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Thèse Ianina Amontieva-Potapova

Plasticité de la modulation sérotoninergique de rythmes moteurs chez deux Vertébrés inférieurs, la lamproie et l’urodèle

Le 22 décembre 2003

Résumé

Il est maintenant bien établi que de nombreuses activités motrices rythmiques chez les Vertébrés résultent de l’activation de réseaux neuronaux soumis à l’influence de plusieurs neuromodulateurs. Parmi ces neuromodulateurs, la sérotonine (5-HT) occupe une position centrale. En effet, cette substance est capable de moduler l’activité de nombreux réseaux neuronaux moteurs et de favoriser la restauration post traumatique de leur activité.
Cette thèse est consacrée, d’une part à l’étude de la modulation 5-HT de l’activité du réseau respiratoire chez la lamproie et, d’autre part, aux conséquences fonctionnelles de modifications post lésionnelles du contrôle 5-HT du réseau locomoteur chez l’urodèle (Pleurodeles waltlii). Cette dernière question a été abordée chez l’urodèle car cet animal manifeste spontanément, à l’âge adulte, des capacités de restauration locomotrice à la suite d’une transection complète de sa moelle épinière.
Chez la lamproie, l’utilisation d’une approche électrophysiologique in vitro a permis de mettre en évidence un ralentissement du rythme respiratoire aux fortes (> 50 µM) concentrations 5-HT, l’inverse se produisant aux faibles concentrations (10 µM). Chez l’urodèle, notre approche électrophysiologique in vivo a consisté à combiner enregistrements électromyographiques et applications d’agents pharmacologiques sur 1-2 segments de la moelle épinière sous lésionnelle chez des animaux spinaux ayant restauré leur capacité locomotrice (3-8 mois post op.). Les modifications des différents paramètres locomoteurs ont été appréciées par comparaison avec des données obtenues dans les mêmes conditions chez les animaux intacts. Nos données montrent que l’application exogène de 5-HT (0.5-25 µM) provoque un ralentissement du rythme natatoire de l’animal intact alors qu’elle induit une accélération de celui de l’animal spinalisé. Ces modifications du rythme natatoire sont dose-dépendantes et accompagnées d’un changement dans la coordination intersegmentaire. Ces effets peuvent être reproduits par augmentation de la libération de 5-HT endogène induite par blocage de la recapture de 5-HT. De plus, l’utilisation de différents agonistes et antagonistes des récepteurs 5-HT montre que l’inversion des effets modulateurs de la 5-HT entre animaux intacts et spinalisés résulte d’une inversion des effets via l’activation des récepteurs de type 5-HT3. Nos données électrophysiologiques montrent également, qu’au contraire des réseaux de nage, les réseaux de marche chez l’animal intact ou spinalisé ne sont pas affectés par une application locale de 5-HT sur quelques segments médullaires. Un marquage immunohistochimique met en évidence, par comparaison avec l’animal intact, une absence de modifications post lésionnelles dans la localisation des récepteurs 5-HT3 au sein de la moelle épinière chez les animaux spinaux ayant restauré leur activité locomotrice. De >plus, au moyen d’une technique de double marquage rétrograde, nous avons mis en évidence une régénération translésionnelle d’axones ascendants. Par marquage immunohistochimique nous montrons que certains de ces neurones ont le phénotype GABAergique et qu’ils expriment une immunoréactivité 5-HT3. En conclusion, l’ensemble de ces travaux révèle une grande plasticité du contrôle sérotoninergique des réseaux moteurs des Vertébrés inférieurs. Les résultats obtenus après traumatisme médullaires peuvent avoir des retombées intéressantes dans le domaine de la restauration locomotrice post lésionnelle.

Plasticity of serotonergic modulation of motor rhythms in two lower Vertebrates, lamprey and salamander.

It is now well established that the rhythmic activities underlying motor behaviors in Vertebrates are generated by neural networks, which are under the control of several neuromodulators, among which serotonin (5-HT) plays a critical role because it is involved in the modulation and functional recovery after lesion of several motor networks.
In the present study we have studied the serotonergic modulation of the respiratory network in lamprey and that of the locomotor network after spinal cord injury in an adult salamander (Pleurodeles waltlii). The adult salamander has been chosen as the experimental model to study the post lesionnal plasticity of 5-HT modulation because it can recover locomotion following a complete spinal cord transection.
Extracellular recordings from lamprey brain in vitro showed that 5-HT modulates the activity of the respiratory rhythm generator in different directions, depending on its concentration. The respiratrory rhythm was decreased at high concentration (>50 µM) while it was increased at low (<10 µM) concentration.
We have investigated the effects of a local application (1-2 spinal segments) of 5-HT on the sublesional spinal cord in recovered (3-8 months post op.) spinalized salamanders. The induced effects were compared to those induced by a similar drug application in intact animals. The locomotor pattern was documented using electromyographical recordings. Our results showed that an exogenous application of 5-HT ( 0.5-2.5 µM) induced a decrease of the swimming rhythm in intact animals whereas it induced an increase in the swimming rhythm in recovered spinal-transected animals. All these effects were mimicked by a local application of a specific 5-HT uptake blocker. This suggested that endogenously released 5-HT could also induce these changes. Pharmacological analyses using different specific 5-HT receptor agonists and antagonists evidenced that reversal of 5-HT effects on the swimming frequency involved 5-HT3 like-receptors. Our data further showed that a local application of 5-HT onto the spinal cord failed to induce modifications in the stepping rhythm.
Moreover, anatomical studies revealed that 5-HT3 immunoreactive spinal neurons had a similar distribution in intact and in recovered spinalized animals. Axonal regeneration of ascending spinal neurons across the spinal cord transection has also been evidenced using a double-labeling technique. Immunochemistry revealed that some of the regenerated axons came from GABAergic neurons which had 5-HT3-immunoreactive soma.
Altogether our results evidenced a higher degree of plasticity for the 5-HT modulation of the motor networks in lower Vertebrates. The results obtained after spinal cord transection could be important for therapeutic interventions following a spinal cord injury.

Focus


Ianina Amontieva-Potapova a préparé sa thèse dans le Laboratoire de Physiopathologie des Réseaux Neuronaux Médullaires (INSERM 358) sous la co-direction de Jean-Marie Cabelguen et de Nikolai Vesselkin (Académie des Sciences de Russie)