Parmi leurs applications prometteuses, les cellules souches pluripotentes humaines présentent un potentiel inestimable pour améliorer la compréhension des mécanismes moléculaires et cellulaires impliqués dans le développement de maladies monogéniques. Cette application est dans un premier temps devenue possible grâce à l’utilisation de lignées de cellules souches embryonnaires humaines (CSEh) porteuses de mutation causale de maladie monogénique, obtenues au cours d’un diagnostique pré-implantatoire, puis dans un second temps par la reprogrammation des cellules somatiques en cellules souches pluripotentes (iPS). Dans le cadre de la validation de ce concept, nous avons démontré que des lignées de CSEh porteuses de la mutation causale de la dystrophie myotonique de type 1 (DM1), ainsi que leursprogénies neurales et mésodermiques, exprimaient des défauts moléculaires caractéristiques de la pathologie. Par l’intermédiaire d’une étude transcriptomique comparative, nous avons identifié une liste de biomarqueurs pouvant être considérés comme une nouvelle signature moléculaire de la DM1. Parmi ces derniers, nous avons montré que l’anomalie d’expression de certains gènes de la famille SLITRK était à l’origine des défauts d’arborisation neuritique mis en évidence dans des cellules motoneuronales dérivées des CSEh mutées, et que ces cellules peuvent interagir avec leur ciblemusculaire. Parallèlement, nous avons identifié un facteur de transcription à domaine Krab dont l’expression est fortement altérée dans la DM1 et qui semble être impliqué dans les défauts de régénération musculaire associé à des fins thérapeutiques en définissant leur capacité à modéliser une maladie génétique de façon suffisamment précise pour permettre d’élaborer des biothérapies spécifiquement liées aux mécanismes moléculaires mis en jeu. / Human pluripotent stem cells present far reaching implication not only for their therapeutic potential but also for the understanding of the molecular and cellular mechanisms of monogenic diseases. This application became at first possible by using human embryonic stem cells lines (hES) carrying the causal mutation of the monogenic disease, obtained during pre-implantation genetic diagnosis, thereafter through the development of somatic cells reprogramming into pluripotent stem cells (iPS). In line with this concept, we provided evidence that hES lines carrying the causal mutation of myotonic dystrophy type 1 (DM1), as well as their neural and mesodermal progenitors, expressed characteristic molecular defects of the pathology. Through a comparative study of their transcriptome profile, we identified a list of biomarkers which can be considered as new molecular signature of DM1. Among these genes, we showed that abnormal expression of some genes of the SLITRK family was responsible for the defective neuritic outgrowth observed in motor neuron cells derived from mutated hES, but that these cells could nonetheless interact with their muscular target. In parallel, we identified a Krab domain transcription factor which expression is strongly altered in DM1 and which seems to be involved in muscular regeneration defects associated with DM1. In conclusion, the aim of this work was to extend the spectrum of hES cells use for therapeutic purposes by accurately defining their capacity to model a genetic disease, enabling the elaboration of biotherapies targeted to disease specific molecular mechanisms.

