À la suite d’une lésion du système nerveux central tel qu’un accident vasculaire cérébral ou une lésion médullaire incomplète un ensemble de symptômes tel que la parésie, l’hyperactivité musculaire et l’hypo-extensibilité des tissus vont perturber l’organisation locomotrice du patient. Depuis quelques années, l’utilisation de méthodes mathématiques permet d’extraire à partir de l’activité électrique des muscles la commande à l’organisation locomotrice du sujet. L’objectif de ce travail de thèse est d’utiliser ces méthodes pour caractériser les spécificités du patient hémiparétique et paraparétique. Une première étude sur le sujet asymptomatique a permis de valider notre méthodologie..La deuxième étude portant sur les patients paraparétiques montre que l’asymétrie de marche est plutôt expliquée par une expression différente des symptômes plutôt qu’une réelle asymétrie provenant de la commande. Pour conclure, la troisième étude portant sur l’effet d’une anesthésie d’un muscle chez le patient hémiparétique a montré que le cerveau était en mesure de modifier la commande locomotrice pour pallier les perturbations induites par cette anesthésie. En conclusion nos travaux soulignent l’intérêt de ces méthodes comme un outil pertinent dans l’évaluation de l’organisation locomotrice chez le patient présentant une lésion du système nerveux central. / Following a central nervous system injury such as a stroke or incomplete spinal cord injury, a set of symptoms such as paresis, muscle hyperactivity and hypo-extensibility will disrupt the patient’s locomotor organization. In recent years, the use of mathematical methods has made it possible to extract, from the electrical muscle activities, the command of the locomotor organization. This thesis aimed at using these methods to characterize the specificities of the post-stroke patient and the patient with incomplete spinal cord injury. The first study of healthy individuals allowed to validate our methodology.The second study in patients with incomplete spinal cord injury showed that gait asymmetry may be explained by a different expression of symptoms rather than a real asymmetry originating from the control. Finally, the third study has investigated the effect of muscle anesthesia on the post-stroke patient. The results showed that the central nervous system was able to adapt locomotor control to compensate for the disturbances induced by this anesthesia. In conclusion, our work underlines the interest of these methods as a relevant tool in the evaluation of locomotor organization in patients with central nervous system lesions.

Si les neurosciences connaissent d’importants progrès dans l’imagerie et le génotypage, le phénotypage repose encore largement sur des échelles visuelles. Le phénotype chez l’homme repose principalement sur son style perceptivo-moteur qui donne une empreinte à la marche, la posture, l’équilibre, l’habilité des membres supérieurs, les mouvements oculaires etc. La marche, fonction complexe et fondamentale de l’être humain, implique l’ensemble du système musculo-squelettique, le système nerveux central et périphérique ainsi que les organes sensoriels. Elle est le produit d’un patron de marche automatique et inconscient modulé par le tronc cérébral, les noyaux gris centraux et par des retours sensitifs (visuels, proprioceptives, vestibulaires et épicritiques). Enfin, la marche est aussi sous contrôle volontaire. Le phénotypage quantitatif de la marche suppose la construction préalable de bases de données de signaux de marche d’un nombre élevé (centaines) de sujets et de patients. Ceci peut être mené à bien grâce à des outils de mesure simples d’utilisation et adaptés à la pratique médicale de routine. Il existe plusieurs moyens pour phénotyper la marche mais le capteur inertiel, en raison de son prix, de sa souplesse d’utilisation et de l’accès aux données brutes est un outil particulièrement adapté pour l’étude de la marche en consultation de routine. Les capteurs inertiels permettent le calcul de nombreux paramètres. L’exercice de marche de 10 m aller/retour à vitesse de confort départ arrêté donne accès aux différentes phases de la marche (initiation, croisière, demi-tour) dans des conditions de consultation de routine. Ainsi, l’objectif de ce travail est d’approcher les mécanismes d’adaptation des personnes à des perturbations à différents niveaux anatomiques des structures impliquées dans la marche. Nous abordons cette question par un phénotypage quantitatif à partir du signal de capteurs inertiels recueilli sur des patients au cours d’un exercice de marche de 10 m aller/retour en consultation clinique de routine. Nous avons étudié successivement la marche de patients atteints d’arthrose du membre inférieur comme modèle d’adaptation de la marche à la douleur, puis la marche dans la maladie de Parkinson comme modèle d’atteinte du système