Au cours du développement du système nerveux, l'activité des cibles post-synaptiques permet le raffinement du nombre et de la force des connexions neuronales. En employant la jonction neuromusculaire de Caenorhabditis elegans comme système modèle, nous avons étudié deux aspects de la mise en place de ces connexions. D'une part, nous montrons que le nombre de récepteurs présents à la jonction neuromusculaire est contrôlé par l'activité musculaire : une augmentation de l'activation synaptique entraîne une régulation différentielle des trois types de récepteurs présents à la jonction neuromusculaire. D'autre part, nous avons étudié les changements de la morphologie de certains motoneurones de la tête du ver, appelés neurones SAB, en fonction de l’activité musculaire. Une diminution de l’activité musculaire durant une période critique du développement entraîne une surcroissance axonale des neurones SAB. À travers différentes approches, nous avons pu identifier la suppression de la surcroissance axonale dans des mutants où la biosynthèse des neuropeptides est perturbée. Enfin, nous avons mis en évidence que la surcroissance axonale apparait également lors de perturbations plus générales de la physiologie cellulaire, telles qu'un choc thermique ou la surexpression d'un transgène, ce qui suggère que le système SAB est plastique et particulièrement sensible au cours du développement / Throughout nervous system development, activity of the post-synaptic targets can regulate the connectivity of neural networks, affecting both the number and strength of synapses. Using the neuromuscular junction of Caenorhabditis elegans as a model system, we studied two processes displaying such plasticity. First, we show that the number of receptors present at the neuromuscular synapse is regulated by muscle activity: an increase in synaptic activity can lead to a differential regulation of the three types of receptors present at the neuromuscular junction. Second, we studied the activity-dependent morphological changes of one type of motor neurons in the worm’s head, called the SAB neurons. A decrease of muscle activity during a critical developmental phase leads to SAB axonal overgrowth. Using several approaches, we were able to observe suppression of SAB axonal overgrowth in mutants with a disruption of neuropeptides biosynthesis. Finally, we give evidence that axonal overgrowth also occurs following more general disruptions of cell physiology, such as a heat-shock or transgene overexpression, which suggest that the SAB system is plastic and sensitive during development

Les objectifs de ce travail étaient d'analyser les réponses physiologiques au cours d'exercices intermittents en course à pied et de déterminer i) un test d'évaluation de la vitesse maximale aérobie (VMA) adapté aux exercices intermittents ; ii) les exercices intermittents permettant une sollicitation maximale de la consommation d'oxygène (VO2max) ; iii) les facteurs physiologiques et neuromusculaires limitant la durée des exercices intermittents.La première étude a permis de montrer que la réalisation d'un exercice intermittent alternant des périodes d'effort de 30 s avec des périodes de récupération de 30 s (30s-30s), à la VMA atteinte à la fin du test intermittent incrémental 45-15FIT, permettait à la fois de réaliser un grand nombre de répétitions et de solliciter un fort pourcentage de la VO2max pendant la durée de l'exercice. Lors de la seconde étude nous avons montré que les exercices intermittents de type 5s-15s, 30s-30s et 60s-60s, courus à la VMA permettaient de solliciter un fort pourcentage de la VO2max. L'exercice intermittent de type 30s-30s est celui qui permet néanmoins de réaliser le plus grand nombre de répétitions. Une part plus importante de la glycolyse dans la production d'énergie réduit le nombre de répétitions lors de l'exercice de type 60s-60s par rapport à l'exercice de type 30s-30s ; une fatigue musculaire causée par un plus grand nombre d'accélérations et de décélérations réduit quant à elle le nombre de répétitions lors de l'exercice de type 15s-15s, par rapport à l'exercice de type 30s-30s. Les résultats de la troisième étude ont confirmé que les exercices intermittents de type 5s-15s, courus à la VMA, induisaient une fatigue musculaire plus importante, due