Dissertationen zum Thema „Générateur central de rythme“

Une preparation systeme nerveux central isole permettant de maintenir en survie in vitro les centres respiratoires du rat nouveau-ne (0-4 jours) a ete utilisee pour etudier l'influence de la noradrenaline sur le generateur bulbaire de rythme respiratoire. Des experiences de lesion, de section et de stimulation ont tout d'abord mis en evidence l'existence d'une structure pontique (sans doute les noyaux adrenergiques a5) qui exerce une action inhibitrice sur le generateur bulbaire de rythme respiratoire. Des experiences pharmacologiques montrent que: 1) les noyaux a5 sont impliques dans cette modulation; 2) la biosynthese de la noradrenaline reste fonctionnelle in vitro; 3) une liberation permanent de noradrenaline par les neurones de a5 module l'activite du generateur bulbaire de rythme respiratoire. Cette modulation qui impliquerait des recepteurs -2 sans doute encore immatures a la naissance, est relayee par une structure bulbaire rostrale ventrolaterale qui correspond a une zone tres importante pour la genese du rythme respiratoire. Des experiences realisees in vivo chez le rat nouveau-ne confirment les resultats in vitro et indiquent que la modulation du generateur de rythme respiratoire par a5 est specifique a la naissance. Il est possible que des troubles de la biosynthese de la noradrenaline pendant les premieres semaines de vie puissent avoir des consequences dramatiques sur le plan respiratoire pouvant etre responsables de cas de mort subite du nourrisson

La respiration est une activité rythmique motrice bilatéralement synchronisée présente chez le fœtus et vitale à la naissance. Au cours du développement, des interneurones dans le tronc cérébral s'organisent en réseaux qui génèrent et modulent la commande rythmique respiratoire. Ils y forment deux oscillateurs, actifs chez l'embryon et vitaux à la naissance : l'oscillateur parafacial et le complexe preBötzinger. Les mécanismes qui gouvernent l'assemblage et contraignent la fonction de ces réseaux sont étudiés dans le laboratoire avec des outils génétiques, des techniques histologiques, électrophysiologiques et d'imagerie chez la souris. Etudiant le développement du complexe preBötzinger, nous montrons que des progéniteurs neuraux exprimant le gène à homéobox Dbx1 donnent naissance aux interneurones qui constituent le cœur de l'oscillateur. Ces interneurones (i) sont glutamatergiques et nécessaires à la genèse du rythme, (ii) expriment le gène Robo3 requis pour que leurs axones croisent la ligne médiane et conditionnent la synchronisation de l'activité. Cette étude illustre et affine les liens existant entre les schémas de régionalisation du tube neural et l'émergence de modules fonctionnels en permettant de proposer une signature transcriptionnelle des neurones rythmogènes principaux de la respiration.

La locomotion se définit par des mouvements répétés et coordonnés des membres droits et gauches et des muscles antagonistes d’une même articulation. L’activité locomotrice des rongeurs est générée par des groupes de neurones localisés dans la partie antérieure de l’élargissement lombaire; ce réseau de cellules est appelé Central Pattern Generator (CPG). Au cours de cette thèse, les études entreprises chez le rat nouveau-né ont eu pour but d’étudier les mécanismes cellulaires impliqués dans la genèse du rythme locomoteur. Le courant sodique persistant (INaP) joue un rôle important dans la genèse d’activités rythmiques de plusieurs structures supraspinales et notamment celles impliquées dans la mastication et la respiration. Curieusement, son existence et son implication dans la genèse d’activités rythmiques dans les structures du CPG locomoteur spinal n’ont jamais été abordées. A l’aide d’études électrophysiologiques, la thèse démontre l’existence de INaP et le caractérise pour la première fois au sein du CPG locomoteur. Ce courant est indispensable à la genèse du rythme locomoteur et joue un rôle fondamental dans l’émergence d’activités pacemakers au sein du CPG. Ces activités pacemakers émergent dans un contexte physiologique où des fluctuations dans la composition ionique du milieu extracellulaire interviennent au cours d’une activité locomotrice. L’ensemble de ces données suggère que le « cœur » du générateur de rythme pourrait être composé d’interneurones présentant une activité pacemaker dépendante de INaP dont la modulation pourrait être un élément fondamental à la fois dans le déclenchement et la modulation de l’activité locomotrice
