Mechanisms of High Frequency Stimulation of the Subthalamic Nucleus in Parkinson\u27s Disease: From Local to Distal Effects on the Basal Ganglia Network

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Pallidal origin of GABA release within the substantia nigra pars reticulata during high-frequency stimulation of the subthalamic nucleus

High-frequency stimulation of the subthalamic nucleus (HFS-STN) is an effective treatment for alleviating the motor symptoms of parkinsonian patients. However, the neurochemical basis of its effects remains unknown. We showed previously that 1 h of HFS-STN in normal rats increases extracellular glutamate (Glu) level in the output nuclei of the STN, the globus pallidus (GP), and the substantia nigra pars reticulata (SNr), consistent with an increase in the activity of STN neurons. HFS-STN also increases GABA levels in the SNr, but the origin of this increase is unclear. We investigated the effectiveness of HFS-STN for improving Parkinson's disease symptoms, using intracerebral microdialysis to determine the extracellular Glu and GABA levels of the GP and SNr in response to HFS-STN in anesthetized hemiparkinsonian rats [6-hydroxydopamine lesion of the substantia nigra pars compacta (SNc)]. Basal levels of Glu and GABA in the GP and SNr were significantly higher in hemiparkinsonian than in intact rats. HFS-STN did not affect extracellular Glu level in the SNr of hemiparkinsonian rats but doubled the level of GABA. Ibotenic acid lesion of the GP abolished the increase in GABA levels in the SNr induced by HFS-STN in SNc-lesioned rats. These results provide neurochemical confirmation of the hyperactivity of the STN after dopaminergic denervation and suggest that the therapeutic effects of HFS-STN may result partly from the stimulation of pallidonigral fibers, thereby revealing a potential role for pallidal GABA in the inhibition of basal ganglial output structures during HFS-STN

Développement d'un modèle animal chez le rat reproduisant un déficit motivationnel pouvant s'apparenter à un syndrome d'apathie de la maladie de Parkinson

A côté de la triade motrice symptomatologique de la maladie de Parkinson (MP), des troubles comportementaux et cognitifs sont également fréquemment observés, incluant notamment l'apathie, définie comme une importante diminution des comportements motivés et qui est souvent associée à de l'anxiété et de la dépression. De façon intéressante, ces troubles neuropsychiatriques sont souvent observés chez des patients parkinsoniens traités par la stimulation cérébrale à haute fréquence du noyau sous-thalamique. Bien que les mécanismes physiopathologiques à l'origine de ces troubles restent aujourd'hui encore inconnus, il a été récemment suggéré qu'il pouvait exister un lien entre la diminution du traitement dopaminergique (DA) (rendue possible par les effets bénéfiques sur le plan moteur de la stimulation cérébrale profonde) et la résurgence du syndrome d'apathie chez ces patients parkinsoniens stimulés. Dans une première partie expérimentale, nous avons voulu déterminer le rôle du système DA dans l'émergence de ces troubles neuropsychiatriques d'identifier les projections DA ascendantes qui pourraient préférentiellement être impliquées. Notre modèle animal chez le rat, obtenu par des lésions neurotoxiques sélectives, bilatérales et partielles des différentes régions du continuum DA mésencéphalique nous a permis de mettre en évidence un rôle déterminant de la voie DA nigrostriatale dans les processus motivationnels et dans la régulation des comportements de type dépressif et anxieux, tout en s'affranchissant d'une altération des fonctions motrices. Dans une deuxième partie, une approche pharmacologique par des traitements chroniques à la L-DOPA ou au Ropinirole (agoniste D2/D3) nous a permis de vérifier de la bonne valeur prédictive de notre modèle animal vis-à-vis des traitements utilisés en clinique. L'administration de différents agonistes DA sélectifs des récepteurs de type D1, D2 et D3 nous a permis par la suite de montrer une implication majeure des récepteurs D3 dans la capacité à corriger le phénotype induit par la lésion de la voie nigrostriatale, ce qui ouvre ainsi la voie à de nouvelle cible thérapeutique. Au final, les données obtenues au cours de ce travail doctoral apportent de nouveaux arguments en faveur d'une implication de la voie DA nigrostriée dans l'émergence des troubles apathiques. Le modèle lésionnel mis en place pourra permettre de mieux appréhender le rôle de la dopamine dans les processus qui sous-tendent ces troubles motivationnels et thymiques dans la MP et identifier de nouvelles stratégies thérapeutiques mieux adaptées pour leur traitement.Beyond the classical triad of motor symptoms observed in Parkinson's disease (PD), behavioural and cognitive disturbances are also commonly observed, including apathy, defined as a decrease in motivated directed behaviours, and which is often associated with anxiety and depression. Interestingly, these neuropsychiatric symptoms are frequently observed in parkinsonian patients with high frequency stimulation of the subthalamic nucleus. Although the pathophysiological mechanisms behind these troubles are still unknown, a link has been recently suggested between the reduction of dopaminergic drugs (DA) (made possible by the benefits on the motor ability of deep brain stimulation) and the resurgence of the apathetic syndrome in these stimulated patients. In a first set of experiments, we set out to determine the role of the DA system in the emergence of such neuropsychiatric symptoms and which part of the DA ascending pathway is more specifically involved. Our lesion model in rats, by neurotoxic partial, selective and bilateral lesions of different regions of the DA midbrain continuum were performed allowed us to highlight a key role of the nigrostriatal DA pathway in the motivational processes and in regulating depressive- and anxiety-like behaviours, while avoiding motor impairments. In the second part, a pharmacological approach by chronic treatment with L-DOPA or Ropinirole (D2/D3 agonist) allowed us to verify the predictive value of our animal model in regard to treatment classically used in clinic. The administration of different selective agonists of the D1, D2 and D3 DA receptors has allowed us to show the major involvement of the D3 receptors in the efficiency to reverse the phenotype induced by the nigrostriatal pathway lesion, which opens the way for new therapeutic targets. Finally, the data obtained during this doctoral work provides new arguments for an involvement of the nigrostriatal DA pathway in the emergence of the apathetic syndrome in PD. The lesion model developed can lead to a better understanding of the role of DA in the processes underlying these motivational and mood disorders in PD and to identify new therapeutic strategies, more suitable for further treatment.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Does MPTP intoxication in mice induce metabolite changes in the nucleus accumbens? A 1H nuclear MRS study: A severe DA denervation in VTA induces metabolite changes in the NAc

