During sustained voluntary contractions, the variability in motor unit interspike intervals increases with fatigue. This increase in variability may represent an adaptive mechanism to prevent fatigue. We investigated whether randomly modulating interpulse intervals (IPI) in a constant frequency stimulation protocol reduces force loss over time compared to a non-modulated constant frequency protocol. A second purpose of this study was to investigate the role of the M-wave in force generation during evoked contractions. Eight healthy subjects participated in three 3-minute fatigue protocols of the thenar muscles elicited by supramaximal stimulation of the median nerve. All three protocols had a mean IPI of 33.3ms and only differed in the type of modulation. One protocol consisted of 0% modulation ('Constant'), another protocol consisted of uniformly distributed modulation of [plus or minus]20% ('Variable'), and a third protocol consisted of ramped modulation from 0 to [plus or minus]20% ('Ramp'). There was no significant difference between overall force-time integrals for the three protocols. There was a significant reduction in M-wave amplitude for all three protocols; however, the M-wave immediately following the 'Ramp' protocol was significantly larger than the M-wave immediately following the 'Constant' protocol. We conclude that modulation is ineffective at preserving force output and somewhat effective at preserving the M-wave amplitude. The varied reductions in fatigued M-waves suggest that it is not necessarily a limiting factor in force output and that it was not necessarily linked to the force loss in this experiment. / text

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Skeletal muscle is a heterogeneous, multinucleated, post-mitotic tissue that contains many functionally diverse fibre types that are capable of adjusting their phenotypic properties in response to altered contractile demands. This plasticity, or adaptability of skeletal muscle is largely dictated by variations in motoneuron firing patterns. For example, in response to increased tonic firing of slow motoneurons, which occurs during bouts of endurance training or chronic low-frequency stimulation (CLFS), skeletal muscle adapts by transforming from a faster to a slower phenotypic profile. CLFS is an animal model of endurance training that induces fast-to-slow fibre type transformations in the absence of fibre injury in the rat. The underlying signaling mechanisms regulating this fast-to-slow fibre type transformation, however, remain to be fully elucidated. It has been suggested that myogenic stem cells, termed satellite cells, may regulate and/or facilitate this transformational process. Therefore, the signaling mechanisms involved in CLFS-induced satellite cell activation as well as the role satellite cells may play in CLFS-induced skeletal muscle adaptation were investigated in rat. A pharmacological inhibitor of nitric oxide (NO) synthase, Nω-nitro-L-arginine methyl ester, was used to investigate CLFS-induced satellite cell activation in the absence of endogenous NO production. Results suggest that NO is required for early CLFS-induced satellite cell activation, but a yet-to-be defined pathway exists that is able to fully compensate in the absence of prolonged NO production. A novel method of satellite cell ablation (i.e. weekly focal γ-irradiation application) was used to investigate CLFS-induced skeletal muscle adaptation in the absence of a viable satellite cell population. Myosin heavy chain (MHC), an important structural and regulatory protein component of the contractile apparatus, was used as a cellular marker of the adaptive response to CLFS. Findings suggest that satellite cell activity may be required for early fast-to-slow MHC-based transformations to occur at the protein level without delay in the fast fibre population, and may also play an obligatory role in the final transformation from fast type IIA to slow type I fibres. Interestingly, additional results show that NO appears to be a key mediator of MHC isoform gene expression during CLFS-induced fast-to-slow fibre type transformations.