essentiellement aux nombreuses accélérations et décélérations. Il a également été montré qu'à la suite d'un exercice pré-fatigant des muscles extenseurs du genou (contractions musculaires évoquées par électromyostimulation vs contractions volontaires isométriques), le nombre de répétitions lors de l'exercice intermittent 30s-30s était réduit, mais que le pourcentage de temps passé à plus de 90% de la VO2max n'était pas diminué par rapport à la réalisation sans pré-fatigue.L'ensemble de nos travaux permettent de définir un ensemble d'exercices intermittents qui, lorsqu'ils sont courus à la VMA évaluée lors du test 45-15FIT, permettent d'atteindre un niveau élevé de sollicitation du système aérobie, dont l'exercice de type 30s-30s pourrait constituer un exercice "standard"

L’objectif premier de notre projet était d’établir un modèle animal de douleur chronique orofaciale, lequel pourrait imiter la sensibilité retrouvée chez les patients souffrant de douleur orofaciale myalgique. Nous avons procédé à des injections intramusculaires de saline acide (2 injections à 2 jours d’intervalle pH 4.0) pour induire une sensibilisation mécanique des mucles massétérins. La réponse nocifensive a été mesurée à l’aide de filaments de von Frey avant et après ces injections dans des rats Sprague-Dawley. Par la suite, le potentiel analgésique de différents antagonistes des récepteurs glutamatergiques fût évalué par l’injection intramusculaire de ces antagonistes à différents moments. Nos résultats suggèrent que deux injections de saline acide, produisent une hypersensibilité mécanique signalée par l’augmentation du nombre de réponses à l’application de filaments de von Frey. Cet effet dure plusieurs semaines et est bilatéral, même lorsque les injections sont unilatérales, indiquant qu’une composante centrale est forcément impliquée. Toutefois, une composante périphérique impliquant les récepteurs glutamatergiques semble présider le tout puisque les antagonistes glutamatergiques, appliqués de façon préventive empêchent le développement de l’hypersensibilité. Cependant, le maintien de cette hypersensibilité doit dépendre de mécanismes centraux puisque l’application d’antagonistes une fois la sensibilisation induite, ne diminue en rien le nombre de réponses obtenues. Ce modèle semble approprié pour reproduire une hypersensibilité musculaire durable de bas niveau. Nos données indiquent que les récepteurs glutamatergiques périphériques participent à l’induction de cette hypersensibilité de longue durée. Nous croyons que ce modèle pourra éventuellement contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes à l’origine des myalgies faciales persistantes. / The first objective of this project was to establish an animal model of chronic orofacial pain, which could mimic symptoms of patients suffering from orofacial myalgia. We used acidic saline injections (2 injections, 2 days apart at pH 4.0) in masseteric muscles to induce mechanical hypersensitivity. Nocifensive behavior was measured before and after the injections using von Frey filaments in male Sprague Dawley rats. Later, the potential analgesic effect of glutamate receptors antagonists was measured by intramuscular administration of these antagonists at different times. Our results suggest that two injections of acidic saline produce a mechanical hypersensitivity as reflected by the increased number of responses to applications of von Frey filaments. This effect lasts several weeks and is bilateral, even when the injections are unilateral, indicating that a central component must be involved. However, the initial stage of induction of this hypersensitivity involves peripheral glutamate receptors since injection of their antagonists before the second acidic saline injection prevents development of the nocifensive response, whereas their injection at later times is ineffective in blocking development of the response. This model based on a double injection of acidic saline seems appropriate to reproduce low intensity, long-lasting muscle pain. Our data suggests that peripheral glutamate receptors are involved in the induction of this long-term hypersensitivity. We believe that this model may contribute to a better understanding of the mechanisms behind persistent orofacial muscle pain.