de la mise en place des procédures motrices, enfin, la locomotion des patients hémiparétiques à la suite d’un accident vasculaire cérébral hémisphérique comme modèle d’atteinte de la commande volontaire. Nous montrons que la douleur dans l’arthrose du membre inférieur mène à une rigidification globale de la cinématique corporelle. Cette rigidification est prépondérante sur le membre atteint. Elle traduit la perte des synergies musculaires par la mise en place de boucle-réflexe anti-douleur. Nous démontrons que ces modifications sont corrélées à la sévérité clinique de l’arthrose. Pour analyser la régularité de la marche dans la maladie de Parkinson indépendamment des variabilités inter-individuelles du patron de marche nous avons développé un outil de visualisation de l’exercice de marche. La maladie de Parkinson affecte en particulier la régularité de la marche. Notre travail apporte la preuve que cette irrégularité est corrélée à la sévérité des symptômes chez les patients atteints de la maladie de Parkinson. Nous montrons enfin qu’une lésion du cortex dans l’accident vasculaire hémisphérique provoque un changement de stratégie dans le demi-tour. Comme d’autres, nous faisons l’hypothèse que les stratégies de demi-tours sont en partie stockées dans le cortex frontal et que les hémisphères droit et gauche ne jouent pas un rôle symétrique. Nous montrons que le choix de stratégie de demi-tour est corrélé avec la survenue de chutes à 6 mois et pourrait constituer un nouvel élément pour orienter la rééducation. (...) / In the field of neurosciences, significant improvement has been made in the last decades in imaging and genotyping. However, phenotyping remains stagnant at the state of visual observation or visual grading scales. The human phenotype is made up of locomotion (gait, posture and displacement of daily living), upper-limb fine and rough movements, eye movements, language, cognition and complex social behaviors. Gait is a central function in humans, implying volitional, emotional and automatic processes. It involves the whole musculoskeletal system as well as the central and the peripheral nervous system including sensory organs. Building a gait phenotyping system implies setting up a database of gait signals of many (hundreds) of subjects and patients. This goal can be achieved with user-friendly devices deployed in routine medical practice. For instance, inertial measurement units (IMUs) are a valid tool to measure spatio-temporal gait parameters and are adapted to routine medical use. The 10-meter walking test forward and back at self-selected walking speed is adapted to routine testing at the doctor’s office. It allows for measuring gait initiation, gait cruise, gait termination and a 180° turn. In that context, beyond technical challenges, the aim of this work was to address the question How does the central nervous system adapt to an external alteration on various levels in the command chain of gait? To answer this question, we studied sequentially the IMU signal of gait spatio-temporal kinematics in lower-limb osteoarthritis as a model of gait affected by pain, in Parkinson disease as a model of a lesion of the central nervous system muscle tone regulator and finally, in post-hemispheric stroke as a model of lesions of brain structures responsible for volitional locomotion. Secondary clinical questions were How can the severity of a disease be objectively graded with gait kinematics? and How can locomotion kinematics participate in the fall risk prediction in frail populations? In osteoarthritis, we showed that pain in lower-limb osteoarthritis led to a global stiffness of the body during locomotion. This stiffness was preponderant on the affected limbs and led to the loss of muscular synergies by the establishment of anti-pain reflexes as a reaction to pain. This change was correlated with the severity of lower-limb osteoarthritis. In Parkinson disease, to analyze gait regularity independently from inter-individual gait signature, we constructed a novel gait visualization tool and show that a lesion of the muscle tone regulator in Parkinson disease affects gait regularity. This regularity was associated with disease symptoms. Finally, in stroke, we showed that a lesion in the cortex implied a change in the 180° turning stepping, a volitional task. In line with other authors, we hypothesized that locomotion patterns could be generated in the frontal cortex and that the right and left frontal cortex did not have a symmetric role. We showed specific stepping patterns associated more with risk of fall, which could constitute a new argument to orientate rehabilitation. Altogether then, this work suggests that simple measuring hardware (here IMUs), with appropriate signal processing, allowed for decomposing and quantifying complex behavioral tasks (here locomotion) in daily hospital settings.

