Plasticité développementale des voies vestibulo-spinales lors de la métamorphose du xénope (xenopus laevis) : aspects anatomiques et fonctionnels

Developmental plasticity in vestibulo-spinal pathways during the xenopus (xenopus laevis) metamorphosis : anatomical and functional aspects.

• Auteur / Autrice : Anne Olechowski
• Direction : François Lambert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 13/09/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Neurosciences Cognitives et Intégratives d’Aquitaine (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Sophie Fénelon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Lambert, Valérie Sophie Fénelon, Mathieu Beraneck, Ann Lohof, Boris Chagnaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Beraneck, Ann Lohof

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasticité neuronale

Muscles -- Motilité

Neurones moteurs

Dactylèthre du Cap

Posture

Système vestibulaire

Mots clés libres

Vestibulaire

Posture

Xenopus laevis

Motoneurone thoracique

Propriétés intrinsèques de membrane

Réflexe vestibulo-Spinal

Vestibular

Posture

Xenopus laevis

Thoracic motoneuron

Intrinsic membrane properties

Vestibulo-Spinal reflex

Résumé

Chez les vertébrés, les voies vestibulo-spinales génèrent des commandes motrices spinales à l’origine des réflexes vestibulo-spinaux responsables de la stabilisation du corps dans l’espace lors des mouvements passifs et actifs de la tête. Cette thèse étudie l’organisation morpho-fonctionnelle des voies vestibulo-spinales impliquées dans le contrôle postural chez le xénope (xenopus laevis), un amphibien anoure exclusivement aquatique possédant un système vestibulaire bien conservé et similaire à celui des vertébrés supérieurs. Ce travail a été mené avec une approche multi-méthodologique, combinant neuroanatomie et électrophysiologie intra- et extracellulaire afin de caractériser les propriétés neuronales et l’organisation des réseaux et des réflexes vestibulo-spinaux. Au cours de la métamorphose, la réorganisation complète du système posturo-locomoteur, passant d’un système axial-ondulatoire chez la larve à un système appendiculaire chez l’adulte, implique l’adaptation anatomo-fonctionnelle de ces voies vestibulo-motrices. Chez le xénope adulte, une partie des muscles dorsaux (dorsalis trunci), innervés par les motoneurones thoraciques, sont uniquement posturaux, contrairement à la grande majorité des vertébrés où les muscles posturaux interviennent aussi dans la propulsion. Par conséquent, ce modèle amphibien permet d’isoler la composante posturale dans le contrôle vestibulaire du comportement posturo-locomoteur. Dans la première partie de ma thèse, j’ai démontré l’existence d’une double commande vestibulaire convergeant sur les motoneurones thoraciques qui innervent les muscles dorsaux posturaux, au repos. Une première voie vestibulaire directe, mettant en jeu des projections descendantes bilatérales en provenance des noyaux vestibulaires centraux (LVST et du noyau tangentiel). Cette première commande vestibulaire semble être responsable d’ajustements posturaux du tronc, en réponse au signal de position de la tête. La seconde voie vestibulo-spinale, indirecte, mettant en jeu un relais ascendant lombo-thoracique, assure la coordination des réseaux moteurs thoraco-lombaires dans le réflexe postural en réponse au signal de vitesse de la tête. Chez la larve, des données préliminaires suggèrent l’existence de connexions vestibulo-spinales fonctionnelles avec les motoneurones axiaux rostraux, dont les motoneurones thoraciques adulte dérivent partiellement, et caudaux qui disparaissent pendant la métamorphose. En parallèle de l’organisation des réseaux, l’enregistrement intracellulaire (patch-clamp) des neurones vestibulo-spinaux et plus particulièrement ceux du LVST sur une préparation de coupe de tronc cérébral a permis de mettre en évidence trois phénotypes électrophysiologiques distincts : phasique, tonique et intermédiaire. Pendant la métamorphose, la proportion entre neurones tonique et phasique s’inverse, allant d’une majorité de neurones toniques chez la larve à une majorité de neurones phasiques chez l’adulte. De plus, l’expression d’une conductance potassique ID, portée par les sous-unités Kv1.1 semble jouer un rôle important dans l’établissement des phénotypes phasiques et intermédiaires. Ces résultats nous permettent d’établir un lien entre l’expression des phénotypes neuronaux spécifiques à la dynamique des réflexes vestibulo-spinaux qu’ils produisent, en relation avec les différents comportements posturo-locomoteurs de nage exprimés entre ces deux stades. Mon travail de thèse a permis d’imaginer les études en cours qui étudient plus en détail la maturation des voies vestibulo-spinales, au cours de la métamorphose, en termes de plasticité cellulaire, de réorganisation des circuits et d’adaptation des réflexes posturaux.

In vertebrates, vestibulo-spinal pathways generate spinal motor commands that trigger vestibulo-spinal reflexes responsible for the body stabilization in space during passive and active head movements. This thesis studies the morpho-functional organization of the vestibulo-spinal pathways involved in postural control in the xenopus (xenopus laevis), an anuran amphibian exclusively aquatic with a highly conserved vestibular system similar to other vertebrates. This work was performed through a multi-methodological approach, combining neuroanatomy and intra- and extracellular electrophysiological techniques in order to characterize neuronal properties and vestibulo-spinal networks and reflexes organization. During the metamorphosis, the complete remodelling of the posturo-locomotor system, switching from the axial-undulatory system in larva to an appendicular system in adult, implies the anatomical and functional adaptation of these vestibulo-motor pathways. In the adult xenopus, the dorsal muscles (dorsalis trunci), innervated by the thoracic motoneurons, are only postural, unlike the great majority of vertebrates where the postural muscles are also involved in propulsion. Therefore, this amphibian model allows to isolate the postural component in vestibular control of posturo-locomotor behaviour. In the first part of my thesis, I demonstrated the existence of a double vestibular command on thoracic motoneurons, innervating the postural back muscles, at rest. A first direct vestibular pathway involves bilateral descending projections from the central vestibular nuclei (LVST and tangential nucleus). This first vestibular input appears to be responsible for trunk postural adjustments in response to the head position signal. The second, indirect vestibulo-spinal pathway, involving an ascending lumbo-thoracic relay, ensures the reflexive activity coordination of the thoraco-lumbar motor networks, in response to head velocity signal. Preliminary data at larval stage, suggest the existence of functional connections from the vestibular nuclei with the rostral axial motoneurons, which from thoracic motoneurons in adult derive partially, and caudal that disappear during the metamorphosis. In parallel of the network organization, the intracellular recording (patch-clamp) of vestibulo-spinal neurons, more specifically those from the LVST on a brainstem slice revealed three distinct electrophysiological phenotypes: phasic, tonic, and intermediate. During the metamorphosis, the phasic/tonic ration is reversed, from a majority of tonic neurons in larva to a majority of phasic neuron in juvenile. In addition, the expression of an ID potassium conductance carried by the Kv1.1 subunit appears to play an important role in the establishment of phasic and intermediate phenotypes. These results allowed establishing a link between the expression of neuronal phenotype in vestibular nuclei to the dynamic of vestibulospinal reflexes they produce, in relation with different posturo-locomotor swimming behaviours expressed between these two stages. My PhD work brings the opportunity to elaborate ongoing studies that will investigate more precisely the maturation processing in vestibulospinal pathways during the metamorphosis, in term of cellular plasticity, circuit reorganization and balance control adaptation.