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Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

All motor behaviours are expressed via the activation of alpha motoneurones, the final common path of the central nervous system. The corticospinal tract conveys neural information from the motor cortex to motoneurones. This thesis focuses on the corticospinal control of human motoneurones during voluntary contraction and fatigue. First, output of motoneurones to corticospinal inputs is described for a wide range of contraction strengths. Results show that motoneurones become less responsive during strong contractions whereas motor cortical output cells are not limited in the same way. Comparison of motoneurone output to different strength corticospinal inputs and of different motoneurone pools demonstrates an important role for motor unit firing rates in determining the excitability of motoneurones during strong contractions. Next, the reflex actions of group III and IV muscle afferents on motoneurones are investigated. These studies address a long and ongoing debate about the role of these afferents to the slowing of motor unit firing rates during sustained contractions. It was believed that these afferents inhibit motoneurones and contribute to fatigue. However, findings demonstrate that human motoneurones innervating extensor and flexor muscles are not uniformly affected by fatigue-sensitive afferents. Thus afferent inputs from homonymous and antagonist muscles depress extensor motoneurones but facilitate flexor motoneurones. When group III and IV muscle afferents are activated by hypertonic saline, motoneurones of both extensors and flexors are facilitated. This demonstrates parallel excitatory and inhibitory pathways from group III and IV muscle afferents to extensor motoneurones, which are activated under different conditions. Furthermore, the excitation is more pronounced for high-threshold motoneurones. In addition to the effects mediated at motoneurones, activity in group III and IV afferents inhibits motor cortical cells. The final studies investigate changes in the cervical propriospinal pathway with fatigue. This pathway transmits part of the voluntary drive to motoneurones, in parallel with the direct corticospinal pathway. The studies demonstrate that during fatigue, there are coordinated changes in the excitation mediated via this pathway to motoneurones of both fatigued and non-fatigued muscles of the upper limb. In summary, this thesis demonstrates novel aspects of the corticospinal control of motoneurones during voluntary contraction and fatigue.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La Sclérose Latérale Amyotrophique se caractérise par la perte sélective de motoneurones (MNs) du cortex, du tronc cérébral et de la moelle épinière. Les souris surexprimant le gène humain muté codant pour la superoxide dismutase 1 (mSOD1) constitue un bon modèle d'étude. Les MNs mSOD1 présentent une hypersensibilité à la mort après activation du récepteur Fas et la production d'oxyde nitrique (NO). Notre étude protéomique a identifié deux effecteurs du NO, la calréticuline (CRT) et CRMP4. CRT est une protéine chaperonne de stockage du calcium dans le réticulum endoplasmique. Nous montrons que, in vivo, CRT diminue de moitié dans une sous population de MNs mSOD1 dits vulnérables, car dégénérant les premiers. Sa diminution est nécessaire et suffisante pour induire la mort des MNs mSOD1 en activant le stress du RE. CRMP4 est une protéine de régulation de la croissance axonale, qui augmente in vivo dans les MNs mSOD1 à un stade pré-symptomatique. Sa surexpression est suffisante pour induire une dénervation périphérique et la dégénérescence de MNs mSOD1. Nos résultats mettent en évidence CRT et CRMP4 comme étant deux cibles thérapeutiques potentielles dans la SLA. / Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is characterized by the selective degeneration of upper and lower motoneurons (MNs). The most common familial form and best characterized mouse model of ALS is linked to mutations in the gene coding for the superoxide dismutase 1 (mSOD1). MNs expressing mSOD1 show an increased sensitivity to the death induced by Fas/NO activation. Our proteomic study identified two downstream effectors of NO, Calreticulin (CRT) and CRMP4. CRT is a chaperone-calcium-binding protein of the endoplasmic reticulum, which is decreased two-fold in vivo, in an early degenerating MNs sub-population, named vulnerable. The decrease in CRT expression is both necessary and sufficient to kill mSOD1 MNs through ER stress activation. CRMP4 is a neurite outgrowth regulator which expression is increased in vivo in mSOD1 MNs at a presymptomatic stage. CRMP4 overexpression is sufficient to induce peripheral denervation and, through a dying-back effect, to kill mSOD1 MNs. Our results point out CRT and CRMP-4 as two potential therapeutic targets for ALS.