Identification of the cellular mechanisms underlying the generation of the locomotor rhythm is of longstanding interest to physiologists. Hindlimb locomotor movements are generated by lumbar neuronal networks, referred to as central pattern generators (CPG). Although rhythm generation mechanisms within the CNS can vary, the activation of a subthreshold depolarizing conductance is always needed to start the firing of individual neurons. Among various subthreshold membrane conductances, the persistent sodium current (INaP) is involved in rhythmic activity of numerous supraspinal neurons such as those involved in the generation of masticatory and respiratory rhythm. The thesis was aimed at identifying and characterizing INaP in the neonatal rodent locomotor CPG, determining its importance in shaping neuronal firing properties and its role in the operation of the locomotor circuitry. Using electrophysiological studies the thesis has characterized INaP for the first time in the locomotor CPG. This current is essential to the generation of the locomotor rhythm and plays a fundamental role in the emergence of pacemaker activity within the CPG. These pacemaker activities emerge in a physiological context in which fluctuations in the ionic composition of the extracellular environment occur during locomotion. This study provides evidence that INaP generates pacemaker activities in CPG interneurons and new insights into the operation of the locomotor network with a critical implication of INaP in stabilizing the locomotor pattern

Que le réseau de neurones soit biologique ou artificiel, il possède une unité de calcul fondamentale : le neurone. Ces neurones, interconnectés par des synapses, forment ainsi des réseaux complexes qui permettent d’obtenir une pluralité de fonctions. De même, le réseau de neurones neuromorphique, ou plus généralement les ordinateurs neuromorphiques, nécessitent également ces deux éléments fondamentaux que sont les neurones et les synapses. Dans ce travail, nous introduisons une unité matérielle neuro-synaptique à impulsions, inspirée de la biologie et entièrement réalisée avec des composants électroniques conventionnels. Le modèle de cette unité neuro-synaptique repose sur les modèles théoriques classiques du neurone à impulsions et des courants synaptiques et membranaires. Le neurone à impulsions est entièrement analogique et un dispositif memristif, dont les composants électroniques sont facilement disponibles sur le marché, permet d’assurer l’excitabilité du neurone. En ce qui concerne les courants synaptiques et membranaires, leur intensité est ajustable, et ils possèdent une dynamique biomimétique, incluant à la fois des courants excitateurs et inhibiteurs. Tous les paramètres du modèle sont ajustables et permettant ainsi d'adapter le système neuro-synaptique. Cette flexibilité et cette adaptabilité sont des caractéristiques essentielles dans la réalisation d’applications telles que les interfaces cerveau-machine. En nous appuyant sur ces deux unités modulaires, le neurone et la synapse, nous pouvons concevoir des motifs fondamentaux des réseaux de neurones. Ces motifs servent ainsi de base pour implémenter des réseaux aux fonctionnalités plus complexes, telles que des mémoires dynamiques ou des réseaux locomoteurs spinaux (Central Pattern Generator). De plus, il sera possible d’améliorer le modèle existant, que ce soit en y intégrant des memristors à base d’oxydes (actuellement étudiés en science des matériaux), ou en le déployant à grande échelle (VLSI) afin de réaliser des réseaux d’ordres de grandeurs supérieures. L’unité neuro-synaptique peut être considérée comme un bloc fondamental pour implémenter des réseaux neuronaux à impulsions de géométrie arbitraire. Son design compact et modulaire, associé à la large disponibilité des composants électroniques, font de notre plateforme une option attrayante de développement pour construire des interfaces neuronales, que ce soit dans les domaines médical, robotique, ou des systèmes d'intelligence artificielle (par exemple le calcul par réservoir), etc
