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ERK Is Involved in the Reorganization of Somatosensory Cortical Maps in Adult Rats Submitted to Hindlimb Unloading
Sensorimotor restriction by a 14-day period of hindlimb unloading (HU) in the adult rat induces a reorganization of topographic maps and receptive fields. However, the underlying mechanisms are still unclear. Interest was turned towards a possible implication of intracellular MAPK signaling pathway since Extracellular-signal-Regulated Kinase 1/2 (ERK1/2) is known to play a significant role in the control of synaptic plasticity. In order to better understand the mechanisms underlying cortical plasticity in adult rats submitted to a sensorimotor restriction, we analyzed the time-course of ERK1/2 activation by immunoblot and of cortical reorganization by electrophysiological recordings, on rats submitted to hindlimb unloading over four weeks. Immunohistochemistry analysis provided evidence that ERK1/2 phosphorylation was increased in layer III neurons of the somatosensory cortex. This increase was transient, and parallel to the changes in hindpaw cortical map area (layer IV). By contrast, receptive fields were progressively enlarged from 7 to 28 days of hindlimb unloading. To determine whether ERK1/2 was involved in cortical remapping, we administered a specific ERK1/2 inhibitor (PD-98059) through osmotic mini-pump in rats hindlimb unloaded for 14 days. Results demonstrate that focal inhibition of ERK1/2 pathway prevents cortical reorganization, but had no effect on receptive fields. These results suggest that ERK1/2 plays a role in the induction of cortical plasticity during hindlimb unloading
Conséquences chez le rat de la déafférentation vestibulaire et périphérique sur la plasticité des motoneurones innervant un muscle postural (le soleus)
L'implication des informations afférentes vestibulaires ou périphériques dans le contrôle postural a largement été démontrée. En effet, des lésions chirurgicales sélectives ou accidentelles et pathologiques de ces informations provoquent des perturbations de la posture et de la locomotion. Il est donc fort probable que ces perturbations s'accompagnent de modifications des propriétés musculaires et médullaires. Dans un premier temps, notre travail s'est focalisé sur l'étude de la plasticité d'un muscle directement impliqué dans le contrôle postural, le soleus de rat, muscle lent extenseur de la cheville, Nous avons observé que la lésion vestibulaire provoquait une transformation des propriétés du muscle soleus vers un muscle de phénotype plus lent associée à une activité électromyographique plus tonique. Dans un second temps, l'étude à l'échelle spinal a montré des modifications du réflexe monosynaptique (RMS) et de la morphologie des motoneurones (diminution de la taille des soma). Ce dernier résultat nous permet de suggérer que l'excitabilité des motoneurones est augmentée. En ce qui concerne les informations afférentes périphériques, nous nous sommes tout d'abord intéressés à la plasticité neuromusculaire suite à une absence totale d'informations issues des récepteurs périphériques après deafférentation bilatérale.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF
Etude de la plasticité du système neuromusculaire chez le rat soumis à un épisode d'hypodynamie-hypokinésie
La microgravite se caracterise par une reduction des activites sensorimotrices. Elle induit une perte de masse et de force musculaire se manifestant sur les muscles lents posturaux. Ces effets sont bien connus. Par contre, il y a peu de donnees sur les modifications fonctionnelles du systeme neuromusculaire. L'objectif de ce travail a ete de determiner si la microgravite induit le developpement d'une plasticite de ce systeme. L'hypodynamie-hypokinesie (hh) des muscles des membres posterieurs est obtenue par l'utilisation du modele du rat suspendu, modele terrestre de microgravite simulee. Dans une premiere partie, l'etude de la plasticite motrice induite par 14 jours d'hh a ete realisee en etudiant l'activite electromyographique de deux muscles extenseurs de la cheville, lors de la locomotion sur tapis roulant. Apres hh, le patron locomoteur est modifie de facon differentielle. Ceci traduit des modifications de la commande nerveuse de ces deux muscles. Dans une seconde partie, la plasticite nerveuse sensorielle a ete abordee par trois etudes (cartographie corticale, marquage de la proteine fos, potentiels evoques). Nos travaux mettent en evidence une reorganisation des cartes sensorielles, une augmentation du niveau d'activation des cellules spinales et corticales (marquage fos augmente) et des modifications de la transmission des messages nerveux afferents. L'existence d'une plasticite du systeme neuromusculaire apres un episode d'hh est ainsi demontree. Les resultats obtenus peuvent servir d'elements d'interpretation pour expliquer les modifications d'ordre fonctionnel (troubles de la locomotion) observes chez l'homme apres un sejour en microgravite reelle.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF
Influence de l'hypodynamie-hypokinésie sur les organes tendineux de Golgi conséquences de la microgravité simulée sur les neurotransmetteurs médullaires