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Les ganglions de la base, un ensemble de noyaux sous-corticaux interconnectés, sont impliqués dans l'élaboration, le contrôle et la mémorisation de comportements cognitivo-moteurs. L'une des principales structures de sortie de ce réseau, la substance noire réticulée (SNr), intègre les différentes informations neuronales puis les transmet au cortex via un relais thalamique. Cependant, cette transmission nécessite une régulation fine de l'activité neuronale de la SNr car celle-ci exerce une inhibition constante de ces structures cibles en raison de son activité GABAergique spontanée. Parmi les acteurs de cette régulation, le glutamate et le GABA sont à l'origine d'un équilibre fin entre excitation et inhibition des neurones nigraux. De nombreuses études se sont intéressées aux mécanismes de régulation de l'activité neuronale de la SNr mais, paradoxalement, aucune ne s'est intéressée au rôle des astrocytes. L'objet de ce travail de thèse a donc été d'étudier les relations entre neurones et astrocytes au sein de la SNr, afin de définir une potentielle implication des astrocytes dans la régulation de l'activité neuronale de cette structure. Nous avons étudié les excitabilités calciques des astrocytes et électriques des neurones grâce aux techniques d'imagerie calcique et de patch-clamp, dans un modèle de tranche parasagittale de cerveau de rat préservant les connexions subthalamo-nigrales et pallido-nigrales. Nous avons ainsi montré que les astrocytes nigraux possèdent une activité calcique spontanée, à la fois autonome et dépendante des libérations toniques de glutamate et de GABA. D'autre part, nous avons mis en évidence que l'activité de ces cellules est modulée par la stimulation à haute fréquence du noyau sous-thalamique. Nous avons montré qu'en retour, ces activités calciques spontanées astrocytaires sont impliquées dans la régulation de la fréquence de décharge des neurones de la SNr. Enfin, nous avons mis en évidence que la recapture astrocytaire du glutamate, et probablement du GABA, intervient également dans la régulation de l'activité de décharge neuronale nigrale. En conclusion, ce travail met en évidence une communication bidirectionnelle entre les neurones et les astrocytes de la SNr. Cette communication semble jouer un rôle important dans la régulation de l'activité de cette structure. / Basal ganglia, a set of interconnected nuclei, are implicated in the elaboration, control and memorization of cognitive-motor behaviors. One of the main output structure of this network, the substantia nigra pars reticulata (SNr), integrates and conveys neuronal information to cortical areas via a thalamic relay. However, this transmission requires an accurate regulation of the SNr neuronal activity since this structure inhibits its targets due to its spontaneous GABAergic activity. Among the different actors of this regulation, glutamate and GABA provide a tight balance between excitation and inhibition of the SNr neuronal activity. Several studies have explored the different mechanisms involved in this regulation but paradoxically, none concerned the astrocyte functions. In this work, our aim was to study astrocyte-neuron relations in order to define a potential astrocyte implication in the regulation of the neuronal activity in the SNr. We studied calcium and electrical activities of astrocytes and neurons using calcium imaging and patch-clamp techniques in parasagittal rat brain slices, conserving subthalamo- and pallido-nigral projections. We showed that astrocytes in the SNr displayed spontaneous calcium activities, both dependent and independent of glutamatergic and GABAergic tonic neuronal transmissions. Moreover, we showed that astrocytes calcium activities were regulated by the subthalamic nucleus high frequency stimulation. Our results revealed that, in turn, astrocytes calcium activities were involved in the regulation of the neuronal firing rate. Finally, we showed that astrocyte glutamatergic, and maybe GABAergic, reuptake was involved in the regulation of the neuronal firing rate. To conclude, this study revealed a bidirectional communication between astrocytes and neurons in the SNr. This communication seems to be important in the regulation of the activity in this structure.

