Abstract Parkinson’s disease (PD) is a complex disease affecting many facets of movement, especially gait abnormalities such as shuffling and freezing of gait. The nigrostriatal pathways of the basal ganglia are traditionally targeted by existing therapies; however, other pathways may be more relevant to gait, such as the pedunculopontine nucleus and the zona incerta (ZI). The A13 nucleus may be such a target as it has emerged as an area of interest in dopamine motor function. Yet, this area remains understudied compared to other dopamine nuclei, especially in animal models of PD. In 6-OHDA mice, we found a reduction in locomotion in the open field and gait dysfunction during treadmill tests. Medial ZI dopamine cells, containing the A13 nucleus, were preserved following 6-OHDA, in contrast to a marked reduction in substantia nigra pars compacta (SNc) neurons. There was extensive remodelling of the A13 afferent and efferent connectome following nigrostriatal lesions. Afferent input patterns displayed a marked reduction in cross-correlation across brain regions in 6-OHDA mice, while efferent projections showed an increase. In a human PD patient with advanced gait dysfunction we found that the A13 nucleus was preserved, suggesting that remodelling could also occur in humans. This work points to the A13 region as a potential therapeutic target in PD. Significance Statement Recently it was found that the medial zona incerta projects to the cuneiform nucleus suggesting a parallel dopaminergic projection onto motor regions. Here we investigated the connectome of the A13 region and examined the afferent and efferent projections in normal mice and mice with a unilateral Parkinsonian mouse model. We found that the connectome was reconfigured following nigrostriatal degeneration. This work provides a comprehensive insight into the plasticity in a dopaminergic-rich area of the zona incerta in PD injury models.

ABSTRACT Parkinson’s disease (PD) is characterized by extensive motor and non-motor dysfunction, including gait disturbance, which is difficult to treat effectively. This study explores the therapeutic potential of targeting the A13 region, a dopamine-containing area of the medial zona incerta (mZI) that has shown relative preservation in PD models. The A13 is identified to project to the mesencephalic locomotor region (MLR), with a subpopulation of cells displaying activity correlating to movement speed, suggesting its potential involvement in locomotor function. We show that photoactivation of this region can alleviate bradykinesia and akinetic symptoms in a mouse model of PD, revealing the presence of preserved parallel motor pathways for movement. We identified areas of preservation and plasticity within the mZI connectome using whole-brain imaging. Our findings suggest a global remodeling of afferent and efferent projections of the A13 region, highlighting the zona incerta’s role as a crucial hub for the rapid selection of motor function. Despite endogenous compensatory mechanisms proving insufficient to overcome locomotor deficits in PD, our data demonstrate that photostimulation of the A13 region effectively restores locomotor activity. The study unveils the significant pro-locomotor effects of the A13 region and suggests its promising potential as a therapeutic target for PD-related gait dysfunction. SIGNIFICANCE STATEMENT This work examines the function of the A13 nucleus in locomotion, an area with direct connectivity to locomotor regions in the brainstem. Our work shows that A13 stimulation can restore locomotor function and improve bradykinesia symptoms in a PD mouse model.

Abstract Dystonia arises with cerebellar dysfunction, which plays a key role in the emergence of multiple pathophysiological deficits that range from abnormal movements and postures to disrupted sleep. Current therapeutic interventions typically do not simultaneously address both the motor and non-motor (sleep-related) symptoms of dystonia, underscoring the necessity for a multi-functional therapeutic strategy. Deep brain stimulation (DBS) is effectively used to reduce motor symptoms in dystonia, with existing parallel evidence arguing for its potential to correct sleep disturbances. However, the simultaneous efficacy of DBS for improving sleep and motor dysfunction, specifically by targeting the cerebellum, remains underexplored. Here, we test the effect of cerebellar DBS in two genetic mouse models with dystonia that exhibit sleep defects— Ptf1a Cre ;Vglut2 fx/fx and Pdx1 Cre ;Vglut2 fx/fx —which have overlapping cerebellar circuit miswiring defects but differing severity in motor phenotypes. By targeting DBS to the cerebellar fastigial and interposed nuclei, we modulated sleep dysfunction by enhancing sleep quality and timing in both models. This DBS paradigm improved wakefulness (decreased) and rapid eye movement (REM) sleep (increased) in both mutants. Additionally, the latency to reach REM sleep, a deficit observed in human dystonia patients, was reduced in both models. Cerebellar DBS also induced alterations in the electrocorticogram (ECoG) patterns that define sleep states. As expected, DBS reduced the severe dystonic twisting motor symptoms that are observed in the Ptf1a Cre ;Vglut2 fx/fx mutant mice. These findings highlight the potential for using cerebellar DBS to improve sleep and reduce motor dysfunction in dystonia and uncover its potential as a dual-effect in vivo therapeutic strategy.