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Thèse Jean-Patrick Le Gal

Coordination locomotion-respiration : Influence des réseaux locomoteurs cervico-lombaires sur l'activité des neurones respiratoires spinaux et bulbaires

Le 18 décembre 2013

Directeur de thèse: Didier Morin de l'INCIA



La soutenance aura lieu le 18/12/13 à 14h à l'ENSTBB (campus Carreire).

Le système nerveux central possède des réseaux de neurones capables de générer des commandes motrices rythmiques en l'absence d'informations sensorielles.
Ces réseaux neuronaux sont communément appelés générateurs centraux de patron (CPG, central pattern generator) et sont impliqués dans plusieurs fonctions et comportements vitaux tels que la locomotion et la respiration. 

Dans certaines circonstances, ces réseaux neuronaux se doivent d'interagir afin de produire un comportement moteur adapté aux contraintes environnementales ainsi qu'aux exigences de l'organisme.
C'est notamment le cas lors d'un effort physique où une augmentation du rythme respiratoire est rapidement observée pour subvenir aux besoins en oxygène de l'organisme. Dans ce contexte de neurosciences intégratives, mon travail doctoral a porté sur l'étude des mécanismes neurogènes responsables de l'interaction entre les CPG respiratoires du tronc cérébral et les CPG locomoteurs de la moelle épinière.

Cette étude a été réalisée sur des préparations de tronc cérébral-moelle épinière isolée in vitro de rat nouveau-né (0 à 2 jours) au sein desquelles les centres respiratoires et locomoteurs sont conservés intacts. Par des approches électrophysiologique, pharmacologique, lésionnelle et neuroanatomique, les mécanismes de coordination entre ces sous-groupes neuronaux ont été étudiés.
Dans ce contexte, un des principaux résultats de ce travail doctoral est la mise en évidence de l'existence d'une influence ascendante excitatrice issues des CPG locomoteurs spinaux sur les centres respiratoires, et plus particulièrement sur le groupe respiratoire parafacial, structure située dans le bulbe rachidien et impliquée dans la genèse de la commande respiratoire.

Outre son implication dans la modulation du rythme respiratoire, cette influence ascendante module également l'activité des populations neuronales expiratoires des régions spinales thoraciques et lombaires. Ces données constituent la première mise en évidence de l'existence de neurones bi-fonctionnels au sein de la moelle-épinière chez le rat nouveau-né.

Abstract :

The central nervous system contains neural networks that can generate rhythmic motor drive in absence of sensory feedback. These neural networks are commonly called central pattern generators (CPG) and are involved in many vital functions and behaviors, such as locomotion or respiration. In certain circumstances, these neural networks must interact to produce motor behaviors adapted to environmental constraints and the basic needs of organism.

This is the case during physical exercise when the respiratory frequency increases in order to satisfy the oxygen needs. In a context of integrative neurosciences, my doctoral work aimed at exploring the neurogenic mechanisms involved in the coordination between the medullary respiratory networks and the spinal locomotor CPG. To address this question, we used an isolated in vitro brain stem-spinal cord preparations from neonatal rats (0-2 days) in which the respiratory and the locomotor networks are kept intact.

Using electrophysiological, pharmacological, lesional and neuroanatomical approaches, mechanisms involved in the coordination between locomotor and respiratory rhythms have been studied. The major finding of this doctoral work is the identification of an ascending excitatory influence from spinal locomotor CPG to the respiratory networks, acting particularly on the parafacial respiratory group, which is known to be engaged in the genesis of expiratory activity.

In addition to the respiratory frequency modulation, this ascending influence also modulates the activity of spinal expiratory neurons located in lumbar and thoracic segments. These data provide the first evidence for the existence of bi-functional neurons in newborn rat spinal cord.

 

Publications :

  • Juvin LLe Gal JP, Simmers J, Morin D (2012) Cervicolumbar coordination in mammalian quadrupedal locomotion: role of spinal thoracic circuitry and limb sensory inputs. J. Neurosci. 32:953-965.
  • Le Gal JP, Juvin L, Cardoit L, Thoby-Brisson M, Morin D. Remote control of respiratory neural network by spinal locomotor generators, (soumis à PLoS ONE)
  • Le Gal JP, Juvin L, Morin D. Thoraco-lumbar expiratory neurons receive a locomotor drive from hinlimb central pattern generator during drug-induced locomotion (en preparation)
  • Le Gal JP, Juvin L, Morin D. Pharmacological activation of cervical or lumbar, but not thoracic, spinal regions modulates the central respiratory rhythm in neonatal rat (en preparation) 


Jury

Réjean Dubuc
PU de Québec à Montréal
Christian Gestreau
MC (HDR), Université d'Aix-Marseille
Laurence Bodineau
PU, Université P-et-M Curie, Paris VI
Denis Combes
PU Université de Bordeaux
Didier Morin
PU Université de Bordeaux

Directeur de thèse



Didier Morin
Professeur des Universités
Responsable de l'équipe "Coordinations et Plasticités des Générateurs Spinaux"
INCIA - UMR 5287 - Université de Bordeaux
IUT de Bordeaux - Département HSE

05 57 57 16 68 (laboratory)
didier.morin@u-bordeaux1.fr
http://www.incia.u-bordeaux1.fr/