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Thèse Anna Beyeler

"Développement du réseau locomoteur spinal au cours de la métamorphose de l’amphibien Xenopus Laevis : coordinations propriospinales, influences vestibulaires et commande mésencephalique"

Le 11 décembre 2009

Résumé

Au cours de la métamorphose, les amphibiens subissent une réorganisation complète de leur anatomie et de leur physiologie. Chez Xenopus laevis le système locomoteur est un des plus affecté au cours de cette phase développementale, l’animal passant d’une nage ondulatoire à une nage appendiculaire. Cette transformation du mode locomoteur implique une réorganisation du réseau locomoteur central. Dans une première étude, nous avons mis en évidence que les muscles axiaux s’activent de manière bilatéralement alternée chez le têtard alors que les muscles équivalents chez l’adulte s’activent de manière synchrone au cours de la nage. Nous avons montré que ce nouveau patron d’activation musculaire, accompagné d’une synchronisation avec les muscles appendiculaires extenseurs, reposent principalement sur la mise en place de nouvelles projections propriospinales lombo-thoraciques. Ces résultats suggèrent l’existence d’un contrôle postural proactif au cours de la locomotion, reposant directement sur le CPG des membres postérieurs.
Dans une deuxième étude, nous nous sommes intéressés à l’influence d’un déséquilibre des afférences vestibulaires sur le développement du réseau locomoteur spinal au cours de la métamorphose. Pour cela nous avons réalisé une suppression unilatérale des organes vestibulaires avant ou après la métamorphose. Dans les deux cas, cette lésion aigue génère d’importants troubles locomoteurs et posturaux. Nous avons montré que la lésion chronique au cours de la métamorphose entraîne une modification ipsi-lésionnelle du développement du réseau locomoteur lombo-thoracique, de manière concomitante à une compensation comportementale. De façon intéressante, cette plasticité développementale ainsi que la compensation des troubles locomoteurs sont absentes chez les animaux lésés au stade adulte. Ces résultats suggèrent que les informations sensorielles sont un facteur déterminant pour le développement du réseau locomoteur spinal.

Enfin, dans une troisième étude, nous avons analysé le développement du réseau locomoteur supra-spinal et en particulier les propriétés de déclenchement et de contrôle de la région locomotrice mésencéphalique (MLR). Nous avons mis en évidence l’existence fonctionnelle des deux noyaux de cette structure, le noyau pédonculopontin (PPN) et le noyau latérodorsal du tegmentum (LDT) tout au long de la métamorphose du xénope, ainsi qu’une fréquence d’activation optimale de 10-20 Hz pour le PPN.


Abstract

Throughout the course of metamorphosis, amphibians undergo a complete anatomical and physiological reorganization. In Xenopus laevis, the locomotor system is one of the most affected during this developmental phase where the animal passes from undulatory swimming to limb-based propulsion. This transformation implies a parallel reorganization of the central locomotor network. In an initial study we showed that axial muscles which are activated in bilateral alternation in tadpoles mature to dorsal muscles that are synchronously active during adult locomotion. We found that this new pattern, accompanied by coordination of dorsal and hindlimb muscle activities, is principally sustained by the development of new propriospinal lumbo-thoracic projections, suggesting proactive postural control coming from the hindlimb CPG during ongoing locomotion.
In a second study, we examined the influence of disequilibrium in vestibular inputs on the metamorphic development of the spinal locomotor network. To induce this sensory asymmetry we performed unilateral removal of vestibular end organs either before or after metamorphosis. Acutely, in both cases, the lesion induced dramatic postural and locomotor changes. Chronically, the lesion altered the metamorphic development of the lumbo-thoracic network on the lesioned side, concomitantly with compensation for locomotor defects. Interestingly, animals lesioned after metamorphosis neither compensated nor expressed this developmental spinal plasticity. Altogether, these results suggest that descending sensory inputs are crucial cues for the development of the spinal locomotor network.

Finally, we studied the metamorphic development of the supra-spinal network, focusing our attention on the locomotor triggering and control properties of the mesencephalic locomotor region (MLR). We showed that both subparts of this structure, the laterodorsal tegmentum (LDT) and the pedunculopontine (PPN) nuclei, are present and functional during the entire period of metamorphosis and that the PPN has an optimal activation frequency of 10-20 Hz.


keywords : locomotion, spinal cord, neural networks, development, sensorimotor interaction


Equipe de John Simmers

Discipline Sciences de la Vie et de la Santé

Spécialité Neurosciences

Mots clés locomotion, moelle épinière, réseaux de neurones, développement, interaction sensorimotrices

Adresse du laboratoire
Laboratoire MAC, CNRS UMR 5227, Université Victor Segalen Bordeaux 2 Zone Nord, Bât. 2A- 2ème étage 146 rue Léo Saignat 33076 Bordeaux cedex. Equipe de John Simmers : Neurobiologie Adaptative des Systèmes Moteurs - NASM.Rattachée à l'unité : Mouvement - Adaptation - Cognition - Jean-René Cazalets


Focus


Anna Beyeler a préparé sa thèse sous la direction de Didier Le Ray.
CNRS MAC Neurobiologie Adaptative des Systèmes Moteurs,NASM,Equipe John Simmers

Jury

Examinateurs
Jean-Marie Cabelguen PU Bordeaux 1, France
Daniel Cattaert DR CNRS Bordeaux 1,
Didier Le Ray CR CNRS Bordeaux 1,
Hans Straka PU Paris V,
Rapporteurs
Nicolas Vibert CR CNRS Université de Tours,
Réjan Dubuc PU Université de Montréal,

publication

Beyeler A, Métais C, Combes D, Simmers J, Le Ray D. Metamorphosis-induced changes in the coupling of spinal thoraco-lumbar motor outputs during swimming in Xenopus laevis. J Neurophysiol. 100(3): 1372-83,2008