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ColQ est un collagène spécifique qui ancre l’acétylcholinestérase (AChE) dans la fente synaptique de la jonction neuromusculaire (JNM). L'importance du complexe AChE-ColQ dans la physiologie humaine de cette synapse est soulignée par l’identification de mutations dans le gène codant pour ColQ qui conduisent à un syndrome myasthénique congénital (SMC) associé à une déficience en AChE. Le déficit en AChE a, jusqu’à présent, été considéré comme l’unique facteur responsable des symptômes observés chez les patients ainsi que des défauts de la JMN chez le modèle de souris SMC (souris déficiente pour ColQ). Toutefois, ces symptômes sont complexes et l’absence d’AChE ne peut probablement pas expliquer tous les symptômes. Nous avons montré auparavant que ColQ participait à la formation de la synapse ce qui expliquerait les symptômes observés chez les patients et la souris modèle. En effet, nous avons pu montrer que ColQ contrôle l’agrégation du récepteur à l’acétylcholine (RACh) et de l’expression de gènes spécifiques de la synapse. En particulier, nous avons montré in vitro et in vivo, que l’absence de ColQ induit une augmentation du niveau des ARNm codant pour toutes les sous-unités de RACh et une expression réduite du niveau de leurs protéines. Des résultats préliminaires indiquent que cette augmentation de ces ARNm n’est pas transcriptionnelle. L’objectif de cette thèse est d’expliquer les mécanismes qui induisent l’augmentation du niveau des ARNm de AChR en l’absence de ColQ et les voies de signalisation qui relient ColQ au métabolisme des ARN du RACh. Notre hypothèse de travail a été que l'absence de ColQ stimule la stabilisation post-transcriptionnelle des ARNm codant pour les sous-unités du RACh via la protéine HuR. HuR est une protéine qui stabilise les ARNm quand elle se fixe sur les AU-richelement (ARE) dans la séquence 3’UTR. HuR est une protéine clé dans la myogenèse et la formation de la JNM parce qu’elle stabilise de manière post-transcriptionnelle de nombreux transcrits tels que myogénine, MyoD et AChE. Dans cette étude, nous montrons pour la première fois qu’un mécanisme post-transcriptionnel de stabilisation des ARNm est responsable de l’augmentation du niveau des ARNm du RACh via ColQ. De plus, nous constatons qu’en absence de ColQ, il y a une augmentation aux niveaux d’ARNm et de protéine de HuR. HuR est également capable de se lier au domaine ARE dans le 3’UTR des ARNm des sous-unités de AChR. De plus, l’interaction entre HuR et les ARNm du RACh augmente la stabilité et par conséquence les niveaux des transcrits du RACh. Trois conclusions importantes ressortent de ma thèse : nous démontrons que (1) en plus de la régulation transcriptionnelle, il existe des mécanismes de régulation post-transcriptionnlle du RACh (2) ColQ régule la stabilité des ARNm RACh via HuR médiée par MuSK (3) la voie de signalisation p38 contrôle les niveaux de HuR de manière dépendante de ColQ. Ensemble, ces résultats donnent un aperçu des voies de signalisation du muscle qui sont affectées par les mutations de ColQ conduisant à des SMC avec une déficience en AChE. Nos résultats mettront en évidence des nouvelles cibles moléculaires spécifiques qui peuvent conduire au développement des interventions thérapeutiques dans le cadre de myasthénies congénitales. / ColQ is a specific collagen that anchors acetylcholinesterase (AChE) in the synaptic cleft of the neuromuscular junction (NMJ). The importance of AChE-ColQ complex in the physiology of this synapse has been highlighted by the identification of COLQ mutations in the human gene, leading to a congenital myasthenic syndrome (CMS) with AChE deficiency. The lack of AChE has been incriminated for the symptoms observed in patients along with NMJ defects in the CMS mouse model (ColQ-deficient). However, symptoms observed in the patients and mouse model of CMS with AChE deficiency are complex and AChE deficiency cannot account for all of them. We have demonstrated that ColQ could play a role per se in synapse formation which would explain some of the defects observed in patients and model mice. Indeed, we have shown that ColQ controls the clustering of Acetylcholine Receptors (AChR) and the expression of a number of specific synaptic genes. The most striking effect of the absence of ColQ is an upregulation of all AChR subunit mRNAs correlated by an increase in their protein levels. Preliminary results indicate that AChR mRNA upregulation is not transcriptional. This thesis deciphers the mechanisms that drive AChR mRNA upregulation in the absence of ColQ and the pathways that connect ColQ to the AChR RNA metabolism. Accordingly, we hypothesize that the absence of ColQ induces an upregulation of the stabilization of AChR subunit mRNAs, a post-transcriptional mechanism mediated by HuR. HuR is an RNA binding protein which stabilizes its target transcript by binding AU-rich elements (AREs) in their 3’UTR. HuR is critical during skeletal myogenesis and post-synaptic NMJ formation due to its stabilization of such transcripts as myogenin, MyoD and AChE. In this study, we show for the first time that a post-transcriptional mechanism of AChR mRNA stabilization is responsible for the ColQ mediated increase of AChR mRNAs. In support of these findings, the absence of ColQ also increased HuR mRNA and protein levels. We demonstrate that HuR is capable of binding to conserved ARE elements in the 3’UTR of AChR subunit mRNA. HuR’s interaction with AChR mRNA increased the stability of the transcripts, resulting in an increase in mRNA levels. Three major conclusions emerge from my thesis: we provide evidence that (1) in addition to transcriptional and assembly regulation of AChR, post-transcriptional mechanisms of AChR mRNA exist (2) ColQ regulates HuR mediated AChR stability through MuSK and (3) the p38 signalling pathway controls the levels of HuR in a ColQ dependent manner. Collectively, our data provides insight into the muscle signaling pathways which are affected by ColQ mutations leading to CMS with AChE deficiency. Thus, we have identified specific new molecular targets that may become important for the development of therapeutic interventions for patients with CMS.

