Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La communication entre les neurones est fondée sur leur capacité à changer leur patron de décharge pour l’encodage de différents messages. Pour plusieurs fonctions vitales, comme la respiration et la mastication, les neurones doivent pouvoir générer des patrons d’activité répétitifs, et les groupes de neurones responsables de ces décharges rythmiques sont des générateurs de patron central (GPC). En dépit de recherches soutenues, les mécanismes précis qui sous-tendent la rythmogénèse dans les GPCs ne sont pas bien définis. Le plus souvent, la potentielle contribution des astrocytes demeure grandement inexplorée, même si ces cellules sont aujourd’hui connues pour leur implication dans la modulation synaptique neuronale. Pour nos travaux, le noyau sensoriel principal du trijumeau (NVsnpr) a été pris comme modèle à cause de son rôle central dans les mouvements rythmiques de la mastication. Dans ce noyau, des travaux antérieurs ont montré que la décharge en bouffées rythmiques est déclenchée dans les neurones lorsque la concentration de calcium extracellulaire ([Ca2+]e) est artificiellement baissée. Nous fondant sur cette observation, notre première hypothèse a postulé que la baisse de la [Ca2+]e pouvait survenir de façon physiologique en lien avec des stimulations sensorielles pertinentes. Deuxièmement, parce que les astrocytes ont été impliqués dans le tamponnage et l’homéostasie d’ions extracellulaires comme le K+, nous avons postulé que ces cellules pouvaient jouer un rôle équivalent dans le contrôle de la [Ca2+]e. Nos résultats montrent que les astrocytes peuvent réguler la [Ca2+]e et ainsi contrôler la capacité des neurones à changer leur patron de décharge. Premièrement, en stimulant les afférences sensorielles au NVsnpr, nous avons montré que des baisses physiologiques de la [Ca2+]e sont observées en parallèle à l’apparition de bouffées rythmiques neuronales. Deuxièmement, nous avons démontré que les astrocytes répondent aux mêmes stimuli qui induisent l’activité rythmique neuronale, et que leur blocage avec un chélateur de Ca2+ empêche les neurones de générer un patron de décharge en bouffées rythmiques. Cette habilité est rétablie en rajoutant la S100β, une protéine astrocytaire liant le Ca2+, dans le milieu extracellulaire, alors que l’anticorps anti-S100β empêche l’activité rythmique. Ces résultats indiquent que les astrocytes régulent une propriété neuronale fondamentale : la capacité à changer de patron de décharge. Ainsi, les GPCs dépendraient des fonctions intégrées des astrocytes et des neurones. Ces découvertes pourraient avoir des implications transposables à plusieurs autres circuits neuronaux dont la fonction dépend de l’induction d’activité rythmique. / Communication between neurons rests on their capacity to change their firing pattern to encode different messages. For several vital functions, such as respiration and mastication, neurons need to generate a repetitive firing pattern, and the groups of neurons responsible for these rhythmic discharges are called central pattern generator (CPG). Despite intense research in this field, the exact mechanisms underlying rhythmogenesis in CPGs are not completely defined. In most instances, the potential contribution of astrocytes is largely unexplored, even though these cells are now well known to be involved in neuronal synaptic modulation. In our work, the trigeminal main sensory nucleus (NVsnpr) was used as a model owing to its central role in the rhythmic movement of mastication. Previous work have shown that rhythmic bursting discharge is triggered in NVsnpr neurons when extracellular calcium concentration ([Ca2+]e) is artificially decreased. Based on this observation, our first hypothesis postulated that the reduction of [Ca2+]e could also happen physiologically in relation to relevant sensory stimulation. Secondly, because astrocytes have been involved in the buffering and the homeostasis of extracellular ions like potassium, we have postulated that these cells could also play a role in the control of [Ca2+]e. The results presented in this thesis show that astrocytes can regulate [Ca2+]e and thus control the ability of neurons to change their firing pattern. First, we showed that stimulation of sensory afferent fibers to the NVsnpr induced neuronal rhythmic bursting and in parallel reduction of [Ca2+]e . Secondly, we have demonstrated that astrocytes respond to the same sensory stimuli that induce neuronal rhythmic activity, and their blockade with a Ca2+ chelator prevents generation of neuronal rhythmic bursting. This ability is restored by adding S100β, an astrocytic Ca2+-binding protein, to the extracellular space, while the application of an anti- S100β antibody prevents generation of rhythmic activity. These results indicate that astrocytes regulate a fundamental neuronal property: that is the capacity to change their firing pattern. Thus, CPG functions result from integrated neuronal and glial activities. These findings may have broad implications for many other neural networks whose functions depend on the generation of rhythmic activity.