Biological and artificial neural networks share a fundamental computational unit: the neuron. These neurons are coupled by synapses, forming complex networks that enable various functions. Similarly, neuromorphic hardware, or more generally neuro-computers, also require two hardware elements: neurons and synapses. In this work, we introduce a bio-inspired spiking Neuro-Synaptic hardware unit, fully implemented with conventional electronic components. Our hardware is based on a textbook theoretical model of the spiking neuron, and its synaptic and membrane currents. The spiking neuron is fully analog and the various models that we introduced are defined by their hardware implementation. The neuron excitability is achieved through a memristive device made from off-the-shelf electronic components. Both synaptic and membrane currents feature tunable intensities and bio-mimetic dynamics, including excitatory and inhibitory currents. All model parameters are adjustable, allowing the system to be tuned to bio-compatible timescales, which is crucial in applications such as brain-machine interfaces. Building on these two modular units, we demonstrate various basic neural network motifs (or neuro-computing primitives) and show how to combine these fundamental motifs to implement more complex network functionalities, such as dynamical memories and central pattern generators. Our hardware design also carries potential extensions for integrating oxide-based memristors (which are widely studied in material science),or porting the design to very large-scale integration (VLSI) to implement large-scale networks. The Neuro-Synaptic unit can be considered as a building block for implementing spiking neural networks of arbitrary geometry. Its compact and modular design, as well as the wide availability of ordinary electronic components, makes our approach an attractive platform for building neural interfaces in medical devices, robotics, and artificial intelligence systems such as reservoir computing

Bien que les activites motrices rythmiques du pylore soient tres differentes chez la crevette (palaemon) et chez les grands crustaces, des methodes electrophysiologiques ont permis de montrer que les deux reseaux de neurones responsables de ces activites sont tres semblables. Ces memes methodes conduisent a conclure que la plasticite phylogenetique ne repose pas sur un remaniement du reseau mais qu'elle intervient essentiellement a travers des modifications de l'efficacite d'afferences modulatrices controlant l'expression des proprietes des neurones de reseau

De nombreuses craintes sont aujourd'hui formulées quant à l'innocuité des champs de radiofréquences sur la santé. Parmi celles-ci des perturbations de la neurophysiologie et plus spécifiquement du système cholinergique central ont été évoquées. Un modèle d'étude multiparamétrique a été développé chez le rat vigile présentant à la fois un aspect électrophysiologique, neurochimique obtenu par microdialyse, comportemental par quantification des états de vigilance et thermophysiologique par le suivi de la température corporelle. Lors de l'exposition à un champ électromagnétique de 1,8 GHz ou 2,45 GHz pour des puissances athermiques, aucun effet significatif n'a pu être mis en évidence sur la neurophysiologie. Parallèlement à cette étude, une étude de la composition lipidique du tissu cérébral et une étude de ses métabolites ont été réalisées par spectroscopie RMN. Ces études également n'ont pas montré d'effets des ondes électromagnétiques
Deleterious effects on healthcare and particularly disruption of the cholinergic system have been reported after exposure to radiofrequency field at low power density. This work present a multiparametric study of freely moving rat where neurophysiology was investigated using a neurochemical (by microdialysis technique), electrophysiological, behavioral (by vigilance stages quantification) and thermophysiological approaches. No neurophysiological effect has been noticed after electromagnetic exposure at 1,8 GHz and 2,45 GHz frequencies and for low power (no thermic level) density. Similarly complementary studies of metabolic and lipidic composition of brain tissue was performed using NMR spectrometry and failed studies by NMR and failed to show any significant effect