This thesis is an investigation of the neurophysiologic mechanism, central sensitization, underlying pain and dysfunction in osteoarthritis. Central sensitization is an important mechanism in the pathophysiology of osteoarthritis but, to our knowledge, its influence on motoneurone excitability is unknown. Our primary hypothesis states that increasing central sensitization within a spinal segment will cause a greater increase in the excitability of motoneurones in subjects with osteoarthritis when compared to healthy controls. To test this hypothesis, we experimentally induced central sensitization in individuals and monitored the recruitment threshold force of the motor units in the first dorsal interosseous muscle using indwelling electromyography. Findings from this study suggest that central sensitization lowers the motor unit recruitment threshold in osteoarthritis compared to healthy individuals. Motoneurone excitability might be inhibited in healthy individuals with persistent sensitization as well. Thus, central sensitization is an important consideration in the biomechanical dysfunction seen in osteoarthritis. / Canadian Arthritis Network

La deuxième semaine qui suit la naissance est critique pour le développement du système locomoteur de la souris. C’est pendant cette semaine que les souriceaux acquièrent leur posture et commencent à marcher. Cette transformation implique une réorganisation en profondeur des éléments composant les unités motrices. Cependant, nous ne savons encore que peu de choses sur la différenciation des propriétés intrinsèques des motoneurones innervant les fibres musculaires. Contrairement à l’adulte, où la décharge démarre au début de la stimulation, les motoneurones de souriceaux déchargent de façon hétérogène. En effet, une stimulation au seuil induit chez certains motoneurones une décharge commençant au début du créneau alors que la décharge est retardée dans d’autres motoneurones. Par des enregistrements de motoneurones sur des tranches de moelle épinière à P6-P10, j’ai dans un premier temps caractérisé les courants sous‐tendant la décharge retardée et j’ai constaté que deux conductances potassiques (l’une ressemblant au courant de type A et l’autre très lente) étaient activées autour du seuil de décharge. Lorsqu’elles s’activent, ces conductances sont capables d’hyperpolariser le potentiel de membrane et d’empêcher le motoneurone de décharger. Puis, en s’inactivant, la membrane se dépolarise et le neurone commence à décharger avec un retard pouvant aller jusqu’à plusieurs secondes après le début du créneau. En outre, les deux populations de motoneurones présentent des propriétés électro-physiologiques et morphologiques différentes. Les motoneurones à décharge retardée possèdent un arbre dendritique plus ramifié que ceux à décharge immédiate. En conséquence, les motoneurones à décharge retardée possèdent une conductance d’entrée et un seuil de recrutement plus faible. De plus le temps de relaxation de l’hyperpolarisation suivant chaque potentiel d’action (AHP) est plus long dans les motoneurones à décharge immédiate. Enfin, une partie des motoneurones à décharge retardée exprime la protéine chondrolectine récemment décrite comme un marqueur moléculaire des motoneurones de type rapide. L’ensemble de nos résultats nous permet de faire l’hypothèse que les motoneurones à décharge retardée sont des motoneurones innervant les unités motrices de type rapide alors que ceux à décharge immédiate innervent les unités motrices de type lent. Dans un second temps, j’ai étudié l’effet de la mutation SOD1 G93A, un modèle murin de la sclérose latérale amyotrophique, sur les motoneurones spinaux à P6‐P10. Sachant que cette maladie affecte les motoneurones de façon différente à l’âge adulte, j’ai cherché à savoir si, chez les souriceaux SOD1 G93A, les motoneurones à décharge retardée et immédiate étaient affectés de la même façon. Mes résultats montrent que seuls les motoneurones à décharge immédiate sont hyperexcitables. Pour ces motoneurones, le seuil de décharge est plus hyperpolarisé et leurs dendrites sont plus courtes de 35%. Ces résultats amènent à reconsidérer le lien supposé entre hyperexcitabilité et dégénérescence des motoneurones. / In the second postnatal week, the locomotor behavior of mice changes from crawling to walking. This is made possible by profound changes in motor units. Yet, how the discharge properties of spinal motoneurons evolve during post-­‐natal maturation and whether they have an effect on the motor unit maturation remains an open question. In neonates, the spinal motoneurons display two modes of discharge. For threshold pulses, 33% of the motoneurons have a discharge that start at the current onset and adapts during the pulse (“immediate firing motoneurons”). The remaining 66% motoneurons fire with a large delay and the discharge then accelerates throughout the pulse (“delayed firing motoneurons”). Though the delayed firing pattern is quite common in spinal motoneurons of neonates, the ionic mechanisms that elicit this mode of discharge have received little attention. Using the patch-clamp technique to record P6‐P10 mouse motoneurons in a spinal cord slice preparation, I characterized the ionic currents that underlie the delayed firing pattern. This is caused by a combination of an A-like potassium current that acts