La formation de la jonction neuromusculaire des vertébrés (JNM), une synapse cholinergique périphérique entre les motoneurones et les fibres musculaires squelettiques repose sur la reconnaissance et l’apposition précise des motoneurones présynaptiques sur leurs cibles musculaires postsynaptiques. Les données de la littérature montrent que les morphogènes Wnt agissent comme des régulateurs clés de la formation de la JNM. Cependant, l'identité précise des Wnts, leur collaboration et les mécanismes moléculaires de la signalisation Wnt régissant la formation de la JNM restent encore incompris. A la JNM, la transduction du signal Wnt s’effectue par l'intermédiaire de l’interaction des Wnt soit avec le complexe formé par le récepteur tyrosine kinase MuSK et la lipoprotéine Lrp4 ou les récepteurs classiques Frizzled (Fzd). Dans cette thèse, nous avons étudié les mécanismes moléculaires de la formation de la JNM médiés par les Wnts. Nous avons montré que Wnt4 et Wn11 sont nécessaires pour l’étape indépendante du nerf de prepatterning musculaire, caractérisée par l’agrégation des récepteurs de l’acétylcholine (RACh) dans des domaines discrets de la surface du muscle où la future synapse va se former, via l'activation différentielle des voies canonique et polarité cellulaire planaire (PCP). De plus, Fzd3 et Vangl2, deux composantes essentielles de la voie PCP, sont accumulées à la JNM et sont impliquées distinctement dans la formation de la JNM, Fzd3 étant nécessaire à la croissance des axones moteurs alors que Vangl2 joue un rôle dans l’agrégation du RACh et la restriction de la croissance des axones moteurs une fois leur cible musculaire atteinte. Pour étudier le rôle fonctionnel de l'interaction Wnt/MuSK, nous avons généré une souris transgénique délétée du domaine de liaison de MuSK aux Wnts (CRD, domaine riche en cystéines). Nous avons démontré que l'absence du CRD de MuSK affecte la formation de la JNM dès l’étape deprepatterning jusqu’à la maintenance de la JNM chez l’adulte, aboutissant à un phénotype pathogène. De plus, nous avons montré que le lithium, un inhibiteur réversible de la glycogène synthase kinase-3 restaure les défauts de formation de la JNM chez les embryons mutants et pourrait constituer un nouveau réactif thérapeutique pour le traitement des maladies neuromusculaires liées à une déficience de la voie de signalisation Wnt/MuSK. / Formation of the vertebrate neuromuscular junction (NMJ), a peripheral cholinergic synapse between motoneurons and skeletal muscle fibers relies on the accurate recognition and apposition of presynaptic motoneurons on postsynaptic muscle target. Recently, a growing body of evidence indicates that Wnt morphogens act as key regulators of NMJ formation. Yet, the specific Wnts identity, their collaborative function and the downstream molecular mechanisms of Wnt signaling regulating NMJ formation still remain elusive. At the NMJ, Wnt ligands transduce their signal through interaction of either the receptor complex formed by the muscle specific tyrosine kinase MuSK and the low density lipoprotein (Lrp) Lrp4 or the classical frizzled receptors. In this thesis, we have investigated the molecular mechanisms of Wnt-induced NMJ formation. We found that both Wnt4 and Wn11 are required for the nerve-independent muscle prepatterning step, characterized by acetylcholine receptor (AChR) aggregation in discrete domains of the muscle surface where the synapse will form, via differential activation of either canonical and/or planar cell polarity (PCP) pathways. Moreover, Fzd3 and Vangl2, two core components of the PCP pathway, are accumulated at the developing NMJ and play distinct roles in NMJ formation, with Fz3 required for motor axon growth and Vangl2 involved in AChR clustering and motor axon growth restriction within the target field. To further study the functional role of Wnt/MuSK interaction, we generated a transgenic mice deleted from MuSK Wnt binding domain (CRD, cysteine rich domain). We demonstrated that the absence of MuSK CRD affected NMJ formation from the prepatterning step to NMJ maintenance in adult leading to a pathogenic phenotype. Moreover, we found that lithium, a reversible inhibitor of the glycogen synthase kinase-3 fully rescued NMJ defects in mutant embryos and therefore may constitutes a novel therapeutic reagent for the treatment of neuromuscular disorders linked to Wnt/MuSK signaling pathway deficiency.