Les CPGs (Central Pattern Generators) sont des circuits neuronaux capables de générer de façon autonome des comportements rythmiques essentiels à la vie tels que la respiration ou la locomotion. Chez la larve de Drosophile, le CPG locomoteur est composé de motoneurones (MNs) et d’une grande diversité d’interneurones (INs). Combien d’entre eux sont nécessaires pour former une CPG fonctionnel et comment ils interagissent reste un mystère. Au cours de mon doctorat, j’ai étudié une population neuronale restreinte caractérisée par son expression du facteur de transcription (FT) de la famille des Maf, Traffic Jam (TJ). En utilisant une technique d’intersection génétique et grâce à une lignée TJ-Flp générée au cours de mon doctorat, j’ai démontré pour la première fois que différentes sous-populations de neurones TJ+ ont des fonctions distinctes dans le comportement locomoteur de la larve de Drosophile. Au travers de cette sous-division fonctionnelle, j’ai finalement identifié 3 neurones TJ+ per+ GABAergic par segment qui régulent la vitesse de locomotion des larves. Une caractérisation moléculaire poussée de ces cellules a permis de confirmer qu’elles appartiennent au groupe connu des « midline cells », et plus particulièrement des mnb progeny, dont la fonction était jusqu’à maintenant inconnue. Par ailleurs, le code combinatoire de FTs trouvé chez ces mnb progeny rappelle celui exprimé par les V2b, une population d’interneurones qui régulerait également la vitesse de locomotion chez les vertébrés. Ces similarités entre mnb progeny et V2b laissent à penser que cette population de neurones pourrait être conservée au cours de l’évolution. En outre, des résultats préliminaires suggèrent que les interneurones TJ+ ont également un rôle chez la mouche adulte
CPGs (Central Pattern Generators) are neural networks able to autonomously generate essential rhythmic behaviours such as walking or breathing. In Drosophila larvae, the locomotor CPG is made up of motoneurons (MNs) and a huge variety of interneurons (INs). How many are actually necessary to constitute a functional CPG and how they interact is not known. During the course of this PhD, I studied a discrete neuronal population singled out by its expression of the Maf transcription factor (TF) Traffic Jam (TJ). Thanks to an intersectional genetics approach and a TJ-Flp line generated during my PhD, I showed for the first time that TJ+ neurons subpopulations have distinct functions in Drosophila larva locomotion. Functional subdivision of TJ+ population eventually led to the identification of 3 TJ+ per+ GABAergic neurons that regulate the speed of locomotion. Thorough molecular characterization of this population permitted to identify them as mnb progeny neurons, a well studied subgroup of midline cells whose function had never been described before. The TF combinatorial code expressed by these cells is highly reminiscent of the one found in V2b INs, a population in vertebrates thought to regulate the speed of locomotion as well in vertebrates; this opens the possibility of a functional conservation across evolution. Preliminary results furthermore suggest that TJ+ INs would have functional roles in the adult fly

Résumé : Suite à une lésion de la moelle épinière, divers comportements moteurs invalidants, tels des spasmes peuvent apparaître. Les traitements actuels pour la spasticité causent divers effets secondaires, dont une réduction de la capacité locomotrice des patients. La recherche de traitements non invasifs et non pharmacologiques permettant de réduire la spasticité sans affecter la récupération fonctionnelle du patient s’avère donc un enjeu prioritaire. Par ailleurs, une réduction des spasmes rythmiques peut être observée lorsque la peau lombosacrée est pincée. Ce potentiel inhibiteur d’une stimulation cutanée tonique est également perçu chez l’animal comme le lapin et le chat suite à une perte des voies supraspinales. Par contre, bien que ce type de stimulation semble efficace pour réduire la spasticité, son effet sur la capacité locomotrice n’a toujours pas été évalué. L’objectif du projet était de déterminer l’effet d’un pincement de la peau à divers niveaux lombaires sur la locomotion du chat ayant une lésion de la moelle épinière. Six chats implantés chroniquement pour l’électromyographie (EMG) ont subi une lésion complète de la moelle épinière au niveau thoracique et ont été entraînés sur tapis roulant pour récupérer une fonction locomotrice des pattes postérieures. L’effet d’une stimulation de 6 sites cutanés sur la ligne médiane au niveau des vertèbres lombaires L2 à L7 a été évalué lors de marche à 0.4 m/s via des analyses cinématiques et EMG. Les résultats obtenus démontrent que la zone cutanée perturbant le plus l’activité locomotrice se trouve sur la ligne médiane au niveau lombaire L4. À ce niveau, une diminution de l’activité des extenseurs et des fléchisseurs