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M. Sourioux, S. Bertrand, JR. Cazalets dans PLoS Biology

Lorsque la moelle se passe du cerveau pour commander nos artères

Le 11 juillet 2018

Cholinergic-mediated coordination of rhythmic sympathetic and motor activities in the newborn rat spinal cord. / Sourioux M, Bertrand SS, Cazalets JR.  PLoS Biol. 2018 Jul 9;16(7):e2005460. doi: 10.1371/journal.pbio.2005460. [Epub ahead of print]

CNRS UMR 5287/ Team: Coordinations and Plasticities of Spinal Generators / Université de Bordeaux / 
Institut de Neurosciences Cognitives et Intégratives d’Aquitaine (INCIA) Bordeaux Neurocampus
Author summary


 Jean René Cazalets:
Physical movements require mobilization of animals’ autonomic nervous system, in order to maintain stable bodily functions while matching the increasing physiological demand.
These autonomic responses rely on a coupling between the sympathetic and somatic nervous systems, although how this coupling occurs remains unresolved. To address this issue, we used the in vitro isolated spinal cord preparation from newborn rats, which can be kept alive up to 12 h and generate locomotion-like activity.
We found that the stimulation of the muscarinic cholinergic receptors specifically activates intraspinal neural networks generating a slow motor rhythm. During this slow rhythm, recordings from sympathetic neurons (the cells responsible for the spinal sympathetic output) and somatic motoneurons (responsible for skeletal muscle activity) reveal that both cell types receive a common synaptic input that results in a coupling of sympathetic and rhythmic locomotor activities.
This shared somato-sympathetic drive could merge with and modulate the locomotor synaptic drive produced by the lumbar motor networks. We propose that the coupling mechanism we describe here underlies part of the vascular changes needed to maintain adequate muscle oxygenation during locomotion. (Pictures: Melissa Sourioux, Sandrine  Bertrand, Jean René Cazalets)



Legend: During the activation of muscarinic cholinergic receptors (mAchT) in the thoracic spinal cord, a slow synaptic drive is received by both sympathetic preganglionic neurons located in the intermediolateral column (IML) and motoneurons (MNs). This somatosympathetic drive could be the basis of the periodic blood pressure variations observed at rest, the Mayer waves.

Abstract PubMed

Here, we investigated intrinsic spinal cord mechanisms underlying the physiological requirement for autonomic and somatic motor system coupling. Using an in vitro spinal cord preparation from newborn rat, we demonstrate that the specific activation of muscarinic cholinergic receptors (mAchRs) (with oxotremorine) triggers a slow burst rhythm in thoracic spinal segments, thereby revealing a rhythmogenic capability in this cord region. Whereas axial motoneurons (MNs) were rhythmically activated during both locomotor activity and oxotremorine-induced bursting, intermediolateral sympathetic preganglionic neurons (IML SPNs) exhibited rhythmicity solely in the presence of oxotremorine. This somato-sympathetic synaptic drive shared by MNs and IML SPNs could both merge with and modulate the locomotor synaptic drive produced by the lumbar motor networks. This study thus sheds new light on the coupling between somatic and sympathetic systems and suggests that an intraspinal network that may be conditionally activated under propriospinal cholinergic control constitutes at least part of the synchronizing mechanism.


(CNRS French Version)
Lorsque la moelle se passe du cerveau pour commander nos artères

Comment le système nerveux moteur mobilise-t-il le système nerveux autonome pour que l’oxygénation des muscles soit adaptée à la demande physiologique? Alors que l’on pensait que l’interface entre système nerveux somatique et autonome était située dans le tronc cérébral, les chercheurs montrent que la moelle épinière est le siège d’un mécanisme de couplage entre activités somatiques et autonomes. L’activation de neurones cholinergiques intraspinaux, en produisant un rythme lent commun aux deux types de neurones, serait responsable de cette mise en cohérence.

Afin de faire face à l’augmentation des besoins physiologiques lors d’une activité physique telle que la locomotion, le système nerveux somatique (en charge des mouvements volontaires via le contrôle des muscles striés) et le système nerveux autonome (qui contrôle la vascularisation, la digestion, le muscle cardiaque, la sudation…) doivent coordonner leurs actions. Alors que l’on pensait que l’interface entre système nerveux somatique et autonome se situait dans le tronc cérébral, ce travail montre que la moelle épinière est le siège d’un mécanisme de couplage entre activités somatiques et autonomes. Pour aborder cette question, les chercheurs ont utilisé une préparation in vitro de moelle épinière isolée de rat nouveau-né, dans laquelle il est possible d’enregistrer simultanément l’activité des systèmes nerveux somatique et autonome. Ils ont montré que l’acétylcholine, un neurotransmetteur abondant dans la moelle épinière pourrait jouer un rôle clé dans ce couplage entre activités locomotrices et sympathiques.

Dans la moelle épinière sont localisés les réseaux neuronaux capables de générer l’activité locomotrice; ces réseaux coordonnent ainsi l’activité des motoneurones qui vont faire se contracter les muscles. à côté de ce système somatique, sont situés les neurones de sortie du système nerveux sympathique (appelés neurones sympathiques intermédiolatéraux ou IMLs) qui, entre autres organes cibles, connectent les fibres lisses des artères.
Grâce à un cocktail particulier de neurotransmetteurs, on peut activer les réseaux locomoteurs et enregistrer dans la moelle épinière isolée une activité de locomotion. Dans ces expériences, seuls les motoneurones innervant les muscles des pattes et du dos sont activés rythmiquement en phase avec l’activité locomotrice.
Lorsque l’on administre sur la moelle épinière isolée, un agoniste (une substance qui mime l’effet d’un neurotransmetteur) d’une sous-classe de récepteurs à l’acétylcholine (les récepteurs muscariniques), on observe l’apparition d’un rythme lent que l’on enregistre non plus exclusivement au niveau des motoneurones mais aussi dans les neurones sympathiques. Cette activité est similaire aux variations lentes de pression artérielle que l’on observe spontanément chez l’homme et l’animal. Enfin, lorsque l’activité locomotrice et l’activité lente induite par l’acétylcholine sont simultanément déclenchées on observe une fusion des deux activités couplant ainsi l’activité des systèmes nerveux somatique et autonome et contribuant à la régulation de la pression artérielle lors d’un exercice.

Jean-René Cazalets / PhD, Research Director CNRS / CNRS UMR 5287/ Team: Coordinations and Plasticities of Spinal Generators / Université de Bordeaux (jean-rene.cazalets @ u-bordeaux.fr)
Dernière mise à jour le 20.07.2018