Les conditions d'hypodynamie (absence de charge corporelle) et d'hypokinésie (absence de mouvement), également appelées HH peuvent être obtenues en utilisant chez le rat le modèle de Marey. Chez les muscles lents posturaux comme le soleus, ces conditions entraînent de profondes modifications phénotypiques (transition lent -> rapide des protéines musculaires et des ARN) et contractiles (transition lent -> rapide des propriétés contractiles des muscles et des unités motrices) qui suggèrent une altération du message nerveux moteur. Cependant, jusqu'à présent, aucune donnée n'avait fait état d'éventuel changement des organes tendineux de Golgi (OTG), propriocepteurs signalant grâce aux fibres sensitives Ib les variations de contraction musculaire. La première partie de notre travail a été d'étudier le devenir des OTG du muscle soleus de rat en situation contrôle et après 14 jours d'HH. Nos résultats montrent que la morphologie des OTG est conservée après HH. Les propriétés électrophysiologiques mesurées à partir des fréquences de décharge sont modifiées : la valeur du pic dynamique est diminuée et la sensibilité statique est augmentée. Dans un second volet, nous nous sommes intéressés à la teneur en neurotransmetteurs excitateurs et inhibiteurs du segment ventral L5 de la moelle épinière qui contient les motoneurones innervant le muscle soleus. Les données obtenues indiquent, à 7 jours d'HH, une augmentation transitoire des neurotransmetteurs : glutamate, aspartate, glycine et GABA. En revanche, il n'y a pas de modification de l'expression des sous-unités alpha 1 du récepteur glycine et des sous-unités NR2A et NRI du récepteur NMDA. En conclusion, nos résultats démontrent l'existence d'une plasticité nerveuse médullaire induite par les conditions d'HH.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF
Influence de la microgravité simulée sur les afférences cutanées plantaires et sur les afférences proprioceptives du muscle soleus de rat
Le modèle animal de Morey est très utilisé pour mimer les conditions (HH) d'Hypodynamie (absence de charge corporelle) et d'Hypokinésie (réduction de l'activité motrice) établies au cours d'un vol spatial. L'HH entraîne le développement d'une plasticité musculaire caractérisée par une atrophie, des pertes de forces, des modifications des cinétiques de contraction, et des changements en protéines (isoformes des Chaînes Lourdes de Myosines, MHC). L'origine de ces modifications n'est pas connue, bien qu'il soit suggéré un rôle joué par le manque de messages afférents. Notre travail s'est focalisé chez le rat sur les récepteurs cutanés plantaires et les fuseaux neuromusculaires (FNM) du muscle soleus. En HH, les mécanorécepteurs cutanés plantaires ne sont plus stimulés. Leur réactivation compense partiellement l'atrophie et les pertes de forces musculaires. Ce protocole pourrait donc constituer un moyen de contre mesure non invasif utilisable pour l'homme en vol spatial. Avant d'étudier l'activité des FNM (propriocepteur sensible à l'étirement musculaire en normo-gravité), nous avons défini les critères permettant de différencier les décharges des fibres afférentes Ia de celles des fibres II sur l'animal normal. Après HH, leurs réponses sont augmentées lors d'étirements en rampe et sinusoïdaux. L'étirement musculaire serait donc mieux perçu par les fuseaux et aurait pour origine des modifications dans les propriétés biomécaniques du muscle soleus. Ceci pourrait expliquer les modifications de la posture et de la locomation observées après HH. L'HH entraîne aussi des changements d'expression des isoformes de MHC I, slow-tonic, et [alpha]-cardiac au niveau des fibres intrafusales à sacs nucléaires. Ceci est la conséquence de changements d'activité de l'innervation motrice des FNM (axones [gamma] et [bêta]).LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF
Caractérisation de la plasticité corticale induite par une privation sensorielle chez le rat et étude des mécanismes par des approches électrophysiologique et moléculaire
ll est maintenant acquis que les cartes corticales de représentation topographique ne sont pas figées chez l'adulte mais peuvent au contraire se réorganiser en réponse à une modification de l'expérience sensorielle. L'objectif de ce travail a été de caractériser la plasticité corticale induite par une privation sensorielle de 14 jours et d'aborder les mécanismes impliqués dans ce processus. Cette privation est obtenue par la suspension du train postérieur chez le rat. Dans ces conditions, les pieds ne sont plus en contact avec le sol et les récepteurs cutanés ne sont plus activés. Dans un premier temps, nous avons réalisé des enregistrementsélectrophysiologiques extracellulaires dans la couche IV dans l'aire de représentation somatotopique du pied du cortex somesthésique primaire (Sml). La privation sensorielle induit une réduction de la représentation corticale du pied et un élargissement des champs récepteurs cutanés. Ces changements sont réversiblesà , court terme: +- 6h). En outre, le seuil d'excitation des neurones est réduit et l'amplitude de la réponse à la stimulation cutanée est augmentée. Dans un second temps, nous avons étudié les mécanismes à l'origine de cette