est perçue au niveau de l’EMG. De plus, des modifications du patron locomoteur comme un positionnement plus caudal de la patte lors de son contact et de son décollage sont également visibles, tout comme une perte du support de poids (force de réaction au sol). La coordination spatiale entre les pattes postérieures est également perturbée. Ces résultats suggèrent que bien que la stimulation cutanée puisse être une alternative intéressante pour le traitement non pharmacologique de la spasticité, celle-ci altère la capacité locomotrice. || Abstract : After a spinal cord injury, multiple abnormal motor activities can occur, such as rhythmic spasms. These activities can be invalidating and are treated with different drugs that cause various side effects, including a reduction of locomotor ability in patients. Therefore, there is a need for novel non-invasive and non-pharmacological treatments for spasticity that will not affect the functional recovery of patients. A reduction of rhythmic spasms can be observed when the lumbosacral skin is pinched in a spinal cord-injured patient. This inhibition of rhythmic activity by a tonic cutaneous stimulation is also present in cats and rabbits after the loss of supraspinal input. Although this stimulation seems effective to reduce spasticity, its effects on real locomotion have not been evaluated. The goal of this project was to determine the effect of stimulating the skin at different lumbar levels on hindlimb locomotion of the spinal cord-transected (spinalized) cat. Six cats chronically implanted for electromyography (EMG) recording were spinalized at low thoracic levels and trained to recover hindlimb locomotion on a treadmill. The effect of stimulating the skin over the midline of lumbar vertebrae was evaluated during locomotion at 0.4 m/s and compared to control trials (without stimulation) with kinematic, kinetic and EMG analyses. Stimulating the lumbar skin disrupted hindlimb locomotion, with the largest effects observed at mid-lumbar levels. Cutaneous stimulation reduced extensor and flexor EMG activity. Moreover, position of the paw at contact and lift-off was more caudal and there was a loss of body weight support with cutaneous stimulation. Spatial coordination between the hindlimb was also perturbed by the cutaneous stimulation. Thus, results suggest that despite the fact that cutaneous stimulation appears to be an interesting approach to diminish rhythmic spasms in spinal cord-injured patients, it disrupts spinal-mediated locomotor capacity.

Le RFRP est une neuropeptide impliqué dans la régulation de l’axe reproducteur, mais ses effets varient en fonction du sexe et des espèces. Le but de cette étude était de décrire en détails l’organisation du système RFRP et de caractériser son rôle dans le contrôle circadien et saisonnier de l’axe reproducteur de hamsters femelles. Les résultats montrent que le système RFRP est régulé par la photopériode et que son niveau d’expression est plus élevé chez les femelles que chez les mâles. Cela se traduit par des actions spécifiques sur l’axe gonadotrope femelle. En effet, L’activité des neurones à RFRP est diminuée au moment du pic pré-ovulatoire de LH et des injections centrales de RFRP-3 dans l’heure qui précède le pic de LH induisent une diminution de l’amplitude de la sécrétion de LH, démontrant une implication du RFRP dans la régulation circadienne du pic pré-ovulatoire de LH. Par ailleurs, des infusions chroniques de RFRP-3 chez des hamsters femelles sexuellement inactifs sont capables de réactiver le fonctionnement de l‘axe reproducteur, ce qui montre que le RFRP a un également un rôle régulateur essentiel dans le contrôle saisonnier de la reproduction
RFRP neurons regulate the reproductive axis, however, their effects depend on species and sex. Here, we aimed at providing a neuroanatomical description of the RFRP system in the Syrian hamster and at investigating the role of RFRP in the daily and seasonal control of female reproduction. We show that besides being regulated by annual changes in photoperiod, the RFRP system is more strongly expressed in females than in males. In line with this, we unveil that RFRP has multiple roles in regulating female reproduction. RFRP neuronal activity is specifically reduced at the time of the pre-ovulatory LH surge and central RFRP-3 administration prior to the surge decreases LH peak levels, altogether pointing towards a daily down-regulation of the inhibitory RFRP signal necessary for proper generation of the LH surge. Moreover, chronic RFRP-3 infusion in sexually inactive females, with endogenous low RFRP expression, completely reactivates the reproductive axis. Taken together, we demonstrate that RFRP is a key component in the seasonal control of reproduction while at the same time specifically regulating cyclic events controlling reproductive activity in females