La stimulation à haute fréquence (SHF) du noyau subthalamique (NST) joue un rôle essentiel chez les patients Parkinsoniens dans l'amélioration des troubles moteurs pour lesquels la dopa-thérapie n'est plus satisfaisante. Tout comme l'administration à long terme de L-DOPA, la SHF du NST, peut aussi, selon l'intensité de stimulation, évoquer des mouvements dyskinétiques. Ces dyskinésies sont considérées comme un phénomène d'apprentissage moteur pathologique, secondaire à une altération de la transmission glutamatergique et sont sous-tendues par des modifications durables d'expression génique, notamment dans le striatum. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier et de comparer les mécanismes moléculaires des dyskinésies induites par la L-DOPA à celles induites par la SHF, en se focalisant plus particulièrement sur la sous unité NR2B des récepteurs NMDA. Dans un premier temps, nous avons montré par immunohistochimie que la sous unité NR2B est hyperphosphorylée dans le NST et l'EP suite à l'induction de dyskinésie par la SHF du NST chez l'animal sain. Ces résultats ont été confirmés par la suite dans un modèle animal de la maladie de Parkinson, le rat 6-OHDA. La comparaison de ces modifications avec celles observées chez le rat 6-OHDA rendus dyskinétique par un traitement chronique à la L-DOPA nous permet de suggérer que l'induction des dyskinésies est associée à une hyperphosphorylation de NR2B au sein d'une voie subthalamo-entopédonculaire alors qu'une activation de NR2B dans le striatum semble être impliquée dans l'expression des dyskinésies. Enfin, nos résultats mettent également en évidence une implication différentielle des deux structures de sorties des ganglions de la base dans les processus akinétiques et dyskinésiogènes. / High frequency stimulation of the subthalamic nucleus (STN-HFS) alleviates parkinsonian motor symptoms and indirectly improves dyskinesia by decreasing L-DOPA requirement. However, inappropriate stimulation can also trigger dyskinetic movements Dyskinesia are thought to be a pathological learning process due to an overactive glutamate transmission within the basal ganglia. Moreover, several molecular changes seem to be involved in this process. The aim of the present study is to compare the molecular mechanisms of dyskinesia induced by L-DOPA and by STN-HFS, by focusing more particularly on the NR2B-containing NMDA receptor. We show by immunohistochemistry that NR2B subunit is hyperphosphorylated within the STN and the EP during a dyskinesiogenic STN-HFS in normal rats. Similar results are obtained from 6-OHDA rats, a model of Parkinson disease. Comparison of these results with those observed in 6-OHDA dyskinetic rats chronically treated with L-DOPA suggest that dyskinesia induction is associated with an hyperphosphorylation of NR2B within a subthalamo-entopeduncular network while activation of NR2B within the striatum seem to be involved in the expression of dyskinesia. A different implication of the two output of the basal ganglia in akinetic and dyskinesiogenic process is also demonstrated. STAR Date de soutenance : 8 juillet 2011 Thèse sur travaux: non

Au-delà des symptômes moteurs classiques de la maladie de Parkinson, d’autres troubles neuropsychiatriques, émotionnels ou cognitifs sont fréquemment observés chez le patient parkinsonien. L’apathie, définie comme une importante diminution des comportements motivés dirigés vers un but, est l’un des troubles neuropsychiatriques le plus souvent rapporté en clinique. Si ce symptôme est relativement bien maitrisé par les traitements dopaminergiques, l’application de la stimulation haute fréquence du noyau subthalamique (SHF-NST), traitement neurochirurgical de référence, entraîne sa résurgence chez environ 50 % des patients stimulés. De nombreuses données suggèrent que cette résurgence est liée à la diminution du traitement dopaminergique, permise grâce aux effets spectaculaires de la SHF-NST sur les symptômes moteurs. Au contraire, d’autres études proposent un rôle délétère direct de la SHF-NST sur les comportements motivés. Malheureusement, chez le patient, il n’est pas possible de dissocier l’effet des différents traitements. Ainsi, afin de comprendre les bases neurobiologiques de l’apathie dans la maladie de parkinson, notre laboratoire a récemment développé un modèle animal chez le rat, basé sur des approches de lésions sélectives, partielles et bilatérales des neurones dopaminergiques du mésencéphale, reproduisant un déficit motivationnel pouvant s’apparenter à l’apathie parkinsonienne.L’objectif de ce travail doctoral a été d’étudier l’effet