on a short time scale and a slow‐inactivating potassium current that delays the discharge on a much longer time scale. I then investigated how these two potassium currents contribute to the recruitment threshold and how they shape the F-I function of delayed motoneurons in neonatal mice. The slow inactivating potassium current induces memory effects that have a strong impact on motoneuron excitability and on its discharge. Building on these results, I tried to correlate the discharge pattern to known physiological sub‐types. The delayed firing motoneurons have a larger input conductance, a higher rheobase, a narrower action potential, a shorter AHP and a more complex dendritic arbor than the immediate firing motoneurons. Additionally, only a sub-­‐population of the delayed firing motoneurons expressed the chondrolectin protein, a fast motoneuron marker. Based on this body of corroborating evidence, the immediate firing motoneurons would be slow type motoneurons whereas the delayed firing motoneurons would be fast type motoneurons. Finally, numerous electrical and geometrical abnormalities have been observed in spinal motoneurons of SOD1 G934 mice (model of the amyotrophic lateral sclerosis) during the second post-natal week but the results were somehow contradictory. In relation to the known differential sensitivity to the disease exhibited by slow and fast motoneurons, I investigated whether the immediate and delayed firing motoneurons are equally affected by the SOD1 mutation. This is not the case. I found that the SOD1 mutation induced a decrease in the rheobase and a hyperpolarization of the voltage threshold only in the immediate firing motoneurons, thereby making them more excitable than in WT mice. Furthermore, the dendrites of the immediate firing motoneurons are substantially shorter (about 35%) in the mutant than in the WT. In sharp contrast, the excitability of the delayed firing motoneurons is unchanged and the dendritic tree is nearly unaffected (the dendrites only undergo a 10% elongation). These results allow for reconsidering the link between hyperexcitability and degenerescence of the motoneurons

Au cours du processus neurodégénératif lié à la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA), les motoneurones innervant les muscles des membres sont très atteints tandis que ceux innervant les muscles axiaux sont relativement préservés. Les motoneurones diffèrent aussi dans leur réponse à plusieurs facteurs neurotrophiques (NTF). Je me suis intéressée aux mécanismes moléculaires déterminant la morphologie distincte et les réponses aux NTF de sous-populations de motoneurones pertinentes dans la SLA. J'ai démontré que les sous-populations de motoneurones murins innervant les muscles axiaux (MN-MMC) ou les muscles des membres (MN-LMC) ont de fortes différences morphologiques. Ces différences sont dues à une régulation différentielle de gènes codant pour la Péripherine et la Diacylglycérol kinase beta (DGK-β) qui sont régulés par les facteurs de transcription LIM-HD FoxP1/HB9. J'ai montré que les MN-LMC et les MN-MMC répondaient distinctement à trois facteurs neurotrophiques: le HGF (Hepatocyte Growth Factor), l'Artémine et le CNTF (Ciliary Neurotrophic Factor). J'ai étudié les motoneurones lombaires dans deux situations pathologiques: 1) les altérations de l'appareil de Golgi et du trafic axonal suite à la perte de TBCE (Tubulin Binding Cofactor E), 2) l'effet de l'augmentation de KCC2 à la membrane plasmique des motoneurones sur la transmission synaptique inhibitrice après lésion.Enfin, j'ai développé une nouvelle méthode de purification de motoneurones dérivés d'iPS (induced Pluripotent Stem Cell) humains en utilisant un vecteur rapporteur lentiviral Hb9::GFP et un anticorps dirigé contre le récepteur de faible affinité des neurotrophines, p75. / Muscles are highly vulnerable whereas motor neurons innervating axial muscles are relatively resistant. Motor neurons also seem to differ in their response to several neurotrophic factors (NTF). I investigated the molecular mechanisms determining the distinct morphology and the differential NTF response of ALS-relevant motor neuron subsets. First, I demonstrated that mouse lumbar motor neurons innervating either axial muscles (MMC-MN) or hindlimb muscles (LMC-MN) display remarkable morphological differences. These differences involve a differential regulation of genes coding for Peripherin and Diacylglycerol kinase-b (DGK-β) which are regulated by the transcription factors FoxP1/HB9. Second, I showed that LMC-MN and MMC-MN respond differentially to the three neurotrophic factors HGF (Hepatocyte Growth Factor), Artemin and CNTF (Ciliary NeuroTrophic Factor). Their differential survival is explained by the corresponding receptor gene expression in specific pools of MMC-MN and LMC-MN. Third, I studied lumbar motor neurons in two pathological conditions: 1) alteration of Golgi apparatus and axonal trafficking induced by loss of TBCE (Tubulin Binding Cofactor E) 2) the effect of KCC2 increase at motor neuron plasma membrane on inhibitory synaptic transmission after trauma.Finally, I developed a new FACS-based method for isolating human iPS (induced Pluripotent Stem Cell)-derived motor neurons with both an HB9::GFP reporter lentivirus and an antibody directed against the low-affinity neurotrophin receptor p75.