La locomotion spontanée a une forte influence sur l’état du réseau hippocampique et joue un rôle crucial lors de l’intégration de l'information spatiale. Différents états d'attention ou de comportement au cours de l'éveil peuvent modifier la réponse des neurones aux stimuli sensoriels ainsi que les performances dans les tâches associées. Au cours du mouvement (mov.) le potentiel de champ local de l’hippocampe est caractérisé par des oscillations de fréquence thêta et les cellules pyramidales (CPs) présentent une décharge spécifique à la localisation de l'animal dans un environnement donné. Cependant, les déterminants intracellulaires liés à l'activation des cellules pyramidales de CA1 pendant du mov. sont peu connus. Dans ce travail de thèse, nous avons enregistré le potentiel de membrane (Vm) des CPs de CA1 chez des souris qui alternaient spontanément entre des périodes de mov. et des périodes d’immobilité lors d’une tâche de navigation spatiale virtuelle. Nous avons trouvé une modulation opposée du Vm entre les CPs de CA1 qui déchargeaient de manière régulière par rapport à celles qui déchargeaient en bouffées de potentiels d’action. Les cellules qui déchargeaient de manière régulière étaient plus dépolarisées et déchargeaient plus pendant le mov.comparé à l’immobilité. Les cellules déchargeant en bouffées de potentiels d’action, préférentiellement inhibées pendant les sharp wave-ripples, étaient hyperpolarisées de façon dépendante à la vitesse pendant le mov.. Cette inhibition dépendante de la vitesse pourrait permettre d’augmenter le rapport signal sur bruit afin de coder l’information spatiale de manière plus efficace pendant le mov.. / Spontaneous locomotion strongly influences the state of the hippocampal network and is critically important for spatial information coding. In neocortex, different attentional or behavioral states during arousal can modify neurons responses to sensorial stimuli and associated task performance. During locomotion, the local field potential of the hippocampus is characterized by theta frequency oscillations (5-12 Hz) and the pyramidal neurons present a specific discharge to the localization of the animal in environments. However, the intracellular determinants of CA1 pyramidal cells activation during locomotion are poorly understood. Here we recorded the membrane potential of CA1 pyramidal cells (PCs) while non-overtrained mice spontaneously alternated between periods of movement and immobility during a virtual spatial navigation task. We found opposite membrane polarization between bursting and regular firing CA1 PCs during movement. Regular firing CA1 PCs were more depolarized and fired at higher frequency during movement compared to immobility while bursting CA1 PCs, preferentially inhibited during sharp wave ripples, were hyperpolarized during movement in a speed dependent manner. This speed-dependent suppression of a subpopulation of CA1 PCs could enhance signal to noise ratio for efficient spatial coding during locomotion.

Cette thèse a été effectuée dans le cadre du projet européen Koroibot dont l'objectif est le développement d'algorithmes de marche avancés pour les robots humanoïdes. Dans le but de contrôler les robots d'une manière sûre et efficace chez les humains, il est nécessaire de comprendre les règles, les principes et les stratégies de l'homme lors de la locomotion et de les transférer à des robots. L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'identifier les stratégies de locomotion humaine et créer des algorithmes qui pourraient être utilisés pour améliorer les capacités du robot. La contribution principale est l'analyse sur les principes de piétons qui guident les stratégies d'évitement des collisions. En particulier, nous observons comment les humains adapter une tâche de locomotion objectif direct quand ils ont à interférer avec un obstacle en mouvement traversant leur chemin. Nous montrons les différences entre la stratégie définie par les humains pour éviter un obstacle non-collaboratif et la stratégie pour éviter un autre être humain, et la façon dont les humains interagissent avec un objet si se déplaçant en manier simil à l'humaine. Deuxièmement, nous présentons un travail effectué en collaboration avec les neuroscientifiques de calcul. Nous proposons une nouvelle approche pour synthétiser réalistes complexes mouvements du robot humanoïde avec des primitives de mouvement. Trajectoires humaines walking-to-grasp ont été enregistrés. L'ensemble des mouvements du corps sont reciblées et proportionnée afin de correspondre à la cinématique de robots humanoïdes. Sur la base de cette base de données des mouvements, nous extrayons les primitives de mouvement. Nous montrons que ces signaux sources peuvent être exprimées sous forme de solutions stables d'un système dynamique autonome, qui peut être considéré comme un système de central pattern generators (CPGs). Sur la base de cette approche, les stratégies réactives walking-to-grasp ont été développés et expérimenté avec succès sur le robot humanoïde HRP-2 au LAAS-CNRS. Dans la troisième partie de la thèse, nous présentons une nouvelle approche du problème de pilotage d'un robot soumis à des contraintes non holonomes par une porte en utilisant l'asservissement visuel. La porte est représentée par deux points de repère situés sur ses supports verticaux. La plan géométric qui a été construit autour de la porte est constituée de faisceaux de hyperboles, des ellipses et des cercles orthogonaux. Nous montrons que cette géométrie peut être mesurée directement dans le plan d'image de la caméra et que la stratégie basée sur la vision présentée peut également être lié à l'homme. Simulation et expériences réalistes sont présentés pour montrer l'efficacité de nos solutions. / This thesis has been done within the framework of the European Project Koroibot which aims at developing advanced algorithms to improve the humanoid robots locomotion. It is organized in three parts. With the aim of steering robots in a safe and efficient manner among humans it is required to understand the rules, principles and strategies of human during locomotion and transfer them to robots. The goal of this thesis is to investigate and identify the human locomotion strategies and create algorithms that could be used to improve robot capabilities. A first contribution is the analysis on pedestrian principles which guide collision avoidance strategies. In particular, we observe how humans adapt a goal-direct locomotion task when they have to interfere with a moving obstacle crossing their way. We show differences both in the strategy set by humans to avoid a non-collaborative obstacle with respect to avoid another human, and the way humans interact with an object moving in human-like way. Secondly, we present a work done in collaboration with computational neuroscientists. We propose a new approach to synthetize realistic complex humanoid robot movements with motion primitives. Human walking-to-grasp trajectories have been recorded. The whole body movements are retargeted and scaled in order to match the humanoid robot kinematics. Based on this database of movements, we extract the motion primitives. We prove that these sources signals can be expressed as stable solutions of an autonomous dynamical system, which can be regarded as a system of coupled central pattern generators (CPGs). Based on this approach, reactive walking-to-grasp strategies have been developed and successfully experimented on the humanoid robot HRP at LAAS-CNRS. In the third part of the thesis, we present a new approach to the problem of vision-based steering of robot subject to non-holonomic constrained to pass through a door. The door is represented by two landmarks located on its vertical supports. The planar geometry that has been built around the door consists of bundles of hyperbolae, ellipses, and orthogonal circles. We prove that this geometry can be directly measured in the camera image plane and that the proposed vision-based control strategy can also be related to human. Realistic simulation and experiments are reported to show the effectiveness of our solutions.

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Cette thèse aborde la contribution des noyaux gris centraux (NGCs) au contrôle de trois activités motrices importantes que sont la locomotion non obstruée, le contrôle visuoguidé des modifications de la locomotion et celui des mouvements d’atteinte. Ce travail s’inscrit dans le cadre des études antérieures entreprises par notre laboratoire. Celles-ci ont détaillé l’activité de plusieurs aires corticales que nous supposons impliquées dans la planification des modifications locomotrices. De nombreuses cellules enregistrées dans ces études montrent des décharges similaires, quel que soit le membre qui franchit l’obstacle en premier (limb-independent). Ce signal pouvant être transformé en signal dépendant du membre, ou « limb-dependent », pour déterminer, entre autres, quel membre franchira l’obstacle en premier. Nous proposons que les NGCs soient impliqués dans cette transformation et qu’ils puissent contribuer à la fois à la sélection du membre qui enjambera l’obstacle en premier, et à l’initiation des modifications nécessaires à l’enjambement. Pour tester cette hypothèse, nous avons enregistré l’activité pallidale (i.e. noyau entopédonculaire et globus pallidus) de cinq chats lors de la marche sur tapis roulant et lors de l’enjambement des obstacles attachés à celui-ci. Nos résultats ont tout d’abord montré qu’une large population de cellules modulait son activité en accord avec le rythme locomoteur. Un grand nombre d’entre elles présentaient des modifications de leur activité de décharge avant l’initiation de l’enjambement, mais uniquement par rapport au membre controlatéral au site de l’enregistrement. Nous suggérons que ceci serait compatible avec une participation à la sélection du membre. De plus, d’autres cellules déchargeaient avec de brèves bouffées d’activité avant et pendant le franchissement et pourraient fournir les caractéristiques temporelles de celui-ci. La majorité des cellules ont montré des changements reliés à la phase de balancement du membre controlatéral, cependant quelques cellules déchargeaient en rapport avec l’activité de plusieurs membres menant à la suggestion de leur possible contribution à la régulation de la séquence d’activité