Characterization of neuronal circuits controlling ventral tegmental area dopaminergic neuron activity

Les neurones dopaminergiques (DA) de l’aire tegmentale ventrale (VTA) sont influencés par différents stimuli comme des récompenses naturelles et d’autres stimuli moins physiologiques tels que les drogues d’abus. Ces drogues agissent en détournant les mécanismes d’apprentissage qui sous-tendent normalement la motivation pour des renforçateurs naturels. Les neurones DA, en conditions physiologiques, sont subtilement régulés par une balance entre tonus GABA et glutamatergique. Ils sont soumis à de multiples sources inhibitrices dont le noyau accumbens, les interneurones locaux ou les neurones GABA de la queue de la VTA (tVTA). Le glutamate est également important dans leur modulation. Il contrôle leur activité en bursts, qui est le mode de décharge le plus efficace pour libérer de la dopamine et coder des informations associées à la récompense. Il permet des adaptations synaptiques à long terme qui se sont révélées importantes dans la prise de drogue. La connaissance des facteurs endogènes qui contrôlent l’excitabilité des cellules DA de la VTA est essentielle à la compréhension des processus physiologiques (recherche de plaisir…) mais aussi pathologiques (addiction…). L’objectif de mon travail a été de comprendre les circuits de régulation des neurones DA en conditions physiologiques et lors de l’exposition à la morphine. Dans un premier temps, nous avons étudié les mécanismes de régulation des neurones DA par la formation hippocampique ventrale incluant le subiculum ventral et l’aire CA1 ventrale (vSUB/CA1). Grâce à l’utilisation d’approches d’électrophysiologie in vivo chez le rat anesthésié, nous avons montré que le vSUB/CA1 exerce un contrôle excitateur glutamatergique des neurones DA. Nous avons mis en évidence que cette voie vSUB/CA1-VTA est polysynaptique, faisant intervenir le BNST comme relais. J’ai aussi pu confirmer le rôle fonctionnel de la tVTA en tant que nouvelle structure GABA modulant l’activité des neurones DA, renforçant ainsi l’idée d’une balance entre tonus GABA et glutamatergique régulant les neurones DA in vivo.La deuxième partie de ma thèse a consisté en l’étude des circuits neuronaux à l’origine des effets excitateurs de la morphine sur les neurones DA de la VTA in vivo. L’hypothèse actuelle est que la morphine excite les neurones DA par un mécanisme de désinhibition en inhibant les neurones GABA de la VTA. Grâce à l’utilisation d’approches multiples, nous avons proposé un nouveau circuit expliquant les effets de la morphine. Ces effets sont la conséquence d’une modification de la balance GABA/glutamate par la morphine. Elle se traduit par une diminution du tonus GABA et d’une augmentation du tonus glutamatergique. Enfin, nous avons pu démontrer qu’une seule exposition à la cocaïne augmente l’activité de base des neurones DA. Chez ces animaux, les effets excitateurs de la morphine sont potentialisés confirmant ainsi l’hypothèse que l’amplitude de l’activation des neurones DA par la morphine dépend de leur état d’excitabilité.Dopaminergic (DA) neurons of the ventral tegmental area (VTA) are influenced by several stimuli such as natural rewards or drugs of abuse. Drugs shunt learning mechanisms which underlie motivation for natural reinforcers. Under physiological conditions, DA neurons are regulated by a balance between GABA and glutamatergic inputs. They receive several inhibitory inputs especially from the nucleus accumbens, VTA local interneurons and GABA neurons of the tail of the VTA (tVTA). Glutamate is also important in modulating DA neuron activity. It controls their bursting activity which is the most efficient way to release dopamine and to encode reward-associated informations. It allows long term synaptic adaptations important for addiction. Knowing how these endogenous factors control VTA DA neuron excitability is essential to understand physiological (search for pleasure…) and pathological (drug addiction…) processes.In the first part of my thesis, we studied the regulation of the VTA by the hippocampal formation including the ventral subiculum and the ventral CA1 area (vSUB/CA1). Using electrophysiological approaches in anesthetized animal, we showed that the vSUB/CA1 controls VTA DA neurons and that this input is glutamatergic. We also demonstrated that the vSUB/CA1-VTA pathway is polysynaptic implicating the BNST as a relay. I also confirmed the inhibitory control of the VTA by tVTA, new GABA input to DA neurons. Thus, in vivo, DA neurons are regulated by a balance between GABA and glutamatergic inputs. The second part of my research consisted in studying the neuronal circuits underlying excitatory effects of morphine on VTA DA neurons in vivo. The actual hypothesis is that morphine excites DA neurons by a disinhibition mechanism inhibiting VTA GABA neurons. Using several approaches (electrophysiological approaches in anesthetized animal, tract-tracing methods), we proposed a new circuitry explaining morphine effects. These excitatory effects result from a modification of the balance between GABA and glutamatergic inputs with a decrease of the GABA tone and an increase of the glutamatergic tone. Finally, we demonstrated that an acute cocaine exposure increases DA neuron activity. In animals exposed to cocaine, morphine excitatory effects are potentiated. This last experiment confirms the hypothesis that the amplitude of morphine-induced activation of VTA DA neurons depends on their excitability state