International audienceUsing in vivo 1H NMR spectroscopy in a mouse model of Parkinson's disease, we previously showed that glutamate concentrations in the dorsal striatum were highest after dopamine denervation associated with an increase in gamma-aminobutyric acid (GABA) and (Gln) glutamine levels. The aim of this study was to determine whether the changes previously observed in the motor part of the striatum were reproduced in a ventral part of the striatum, the nucleus accumbens (NAc). This study was carried out on controls and 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP)-intoxicated mice. In vivo spectra were acquired for a voxel (8 L) in the dorsal striatum, and in the NAc (1.56 L). NMR acquisitions were first performed 10 days after the last MPTP injection in a basal condition [after saline intraperitoneal (i.p.) injection] and then in the same animal the week after basal NMR acquisitions, after acute levodopa administration (200 mg kg1, i.p.). Immunohistochemistry was used to determine the levels of (Glu) glutamate, glutamine synthetase (GS) and glutamic acid decarboxylase (GAD) isoform 67 in these two structures. The Glu, Gln and GABA concentrations obtained in the basal state were higher in the NAc of MPTP-intoxicated mice which have the higher dopamine denervation in the ventral tegmental area (VTA) and in the dorsal striatum. Levodopa decreased the levels of these metabolites in MPTP-intoxicated mice to levels similar to those in controls. In parallel, immunohistochemical staining showed that glutamate, GS and GAD67 immunoreactivity increased in the dorsal striatum of MPTP-intoxicated mice and in the NAc for animals with a severe dopamine denervation in VTA. These findings strongly supported a hyperactivity of the glutamatergic cortico-striatal pathway and changes in glial activity when the dopaminergic denervation in the VTA and substantia nigra pars compacta (SNc) was severe. Copyright (c) 2012 John Wiley & Sons, Ltd

Nigrostriatal Dopaminergic Denervation Does Not Promote Impulsive Choice in the Rat: Implication for Impulse Control Disorders in Parkinson’s Disease

Impulse control disorders (ICDs) are frequent behavioral complications of dopaminergic (DA) replacement therapies (DRTs) in Parkinson’s disease (PD). Impulsive choice, which refers to an inability to tolerate delays to reinforcement, has been identified as a core pathophysiological process of ICDs. Although impulsive choices are exacerbated in PD patients with ICDs under DRTs, some clinical and preclinical studies suggest that the DA denervation of the dorsal striatum induced by the neurodegenerative process as well as a pre-existing high impulsivity trait, may both contribute to the emergence of ICDs in PD. We therefore investigated in a preclinical model in rats, specifically designed to study PD-related non-motor symptoms, the effect of nigrostriatal DA denervation on impulsive choice, in relation to pre-existing levels of impulsivity, measured in a Delay Discounting Task (DDT). In this procedure, rats had the choice between responding for a small sucrose reinforcer delivered immediately, or a larger sucrose reinforcer, delivered after a 0, 5, 10 or 15 s delay. In two different versions of the task, the preference for the large reinforcer decreased as the delay increased. However, and in contrast to our initial hypothesis, this discounting effect was neither exacerbated by, or related to, the extent of the substantia nigra pars compacta (SNc) DA lesion, nor it was influenced by pre-existing variability in impulsive choice. These results therefore question the potential implication of the nigrostriatal DA system in impulsive choice, as well as the DA neurodegenerative process as a factor contributing significantly to the development of ICDs in PD

Distinct Changes in cAMP and Extracellular Signal-Regulated Protein Kinase Signalling in L-DOPA-Induced Dyskinesia