L’amyotrophie spinale infantile (SMA) est une maladie neurodégénérative rare, caractérisée par une perte progressive des motoneurones de la moelle épinière, et pour laquelle aucun traitement curatif n’est disponible. Cette maladie est causée par la mutation du gène SMN1 qui induit une diminution de l’expression de la protéine SMN. Depuis plusieurs des années, notre l’équipe examine les effets de l’exercice sur le développement ou le maintien de l’unité motrice dans des maladies neurodégénératives affectant spécifiquement le motoneurone. Ces études ont notamment permis de mettre en évidence que l’exercice physique pourrait avoir des effets bénéfiques pour l’amyotrophie spinale, dans un modèle de souris SMA de type 2 soumis à un exercice de course sur roue pendant 5 jours (Grondard et al., 2005). Dans notre étude, nous avons comparé les effets de deux programmes d’entraînement différents, d’une durée de 10 mois, basés sur un exercice de course ou sur un exercice de nage, sur des populations de souris SMA de type 3, la forme la moins sévère de la maladie. Dans nos conditions, la course est un exercice de faible intensité et de faible amplitude, mais qui induit plus de lésions musculaires, au contraire de la nage, comme le confirme les mesures de lactate et de créatine kinase circulants. Ces deux paramètres ont des valeurs anormalement hautes chez les souris SMA, suggérant des anomalies métaboliques et de fragilité musculaire, qui sont limitées par les deux programmes d’entraînement. Les analyses du comportement moteur indiquent également que les 10 mois d’entraînement améliorent significativement les capacités motrices des souris SMA, et notamment la résistance à la fatigue avec la nage. Comme attendu, la perte de 46% des motoneurones spinaux enregistrée à 12 mois chez les souris SMA sédentaires est significativement limitée par les deux types d’entrainement, mais avec des efficacités différentes sur les différentes sous‐populations de motoneurones spinaux. En effet, la course protège préférentiellement les motoneurones de faible surface et exprimant ERR‐β, assimilés à des motoneurones lents, et la nage les motoneurones de large surface et exprimant Chodl, assimilés à des motoneurones rapides. De manière surprenante, la neuroprotection induite par l’exercice est indépendante de l’expression de SMN dans la moelle épinière des souris SMA. Une étude de la forme et de la surface des jonctions neuromusculaires dans trois muscles du mollet, le soleus, le plantaris et le tibialis, et une étude du phénotype musculaire de ces mêmes trois muscles confirment le rôle bénéfique de l’entrainement mais aussi les effets différentiels des deux programmes, avec un effet plus important pour la nage. Les améliorations de l’unité motrice, induites par l’exercice, permettent un meilleur fonctionnement neuromusculaire, comme le suggère les mesures électrophysiologiques du muscle plantaire. Pris tous ensemble, ces résultats suggèrent qu’un exercice de nage, à haute intensité, dans des conditions anaérobies, et axé sur le recrutement des muscles extenseurs pourrait être bénéfique pour les patients SMA, notamment pour améliorer les capacités motrices et donc la qualité de vie des patients. / Objective: Spinal Muscular Atrophy (SMA) is a group of autosomal recessive neurodegenerative diseases differing in their clinical outcome, characterized by the specific loss of spinal motor‐neurons, caused by insufficient levels of SMN protein expression. No cure is presently available for SMA. While physical exercise might represent a promising approach for alleviating SMA symptoms, the lack of data dealing with the effects of different exercise types on diseased motor‐units still precludes the use of exercise in SMA patients. Methods: We have evaluated the efficiency of two long‐term physical exercise paradigms, either based on high intensity swimming or on low intensity running, in alleviating SMA symptoms in a mild type 3 SMA‐like mouse model. Results: We found that a 10‐month physical training induced significant benefits in terms of resistance to muscle damages, energetic metabolism, muscle fatigue and motor behavior. Both exercise types significantly enhanced motor‐neuron survival, independently of SMN expression, leading to the maintenance of neuromuscular junctions and skeletal muscle phenotypes, particularly in the soleus, plantaris and tibialis of trained mice. Most importantly, both exercises significantly improved neuromuscular excitability properties. Besides, all these training‐induced benefits are quantitatively and qualitatively related to the specific characteristics of each exercise, suggesting that the related neuroprotection is strongly dependent on the specific activation of some motor‐neuron subpopulations. Interpretation: Taken together, the present data show significant long‐term exercise benefits in a mild type 3 SMA context and provide important clues for designing rehabilitation programs in patients.

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

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative fatale de l'âge adulte, caractérisée par une perte de motoneurones, conduisant à une atrophie et une faiblesse musculaires. Des mutations de la superoxyde dismutase-1 (SOD1) provoquent une forme génétique de SLA. Comme chez les patients atteints de SLA, le modèle animal de SLA, SOD1 mutant, révèle que tous les motoneurones sont inégalement sensibles à l'évolution de la maladie. Les mitochondries, centrales énergétiques des cellules, sont des organelles précocement touchées dans la pathologie de la SLA. Un mécanisme attrayant qui sous-tend la susceptibilité différentielle est la nécessité bioénergétique variable de sous-ensembles distincts de motoneurones. Cela implique que dans le système nerveux central, la demande bioénergétique pourrait moduler le seuil pathologique. Même en l'absence de perte bioénergétique, on peut imaginer une situation dans laquelle une contrainte pathologique modifie le niveau à partir duquel la production ou la livraison de l'ATP devient insuffisant, précipitant la chute des neurones les plus vulnérables. Dans les neurones, la majorité de l'ATP est produite par les mitochondries et l'homéostasie des gradients d'ions est le procédé le plus énergivore. La fonction mitochondriale est moindre pour modifier les propriétés électriques des motoneurones si la disponibilité en ATP devient insuffisante pour permettre aux pompes ioniques de maintenir des gradients appropriés. Nous avons démontré que la concentration intracellulaire basale d’ATP dans des cultures de neurones moteurs est diminuée dans les cellules mutées SOD1 par rapport au type sauvage. Paradoxalement à ce résultat, le taux de consommation d'oxygène des mitochondries est augmenté dans les motoneurones SOD1m et il n'existe aucune preuve d'une augmentation de la consommation. Nos résultats appuient l'hypothèse intéressante qu'il y a un découplage entre la chaîne respiratoire et la production d'ATP. Ce découplage peut être utilisé comme une stratégie pour minimiser les propriétés toxiques des mitochondries hyper stimulées. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal adult-onset neurodegenerative disorder characterized by a loss of motor neurons, leading to muscle wasting and weakness. Mutations in superoxide dismutase-1 (SOD1) cause a form of ALS. As in ALS patients, the mutant SOD1 animal model of ALS reveals that not all motor neurons are equally susceptible to the disease process. An attractive mechanism underlying differential susceptibility is the variable bioenergetics need of distinct subsets of motor neurons. This implies that within the CNS, bioenergetics can modulate the pathological threshold. Even in the absence of loss in bioenergetics, one can envision a situation in which a pathological stress alters the level at which either the production or delivery of ATP becomes insufficient, precipitating the demise of the most vulnerable neuron types. In neurons, majority of ATP is produced by mitochondria and the homeostasis of ion gradients is the most energy-consuming process. Reduced mitochondrial function will modify the electrical properties of motor neurons if ATP availability becomes insufficient to allow ion pumps to maintain appropriate gradients. We demonstrated that the basal ATP intra-cellular concentration in motor neuron cultures lower in SOD1 mutated cells compared to wild type. Paradoxically to this result, the oxygen consumption rate of mitochondria is increase in mSOD1 cells and there is no evidence for an increase of consumption. Our results support the interesting hypothesis that there is an uncoupling between the respiratory chain and the ATP production. This uncoupling might be used as a strategy to minor the toxic properties of hyper stimulated mitochondrion.