Lors de la locomotion, la commande rythmique envoyée aux muscles des membres est organisée de manière spatiale et temporelle par les générateurs centraux du patron locomoteur (CPGs) localisés dans la moelle épinière. Ces derniers sont sous le contrôle des centres supraspinaux impliqués dans l'aspect motivationnel du comportement locomoteur dont l’activité est constamment modulée par des afférences sensorielles afin de permettre d'adapter les mouvements aux changements environnementaux. L’objectif majeur de mon travail doctoral était d’explorer les mécanismes des interactions dynamiques entre (1) les centres supraspinaux, (2) les CPGs et (3) les afférences sensorielles dans le contrôle de la locomotion chez le rat nouveau-né intact et spino-lésé. En nous appuyant sur le modèle de préparation de tronc cérébral / moelle épinière isolée in vitro, nous avons montré que la manipulation de l’organisation temporelle de la commande locomotrice en provenance de la formation réticulée (située dans le tronc cérébral) est efficace pour ajuster finement l’activité des CPGs locomoteurs. Nous avons ensuite mis en lumière l’importance des voies descendantes sérotonergiques dans l’intégration de l’information sensorielle par les CPGs locomoteurs durant la première semaine postnatale. Enfin, en combinant des approches comportementales, neurochimiques et électrophysiologiques, nous avons mis en évidence des effets différents mais complémentaires des neuromodulateurs monoaminergiques (sérotonine, dopamine et noradrénaline) dans la réexpression du comportement locomoteur après une lésion spinale. Notre travail ouvre de belles perspectives pour la compréhension du contrôle afférent de la moelle épinière, à la fois dans un contexte non-pathologique et après un traumatisme médullaire
Located within the spinal cord, the locomotor central pattern generators (CPGs) organize the rhythmical activation of limb muscles according to specific gait pattern requirements. These CPGs are under the control of supraspinal centers that are involved in the motivational aspect of locomotor behavior, and their activity is constantly modulated by sensory inputs to adapt the locomotor activities to environmental changes. The aim of my doctoral work was to further understand the dynamic interactions between (1) the supraspinal centers, (2) the CPGs and (3) the sensory inputs in both healthy and spinalized newborn rats. Using the isolated brainstem / spinal cord preparation as an in vitro experimental model, we first showed that manipulating the periodicity and the relative durations of left and right descending reticulospinal commands at the brainstem level is efficient to set the locomotor speed and sustain directional changes. We next established the interaction between the descending serotonergic pathways and sensory feedback to shape the spinal locomotor outputs during the first postnatal week. Finally, by combining behavioral, neurochemical and electrophysiological techniques, we showed different but complementary effects of monoaminergic neuromodulators (serotonin, dopamine and norepinephrine) in the expression of locomotor behavior after a spinal cord injury. Our work brings additional data to better understand the afferent control of locomotor spinal CPGs in healthy and spinalized newborn rats

Les 2 populations etudiees sont de chize (deux-sevres) et de julliac (massif central). Les durees d'activite journaliere et annuelle, selon le sexe, sont precisees. Le domaine vital est de 14 m**(2) chez les males, 7 m**(2) chez les femelles. Le comportement alimentaire est decrit, la ration alimentaire s'estime d'apres le poids des individus. La densite de population est plus elevee et plus stable a juillac. La proportion des pontes et les taux de survie sont fournis

DE NOMBREUSES CRAINTES SONT AUJOURD'HUI FORMULEES QUANT A L'INNOCUITE DES CHAMPS DE RADIOFREQUENCES SUR LA SANTE. PARMI CELLES-CI DES PERTURBATIONS DE LA NEUROPHYSIOLOGIE ET PLUS SPECIFIQUEMENT DU SYSTEME CHOLINERGIQUE CENTRAL ONT ETE EVOQUEES.