Background: In rodents, the development of dyskinesia produced by L-DOPA in the dopamine-depleted striatum occurs in response to increased dopamine D1 receptor-mediated activation of the cAMP- protein kinase A and of the Rasextracellular signal-regulated kinase (ERK) signalling pathways. However, very little is known, in non-human primates, about the regulation of these signalling cascades and their association with the induction, manifestation and/or maintenance of dyskinesia. Methodology/Results: We here studied, in the gold-standard non-human primate model of Parkinson’s disease, the changes in PKA-dependent phosphorylation of DARPP-32 and GluR1 AMPA receptor, as well as in ERK and ribosomal protein S6 (S6) phosphorylation, associated to acute and chronic administration of L-DOPA. Increased phosphorylation of DARPP-32 and GluR1 was observed in both L-DOPA first-ever exposed and chronically-treated dyskinetic parkinsonian monkeys. In contrast, phosphorylation of ERK and S6 was enhanced preferentially after acute L-DOPA administration and decreased during the course of chronic treatment. Conclusion: Dysregulation of cAMP signalling is maintained during the course of chronic L-DOPA administration, while abnormal ERK signalling peaks during the initial phase of L-DOPA treatment and decreases following prolonged exposure

Etude radioautographique de la localisation sous regionale et cellulaire des recepteurs D1 et D2 dopaminergiques dans le stratium de rat et de leur plasticite apres denervation dopaminergique

SIGLECNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Mécanismes neurochimiques induits par la stimulation électrique du noyau sub-thalamique (étude par microdialyse intra-striatale ou intra-nigrale des variations de glutamate, de GABA et de dopamine chez le rat anesthésié ou éveillé)

Le travail expérimental présenté dans cette thèse a contribué à la compréhension des mécanismes de la stimulation à haute fréquence à 130 Hz (SHF) du noyau sub-thalamique (NST), chez le rat, par le biais d'une approche fonctionnelle in vivo, s'appuyant sur la microdialyse intracérébrale. L'originalité de ce travail s'appuie sur le fait que nous avons pu étudier in situ, dans certains noyaux des ganglions de la base, les modifications neurochimiques induites par la SHF. L'étude de ces modifications neurochimiques réalisée pendant la SHF du NST, représente une information pertinente par rapport aux investigations électrophysiologiques, qui n'avaient pas permis jusqu'à ce jour l'enregistrement des neurones du NST simultanément à la SHF. De plus, les données neurochimiques obtenues au cours de ce travail permettent d'apporter des informations nouvelles et complémentaires, contribuant ainsi à construire une partie du puzzle de la compréhension de ces mécanismes.The experimental study presented in this thesis has participated in the understanding of the 130 Hz high frequency stimulation (HFS) of the sub-thalamic nucleus (STN) mecanisms, in the rat, with an in vivo functional approach, using the intracerebral microdialysis. The originality of this work is that we have been able to study in situ, in some basal ganglia nuclei, neurochemical modifications induced by HFS. The study of these neurochemical modifications realized during HFS of the STN, represents a relevant information compared to the electrophysiological investigations, which have not allowed, until now, the record of neurons in the STN simultaneously to the HFS. Furthermore, the neurochemical data obtained during this work bring new and complementary informations, thus contributing in part of the puzzle in the understanding of these mecanisms.GRENOBLE1-BU Médecine pharm. (385162101) / SudocPARIS-BIUP (751062107) / SudocSudocFranceF

Modifications neurochimiques au sein des ganglions de la base et comportements moteurs associés lors d'une stimulation électrique du noyau subthalamique chez le rat hémiparkinsonien ou de la mise en place de la dénervation dopaminergique chez le singe

La stimulation à haute fréquence (SHF) du noyau subthalamique (NST) permet de traiter l'ensemble des symptômes moteurs de la maladie de Parkinson (MP), qui n'apparaissent que lorsque 70 % des neurones dopaminergiques de la SNc ont dégénéré. En outre, les mécanismes in fine qui permettent de retarder l'apparition des symptômes moteurs ou qui sous-tendent l'efficacité thérapeutique de la SHF du NST chez l'homme ne sont pas encore élucidés. Notre travail a porté principalement sur l'animal éveillé libre de ses mouvements. Dans une première partie, nous avons analysé les effets de la SHF du NST sur le comportement moteur de rats sains et 6-OHDA et nous avons établi une corrélation entre ces effets et les taux de glutamate et de GABA extracellulaire mesurés par microdialyse intracérébrale au sein de la SNr. Ces données comportementales et neurochimiques couplées à des injections pharmacologiques intranigrales suggèrent que les dyskinésies de la patte avant induites par la SHF du NST sont médiées par le glutamate et fournissent de nouveaux arguments quant aux mécanismes de la SHF du NST dans la MP. Dans une seconde partie nous avons réalisé des microdialyses intracérébrales chez des singes normaux, puis exprimant pleinement les symptômes moteurs induits par le MPTP et enfin après récupération de ces symptômes moteurs dans le but de corréler les déficits et la récupération motrice à des changements de concentration de neurotransmetteurs présents dans deux territoires striataux : le sensori-moteur et le limbique. Notre étude s'est focalisée sur la dopamine et ses métabolites, le glutamate, le GABA et la sérotonine. Nos résultats montrent que les variations de dopamine pourraient jouer un rôle important dans les mécanismes de compensation permettant la récupération de fonctions motrices normales.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF