Electrophysiological characterization and functional importance of midbrain dopaminergic neurons projecting to the primary motor cortex / Valentin Plateau ; sous la direction de Morgane Le Bon-Jego

Résumé / Abstract : Le cortex moteur primaire (M1) jour un rôle prépondérant dans les processus d'apprentissage moteur. Apprendre des séquences motrices complexes, comme lors d'un comportement de préhension, repose sur des phénomènes de plasticité structurale et synaptique dépendant de la dopamine (DA) au niveau de M1. Bien que l'architecture du système dopaminergique de M1 ait été caractérisée anatomiquement, la caractérisation électrophysiologique et l'importance fonctionnelle de ces neurones dopaminergiques du mésencéphale projetant à M1 restent mal connus. Ainsi, les objectifs de cette thèse étaient d'une part, d'identifier et de caractériser les propriétés intrinsèques des neurones dopaminergiques du mésencéphale projetant à M1, puis d'étudier leur activité au cours d'un apprentissage moteur ; et d'autre part, d'étudier l'importance fonctionnelle de cette innervation dopaminergique au niveau des neurones de M1. Dans un premier temps, des expériences de traçage rétrograde ont mis en évidence chez la souris une localisation rostro-ventrolatérale des neurones dopaminergiques du mésencéphale projetant à M1. Les enregistrements électrophysiologiques ex vivo de l'activité de ces neurones ont montré qu'ils possèdent une signature électrophysiologique semblable à celle des neurones dopaminergiques de la voie nigrostriée. Il a ensuite été montré que leur excitabilité augmentait lors de l'apprentissage d'une nouvelle tâche motrice fine (single pellet reaching task), et que cette augmentation de l'excitabilité était corrélée avec la hausse de l'apprentissage la plus importante chez la souris. De plus, cette augmentation de l'excitabilité n'est plus observable lorsque la tâche motrice est apprise. La libération de DA au niveau de M1 a ensuite été mise en évidence par imagerie ex vivo grâce au GRABDA1m, un senseur dopaminergique encodé génétiquement. Ensuite, l'activation par optogénétique des fibres dopaminergiques issues des neurones du mésencéphale a révélé une colibération de glutamate et/ou GABA dans quelques rares expériences au niveau de cellules pyramidales de M1. Pour mesurer l'importance fonctionnelle de ces afférences dopaminergique, une approche pharmacologique a été utilisée. Dans le but d'étudier le rôle du récepteur D1 au niveau des cellules pyramidales de M1, les expériences ont été réalisées chez des souris jeunes et adultes afin de tester si des différences sont observées en fonction de l'âge comme il a été montré au niveau du cortex préfrontal. Dans un premier temps, une cartographie des récepteurs D1 dans M1 a été réalisée, n'indiquant pas de réelle différence de localisation du récepteur D1 en fonction de l'âge. Des enregistrements électrophysiologiques ex vivo ont ensuite montré que l'activation des récepteurs D1 induit une augmentation de l'excitabilité des neurones pyramidaux de M1 chez les souris jeunes et adultes, alors que le blocage des récepteurs D1 induit une diminution de l'excitabilité de ces neurones chez les souris jeunes, mais une augmentation chez les souris adultes. Ainsi, la modulation des neurones pyramidaux de M1 par les récepteurs D1 est dépendante de l'âge. Ce projet a permis de mieux comprendre et d'étoffer les connaissances sur les origines et les implications aux niveaux cellulaires et comportemental de la dopamine dans M1.

Résumé / Abstract : The primary motor cortex (M1) plays a key role in motor learning processes. Learning sophisticated motor sequences, such as skill-reaching behavior, relies on dopamine (DA)-dependent structural and synaptic plasticity in M1. Although the architecture of the dopaminergic system within M1 has been well characterized anatomically, the electrophysiological characterization and functional importance of these midbrain dopaminergic neurons projecting to M1 remains poorly understood. Thus, the objectives of this thesis were, on the one hand, to identify and characterize the intrinsic properties of the dopaminergic neurons of the midbrain projecting to M1, and then to study their activity during motor learning; and on the other hand, to study the functional importance of this dopaminergic innervation at the level of M1 neurons. Firstly, retrograde tracing experiments demonstrated in mice a rostro-ventrolateral localization of midbrain dopaminergic neurons projecting to M1. Ex vivo electrophysiological recordings of the activity of these neurons showed that they have an electrophysiological signature similar to that of dopaminergic neurons of the nigrostriatal pathway. It has then been demonstrated that their excitability increases during the learning of a new fine motor task (single pellet reaching task), and that this increase in excitability was correlated with the greatest increase in learning in mice. Moreover, this increase in excitability was no longer observable when the motor task was learned. DA release in M1 was then demonstrated by ex vivo imaging using GRABDA1m, a genetically encoded dopaminergic sensor. Then, optogenetic activation of dopaminergic fibers from midbrain neurons revealed glutamate and/or GABA corelease in rare experiments in some M1 pyramidal cells. To measure the functional importance of these dopaminergic afferents on pyramidal neurons, a pharmacological approach was used. In order to study the role of the D1 receptor in M1, experiments were performed in young and adult mice to test if age-dependent differences are observed as it has been shown in the prefrontal cortex. First, a mapping of D1 receptors in M1 was performed, indicating no real age-dependent difference in D1 receptor localization. Ex vivo electrophysiological recordings then showed that D1 receptor activation induces an increase in the excitability of M1 pyramidal neurons in young and adult mice, whereas D1 receptor blockade induces a decrease in the excitability of these neurons in young mice, but an increase in adult mice. Thus, the modulation of M1 pyramidal neurons by D1 receptors is age dependent. This project has led to a better understanding and knowledge of the origins and implications at the cellular and behavioral levels of dopamine in M1.