Involvement of serotonergic descending pathways in the control of nociception in Parkinson disease

Implication des voies descendantes sérotoninergiques dans le contrôle de la nociception dans la maladie de Parkinson

• Auteur / Autrice : Zoé Grivet
• Direction : Pascal Fossat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 03/11/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Maladies Neurodégénératives
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Bertrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Coizet, Michel Barrot, Amaury Francois, Anna Beyeler
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Coizet, Michel Barrot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moelle épinière

Modèles animaux

Sérotonine

Nocicepteurs

Maladie de Parkinson

Mots clés libres

Maladie de Parkinson

Nociception

Sérotonine

Moelle épinière

Parkinson disease

Nociception

Serotonin

Moelle épinière

Résumé

La maladie de parkinson (MP) est caractérisée par la perte des neurones à dopamine (DA) dans la substance noire compacte qui s’accompagne de symptômes moteurs caractéristiques mais aussi de symptômes non-moteurs comme la douleur dont les mécanismes ne sont pas encore connus. Outre la DA, d’autres systèmes comme le système sérotoninergique (5-HT) peuvent être affectés par la MP. Or celui-ci est fondamental dans le contrôle de la douleur, ses neurones projetant au niveau de la moelle épinière (ME). Nous émettons donc l’hypothèse que la douleur dans la MP est liée à une perturbation de la modulation douloureuse par les voies descendantes 5-HT. Pour tester cela, nous avons utilisé le modèle 6-OHDA de MP chez la souris. Nous montrons que la déplétion dopaminergique (DA) diminue les seuils douloureux mécaniques bilatéralement, engendre une augmentation de l’activité nociceptive de la corne dorsale de moelle épinière (CDME) et notamment une hyperactivité des neurones nociceptifs de celle-ci. Aussi, elle engendre une augmentation de l'activité de neurones 5-HT du nucleus raphe magnus (NRM) et une augmentation des niveaux de 5-HT dans la ME. Afin de vérifier que l'hypersensibilité observée chez les souris 6-OHDA est directement liée à l'augmentation de l'activité 5-HT, nous avons utilisé des souris transgéniques 5-HTcre et des techniques d’optogénétiques pour spécifiquement inhiber la voie 5-HT descendante. Nous montrons ainsi que l’inhibition de la voie 5-HT permet un rétablissement partiel de la sensibilité douloureuse chez les souris 6-OHDA ainsi qu’une diminution de l’activité nociceptive de la CDME. Ce rétablissement peut être mimé par l’injection intrathécale d’antagonistes des récepteurs 5-HT2a et 3. Tout cela montre que la délétion DA augmente l’activité des neurones 5-HT du NRM induisant une hyperexcitabilité spinale associée à une hypersensibilité douloureuse. Ces résultats révèlent une voie facilitatrice de la 5-HT après déplétion DA alors que chez les souris naïves, il a été montré une inhibition de la douleur par la voie 5-HT descendante, suggérant que le rôle de la 5-HT dans le contrôle de la nociception change en fonction de l'activité de ses neurones. Nous avons donc étudié le rôle du niveau de stimulation de la voie 5-HT sur la nociception. Nous montrons que l'inhibition des voies 5-HT, réduit les seuils de retrait de la patte et augmente l'activité des neurones nociceptifs dans la CDME, révélant un rôle tonique anti-nociceptif de la voie 5-HT en condition normale.Ensuite, nous avons activé les voies 5-HT en utilisant différents protocoles optogénétiques et chémogénétiques. Nous avons confirmé avec l'optogénétique que les stimulations à court terme des neurones 5-HT est analgésique tandis que celles plus longues sont proalgésiques. Les expériences chémogénétiques suggèrent aussi que différentes concentrations de DCZ conduisent à un contrôle opposé de la douleur, mais des expériences supplémentaires sont nécessaires pour consolider ces résultats. Cependant, tout cela étaye l'hypothèse selon laquelle le niveau d'activité des neurones 5-HT régule leur effet sur la transmission nociceptive. Enfin, nous explorons les récepteurs médullaires de la 5-HT impliqués et montrons que l'effet analgésique passe par les récepteurs 5-HT2a et c des interneurones locaux, tandis que l'effet hyperalgésique nécessite le recrutement des récepteurs 5-HT3.En conclusion, ce travail démontre que (1) le niveau d'activité des neurones 5-HT est un indicateur crucial du contrôle 5-HT de la douleur, allant de l'analgésie à l'hyperalgésie, et que (2) la perte des neurones DA entraîne une augmentation de l'activité de la voie descendante 5-HT, induisant une hypersensibilité nociceptive liées aux récepteurs spinaux 5-HT2a/5-HT3. Cela ouvre à l’exploration de l'utilisation d'antagonistes de la 5-HT dans le traitement potentiel de la douleur chronique dans la MP et l'utilisation de l'activité des neurones 5-HT comme indicateur de douleurs pathologiques.