dans les quatre membres. Pour déterminer si les mêmes cellules contribuaient au mouvement d’atteinte, leur activité a également été enregistrée, après le transfert du chat, sur un appareillage adjacent. La plupart des cellules déchargeaient lors de l’atteinte et pendant la locomotion. Dans certains cas, les modifications étaient très similaires, avec des cellules qui déchargeaient pendant la phase de balancement à la locomotion et pendant la phase de transport pendant l’atteinte. L’activité des autres était plus contrastée, suggérant un contrôle dépendant du contexte et possiblement l’existence de circuits séparés, dans le contrôle de différents mouvements. La tâche d’atteinte nous a aussi permis de corréler les décharges pallidales, avec les ajustements posturaux anticipateurs (APAs) qui précèdent le mouvement, ou avec le mouvement lui-même. Seules quelques cellules ont montré une meilleure corrélation avec les APAs, suggérant un rôle préférentiel du pallidum dans le mouvement spécifiquement, plutôt que dans les activités posturales qui le précèdent. En conclusion, nos résultats suggèrent que l’activité pallidale est étroitement corrélée à différents aspects des activités motrices et suggèrent que le pallidum est bien placé pour, en fonction du contexte, intégrer et transformer le signal cortical et participer au contrôle précis du déplacement et du positionnement du membre. Notons que puisque les plus importants changements d’activité prenaient la forme d’augmentations plutôt que des diminutions, nous discutons la possibilité que ces augmentations puissent sculpter l’activité thalamo-corticale plutôt que relâcher le thalamus de son inhibition. / This thesis addresses the issue of how the basal ganglia contribute to the control of three important motor activities: i) the control of non-obstructed locomotion, ii) the control of visually-guided gait modifications and iii) the control of visually-guided reaching movements. A major impetus for this work comes from previous studies from this laboratory that have detailed the activity of several cortical areas that we postulate are involved in the planning of gait modification. Many of the cells recorded in these studies show similar discharges regardless of which limb is the first to step over the obstacle (limb-independent). This signal therefore has to be transformed into a limb-dependent signal to determine, amongst other issues, which limb will be the first to step over the obstacle. We propose that the basal ganglia are involved in this transformation and that it might make a contribution both in selecting which limb will be the first to step over the obstacle as well as determining temporal aspects of the resulting step. To test this hypothesis, we recorded activity from the pallidum (i.e. globus pallidus and entopedoncular nucleus) of five cats trained to walk on a treadmill and to step over a moving obstacle attached to that treadmill. We showed that a large proportion of pallidal neurons modulated their discharge according to the locomotor rhythm. Many of these neurons discharged before the onset of the step over the obstacle, but only for the contralateral limb to the recording site, compatible with a bias toward selecting that limb. In addition, other cells discharged with brief bursts of activity before and during the step and might contribute to providing temporal information about the upcoming step. The majority of cells showed changes related to the swing phase of the contralateral limb but some cells discharged with respect to the activity in several limbs leading us to suggest a possible contribution to the regulation of the sequence of activity in the four limbs. To determine whether the same cells contributed to discrete reaches, neuronal activity was recorded from the same cells after the transfer of the cat from the treadmill to an adjacent apparatus. Most cells discharged during both behaviours and in some cases the discharges during gait modification and reaching were very similar. In particular, cells discharging during the swing phase of locomotion also discharged during the transport phase of the reach. In other cases, the activity was more disparate, suggesting a context-dependent control over the activity and perhaps the existence of separate circuits for the control of different movements. The reaching task allowed us to correlate the discharge with preparatory postural adjustments that precede movements. Only a few cells showed a better correlation with APAs in comparison with the movement, suggesting a preferential role of the pallidum in focal movements rather than in the preceding postural activities. In conclusion, our results suggest that the activity in the pallidum is tightly correlated with different aspects of motor activity, suggesting that the pallidum is well placed to integrate and transform cortical signals and participate in the precise control of limb displacement. It was noteworthy that the strongest and most frequent changes in activity were increases rather than decreases. We discuss the possibility that these increases in activity might sculpt thalamocortical activity rather than releasing the thalamus from inhibition.