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La sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative des motoneurones impliquant des facteurs environnementaux et génétiques. Notre étude porte sur l’étude des relations entre la voie de la SUMOylation post-Traductionnelle des protéines et les effets du stress oxydant et de mutants SOD1. Nous montrons tout d’abord que 2 nouveaux mutants, SOD1V31A et SOD1E121G identifiés chez des patients SLA à évolution lente, entraîne la formation d’agrégats cellulaires Ub/SUMO dans la formation des agrégats était suggérée. Nous montrons 1) que les NSC-34 exposées à un stress oxydant et exprimant SOD1 mutée présentent une modification d’expression de plusieurs gènes des voies de l’Ub/SUMO ; 2) que l’expression de SOD1 mutée réduit le pool de protéine SUMO-1 libre dans les cellules motoneuronales, possible conséquence d’une séquestration dans les agrégats ; 3) qu’inhiber la SUMOylation de SOD1 mutée réduit la quantité de cellules avec agrégats. Nos résultats indiquent qu’une meilleure connaissance de la voie de SUMO pourrait conduire à de nouvelles cibles thérapeutiques intéressantes dans la SLA. / Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease of motor neurones involving a combination of environmental and genetics factors. Ours work focuses on the relathionship between the SUMOylation pathway and the effects of oxidative stress and SOD1 mutants. We first show that 2 new mutants, SOD1V31A and SOD1E121G identified in ALS patients with a slowly progressive disease, induce the formation of Ub/SUMO positive aggregates in motor neuronal cells NSC-34. The implication of the Ub/SUMO pathways has been proposed in the formation of aggregates in ALS. We show 1) modification of expression of several genes of the Ub/SUMO pathways in NSC-34 exposed to oxidative stress and expressing various mutated SOD1 proteins; 2) that the expression of mutants SOD1 reduces free-SUMO1 concentration in motor neuronal cell, perhaps by a sequestration in aggregates; 3) that the inhibition of SUMIylation of various mutants SOD1 reduces the amount of cells with aggregates. Our results support further studies on the SUMO pathway that may lead to new therapeutics targets in ALS.

La posture, composante statique du contrôle moteur permettant une position érigée du corps, repose sur une décharge tonique des motoneurones innervant nos muscles antigravitaires. La décharge prend la forme de « potentiel de plateau » au niveau de motoneurones matures chez de nombreux vertébrés. Pour déterminer une éventuelle concordance entre l'émergence des propriétés de plateau et le développement postural, notre travail a eu pour but d'étudier la maturation et la nature ionique des potentiels de plateau des motoneurones innervant le muscle triceps surae (extenseur de la cheville) chez le rat nouveau-né.La réalisation de ces travaux de thèse nous a permis de dégager un mécanisme fondamental dans la genèse des propriétés de plateau des motoneurones lombaires. Ce mécanisme dont le fondement repose sur l'activation d'un « ménage à trois » jouerait un rôle majeur dans le développement moteur chez le rat. Dans la mesure où les potentiels de plateau des motoneurones sont fortement perturbés à la suite d'une lésion médullaire, cette avancée scientifique permettra éventuellement de mieux comprendre l'origine de certains déficits sensori-moteurs (spasticité, hyperalgésie...) et le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques. / Posture allowing an erect posture of the body relies on spiking activity of motoneurons innervating antigravitary muscle. Discharge could take the form of plateau potential on mature motoneurons of numerous vertebrates. To determine a possible concordance between the emergence of plateau potential and postural control development, we studied the maturation and ionic nature of plateau potential of motoneurons innervating triceps surae muscle of neonatal rat.The conclusion of our work allows us to propose a fundamental mechanism in the genesis of plateau potential on lumbar motoneurons. This mechanism based on a "ménage a trois" seems to play an important role in the neonatal motor development. This scientific advance could eventually lead to a better understanding of the origin of some sensori-motor impairments (spasticity, hyperalgesia...) and development of therapeutic strategies.

L'Atrophie Musculaire spinale (SMA) est une maladie neurodégénérative causée par des mutations du gène SMN1 et caractérisée par la dégénérescence sélective des motoneurones alpha de la moelle épinière. les mécanismes moléculaires de la SMA ne sont aps clairs. cependant, deux hypothèses ont été retenues:D'une part, que la déficience en SMN entraine une perturbation de la biogenèse des snRNPs spliceosomales individuelles et par conséquent des défauts d'épissage. pendant ma thèse, nous avons montré que la déficience en SMN provoquait une diminution des particules tri-snRNPs majeures amis surtout mineures et que cela avait des conséquences sur l'épissage d'un sous-groupe de pré-ARNm contenant des introns mineurs.D'autre part, que la déficience en SMN entraine des altérations de transport d'ARN dans les axones, essentiels pour la survie des motoneurones. A part l'ARNm de la beta-actine et l'ARNm de cpg15 récemment identifié, ceux qui pourraient être transportés par SMN n'ont pas été décrits. nous avons donc identifié les ARN interagissant avec les isoformes a-SMN et SMN-fl dans des cellules neuronales, et montré que certains de ces ARN cibles colocalisent avec SMN dans les axones, suggérant qu'elle est impliquée dans leur transport. / Spinal Muscular Atrophy is a neurodegenerative disease caused by mutations in SMN1 gene. SMA is characterized by the loss of alpha-motoneurons of the spinal cord. However, the precise molecular mechanisms underlying the disease are still unkown. two hypotheses have been retained to explain SMA pathigenesis:In one hand, the fact that SMN deficiency leads to a perturbation of individual snRNPs biogenesis and consequently splicing defects. During my PhD, we have shown that SMN deficiency alters the levels of major, but mostly, minor tri-snRNPs. And that leads to splicing defects of a subset of pre-mRNA containing minor introns.In the other hand, that SMN deficiency causes alteration of axonal transport of RNAs crucial to motoneurons survival. Except beta-actin mRNA and the recently identified cpg mRNA, the RNA targets of SMN have not been described. We succeed to identify RNA targets of both a-SMN and SMN-fl isoformes in a neuronal cell line and colocalisation data of some of these targets suggested that SMN could be implicated in the transport of these RNAs.