Parkinson disease (PD) is a multi-factory disorder leading to motor but also to non-motor symptoms, associated with dopamine (DA) depletion in basal ganglia. One of the major non-motor symptom is chronic pain whose underlying mechanisms are still largely unknown. Beyond DA, it is also known that other monoaminergic systems such as serotonergic (5-HT) are altered in PD. Moreover, 5-HT descending neurons projecting from the nucleus raphe magnus (NRM) to the dorsal horn of the spinal cord (DHSC) exert an important pain modulation. Thus, we hypothesized that chronic pain in PD is associated to a perturbation of pain control by 5-HT descending pathways.To test this, we used the 6-OHDA mouse model of PD that kill over 90% of DA neurons in the SNc. Depletion of DA neurons led to decreased bilateral mechanical pain thresholds and increased nociceptive activity in the dorsal horn of the spinal cord (DHSC) notably by inducing a hyperactivity of spinal nociceptive neurons. Additionally, we found an increased activity of 5-HT neurons of the nucleus raphe magnus, an increased barrage of excitatory inputs on these neurons and raised 5-HT levels in the spinal cord compared to sham animals.To verify that the observed hypersensitivity in 6-OHDA mice was directly linked to the increased 5-HT activity, we used transgenic mice expressing cre-recombinase in 5-HT neurons, allowing specific expression of light-dependent inhibitory opsins. Inhibition of the 5-HT-spinal cord pathway partially restored pain sensitivity in 6-OHDA animals and reduced nociceptive activity in the DHSC. This partial recovery could be mimicked by intrathecal injection of 5-HT2a and 5-HT3 receptor antagonists. These results show that DA depletion is associated to increase 5-HT neuron activity in the NRM that mediate spinal hyperexcitability associated to nociceptive hypersensitivity.These results show a 5-HT facilitatory pathway after DA depletion. In contrast, previously, in naive mice we showed a 5-HT descending pain inhibition suggesting that the role of serotonin in nociceptive control change upon 5-HT neurons activity. To test for that hypothesis, we thus investigated the role of the level of stimulation of the 5-HT descending pathway on nociceptive response and dorsal horn neurons excitability. We show that contrary to DA depletion, inhibition of 5-HT pathways reduced paw withdrawal thresholds and increased nociceptive neuron activity in the DHSC, demonstrating a tonic anti-nociceptive role of the 5-HT pathway under normal conditions. Next, we activated 5-HT descending pathways using different optogenetic and chemogenetic protocols of stimulation. We confirmed with optogenetic that short-term stimulation of 5-HT neuron is analgesic while longer stimulation are proalgesic. Chemogenetic experiments also suggest different DCZ concentrations also lead to opposite pain control but experiments need to be consolidated. However, all these results support the hypothesis that the activity level of 5-HT neurons controls their effect on nociceptive transmission from antinociceptive at low level to pronociceptive at higher levels. We finally address the question of the spinal 5-HT receptors involved and we show that analgesic effect is associated to activation of local inhibitory interneurons expressing 5-HT2a and c receptors while hyperalgesic effect of high level of activity need the recruitment of 5-HT3 receptors.In conclusion, this work demonstrates that (1) the level of activity of 5-HT neurons is a crucial indicator of serotonergic control of pain going from analgesia to hyperalgesia, and that (2) the loss of DA neurons in PD leads to increased activity of 5-HT descending pathway, resulting in a spinal 5-HT2a/5-HT3 dependent nociceptive hypersensitivity in mice. Lastly, it opens avenues for exploring the use of serotonin antagonists in the potential treatment of chronic pain in Parkinson's disease and the use 5-HT neurons activity as an indicator of pathological pain.