Master of Science / Department of Psychology / Mary E. Cain / Previous research has shown that both the environment and psychostimulant use influence dopamine levels via the mesolimbic dopamine pathway. C-fos expression has also been observed following exposure to novel environments and psychostimulants. The present study looked to determine the effects of acute amphetamine exposure on locomotor activity and c-fos expression in the basolateral and central nucleus of the amygdala, for rats raised in either an enriched condition (EC), impoverished condition (IC), or social condition (SC). Rats were reared in either the EC, IC, or SC for 30 days, after which they received an acute amphetamine injection (1.0 mg/kg) and locomotor activity was measured. Following the locomotor test rats were perfused and immunohistochemistry was used to measure c-fos levels in the basolateral and central nucleus of the amygdala. Results showed that EC amphetamine rats had significantly greater locomotor activity compared to EC saline rats. There were no significant group or treatment differences in c-fos expression in the ACe. In the BLA SC amphetamine rats had significantly greater c-fos expression than EC amphetamine rats. Overall, the current study revealed that environmental enrichment and amphetamine do significantly alter locomotor activity and c-fos expression in the BLA.

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Résumé : Le muscle squelettique étant d’une grande plasticité, il peut être la cible lors de thérapies en réhabilitation motrice. Toutefois, les structures neurales impliquées dans cette plasticité sont encore peu connues. Afin de déterminer si un mécanisme spinal est suffisant pour induire une plasticité musculaire, le nerf innervant le gastrocnémien latéral et le soleus a été sectionné unilatéralement chez 4 chats ayant retrouvé une locomotion au niveau des pattes arrières suite à une spinalisation complète. Des enregistrements électromyographiques et cinématiques ont été enregistrés avant et jusque 8 semaines après dénervation chez ces chats. Des analyses histologiques ont été réalisées pour les deux gastrocnémiens médial et latéral chez les 4 chats spinalisés et chez 4 chats intacts servant de contrôle. Chez les chats spinaux, la durée de cycle pour la patte ispilatérale et controlatérale à la dénervation pouvait être diminuée ou augmentée par rapport aux valeurs de pré-dénervation. Pour la durée de la phase d’appui, elle était généralement augmentée pour la patte controlatérale et diminuée pour la patte ipsilatérale. L’amplitude EMG du MG était augmentée bilatéralement après la dénervation et est restée élevée 8 semaines post dénervation. Concernant le poids des muscles, chez les chats spinaux, le LG ipsilatéral était significativement plus petit que le LG controlatéral alors que le MG ipsilatéral était plus gros que le MG controlatéral. Les analyses histologiques ont montré une plus grande aire pour les fibres de type IIa pour le MG ipsilatéral pour 3 des 4 chats. La densité de capillaires sanguins dans le MG ipsilatéral était aussi plus élevée que dans le MG controlatéral. Pour les chats intacts, aucune différence n’a été observée pour le poids, l’aire des fibres ou la densité capillaire entre les 2 MG. Ces résultats montrent que le muscle squelettique peut s’adapter même après une lésion de la moelle épinière, ce qui souligne l’importance de son utilisation en réhabilitation motrice. / Abstract : Skeletal muscle is highly plastic and can be targeted for motor rehabilitation. Although neural activity potently regulates muscle phenotype, the neural structures required are poorly defined. To determine if a spinal mechanism is sufficient for adaptive muscle plasticity, the nerve supplying the lateral gastrocnemius and soleus muscles was sectioned unilaterally in four cats that had recovered hindlimb locomotion following spinal transection. In these spinal cats, kinematics and electromyography (EMG) were collected before and for 8 weeks after denervation. Muscle histology was performed on the lateral (LG) and medial (MG) gastrocnemii bilaterally in four spinal and four intact cats. In spinal cats, cycle duration for the hindlimb ipsilateral or contralateral to the denervation could be increased or decreased compared to pre-denervation values. Stance duration was generally increased and decreased for the contralateral and ipsilateral hindlimbs, respectively. The EMG amplitude of MG was increased bilaterally following denervation and remained elevated 8 weeks post-denervation. In spinal cats, the ipsilateral LG was significantly smaller than the contralateral LG whereas the ipsilateral MG weighed significantly more than the contralateral MG. Histological characterizations revealed significantly larger fiber areas for Type IIa fibers of the ipsilateral MG in three of four spinal cats. Microvascular density in the ipsilateral MG was significantly higher than the contralateral MG. In intact cats, no differences were found for muscle weight, fiber area or microvascular density between homologous muscles. Results show that skeletal muscle remains remarkably adaptable after complete spinal cord injury, highlighting its importance to maximize force production in motor rehabilitation.

