The role of pontomesencephalic cholinergic neurons and their neighboring GABAergic and putative glutamatergic neurons in modulating cortical activity and sleep-wake states

Abstract

Neurons within the brainstem pontomescencephalic tegmentum (PMT) are suggested to play a critical role in influencing cortical activity and behavior across sleep-wake states. Cholinergic neurons in the PMT form part of the ascending activating system and are thought to participate in stimulating cortical activation during both waking (W) and paradoxical sleep (PS). They are also suggested to trigger PS with muscle atonia through their descending projections into the brainstem reticular formation. Yet in the laterodorsal tegmental and pedunculopontine tegmental nuclei (LDT and PPT), they lie intermingled with GABAergic and glutamatergic neurons, which could also modulate cortical activity and sleep–wake states.In the present work, by immunohistochemical identification of recorded and labeled single cells in urethane-anesthetized and natural sleeping/waking rats, I described the activity profiles of LDT and PPT cholinergic neurons, in addition to GABAergic and putative glutamatergic neurons, first, under anesthesia in relation to cortical activity, and second, during natural sleep-wake states in relation to state, cortical activity and muscle tone. In anesthetized rats, I found that all LDT/PPT cholinergic neurons increased their discharge in association with cortical activation evoked by somatic stimulation. They could thus function to stimulate this cortical activation. In contrast, LDT/PPT GABAergic and putative glutamatergic neurons were heterogeneous: they could either increase or decrease their discharge in relation to cortical activation. They could thus work differently to stimulate cortical activation or to dampen behavioral arousal. In natural sleeping/waking rats, I found that a cholinergic neuron was active during both W and PS, as a W/PS-max active neuron. LDT/PPT Cholinergic neurons could thus function to stimulate cortical activation during W and during PS, and trigger motor inhibition and muscle atonia associated with PS. In contrast, LDT/PPT GABAergic and putative glutamatergic neurons were heterogeneous in their sleep-wake discharge profiles. Some were active during both W and PS and were considered as W/PS-max active neurons. They could thus participate in stimulating cortical activation during both W and PS. Others were maximally active during PS, as PS-max active neurons, and could thus participate in dampening behavioral arousal and muscle tone during PS. Some putative glutamatergic neurons were maximally active during W, as W-max active neurons, and could thus participate in stimulating behavioral arousal with muscle tone during wakefulness.Together, these findings indicate that different LDT/PPT neurons are working in coordination to either mediate cortical activation during W and PS, to dampen behavioral arousal and muscle tone during PS or to stimulate behavioral arousal and muscle tone during wakefulness.Les neurones situés dans le tronc cérébral au niveau du pontomescencephalic tegmentum (PMT) ont été suggérés de jouer un role critique pour influencer l'activité corticale et comportementale durant les états de veille et de sommeil ou états, dits, de vigilance. Les neurones cholinergiques dans le PMT font partie du système d'activation ascendant qui contribue à la genèse de l'activation corticale durant l'éveil (E) et le sommeil paradoxal (SP). Ils sont aussi suggérés promouvoir l'état de SP accompagné d'atonie musculaire via leurs projections descendantes vers la formation réticulaire du tronc cérébral. Dans les noyaux laterodorsal tegmentale et pédonculopontin tegmentale (LDT et PPT), ces neurones cholinergiques sont entremêlés avec d'autres neurones GABAergiques et glutamatergiques, qui peuvent à leur tour contribuer à la modulation de l'activité corticale et donc aux états de vigilance.Dans le présent travail, des cellules ont été enregistrées, marquées et identifiées immunohistochimiquement comme des neurones cholinergiques, GABAergiques ou présumés glutamatergiques dans le LDT et le PPT chez des rats anesthésiés à l'uréthane et chez des rats qui dorment et se réveillent naturellement. Premièrement, sous anesthésie, nous avons déterminé l'activité de ces neurones en relation avec l'activation corticale. Deuxièmement, à travers les différents états de veille et de sommeil, nous avons déterminé l'activité de ces neurones en relation avec ces états de veille et de sommeil, les activités corticales pertinentes caractérisant ces états et le tonus musculaire. Chez les rats anesthésiés, j'ai constaté que tous les neurones cholinergiques du LDT / PPT augmentaient leur décharge en association avec l'activation corticale évoquéepar une stimulation somatique. Ils pourraient donc participer à cette activation corticale. Les neurones GABAergiques et les neurons présumés glutamatergiques, quant a eux, étaient hétérogènes. Soit, ils augmentaient ou ils diminuaient leur décharge en relation avec l'activation corticale. Ils pourraient ainsi contribuer différemment soit pour stimuler l'activation corticale ou au contraire freiner l'éveil comportemental. Chez des rats qui dorment et se réveillent naturellement, j'ai constaté qu'un neurone cholinergique est actif au cours des deux états de vigilance l'éveil et SP, il est considéré comme étant un neurone E/SP-max. Les neurones cholinergiques de LDT/PPT pourraient ainsi stimuler l'activation corticale lors de l'éveil et du SP, comme ils pourraient également promouvoir l'inhibition motrice et l'induction de l'atonie musculaire associée au SP. En revanche, les neurons GABAergiques et les neurones présumés glutamatergiques du LDT/PPT sont hétérogènes dans leurs profils de décharge. Certains, sont actifs pendant l'éveil et le SP, comme étant des neurones E/SP-max. Comme pour les neurones cholinergiques, ils pourraient également stimuler l'activation corticale au cours de l'éveil et du SP. D'autres, sont actifs au maximum pendant le SP, comme étant des neurones SP-max. Ils pourraient éventuellement participer à freiner l'éveil comportemental ainsi que le tonus musculaire au cours du SP. Quelques neurones présumés glutamatergiques sont actifs au maximum pendant l'éveil. Ils pourraient participer à stimuler l'éveil comportemental ainsi que le tonus musculaire au cours de l'éveil.L'ensemble de ces travaux montre que les différents neurones du LDT/PPT travaillent en coordination pour soit influencer l'activation corticale pendant l'éveil et le SP, soit freiner l'éveil comportemental et le tonus musculaire au cours du SP ou au contraire stimuler l'éveil comportemental et le tonus musculaire au cours de l'éveil