Le mouvement masticatoire est généré et coordonné par un générateur de patron central (GPC) situé au niveau du pont. Plusieurs résultats antérieurs de notre laboratoire soutiennent que le réseau de neurones à l’origine de la rythmogénèse est situé dans le noyau sensoriel principal du nerf trijumeau (NVsnpr). Ces mêmes expériences révèlent que des diminutions de la concentration calcique extracellulaire ([Ca2+]e) tiennent une place importante dans la génération des bouffées de décharges des neurones de cette région. Notre laboratoire tente de vérifier si la contribution des astrocytes à l’homéostasie de la concentration calcique extracellulaire est impliquée dans la genèse du rythme. Cette étude a pour but la caractérisation spatiale du syncytium astrocytaire au sein du NVsnpr dorsal et l’étude de l’effet de la [Ca2+]e sur les propriétés astrocytaires électrophysiologiques et de connectivité. Nous avons utilisés pour ce faire la technique d’enregistrement par patch-clamp sur une préparation en tranche de tronc cérébral de rat. Nous démontrons ici que la diminution de la [Ca2+]e n’affecte pas les propriétés électrophysiologiques astrocytaires, mais induit une augmentation de la taille du syncytium. De plus, nous établissons l’existence au sein du NVsnpr dorsal d’une organisation anatomofonctionnelle du réseau astrocytaire calquée sur l’organisation neuronale. / The masticatory movement is generated and coordinated by a central pattern generator (CPG) located in the pons. Previous results from our laboratory suggest that the neural network responsible for its rythmogenesis is located in the trigeminal main sensory nucleus (NVsnpr). Moreover, results indicate that in this region, decrease in extracellular calcium concentration ([Ca2+]e) plays an important role in genarating burst. One of our laboratory's goal is to assess if the contribution of astrocytes to the extracellular calcium concentration homeostasis is involved in the genesis of the mastication rhythm. With this study, we characterized the astrocyte syncytium within the NVsnpr and measured the effect of [Ca2+]e on the astrocytes electrophysiology and their networks. A patch-clamp recording technique in conjunction with a rat brain stem slice preparation was used. We demonstrate that a decrease in [Ca2+]e does not affect the electrophysiological properties of astrocytes but induces an increase in the size of the syncytium. We also report the existence, within the dorsal NVsnpr, of an anatomofunctional organization between neurons and astrocytes.

No description available.