In this dissertation, I have focused on the role of serotonin (5-HT) as a modulator in heart rate, feeding and locomotion behaviors as well as sensorimotor circuit activity in Drosophila melanogaster. A general overview in the actions of the serotonergic (5-HTergic) system on the larval heart and nervous system in larvae and adults is reviewed in Chapter One. I sought to further study the actions of serotonergic system to provide additional insights into cellular and molecular underpinnings in the actions of 5-HT.In Chapter two, I present studies on mechanisms of action by 5-HT in larvae cardiac system. For this purpose, genetic and pharmacological approaches were used. The transgenic flies used expressed hM4Di receptors (designer receptors exclusively activated by designer drugs (DREADDs)) which were employed to manipulate the activity of Gαi heterotrimeric protein through activation of engineered G-protein coupled receptors hM4Di DREADD. The activation of hM4Di DREADD receptors by clozapine-N-oxide (CNO) arrested the heart beat; however, pharmacological manipulation of adenylyl cyclase activity and cAMP levels had no significant effect on heart rate. In Chapter Three the role of various 5-HT receptor subtypes that mediate 5-HT action in larval cardiac tissue is addressed. In this study, various 5-HT agonists and antagonists were employed. The pharmacological results demonstrate that a 5-HT2 agonist significantly increases the heart rate. Furthermore, 5-HT2 antagonist, markedly reduces the effect of 5-HT. In addition, I employed genetic approaches to corroborate the pharmacological results. In addition, I investigated the role of the 5-HTergic system in locomotion and feeding behaviors as well as in modulation of sensorimotor circuits. This study is delineated in Chapter Four. The 5-HT biosynthesis was dysregulated by feeding Drosophila larvae various pharmacological agents. 5-HT receptor subtypes were manipulated using RNA interference mediated knockdown and 5-HT receptor insertional mutations. Moreover, synaptic transmission at 5-HT neurons was blocked or induced in both larvae and adult flies. The results demonstrate that disruption of components within the 5-HT system significantly impairs locomotor activity and feeding behavior in larvae. In addition, acute activation of 5-HT neurons disrupts normal locomotor activity in adult flies. In Chapter Five, I addressed direct actions of fluoxetine on synaptic transmission at neuromuscular junctions (NMJs), neural properties, and cardiac function unrelated to fluoxetine’s action as a selective 5-HT reuptake inhibitor using Drosophila, crayfish and primary neurons in mouse model system. Fluoxetine application blocked action potentials in crayfish axons, enhanced occurrences of spontaneous synaptic vesicle fusion events at NMJs of both Drosophila and crayfish. In rodent primary neurons, fluoxetine application resulted in increase of cytoplasmic Ca2+. I also developed teaching modules, which are presented in Chapter Seven, to guide students how to exploit a vast array of genetic tools, such as optogenetics in Drosophila to manipulate various neural circuits and to observe their effects on behavior and sensorimotor circuit activity. I also developed a module to teach college level students a hands-on experiment regarding proprioception and tension receptors in crab limb, which is detailed in Chapter Eight.