Contribution de la sérotonine au développement et au fonctionnement des réseaux locomoteurs spinaux chez le rat nouveau-né

Contribution of serotonin to the development and the functioning of spinal locomotor networks in the neonatal rat

• Auteur / Autrice : Faïza Ben Mabrouk
• Direction : Laurent Vinay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 2
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université d'Aix-Marseille II. Faculté des sciences (1969-2011)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moelle épinière

Sérotonine

Ontogenèse

Résumé

La locomotion (marche, vol, nage…) est un comportement primordial à la survie des espèces animales. Elle permet d’échapper à d’éventuels prédateurs, de rechercher de la nourriture, de se reproduire. . . Cette activité motrice rythmique est générée par des réseaux de neurones, appelés Central Pattern Generator (CPG) par les anglo-saxons, localisés au niveau de la moelle épinière. Chez le rat, la maturation des CPG lombaires responsables de la motricité des pattes postérieures se produit durant la période périnatale, au moment où les voies sérotoninergiques, provenant des noyaux du raphé, commencent à innerver l’élargissement lombaire. Les études entreprises au cours de cette thèse ont eu pour but de déterminer le rôle de la sérotonine (5-HT) dans le développement et l’expression de la locomotion. Les expériences ont été réalisées in vitro sur une préparation de tronc cérébral et moelle épinière de rat, foetal (E20) et nouveau-né (P0 à P4). Au moyen de techniques d’électrophysiologie et de pharmacologie, nous démontrons qu’à la naissance, l’application d’une concentration minimale de 14μM de NMA (un agoniste des récepteurs glutamatergiques) est nécessaire à la genèse d’une activité locomotrice fictive. Cette dernière se définit par une succession d’alternances entre les bouffées de potentiels d’action enregistrées sur les racines ventrales lombaires segmentaires droites et gauches (D/G) et entre les bouffées flexogènes et extensogènes enregistrées respectivement sur les racines lombaires 3 et 5 (L3/L5). Par contre, à E20, quelle que soit la concentration de NMA utilisée, seules les coordinations D/G sont présentes. Bien que la 5-HT ne soit pas nécessaire à l’induction d’une activité motrice rythmique, elle joue un rôle déterminant dans sa stabilité. La 5-HT ralentit l’activité locomotrice en diminuant à la fois la durée des bouffées et la période du rythme. Elle entraîne également une augmentation de l’amplitude de ces bouffées. Ces effets sur le rythme mettent en jeu les récepteurs 5-HT1A (R-5-HT1A) et 5-HT7 (R-5-HT7). Par contre les R-5-HT2A ne semblent pas impliqués dans cette modulation. La 5-HT intervient aussi dans l’expression d’un patron locomoteur au cours de la période périnatale. En effet, elle permet d’une part l’apparition à E20 de l’alternance L3/L5 et, d’autre part, le renforcement des coordinations D/G et L3/L5, après la naissance. De plus, la diminution de l’importance fonctionnelle de la 5-HT endogène chez les nouveau-nés, soit par l’inhibition de sa synthèse (par le PCPA), soit par le blocage spécifique de certains de ses récepteurs (R-5-HT1A, R-5-HT2A et R-5-HT7), désorganise fortement le patron locomoteur induit par le NMA. Chez l’animal PCPA, l’ajout de 5-HT restaure l’activité locomotrice fictive. Les enregistrements intracellulaires réalisés in vitro chez le nouveau-né, en présence d’antagonistes des récepteurs glutamatergiques (CNQX et AP5), montrent une modulation différentielle, par la 5-HT de l’inhibition reçue par les motoneurones lombaires (MN-L). En effet, le blocage des R-5-HT1A augmente l’inhibition reçue par les MN-L, alors que le blocage des R-5-HT2A la diminue. La 5-HT renforcerait donc les coordinations locomotrices, en contrôlant finement à la fois les propriétés de membrane des motoneurones et des interneurones du CPG lombaire et le poids des synapses inhibitrices sur ces neurones. On a attribué jusqu’à présent aux structures supraspinales un rôle de modulateur de la locomotion (déclenchement, arrêt…), leur importance dans l’élaboration d’un patron locomoteur avait été peu considérée. Ce travail de thèse démontre qu’au cours de l’ontogenèse les voies descendantes provenant du tronc cérébral, et plus particulièrement les projections sérotoninergiques raphé-spinales, sont indispensables à l’expression des coordinations locomotrices.

Locomotion is a behavior essential for the survival of animal species. It enables to escape from possible predators, to seek food, to bread… This rhythmic motor activity is generated by neuronal networks, referred to as a Central Pattern Generator (CPG), located in the spinal cord. In the rat, the maturation of lumbar CPG involved in hindlimb locomotion, occurs during the perinatal period, a time window during which serotonergic projections (5HT) from raphe nuclei arrive in the lumbar enlargement. The aim of the studies performed in this thesis was to determine the role of serotonin (5-HT) in the development and the expression of locomotion. Experiments were carried out on a brainstem/spinal cord isolated from foetal (E20) and neonatal rats (P0 to P4). By means of electrophysiological and pharmacological techniques, we show that, after birth, the application of a minimal concentration of 14μM of NMA (a glutamatergic receptor agonist) is necessary to generate a fictive locomotor activity. This activity is defined by alternations between bursts of action potentials recorded on the right and left segmental lumbar ventral roots (R/L) and between Flexor and Extensor bursts recorded from the lumbar 3 and 5 roots (L3/L5), respectively. However, at E20, whatever the concentration of NMA used, only R/L alternations were observed. Although 5-HT is not necessary to induce a rhythmic motor activity, it plays a critical role in its stability. 5-HT slows the locomotor activity down by decreasing both burst duration and the period of the rhythm. It also induces an increase in burst amplitude. These effects on the rhythm involve 5-HT1A (R-5-HT1A) and 5-HT7 (R-5-HT7) receptors. By contrast, R-5- HT2A doesn’t seem to be involved in this modulation. The 5-HT is also closely implicated in the expression of a locomotor pattern during the perinatal period. Indeed, it allows the apparition at E20 of the L3/L5 alternation and, the reinforcement of R/L and L3/L5 coordinations, after birth. Moreover, the reduction of the functional importance of endogenous 5-HT in neonates, either by inhibiting its synthesis (withPCPA), or by specifically blocking some of its receptors (R-5-HT1A, R-5-HT2A and R-5-HT7), strongly disorganizes the NMA-induced locomotor pattern. In PCPA-treated animals, the addition of 5-HT restores the ficitive locomotor activity. Intracellular recordings carried out in vitro in neonates, in the presence of glutamatergic receptor antagonists (CNQX and AP5), showed a differential modulation, by 5- HT, of the inhibition received by lumbar motoneurons (MN-L). Indeed, the blockade of the R-5-HT1A and R-5-HT2A increased and decreased the inhibition received by the MN-L, respectively. 5-HT would thus reinforce locomotor coordinations by finely controlling at the same time the intrinsic properties of motoneurons and interneurons of the lumbar CPG and the weight of the inhibitory synapses on these neurons. Although it is widely accepted that supraspinal structures play an important role in the modulation of locomotion (triggering, ceasing…) their importance in the development of a locomotor pattern has been mostly neglected. This thesis work shows that, during ontogenesis, the descending pathways coming from the brainstem and more particularly raphe-spinal serotoninergic projections are required for the expression of locomotor coordinations.