UN MODELE D'ETUDE MULTIPARAMETRIQUE A ETE DEVELOPPE CHEZ LE RAT VIGILE PRESENTANT A LA FOIS UN ASPECT ELECTROPHYSIOLOGIQUE, NEUROCHIMIQUE OBTENU PAR MICRODIALYSE, COMPORTEMENTAL PAR QUANTIFICATION DES ETATS DE VIGILANCE ET THERMOPHYSIOLOGIQUE PAR LE SUIVI DE LA TEMPERATURE CORPORELLE.
LORS DE L'EXPOSITION A UN CHAMP ELECTROMAGNETIQUE DE 1,8 GHZ OU 2,45 GHZ POUR DES PUISSANCES ATHERMIQUES, AUCUN EFFET SIGNIFICATIF N'A PU ETRE MIS EN EVIDENCE SUR LA NEUROPHYSIOLOGIE. PARALLELEMENT A CETTE ETUDE, UNE ETUDE DE LA COMPOSITION LIPIDIQUE DU TISSU CEREBRAL ET UNE ETUDE DE SES METABOLITES ONT ETE REALISEES PAR SPECTROSCOPIE RMN. CES ETUDES EGALEMENT N'ONT PAS MONTRE D'EFFETS DES ONDES ELECTROMAGNETIQUES.

La communication entre les neurones est fondée sur leur capacité à changer leur patron de décharge pour l’encodage de différents messages. Pour plusieurs fonctions vitales, comme la respiration et la mastication, les neurones doivent pouvoir générer des patrons d’activité répétitifs, et les groupes de neurones responsables de ces décharges rythmiques sont des générateurs de patron central (GPC). En dépit de recherches soutenues, les mécanismes précis qui sous-tendent la rythmogénèse dans les GPCs ne sont pas bien définis. Le plus souvent, la potentielle contribution des astrocytes demeure grandement inexplorée, même si ces cellules sont aujourd’hui connues pour leur implication dans la modulation synaptique neuronale. Pour nos travaux, le noyau sensoriel principal du trijumeau (NVsnpr) a été pris comme modèle à cause de son rôle central dans les mouvements rythmiques de la mastication. Dans ce noyau, des travaux antérieurs ont montré que la décharge en bouffées rythmiques est déclenchée dans les neurones lorsque la concentration de calcium extracellulaire ([Ca2+]e) est artificiellement baissée. Nous fondant sur cette observation, notre première hypothèse a postulé que la baisse de la [Ca2+]e pouvait survenir de façon physiologique en lien avec des stimulations sensorielles pertinentes. Deuxièmement, parce que les astrocytes ont été impliqués dans le tamponnage et l’homéostasie d’ions extracellulaires comme le K+, nous avons postulé que ces cellules pouvaient jouer un rôle équivalent dans le contrôle de la [Ca2+]e. Nos résultats montrent que les astrocytes peuvent réguler la [Ca2+]e et ainsi contrôler la capacité des neurones à changer leur patron de décharge. Premièrement, en stimulant les afférences sensorielles au NVsnpr, nous avons montré que des baisses physiologiques de la [Ca2+]e sont observées en parallèle à l’apparition de bouffées rythmiques neuronales. Deuxièmement, nous avons démontré que les astrocytes répondent aux mêmes stimuli qui induisent l’activité rythmique neuronale, et que leur blocage avec un chélateur de Ca2+ empêche les neurones de générer un patron de décharge en bouffées rythmiques. Cette habilité est rétablie en rajoutant la S100β, une protéine astrocytaire liant le Ca2+, dans le milieu extracellulaire, alors que l’anticorps anti-S100β empêche l’activité rythmique. Ces résultats indiquent que les astrocytes régulent une propriété neuronale fondamentale : la capacité à changer de patron de décharge. Ainsi, les GPCs dépendraient des fonctions intégrées des astrocytes et des neurones. Ces découvertes pourraient avoir des implications transposables à plusieurs autres circuits neuronaux dont la fonction dépend de l’induction d’activité rythmique.