de la SHF-NST sur les comportements motivés chez le rat sain et dans ce modèle animal, et d’en comprendre les mécanismes neurobiologiques. Pour cela, nous avons utilisé un nouveau système de stimulation portatif chez le rat, permettant d’appliquer une SHF-NST chronique et ininterrompue chez l’animal libre de ses mouvements. Dans un premier temps, nous avons évalué l’effet motivationnel de la SHF-NST chez le rat sain et parkinsonien à l’aide de tests de référence. Nous avons ainsi pu montrer que la SHF-NST induisait un déficit motivationnel sévère chez le rat sain, ou exacerbait le déficit présent chez le rat lésé. Dans un deuxième temps, compte tenu de l’efficacité chez le patient des agonistes des récepteurs dopaminergiques D2 et D3 (RD2 et RD3) sur l’apathie pré ou post opératoire, nous avons voulu corriger ce trouble induit par la SHF-NST avec un tel traitement. Cette étude pharmacologique nous a amené à montrer que le pramipexole, un agoniste D2 D3, permet de traiter complétement le déficit induit par la SHF-NST. Enfin, compte tenu de ces résultats pharmacologiques, nous avons voulu vérifier si les effets délétères de la SHF-NST ou thérapeutiques du pramipexole, étaient sous-tendus par une modification d’expression des récepteurs D2 et D3. Pour cela nous avons utilisé une nouvelle technique d’hybridation in situ pour quantifier les transcrits D2 et D3. Si la SHF-NST ne semble pas impacter l’expression de ces récepteurs, l’effet thérapeutique du pramipexole pourrait être sous tendu par une baisse d’expression du RD3 au sein du noyau accumbens.Les données obtenues au cours de ce travail doctoral suggèrent donc fortement que la SHF-NST pourrait en elle-même induire de l’apathie post opératoire. De plus, malgré l’apport thérapeutique de l’activation des RD2 et RD3 sur ce symptôme, son origine serait sous tendue par un autre mécanisme qui reste à être élucider. / Apart from the classical motor symptoms of Parkinson’s disease, neuropsychiatric, emotional or cognitive impairments are also commonly observed in parkinsonian patients. Apathy, defined as a decrease in goal directed motivated behaviours, is one of the most frequently reported neuropsychiatric symptom in PD. This impairment is relatively well alleviated by dopaminergic treatment, but subthalamic nucleus high frequency stimulation (STN-HFS), the gold standard neurosurgical treatment, leads to the resurgence of this symptom in 50% of patients. Clinical evidence suggests that this is due to the reduction of the dopaminergic treatment, made possible by the great effect of STN-HFS on motor symptoms. However, some studies propose a direct deleterious action of STN-HFS on motivated behaviors. Unfortunately, it is impossible to dissociate the effect of the different treatments in patients. Thus, in order to better understand the neurobiological basis of apathy in Parkinson’s disease, our laboratory recently developed a rodent model, based on selective, partial and bilateral lesion of mesencephalic dopaminergic neurons, reproducing a motivational deficit reminiscent of parkinsonian apathy.The aim of this thesis project is to assess the effect of STN-HFS on motivated behaviours in normal and parkinsonian rats, and to unravel the essential mechanisms. We have used a new micro-stimulation system, allowing chronic STN-HFS in freely moving animals. First, we evaluated the motivational effect of STN-HFS in healthy and lesioned rats, using appropriate behavioural tests. We showed that STN-HFS induces a motivational impairment in healthy rats, and exacerbates the deficit observed in parkinsonian rats. Then, considering their therapeutic effect on apathy before or after STN-HFS in patients, we used D2 and D3 dopaminergic receptor agonists to try to manage this deficit in rats. It was thus demonstrated that pramipexole, a D2 D3 agonist, completely alleviated this STN-HFS induced deficit. This result prompted to assess whether the deleterious effect of STN-HFS, or the beneficial effect of pramipexole, depended on modulation of D2 and D3 expression. We therefore applied a new in situ hybridization technique to quantify D2 and D3 mRNAs. We found that STN-HFS alone did not modify their expressions, but the therapeutic effect of pramipexole could be liked to down-regulation of D3 receptors within the nucleus accumbens.Our data strongly suggest that STN-HFS itself may induce post-operative apathy. Moreover, despite the beneficial effect of D2 and D3 agonist on this symptom, its origin could depend on other mechanisms that will need to be deciphered.

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