Alix est une protéine adaptatrice impliquée dans la régulation du système endolysosomal grâce à son interaction avec des protéines comme CIN85 et les endophilines, protéines participant à l'endocytose de récepteurs ou les protéines des complexes ESCRT nécessaires à la maturation des compartiments endosomaux, Alix pourrait également contrôler la mort neuronale en se fixant à la protéine ALG-2. Le but de mon projet de thèse a été de tester si Alix intervient dans la mort des motoneurones au cours du développement in vivo et de définir les mécanismes moléculaires sous-jacents. J'ai montré que l'expression d'une protéine tronquée, correspondant à la moitié C-terminale d'Alix (Alix-CT), protège les motoneurones cervicaux de la mort cellulaire programmée précoce (PCD). Cette protection dépend de la liaison d'Alix-CT à ALG-2 et à ESCRT-I mettant en évidence l'implication du complexe Alix/ALG-2 avec les protéines ESCRT dans la mort naturelle des motoneurones : Alix ferait le lien entre la voie endolysosomale et la machinerie de mort cellulaire. J'ai montré que la délétion du site de liaison à CIN85, connue pour participer à l'endocytose du récepteur au TNF, le TNFR1, dans Alix-CT, inhibe sa capacité protectrice sur la PCD. La suite de mon travail démontre qu'Alix fonctionne en aval de la signalisation du TNFR1 à la fois in vivo et in vitro. Alix/ALG-2 interagit avec le TNFR1 au niveau des endosomes et pourrait permettre la formation d'une plateforme d'activation de la caspase-8 qui serait recrutée au niveau des « endosome de mort » contenant le TNFR1.

La sclérose latérale amyotrophique ou SLA est une affection neurodegenerative conduisant à la mort des motoneurones, et responsable du décès des patients en moins de trois ans après la survenue des premiers symptômes. En l'absence de la découverte des causes chez la plupart des patients a considérablement pesé dans les difficultés que nous rencontrons pour découvrir un nouveau traitement. Une meilleure approche de l'épidémiologie pourrait permettre d'améliorer la connaissance de la maladie et pourrait offrir la possibilité de mieux formuler les hypothèses physio pathologiques possibles. Dans un premier temps, nous avons etudié le taux de mortalité de la SLA en France entre 1968 et 2007. Le taux brut a été de 1,74/100.000 avec un taux plus important chez l'homme que chez la femme. Le rapport standardisé de mortalité, après correction pour l'âge et le sexe, a augmenté de 0,54 (95% IC = .49-.59) en 1968 pour atteindre 1.26 (95% IC =1.20, 1.32) en 2007. Cette augmentation de mortalité est mieux expliquée par un effet dit cohorte, qui implique tous les sujets nés en même temps, plutôt que par un effet dit période. Le changement d'exposition à des toxiques environnementaux pourraient expliquer ces effets cohortes. Nous avons ensuite analysé les taux et les prédicteurs de survie au Centre SLA de la Salpêtrière en se focalisant sur la période 2002-2009 pour la survie et 1995-2009 pour les prédicteurs. Aucune variable n'est meilleure pour prédire la survie, mais une combinaison de variables (le début par les membres, la durée début des symptômes et première visite, et la force musculaire) est associée à une survie prolongée. Ce taux de survie a clairement augmenté depuis 2006.

