Organisation et modulation du réseau neuronal de la respiration chez la lamproie

Abstract

Les mécanismes neuronaux contrôlant la respiration sont présentement explorés à l’aide de plusieurs modèles animaux incluant le rat et la grenouille. Nous avons utilisé la lamproie comme modèle animal nous permettant de caractériser les réseaux de neurones du tronc cérébral qui génèrent et modulent le rythme respiratoire. Nous avons d’abord caractérisé une nouvelle population de neurones, dans le groupe respiratoire paratrigéminal (pTRG), une région du tronc cérébral essentielle à la genèse du rythme respiratoire chez la lamproie. Les neurones de cette région sont actifs en phase avec le rythme respiratoire. Nous avons montré que ces neurones possèdent une arborisation axonale complexe, incluant des projections bilatérales vers les groupes de motoneurones du tronc cérébral qui activent les branchies ainsi que des connexions reliant les pTRG de chaque côté du tronc cérébral. Ces résultats montrent que le pTRG contient un groupe de cellules qui active les motoneurones respiratoires des deux côtés et qui pourrait être impliqué dans la synchronisation bilatérale du rythme respiratoire. Nous avons ensuite étudié les mécanismes neuronaux par lesquels le rythme respiratoire est augmenté en lien avec l’effort physique. Nous avons montré que la région locomotrice du mésencéphale (MLR), en plus de son rôle dans la locomotion, active les centres respiratoires pendant la nage, et même en anticipation. Les neurones de la MLR projetant vers les centres locomoteurs et respiratoires sont ségrégés anatomiquement, les neurones localisés plus dorsalement étant ceux qui possèdent des projections vers les centres respiratoires. Nous avons aboli la contribution de la partie dorsale de la MLR aux changements respiratoires en injectant des bloqueurs des récepteurs glutamatergiques localement, sur des préparations semi-intactes. Nous avons montré que lors d’épisodes de nage, une majeure partie de l’effet respiratoire est abolie par ces injections, suggérant un rôle prépondérant des neurones de cette région dans l’augmentation respiratoire pendant la locomotion. Nos résultats confirment que le rythme respiratoire est généré par une région rostrolatérale du pons de la lamproie et montrent que des connexions des centres locomoteurs arrivent directement à cette région et pourraient être impliquées dans l’augmentation respiratoire reliée à l’effort physique.

The neural control of breathing is currently investigated on multiple animal models such as frogs and rats. We have used the lamprey as an experimental model to characterize the brainstem neural networks involved in the genesis and modulation of the respiratory rhythm. We have first characterized a new population of respiratory neurons in the paratrigeminal respiratory group (pTRG). The pTRG is a region that was shown to be essential to respiratory rhythmogenesis in lampreys. We have shown that the pTRG contains a group of neurons with complex axonal arborisations, including bilateral projections to the motoneuron pools of the brainstem that activate gills, as well as bilateral projections connecting the pTRGs on the two sides of the brainstem. These results suggest that pTRG neurons could participate in the descending control of respiratory motoneurons as well as the bilateral synchrony of the respiratory rhythm. We have then studied the neural mechanisms by which respiration is increased during locomotion. We have shown that the mesencephalic locomotor region (MLR), in addition to its role in controlling locomotion, also increases breathing during locomotion. Neurons in the MLR are anatomically segregated, those projecting to the respiratory centers being located more dorsally. We have abolished the contribution of the dorsal part of the MLR to respiratory changes by injecting glutamate receptor blockers locally in semi-intact preparations. We have shown that during swimming episodes, a major part of the respiratory effect is dependent on the dorsal part of the MLR. Our results confirm that the respiratory rhythm is generated by a rostrolateral region in the pons of lampreys and show that connections from locomotor centers can directly activate this region. These connections could be implicated in the increase of breathing activity related to locomotion.