Contrôle nerveux de la respiration chez la lamproie

Abstract

La respiration est une activité motrice rythmique essentielle maintenue tout au long de la vie. Des réseaux de neurones appelés « générateurs de rythme » sont responsables de produire les contractions musculaires rythmiques nécessaires à la respiration et ce, chez l’ensemble des vertébrés. Ces réseaux de neurones sont étudiés chez les mammifères, mais les détails de leur organisation demeurent inconnus. Nous avons eu recours à la lamproie en tant que modèle animal d’un vertébré basal afin d’étudier les réseaux neuronaux de la respiration. Un avantage important de ce modèle expérimental est que nous pouvons enregistrer l’activité nerveuse de groupes/ou de neurones unitaires à même une préparation de tronc cérébral intact in vitro. Chez la lamproie, deux rythmes respiratoires sont observés : un rythme rapide (rythme principal) et un rythme lent. Des études antérieures ont démontré que le rythme rapide est généré au niveau du pôle rostro-latéral du noyau moteur V, une région nommée « groupe respiratoire paratrigéminal (pTRG) » ; alors que le rythme lent serait généré dans la partie caudale du rhombencéphale par un groupe respiratoire caudal (CRG) de neurones.

Les résultats de cette thèse ont d’abord permis de caractériser anatomiquement et physiologiquement les connexions entre le pTRG des deux côtés du cerveau, ainsi que les connexions entre le pTRG et les motoneurones respiratoires. Nous avons trouvé que la région du pTRG comprend différentes populations de neurones : des neurones projetant vers leur homologue controlatéral et des neurones projetant vers les motoneurones respiratoires du même côté, ou des deux côtés. Nos enregistrements de neurones du pTRG ont démontré que l’activité nerveuse de ces derniers est en phase avec le rythme respiratoire. Nous avons également montré que ces neurones possèdent une arborisation axonale complexe, incluant des

projections bilatérales vers les groupes de motoneurones respiratoires dans le tronc cérébral, ainsi que des connexions reliant les pTRGs de chaque côté.

Dans un deuxième temps, nous avons caractérisé, pour la première fois, la localisation et l’organisation partielle des réseaux neuronaux qui sous-tendent la genèse du rythme respiratoire lent. Des expériences anatomiques ont révélé la présence de populations de neurones distribuées le long des colonnes des motoneurones respiratoires dans la moitié caudale du rhombencéphale, plus précisément dans le tegmentum médian et latéral, dans le rdV, dans la région près du sulcus limitans ainsi qu’à travers et à proximité des noyaux moteurs VII, IX et X. Ces neurones envoient des projections de l’autre côté ainsi que vers le pTRG des deux côtés. Des expériences physiologiques ont montré que l’activation des régions comprenant les différentes populations de neurones du CRG, tout au long des colonnes de motoneurones respiratoires, est en mesure de produire de longues bouffées de décharges caractéristiques du rythme lent. Alors qu’à l’inverse, une inactivation bilatérale d’environ un tiers du rhombencéphale caudal abolit ce rythme (VIIm/IXm/Xm (portion rostrale) et Xm (portion caudale)). De plus, nous avons démontré que nous pouvions abolir le rythme lent sans affecter le rythme rapide, dans une préparation in vitro de tronc cérébral intact. Finalement, des enregistrements intracellulaires ont montré que la région du CRG possède des neurones affichant une activité rythmique en phase avec celle du rythme lent.

Dans leur ensemble, nos résultats démontrent que le pTRG possède des réseaux de neurones présentant des réseaux de connexions pouvant soutenir la synchronisation bilatérale du rythme respiratoire rapide et que des neurones du pTRG peuvent projeter à la fois au pTRG opposé ainsi qu’aux motoneurones des deux côtés, ajoutant ainsi une redondance et une

stabilité au système respiratoire. Enfin, nos résultats démontrent également que le rythme lent est généré par des réseaux neuronaux distribués bilatéralement tout au long des noyaux moteurs du VII, IX et du X, sur toute la longueur du rhombencéphale caudal de la lamproie.Les projections d’un CRG vers son homologue controlatéral, ainsi que les projections vers le pTRG, assurent la synchronisation bilatérale du rythme lent, en plus de son interaction avec le rythme rapide.

Respiration is an essential rhythmic motor activity maintained throughout life. Neural networks called “rhythm generators” are responsible to produce rhythmic muscular contractions necessary for respiration in all vertebrates. These neural networks have been studied in mammals, but their detailed organization remains unknown. We used the lamprey as an animal model of a basal vertebrate to study respiratory neural networks. An important advantage of this experimental model is that we can record both groups/or single neurons in an intact brainstem preparation in vitro. Two repiratory rhythms can be observed in the lamprey: a fast rhythm (main rhythm) and a slow rhythm. Past studies have demonstrated that the fast rhythm is generated at the rosto-lateral pole of the V motor nucleus, a region named the paratrigeminal respiratory group (pTRG); whereas the slow rhythm was shown to be generated in the caudal part of the rhombencephalon by a caudal respiratory group (CRG) of neurons.

The results of this thesis have first characterized anatomically and physiologically the connections between the pTRG on both sides of the brain, as well as the connections between the pTRG and the respiratory motoneurons. We found that the pTRG contains different populations of neurons: neurons projecting towards their contralateral homologue and neurons projecting towards the respiratory motoneurons exclusively of the same side, or both sides of the brain. Our recordings of pTRG neurons have demonstrated that the neural activity of the latter is in phase with the respiratory rhythm. We have also shown that these neurons possess a complex axonal arborisation, including bilateral projections

towards groups of respiratory motoneurons in the brainstem, as well as connections linking the pTRGs on both sides.

Secondly, we have characterized, for the first time, the localization and the partial organization of the neural networks underlying the generation of the slow respiratory rhythm. Anatomical experiments have revealed the presence of populations of neurons distributed along the respiratory motoneuronal columns in the caudal part of the rhombencephalon. More precisely in the medial and lateral tegmentum, in the rdV, in the region close to the sulcus limitans, as well as through and in close proximity of the motor nucleus VII, IX and X. These neurons send projections to the other side and to the pTRG. Physiological experiments have shown that the activation of the regions comprising the different populations of neurons of the CRG, along the respiratory motoneuronal columns, is able to produce long bursts of discharges characteristic of the slow rhythm. Conversely, the bilateral inactivation of approximately one third of the caudal rhombencephalon abolishes that rhythm (VIIm/IXm/Xm (rostral part) et Xm (caudal part)). Moreover, we have demonstrated that we could abolish the slow rhythm without affecting the fast rhythm, in an intact brainstem preparation in vitro. Finally, intracellular recordings have found that the CRG region possesses neurons that show a rhythmic activity in phase with the slow rhythm.

In summary, our results demonstrate that the pTRG possesses neuronal networks presenting connection patterns capable of supporting the bilateral synchronization of the fast respiratory rhythm, as well as neurons projecting to the pTRG on the other side, adding redundancy and stability to the respiratory system. At last, our results also

demonstrate that the slow rhythm is generated by neural networks distributed bilaterally along the motor nucleus of the VII, the IX and the X, covering the whole length of the caudal rhombencephalon of the lamprey. As for the pTRG, the projections from the CRG towards its contralateral homologue, as well as the projections towards the pTRG, assure the bilateral synchronisation of the slow rhythm and its interactions with the fast rhythm.