The series of experiments comprising this thesis investigate how neural inputs arising from higher motor centres (e.g., the motor cortex) and the periphery are translated into a variety of activation patterns of alpha motoneurones during the performance of various muscle contraction types. The thesis consists of six chapters, with the first chapter providing an introduction to the research program, and the final chapter giving a summary of the main research findings. Chapter 2 to 5 each represent stand-alone scientific works. The study presented in Chapter 2 examined whether the soleus (SOL) H-reflex is modulated during shortening contractions in a manner that has been observed for isometric contractions. It was revealed that no significant correlation was found between the SOL H-reflex and increasing plantar flexion torque during shortening contractions (ρ = −0.07, P = 0.15), while a strong positive correlation was observed for the isometric conditions (ρ = 0.99, P < 0.01). Furthermore, no modulation in the H-reflexes via paired stimuli in voluntary shortening contractions suggested that the level of homosynaptic post-activation depression (HPAD) did not change in response to the varying levels of activation in voluntary shortening contractions. Therefore, Ia-excitatory input is likely to be reduced during shortening contractions at increasing intensities, possibly due to a centrally regulated increase in presynaptic inhibition. The study described in Chapter 3 investigated corticospinal-evoked responses in triceps surae muscles during voluntary contractions at varying strengths. Motor-evoked potentials (MEPs) and cervicomedullary motor-evoked potentials (CMEPs) were elicited in the SOL and medial gastrocnemius (MG) muscles using magnetic stimulation over the motor cortex and cervicomedullary junction during voluntary plantar flexions with the torque ranging from 0 to 100% of a maximal voluntary contraction (MVC). In both SOL and MG, MEP and CMEP amplitudes [normalized to maximal M wave (Mmax)] showed an increase, followed by a plateau, over the greater part of the contraction range with responses increasing from 0.2 to 6% of Mmax for SOL and from 0.3 to 10% of Mmax for MG. It was suggested that increases in the evoked responses from the triceps surae muscle over a greater range of contraction strengths than for upper limb muscles, probably stems from differences in the pattern of motor unit recruitment and rate coding for these muscles, and the strength of the corticospinal input. In Chapter 4, in an attempt to investigate how the recruitment and rate coding of motor unit organisation can affect the responsiveness of gross evoked potentials to artificial excitatory stimuli, a computer simulation was performed based upon a physiologically plausible model of the motoneurone. The simulation revealed that the force level where the evoked response commences to decline corresponds approximately to the upper limit of recruitment of motor units. This observation was consistent no matter whether firing rates for low-threshold units exceed those for high-threshold units. Since the simulated results were consistent with previous observations in both individual (single motor unit) and population (motoneurone pool) terms, the proposed model is physiologically plausible and can be useful to predict the evoked EMG response via artificial stimulation protocols, thereby inferring the underlying neural mechanisms occurring at the motoneurone pool during voluntary movements. The study presented in Chapter 5 determined the recruitment range and discharge behaviours in the SOL motor units, and examined the possible influence of persistent inward currents (PICs) on SOL motor unit recruitment and discharge rates. Forty-two clearly identified motor units from five subjects revealed that soleus motor units are recruited progressively from rest to contraction strengths close to 95% of MVC, with low-threshold motor units discharging action potentials slower at their recruitment and with a lower peak rate than later recruited high-threshold units. This observation is in contrast to the ‘onion skin phenomenon’ often reported for the upper limb muscles. Based on positive correlations of the peak discharge rates, initial rates and recruitment order of the units with the magnitude of the onset-offset hysteresis (i.e., a difference in discharge rate between recruitment and de-recruitment) and not PIC contribution, we conclude that discharge behaviours among motor units appear to be related to a variation in an intrinsic property other than PICs.