Soutenance de thèse de Mouloud BOUHADFANE

29 septembre 2014

Equipe Plasticité et Physio-Pathologie des réseaux moteurs rythmiques (P3M) Institut de Neurosciences de la Timone, UMR 7289, CNRS / Aix-Marseille Université


Mouloud BOUHADFANE soutiendra sa thèse intitulée :

Propriétés électriques bistables des motoneurones de la moelle épinière. Identification des mécanismes ioniques sous-jacents

lundi 29 septembre à 14h

salle Henri Gastaut, INT

Composition du jury :

M. Patrick DELMAS (Directeur de Recherche, CNRS, Marseille) Président

M. Pascal DARBON (Maître de Conférence, Strasbourg) Examinateur

M. Christopher DEL NEGRO (Professeur, William and Mary College, USA) Examinateur

M. Ronald HARRIS-WARRICK (Professeur, Cornell University, USA) Rapporteur

M. Abdel ELMANIRA (Professeur, Karolinska Institut, Suède) Rapporteur

M. Frédéric BROCARD (Chargé de Recherche, CNRS, Marseille) Directeur

RESUME 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. A l’aide d’enregistrements en patch clamp réalisés sur tranches de moelle épinière, on observe que la plupart ( 60%) des motoneurones innervant les muscles extenseurs de la cheville expriment des potentiels de plateau dès la naissance. Ces plateaux émergent à des températures supérieures à 28°C et sont exprimés dans la quasi-totalité des motoneurones ( 80%) à la fin de la première semaine post-natale. La thermosensibilité des propriétés de plateau repose sur le recrutement d’une conductance cationique dite non-sélective (ICAN) portée par un canal TRPV2 sensible aux variations de température. En dehors de sa thermosensibilité, le courant ICAN est sous la dépendance d’une augmentation de calcium intracellulaire induite par l’activation d’un courant calcique à haut seuil (ICaL), lui-même activé par une conductance sodique dite persistante (INap). Ainsi, tel un « ménage à trois », l’activation séquentielle de ces trois conductances INap, ICaL et ICAN compose l’essence même d’une décharge tonique autonome des motoneurones. Ces résultats apportent une vision inédite du développement moteur de certains homéothermes, où l’émergence des propriétés plateau des motoneurones liée à la maturation de la thermorégulation, contribueraient à la mise en place progressive d’un tonus postural. Dans le cadre de douleurs neuropathiques, l’ICAN des neurones sensoriels est connu pour être la cible de nombreux facteurs pro-inflammatoires tels que la bradykinine. Nous avons évalué l’impact de cet algogène sur l’excitabilité des motoneurones. Nous démontrons qu’une action directe de la bradykinine sur le motoneurone engendre une forte dépolarisation membranaire qui s’accompagne d’une sensibilisation du seuil de déclenchement des potentiels de plateau. Au travers d’une voie de signalisation calcium-dépendante, la bradykinine dépolarise les motoneurones via l’activation d’un ICAN et l’inhibition des canaux potassiques de fuite TWIK. Ainsi, en dehors de son action sur le versant sensitif lié à la douleur, la bradykinine est également capable de sensibiliser le versant moteur. Ces résultats suggèrent la nécessité de prendre en considération une éventuelle contribution des motoneurones dans « l’hyperalgésie », le plus souvent évaluée par un réflexe moteur de flexion. 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.

Abstract


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. One week after birth, almost all ( 80%) ankle extensor motoneurons recorded in whole-cell configuration displayed self-sustained spiking in response to a brief depolarization that emerged when the temperature was raised ˃28°C. The effect of L-type Ca++channel blockers on self-sustained spiking was variable, whereas blockade of the persistent sodium current (INaP) abolished them. When hyperpolarized, bistable motoneurons displayed a characteristic slow afterdepolarization (sADP). The sADPs generated by repeated depolarizing pulses summed to promote a plateau potential. The sADP was tightly associated with the emergence of Ca++ spikes. Substitution of extracellular Na+ or chelation of intracellular Ca++ abolished boths ADP and the plateau potential without affecting Ca++ spikes. These data suggest a key role of a Ca++-activated nonselective cation conductance (ICaN) in generating the plateau potential. In line with this, the blockade of ICaN by flufenamate abolished both sADP and plateau potentials. Furthermore, 2-aminoethoxydiphenyl borate (2-APB), a common activator of thermo-sensitive vanilloid transient receptor potential (TRPV) cation channels, promoted the sADP. Among TRPV channels, only the selective activation ofTRPV2channels by probenecid promoted the sADP to generate a plateau potential. To conclude, bistable behaviors are, to a large extent, determined by the interplay between three currents : L-type ICa, INaP, and a Na+-mediated ICaN flowing through putative TRPV2 channels. This study also tested whether bradykinin (Bk), known to be a potent pain mediator, sensitizes lumbar motoneurons in neonatal rats. In the presence of Bk, most motoneurons ( 77%) depolarized and showed an increase in excitability as seen by a lower rheobase and an increased ability to generate self-sustained spiking. The Bk-induced depolarization was blocked by the selective B2 receptor antagonist HOE 140, and accompanied by a TTX-resistant inward current and a rise in free calcium in the dendrites. The inward current appeared to have two different components. First, there was a decrease in instantaneous slope conductance, which was insensitive to TEA and extracellular pH reduction but occluded by quinidine, Ba2+ or elevated extracellular [K+] suggesting a conductance decrease of a TWIK-related leak K+ channel by Bk. Second, background current with a linear current-voltage relations remained but was abolished by reducing extracellular [Na+]. The Bk-induced depolarization was strongly reduced by ruthenium red, the intracellular Ca++ chelator BAPTA, and reductions of the temperature below 30°C. These data suggesting the involvement of a Ca2+-activated thermo-sensitive vanilloid transient receptor potential (TRPV) cation channel. Examination of the downstream signaling pathways provided evidence for G protein activation of phospholipase C, InsP3 synthesis and calmodulin activation. In summary, Bk acts via postsynaptic activation of B2 receptors via InsP3-mediated calcium release to depolarize and sensitize motoneurons by a dual mechanism including inhibition of a TWIK-related K+ channel and activation of a cation channel similar to TRPV. 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.

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