plasticité. Nous avons montré que: (1) la réorganisation des cartes corticales est soustendue par des mécanismes cholinergiques: l'application d'un antagoniste muscarinique empêche en effet la réorganisation corticale; (2) l'activité des interneurones GABAergiques est diminuée; et (3) les taux d'ARNm et de protéines de NGF sont accrus dans le Sml. Pour le BDNF, seuls les taux ARNm sont augmentés. Ces données soulignent une différence dans la régulation pré-'ou post-traductionnelle de ces neurotrophines. L'ensemble de ces données suggère qu'une modification de l'expérience sensorielle induit un déséquilibre entre influx excitateurs et inhibiteurs au niveau cortical, qui, en association avec une régulation des taux neurotrophiques, favorise l'expression de la plasticité corticale.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF
A 3D analysis of fore and hindlimb motion during locomotion: comparison of overground and ladder walking in rats
International audienceThe locomotor pattern, generated by the central pattern generator, is under the dependence of descending and peripheral pathways. The afferent feedback from peripheral receptors allows the animal to correct for disturbances that occur during walking, while supraspinal structures are important for locomotion in demanding situations such as ladder walking. Such walking, by regards to the control needed for accuracy of movements, is now widely used for description of consequences of nervous system dysfunction on motor performance. It is important to have a good knowledge of the changes in kinematic parameters according to walking conditions, since it might reflect different neural mechanisms. The aim of this work was to perform a 3D kinematic analysis of both hind- and forelimb during overground and ladder walking, to study qualitative and quantitative locomotor characteristics in different modes of locomotion. The analysis was performed on 5 rats. Movements of the right hind- and forelimb were evaluated using a 3D optical analyser, and EMG of the soleus and tibialis anterior muscles was synchronously recorded. Results indicate that kinematic and electromyographic characteristics of locomotion are dependent on the type of support. Changes were more obvious for hindlimb than for forelimb. Velocity, stride length and tibialis anterior burst duration were lower on ladder than on runway. In addition, during ladder walking, a protraction was noticed, rats bring their feet more rostral at the end of the swing phase. All these changes constitute an adaptive strategy to allow a better tactile activity with forelimbs and to avoid foot misplacement
Electromyographic Activity of Rat Ankle Extensors During Treadmill Locomotion after Hindlimb Unloading
The aim of this work was to study the electromyographic characteristics of two ankle extensors during treadmill locomotion after hindlimb unloading. The studied muscles were the soleus which contains mainly slow fibres, and three parts (red, mixed and white) of the heterogeneous gastrocnemius. Our results showed that the cycle duration was significantly increased (+26%) after 14 days of unloading; the burst duration was increased in the soleus (+18%) and in the red gastrocnemius (+20%). The mean EMG (burst area divided by burst duration) was decreased when treadmill speed was increased in the soleus (-11%) and the red part (-5%) of the gastrocnemius after unloading; in contrast, it was greatly increased in the white part (+46%). These data suggest that hindlimb unloading shifts the normal speedrelated increase in muscle effort from the red to the white compartment of the muscle
Activity-dependent changes in the electrophysiological properties of regular spiking neurons in the sensorimotor cortex of the rat in vitro.
International audienceSensorimotor performance is highly dependent on the level of physical activity. For instance, a period of disuse induces an impairment of motor performance, which is the result of combined muscular, spinal and supraspinal mechanisms. Concerning this latter origin, our hypothesis was that intrinsic properties and input/output coupling of cells within the sensorimotor cortex might participate to the alteration in cortical motor control. The aim of the present study was thus to examine the basic electrophysiological characteristics of cortical cells in control rats and in animals submitted to 14 days of hindlimb unloading, a model of sensorimotor deprivation. Intracellular recordings were obtained in vitro from coronal slices from cortical hindpaw representation area. We have also made an attempt to determine the morphological characteristics as well as the location of the investigated neurons by biocytin labelling. Passive properties of neurons were affected by hindlimb unloading: input resistance and time constant were decreased (-20%), the rheobase was increased (+34%), whereas the resting potential was unchanged. The frequency-current relationships were also modified, the curve being shifted towards right. The size of body area of recorded neurons was unchanged in unloaded rats. Taken together, these data reflect a decrease in excitability of cortical cells in response to a decreased cortical activation