Bien que constitué anatomiquement et physiologiquement pour la course d’endurance, l’Homme est considérablement exposés à diverses blessures musculo-squelettiques liées à la répétition de contraintes mécaniques. Le coureur de trail running par exemple est soumis à de nombreux impacts ainsi qu’à une fatigue et des dommages musculaires sévères. Ces chocs répétitifs et dommages musculaires réduiraient la tolérance du coureur face aux contraintes mécaniques le poussant ainsi à altérer sa cinématique de course. Par conséquent, minimiser les dommages musculo-squelettiques serait déterminant pour la performance en trail running. Des évidences montrent que la pose de pied altère la localisation et l’intensité des contraintes appliquées au système musculo-squelettique. L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier l’influence du pattern de pose de pied sur l’impact et la fatigue neuromusculaire en trail running. Les phases de descente ont été tout particulièrement étudiées du fait qu’elles sont les plus traumatisantes. En effet, ce travail de thèse a mis en évidence qu’en situation de trail running, l’intensité de l’impact augmente lorsque la pente diminue, et que la fatigue neuromusculaire périphérique est aussi sévère à la suite d’une descente isolée qu’après un ultra-trail de plusieurs heures. En étudiant l’influence de la pose de pied adoptée au cours d’une descente en situation de trail running, il a été observé qu’attaquer le sol par l’avant du pied augmentait la fatigue neuromusculaire aux extenseurs du genou. Cependant, une importante variabilité dans les patterns de pose de pied adoptés au cours de la descente a été associée à une baisse de la fatigue neuromusculaire aux extenseurs du genou et fléchisseurs plantaires. L’influence de la pose de pied sur l’intensité du choc et le contenu vibratoire le long des axes axial et transversal a également été démontrée : adopter une attaque talon diminue la sévérité du choc axial mais réduit l’intensité du choc transversal. La principale conclusion est qu’aucun pattern de course ne saurait être universellement recommandé du fait que « changer de pose de pied » est synonyme de « changer la localisation et la magnitude des contraintes appliquées au système musculo-squelettique ». En ce sens, alterner entre différents patterns de course serait une stratégie efficiente en trail running / Although Humans are “born” anatomically and physiologically adapted to long distances run, they are substantially exposed to various musculoskeletal overuse injuries. Trail runners sustain a high number of foot-to-ground contacts and develop severe muscle fatigue and damages. Repetitive shocks and muscle damages would reduce the runners’ tolerance to mechanical strains leading to changes in running kinematics. Minimizing musculoskeletal damages is therefore considered paramount for performance in trail running. Numerous studies highlighted that the foot strike pattern alters the localization and magnitude of the mechanical strains applied on the musculoskeletal system. The main purpose of this thesis was to study the influence of the foot strike pattern on impact and neuromuscular fatigue in trail running. Downhill sections were mainly investigated since they are the most mechanically stressful. Indeed, it was observed from this thesis’ work that, in real trail running practice, the impact intensity increases as the slope decreases, and that the neuromuscular fatigue induced by a single downhill run is as severe as the one induced by an ultratrail race that lasts several hours. Investigating the effect of the foot strike pattern adopted during a downhill trail run on fatigue, it was observed that forefoot striking increases the neuromuscular fatigue at knee extensors. However, a high variability in foot strike patterns adopted was associated to a lower neuromuscular fatigue at both knee extensors and plantar flexors. The effect of the foot strike pattern on axial and transversal shock and vibration content was also demonstrated: heel striking was correlated to a lower impact severity along the axial axis of the skeleton but a greater one along its transversal axis. The main conclusion of this thesis is that no single foot strike pattern should be universally advised due to “changing of foot strike” means “changing the localization and magnitude of the mechanical stress applied on the musculoskeletal system”. Switching between different running patterns might be an efficient strategy in trail running