La mastication est une fonction essentielle relevant de la coordination d’un ensemble d’acteurs que sont la mâchoire, la langue et les muscles faciaux. La synchronisation de l’activité des différentes parties relève d’un réseau spécialisé de neurones nommé générateur de patron central (GPC) dont il a été proposé que le coeur rythmogène soit formé des neurones de la partie dorsale du noyau sensoriel principal du trijumeau (NVsnpr). Ces neurones ont la capacité intrinsèque de pouvoir alterner leur patron de décharge entre un mode tonique et rythmique en fonction la concentration extracellulaire de calcium ([Ca2+]e). Autrefois relégués à un rôle passif dans le système nerveux central, les évidences se sont accumulées en faveur d’un rôle actif des astrocytes dans les fonctions physiologiques. À cet effet, dans le NVsnpr, la stimulation des afférences sensorielles trigéminales active les astrocytes qui participent à la genèse du rythme masticateur en libérant la S100β, une protéine chélatrice du Ca2+ extracellulaire. Récemment, il a été démontré que l’activation rythmique des neurones du NVsnpr dorsal menait à une activation rythmique des motoneurones (MNs) innervant les muscles masticateurs. Ceci impliquerait qu’une seule population de neurone au sein du NVsnpr dorsal active de manière concomitante des MNs innervant les muscles antagonistes de la mâchoire. On suppose alors l’activation de la région péritrigéminale (PeriV), un réseau d’interneurones prémoteurs (INs) ceinturant les MNs du trijumeau et adjacente au NVsnpr. Son activation modulerait l’activité des MNs de muscles antagonistes. Les présents travaux réalisés en imagerie calcique indiquent que l’activation du NVsnpr par une baisse de la [Ca2+]e, simulant l’action de la S100β ou la stimulation électrique des afférences sensorielles trigéminales activent les neurones et astrocytes de la partie dorsale du NVsnpr et subséquemment les INs de la PeriV. Les patrons d’activité calcique des INs de la PeriV étaient similaires à ceux observés au sein du NVsnpr. Ces observations supportent par la même occasion la transmission des patrons en provenance du NVsnpr, le générateur du rythme masticateur vers la région prémotrice PeriV. Par ailleurs, les astrocytes péritrigéminaux dont le rôle n’avait jamais été investigué ont également répondu aux activations du NVsnpr dans des patrons d’activité calcique similaires aux astrocytes du NVsnpr dorsal. Ensemble, ces résultats suggèrent l’implication de la région PeriV dans la transmission et la modulation du rythme dans le GPC masticateur. / Mastication is an essential function that involves coordination of the jaw, tongue and facial muscles. Synchronization of the activity of these different parts is assured by a specialized network of neurons known as central pattern generator (CPG), whose rhythmogenic core has been proposed to be formed by neurons in the dorsal part of the trigeminal principal sensory nucleus (NVsnpr). These neurons have the intrinsic ability to alternate their firing pattern between a tonic and rhythmic mode, depending on the extracellular calcium concentration ([Ca2+]e). Once relegated to a passive role in the central nervous system, evidence is accumulating in favor of an active role for astrocytes in physiological functions. In NVsnpr, trigeminal sensory afferents stimulation activates astrocytes, which participate in the genesis of the masticatory rhythm by releasing S100β a calcium-binding protein that lowers [Ca2+]e. Recently, it has been demonstrated that rhythmic activation of dorsal NVsnpr neurons leads to rhythmic activation of motoneurons (MNs) innervating masticatory muscles. This would imply that a single neuron population within the dorsal NVsnpr concomitantly activates MNs innervating antagonistic jaw muscles. We presume that activation of the peritrigeminal region (PeriV), a network of premotor interneurons (INs) surrounding the trigeminal MNs and adjacent to the NVsnpr could modulate the activity of antagonistic muscle MNs. The present calcium imaging work indicates that activation of the NVsnpr by a decrease in [Ca2+]e, simulating the action of S100β, or electrical stimulation of trigeminal sensory afferents activates neurons and astrocytes in the dorsal part of NVsnpr and subsequently the INs of the PeriV. Calcium activity patterns in PeriV INs were similar to those observed in NVsnpr, supporting the transmission of patterns from NVsnpr, the generator of masticatory rhythm, to the PeriV premotor region. In addition, previously uninvestigated peritrigeminal astrocytes also responded to NVsnpr activations with calcium activity patterns similar to those of dorsal NVsnpr astrocytes. Taken together, these results suggest the involvement of the PeriV region in rhythm transmission and modulation in the masticatory CPG.

No description available.