Communication between neurons rests on their capacity to change their firing pattern to encode different messages. For several vital functions, such as respiration and mastication, neurons need to generate a repetitive firing pattern, and the groups of neurons responsible for these rhythmic discharges are called central pattern generator (CPG). Despite intense research in this field, the exact mechanisms underlying rhythmogenesis in CPGs are not completely defined. In most instances, the potential contribution of astrocytes is largely unexplored, even though these cells are now well known to be involved in neuronal synaptic modulation. In our work, the trigeminal main sensory nucleus (NVsnpr) was used as a model owing to its central role in the rhythmic movement of mastication. Previous work have shown that rhythmic bursting discharge is triggered in NVsnpr neurons when extracellular calcium concentration ([Ca2+]e) is artificially decreased. Based on this observation, our first hypothesis postulated that the reduction of [Ca2+]e could also happen physiologically in relation to relevant sensory stimulation. Secondly, because astrocytes have been involved in the buffering and the homeostasis of extracellular ions like potassium, we have postulated that these cells could also play a role in the control of [Ca2+]e. The results presented in this thesis show that astrocytes can regulate [Ca2+]e and thus control the ability of neurons to change their firing pattern. First, we showed that stimulation of sensory afferent fibers to the NVsnpr induced neuronal rhythmic bursting and in parallel reduction of [Ca2+]e . Secondly, we have demonstrated that astrocytes respond to the same sensory stimuli that induce neuronal rhythmic activity, and their blockade with a Ca2+ chelator prevents generation of neuronal rhythmic bursting. This ability is restored by adding S100β, an astrocytic Ca2+-binding protein, to the extracellular space, while the application of an anti- S100β antibody prevents generation of rhythmic activity. These results indicate that astrocytes regulate a fundamental neuronal property: that is the capacity to change their firing pattern. Thus, CPG functions result from integrated neuronal and glial activities. These findings may have broad implications for many other neural networks whose functions depend on the generation of rhythmic activity.

Le mouvement masticatoire est généré et coordonné par un générateur de patron central (GPC) situé au niveau du pont. Plusieurs résultats antérieurs de notre laboratoire soutiennent que le réseau de neurones à l’origine de la rythmogénèse est situé dans le noyau sensoriel principal du nerf trijumeau (NVsnpr). Ces mêmes expériences révèlent que des diminutions de la concentration calcique extracellulaire ([Ca2+]e) tiennent une place importante dans la génération des bouffées de décharges des neurones de cette région. Notre laboratoire tente de vérifier si la contribution des astrocytes à l’homéostasie de la concentration calcique extracellulaire est impliquée dans la genèse du rythme. Cette étude a pour but la caractérisation spatiale du syncytium astrocytaire au sein du NVsnpr dorsal et l’étude de l’effet de la [Ca2+]e sur les propriétés astrocytaires électrophysiologiques et de connectivité. Nous avons utilisés pour ce faire la technique d’enregistrement par patch-clamp sur une préparation en tranche de tronc cérébral de rat. Nous démontrons ici que la diminution de la [Ca2+]e n’affecte pas les propriétés électrophysiologiques astrocytaires, mais induit une augmentation de la taille du syncytium. De plus, nous établissons l’existence au sein du NVsnpr dorsal d’une organisation anatomofonctionnelle du réseau astrocytaire calquée sur l’organisation neuronale.
The masticatory movement is generated and coordinated by a central pattern generator (CPG) located in the pons. Previous results from our laboratory suggest that the neural network responsible for its rythmogenesis is located in the trigeminal main sensory nucleus (NVsnpr). Moreover, results indicate that in this region, decrease in extracellular calcium concentration ([Ca2+]e) plays an important role in genarating burst. One of our laboratory's goal is to assess if the contribution of astrocytes to the extracellular calcium concentration homeostasis is involved in the genesis of the mastication rhythm. With this study, we characterized the astrocyte syncytium within the NVsnpr and measured the effect of [Ca2+]e on the astrocytes electrophysiology and their networks. A patch-clamp recording technique in conjunction with a rat brain stem slice preparation was used. We demonstrate that a decrease in [Ca2+]e does not affect the electrophysiological properties of astrocytes but induces an increase in the size of the syncytium. We also report the existence, within the dorsal NVsnpr, of an anatomofunctional organization between neurons and astrocytes.