurred early during in vitro development and was limited to axonal projections of dopamine neurons. However, this strong expression in vitro contrasted with the lack of detection of this transporter in adult rats in vivo. We next decided to investigate if VGLUT2 expression could be regulated during brain development of young rats and under traumatic conditions, using double in situ hybridization. At embryonic days 14 to 16, VGLUT2 and TH labelling displayed significant overlap which was no longer found at later stages. In postnatal mesencephalon of young rats, we detected VGLUT2 mRNA in approximately 1-2% of neurons expressing TH mRNA in the substantia nigra and in ventral tegmental area (VTA). To explore the regulation of VGLUT2 expression under traumatic condition, we used 6-hydroxydopamine (6-OHDA) to damage dopamine neurons in young rats. Ten days post-surgery, we found that 27% of surviving dopamine neurons in the VTA expressed VGLUT2 mRNA in 6-OHDA animals. Finally, we observed the colocalisation of VGLUT2 protein in TH positive terminals by electron microscopy. In normal rats, VGLUT2 protein was found in 28% of TH positive axon terminals in nucleus accumbens. In 6 OHDA-lesioned rats, we observed a considerable reduction of TH positive terminals, and an increase in the proportion (37%) of dopamine terminals displaying VGLUT2. Our results suggest that the glutamatergic phenotype of dopamine neurons is developmentally regulated, can be reactivated under pathological states, and that these neurons are able to release glutamate under specific conditions.

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The basal ganglia are the key circuitry controlling movement and reward behavior. Both locomotion and reward-related behavior are also modified by dopaminergic input from the substantia nigra and the ventral tegmental area (VTA). If the basal ganglia are severed by lesion or in disease, such as in Parkinson’s disease, the affected individuals suffer from severe motor impairments and often of affective and reward-related symptoms. The subthalamic nucleus (STN) is a glutamatergic key area of the basal ganglia and a common target for deep brain stimulation in Parkinson’s disease to alleviate motor symptoms. The STN serves not only motoric, but also limbic and cognitive functions, which is often attributed to a tripartite anatomical subdivision. However, the functional output of both VTA and STN may rely more on intermingled subpopulations than on a strictly anatomical subdivision. In this doctoral thesis, the role of subpopulations within and associated with the basal ganglia is addressed from both a genetic and a behavioral angle. The identification of a genetically defined subpopulation within the STN, co-expressing Paired-like homeodomain transcription factor 2 (Pitx2) and Vesicular glutamate transport 2 (Vglut2), made it possible to conditionally reduce glutamatergic transmission from this subgroup of neurons and to investigate its influence on locomotion and motivational behavior, giving interesting insights into the mechanisms possibly underlying deep brain stimulation therapy and its side-effects. We address the strong influence of the Pitx2-Vglut2 subpopulation on movement, as well as the more subtle changes in reward-related behavior and the impact of the alterations on the reward-related dopaminergic circuitry. We also further elucidate the genetic composition of the STN by finding new markers for putative STN subpopulations, thereby opening up new possibilities to target those cells genetically and optogenetically. This will help in future to examine both STN development, function in the adult central nervous system and defects caused by specific deletion. Eventually identifying and characterizing subpopulations of the STN can contribute to the optimization of deep brain stimulation and help to reduce its side-effects, or even open up possibilities for genetic or optogenetic therapy approaches.

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.