Remaniements fonctionnels des réseaux locomoteurs spinaux au cours du développement de l’amphibien Xenopus laevis en métamorphose

Abstract

Plasticity of the central nervous system is fundamental to an animal's capacity to adapt to continually changing biomechanical and environmental demands. Although the neuronal mechanisms underlying such essential behaviours as locomotion must adapt to an organism's morphological modifications during growth and development, the associated changes that occur in central nervous function remain poorly understood. To address this issue, we have developed a new experimental model - the amphibian Xenopus laevis during its metamorphosis - in which the extreme biomechanical modifications occurring during this critical period necessitate a correspondingly extensive and long-term reorganisation of locomotor neural circuitry within the animal's spinal cord. During metamorphosis, the locomotory strategy of Xenopus shifts from undulatory swimming involving axial tail-based movements, to appendicular propulsion that uses the newly formed limbs. At intermediate metamorphic stages, moreover, the two locomotor strategies coexist within the same animal as the secondary limb-based motor circuitry is progressively replaces the primary axial network as the limbs are added and the tail regresses. By making extracellular recordings of spontaneous "fictive" locomotor patterns generated by isolated brainstem/spinal cord preparations, we have charted the temporal dynamics of the emergence of the appendicular neuronal network and determined its functional relationship with larval axial locomotor circuitry through the metamorphic period. Our results have shown that the limb circuitry is initially present but not functional, functional but subordinate to the embryonic axial network, functionally independent from the axial network, and ultimately alone after axial circuitry disappears with tail resorption. Furthermore, the use of pharmacological approaches established that during the metamorphic transition, the coexisting spinal locomotory networks and their functional interactions are subject to glutamatergic and aminergic modulation in order to adapt locomotory performance to the immediate behavioural needs of the animal. Interestingly, the neuromodulators glutamate, serotonin and noradrenaline exert directly opposing influences on the larval and adult locomotor networks, while dopamine preserves a similar modulatory action on the two circuits in spite of their profound remodelling during metamorphic development. Finally, in addition to a short-term modulatory role, our immunocytochemical evidence suggested that descending aminergic systems may contribute to the long-term maturation of spinal locomotor circuitry during metamorphosis in parallel with their own developmental reconfiguration. Specifically, the appearance and disappearance of a population of intraspinal serotonergic neurons concomitant with hindlimb growth and preceding tail regression suggested a role of serotonin in the maturation of the appendicular locomotor network and/or in the chronology of axial network regression.

La plasticité du système nerveux central face aux contraintes environnementales ou morphologiques est un processus fondamental mis en place afin de permettre à l’animal de maintenir des comportements adaptés. Parce que le comportement locomoteur est essentiel à la survie de l'animal, les mécanismes neuronaux permettant sa genèse doivent s’adapter aux modifications morphologiques de l’organisme pendant son développement. Pour aborder cette question, nous avons développé un nouveau modèle expérimental pour lequel les modifications morphologiques au cours du développement sont extrêmes et impliquent des reconfigurations à long terme du système nerveux. L'amphibien Xenopus laevis lors de sa métamorphose est, en effet, un modèle pertinent pour étudier (par des approches comportementales, neuroanatomiques, électro-physiologiques et pharmacologiques), les mécanismes impliqués dans la réorganisation des réseaux neuronaux locomoteurs de la moelle épinière face à des modifications extrêmes du schéma corporel. En effet, pendant sa métamorphose, l'animal passe d'un mode de locomotion ondulatoire mettant en jeu sa musculature axiale, à un mode de locomotion appendiculaire grâce aux membres néo-formés. Il existe de plus des stades intermédiaires où les deux modes de locomotion coexistent et expriment des relations fonctionnelles variables. Nos expériences d’électrophysiologie extracellulaire nous ont permis de dégager la dynamique temporelle de l’émergence du réseau de neurones commandant la locomotion appendiculaire adulte et de ses relations fonctionnelles avec le réseau locomoteur commandant la nage larvaire lorsque ces deux réseaux coexistent. D’après les résultats présentés, il apparaît un changement de l’équilibre fonctionnel et des interactions entre les commandes locomotrices ondulatoire et appendiculaire, faisant des stades intermédiaires de la métamorphose les témoins privilégiés du passage de relais progressif entre les deux systèmes locomoteurs. Nos travaux ont également démontré que l’activité de chaque réseau ainsi que leurs relations fonctionnelles sont sujettes à modulation glutamatergique et aminergique destinées à adapter la locomotion aux besoins de l'animal. Nous montrons que certains modulateurs (tels que le glutamate, la sérotonine et la noradrénaline) exercent des effets opposés sur les réseaux locomoteurs larvaires et adultes, alors qu'à l'inverse, la dopamine conserve les mêmes propriétés modulatrices sur ces réseaux malgré les profonds bouleversements subis pendant le développement. Outre leur rôle modulateur, nos résultats suggèrent aussi un rôle des afférences aminergiques dans la maturation des réseaux locomoteurs et ouvrent de nombreuses interrogations quant aux mécanismes impliqués dans la plasticité des afférences neuromodulatrices elles-mêmes au cours de la métamorphose. L’apparition et la disparition de neurones sérotoninergiques intraspinaux concomitantes avec la croissance des membres postérieurs, et précédant la régression de l'appendice caudal laissent envisager un rôle de la sérotonine dans la maturation du réseau locomoteur appendiculaire ou dans la chronologie de la régression du réseau axial.