Ce travail de thèse s'est intéressé à l'étude des facteurs permettant d'expliquer les performances fonctionnelles des membres inférieurs des personnes âgées. Dans une première étude, nous avons montré que la puissance maximale (Pmax) ainsi que sa composante appelée la vitesse optimale (Vopt) obtenues lors d'un test de force-vitesse des extenseurs du genou, sont des facteurs déterminants de la performance fonctionnelle des personnes âgées évaluées sur 3 tests : marche sur 6m, se relever et s'assoir 5 fois de suite à partir d'une chaise et monter 6 marches d'escalier. Ainsi, plus une personne possède une Pmax et une Vopt élevées, plus ses performances lors de tests fonctionnels seront élevées. De plus, la Vopt étant considérée comme une évaluation indirecte du pourcentage de fibres rapides, les sujets ayant les plus grandes valeurs de Vopt sont les plus performantes aux tests fonctionnels. La deuxième étude a mesuré et comparé l'activité électromyographique (EMG) du quadriceps lors des tests de contraction isométrique volontaire maximal (IMVC), de détermination de la puissance maximale et des tests fonctionnels cités cidessus. La mesure du signal EMG au cours de ces différents tests a permis de déterminer dans quelle mesure le type de tâche induit une activation maximale ou non. Les personnes âgées montrent une capacité à davantage activer leurs quadriceps lors des tests de de contraction concentrique plutôt qu'isométrique ou excentrique. Les tests utilisant l'IMVC comparé aux tests de détermination de la puissance et de monté de marche, et de lever de chaise ne seraient pas les tests les plus appropriés pour mesurer les capacités maximales d'activation neuromusculaires chez la personne âgée. Il ressort de ces résultats une amélioration du testing de la personne âgée et des orientations pour la réhabilitation / This work has focused on the study of factors that explain the functionals performances of the lower limbs of the elderly. In a first study we showed that the maximum power (Pmax) and its component called the optimal speed (Vopt) obtained during a test of force-velocity of the knee extensors, are important determinants of functional performance elderly evaluated on three tests: walking on 6m, sit to stand 5 times from a chair and climbing 5 stairs. The more a person has a high Pmax and Vopt, the more its performance during functional tests will be. In addition, Vopt is considered an indirect assessment of the percentage of fast fibers; subjects with the highest values of Vopt are best performers during functional tests. The second study measured and compared the electromyographic (EMG) activity of the quadriceps when tested for isometric maximum voluntary contraction (IMVC), determination of maximum power and functional tests mentioned above. Measurement of EMG signal during these tests was used to determine to what extent the type of task induced a maximum activation or not. Older people show a greater ability to activate their quadriceps muscles when tested for concentric contraction rather than isometric or eccentric contractions. Tests using the IMVC compared to tests for determining the power, sit-tostand and stairs climbing would not be the most appropriate tests to measure the maximum neuromuscular activation capacity in the elderly. From these results improved testing of the elderly and guidelines for rehabilitation are proposed

Ce travail de thèse visait à déterminer l’influence de la durée et du niveau d’entraînement en endurance sur les mécanismes de régulation de la fatigue neuromusculaire et d’une stratégie de modulation de ces mécanismes sur la performance motrice. Ce travail de thèse consistait également à élaborer une nouvelle méthode d’entraînement permettant d’optimiser les stimuli responsables des adaptations résultantes d’un programme de conditionnement physique. Les résultats principaux issus de ces travaux sont présentés dans un résumé plus détaillé en fin de manuscrit. / The present work aimed to determine the influence of exercise duration and endurance training level on the mechanisms underlying neuromuscular fatigue regulation and the effect of a deceptive strategy on exercise performance. This thesis also aimed to elaborate a new training method that would optimize exercise-induced training stimuli that are known to trigger complementary physical abilities adaptations. The main outcomes of these works are detailed in an expanded abstract at the end of the manuscript.

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