Détermination des facteurs bénéfiques et néfastes à la récupération locomotrice à la suite d’une section spinale complète chez la souris

Abstract

Différents modèles animaux ont permis de déterminer le rôle des réseaux locomoteurs spinaux dans la production de la locomotion à la suite d’une lésion de la moelle épinière (LM pour lésion médullaire). De plus, il a été démontré que des interventions ciblant leur activation améliorent la récupération en favorisant leur adaptation fonctionnelle et structurale par des mécanismes plastiques tels que ceux impliqués dans l’apprentissage et la mémoire. L’entraînement locomoteur permet ainsi d’améliorer progressivement la récupération locomotrice médiée par les réseaux locomoteurs spinaux, incluant lors de section complète de la moelle épinière. En plus de l’entraînement, une multitude de facteurs cliniques, des processus associés à la blessure elle-même ou à son traitement, sont susceptibles d’influencer l’activation des réseaux spinaux ou leur potentiel d’adaptation plastique. Afin d’optimiser la récupération fonctionnelle, l’impact de ces facteurs et les mécanismes impliqués doivent être clarifiés. L’objectif de cette thèse est d’évaluer l’influence de l’entraînement sur la récupération fonctionnelle dans deux conditions de réadaptation spécifiques : 1) lors de présence d’inflammation musculo-squelettique lié à l’étiologie traumatique de la LM et 2) lors de traitement combinant entraînement et buspirone, un agoniste sérotoninergique en étude préclinique pour ses effets pro-locomoteurs. La première condition à l’étude, la présence d’inflammation musculo-squelettique, est une comorbidité fréquente de la LM et est associée à un pire pronostic qu’en absence d’inflammation. Considérant le rôle des réseaux spinaux dans le traitement de l’information sensorielle et nociceptive et de leur contribution à la régulation de la locomotion générée par les circuits spinaux, leur influence sur la récupération locomotrice devait être définit. En utilisant un modèle de souris avec une section mi-thoracique complète, nous avons évalué l’impact d’une réaction inflammatoire persistante par injection d’adjuvant de Freund (CFA) dans les muscles lombaires sous-lésionnels sur le rétablissement du rythme et patron locomoteur, en présence ou non d’entraînement (étude 1). Nos résultats montrent que l’inflammation des muscles lombaires perturbe la récupération locomotrice. Les afférences sensorielles jouent un rôle important dans le rétablissement de la locomotion en modulant l’activité du CPG et en influençant l’excitabilité de circuits réflexes impliqués dans la locomotion. En évaluant les changements d’excitabilité

ii du réflexe de Hoffmann associés à l’injection de CFA à la suite d’une section, nous avons observé que l’inflammation des muscles lombaires induit un état de désinhibition spinale dans les premiers jours post-injection (étude 2). Toutefois, cet effet ne perdurait pas pour toute la durée de la réponse neuroinflammatoire tel qu’évaluée par l’activation de la microglie dans la moelle épinière lombaire (étude 3) ce qui suggère que les déficits locomoteurs associés au CFA s’expliquent au moins partiellement par un mécanisme indépendant de la désinhibition spinale. La deuxième condition à l’étude, la combinaison d’un traitement à la buspirone au protocole d’entraînement, présente un réel potentiel thérapeutique selon un essai préclinique récent. Toutefois, son influence sur les réseaux locomoteurs spinaux est inconnue, de même que l’influence de l’utilisation de la buspirone sur l’adaptation des réseaux spinaux par l’entraînement. En utilisant notre modèle de souris ayant une section spinale complète, nous avons montré que la buspirone facilite l’activation des réseaux locomoteurs spinaux (étude 4). Cependant, cette facilitation était associée à des changements limités de la récupération médiée par l’entraînement. En comparant l’impact de la buspirone chez des animaux aux statuts fonctionnels différents (récupération symétrique partielle et récupération asymétrique) causés par un paradigme de lésion distinct (section complète et hémisection), des changements dans la récupération médiée par l’entraînement ont été observés, ce qui suggère que l’impact positif de la buspirone sur la récupération locomotrice est causé, au moins en partie, par la favorisation d’adaptations plastiques. En conclusion, cette thèse décrit deux conditions qui modifient de façon opposée la récupération locomotrice régulée par les réseaux locomoteurs spinaux. Ces découvertes renforcent le concept que les réseaux locomoteurs spinaux sont plastiques et jouent un rôle primordial dans la récupération locomotrice et ajoutent de nouvelles connaissances sur les facteurs qui en influencent la réadaptation.

Locomotor spinal networks contribution to locomotor recovery has been described in various animal models of spinal cord injury (SCI). It is now assumed that these networks are plastic and will re-express, to some extent, locomotion by hosting activity-dependent adaptation similar to those observed in motor learning and memory. Thus, locomotor training promotes behavioral recovery mediated by locomotor spinal networks after a SCI, including after a complete transection and disconnection from the brain. In addition to training, various factors can exert beneficial or detrimental influence on locomotor spinal networks activity and plasticity, including factors associated with the traumatic origin of spinal injury itself or its pharmacological treatment. In order to direct plasticity toward adaptation and promote recovery, the influence of such factors must be clarified. The objectives of the present thesis is to determine the contribution of training to recovery in two specific conditions of rehabilitation: 1) in presence of musculoskeletal inflammation related to the traumatic etiology of SCI and 2) in combination with a pharmacological intervention, administration of the 5HT agonist buspirone, used in preclinical studies to facilitate locomotor activity. The first condition, the presence of musculoskeletal inflammation, is frequently observed in patients after a SCI and is associated with poor functional recovery. Considering the role of spinal networks in sensory processing and the selective recruitment by nonnociceptive and nociceptive afferents of reflex pathways implicated in locomotion, the impact of inflammation on locomotor recovery must be determined. In a model of complete transection in mice, we evaluate the impact of lumbar muscle inflammation induced by intramuscular complete Freund adjuvant (CFA) injection on locomotor recovery mediated by spinal networks, with or without locomotor training. Our results show that lumbar muscle inflammation hindered locomotor recovery (study 1). In a second experiment, we examined if CFA injection changed sensory transmission to spinal cord by measuring the evolution of Hoffmann reflex frequencydependent depression, which is progressively attenuated after spinal transection. We found that lumbar muscle inflammation induced a short term suppression of the Hoffmann reflex frequency-dependent depression, thereby altering spinal excitability (study 2). However, this short term change in excitability did not match the temporal course of locomotor deficits and

iv central neuroinflammatory response as measured with the enhanced presence of microglia in spinal cord, suggesting that inflammation-induced locomotor deficits rely at least partially on mechanism independent of spinal excitability (study 3). The second condition under investigation, the use of buspirone to enhance locomotor recovery after a SCI, shows great therapeutic potential. Results from a preclinical trial on SCI patients show that it can enhance locomotor activity, but it is not known if it does so by reactivating dormant descending pathways or locomotor spinal networks. Using our model of complete transection in mice, we showed that buspirone strongly activates locomotor spinal networks and allow near full expression of locomotion on day 2 post-transection (study 4). However, this facilitation was associated with limited long term effect when combined with training. Improved long term effect of buspirone depending on residual function after transection (partial vs absent function) caused by different lesion paradigms (hemisection preceding transection vs transection only) suggests that buspirone promotes recovery by enhancing use-dependent plastic changes. In conclusion, this thesis describes two conditions that influence locomotor recovery mediated by spinal networks oppositely. These findings give new insights on the role of locomotor spinal networks plasticity in recovery after a SCI including spinal transection and provide evidence both beneficial and detrimental factors contributes to functional rehabilitation.