Réseaux de neurones et fonction respiratoire : mécanismes sensorimoteurs à la base du coupage locomotion-respiration

Abstract

Respiration is an autonomous rhythmic motor activity that requires the coordinated contractions of diverse muscles to produce ventilatory movements adapted to organismal needs. This crucial physiological function must be reliable and adaptable on a short-term basis, and requires coordianted movements with various other motor activities. For instance, respiratory rhythmicity becomes coupled to locomotion during physical exercise. My doctoral work aimed to explore the neurogenic mechanisms underlying the interactions between these two motor functions in the neonatal rat. This work was mainly conducted on isolated in vitro brain stem-spinal cord preparations of newborn rats (0-3 days), an experimental model that allows the maintenance of the still functional respiratory and locomotor CPGs in vitro. Due to the easy access to the neuronal networks in these preparations, locomotor-respiratory coupling and respiratory entrainment mechanisms were investigated by combined electrophysiological, neuroanatomical, pharmacological and lesional approaches. A major finding was the crucial played by sensory information from fore- and hindlimb in respiratory entrainment induced by locomotor rythmicity. Spinal sensory afferents can reset and entrain the activity of the medullary respiratory centres via a pontine relay, as well as making direct connections with the various spinal respiratory motoneuron (phrenic, intercostal and abdominal) populations.

La respiration est une activité motrice autonome rythmique au cours de laquelle de nombreux muscles se contractent de manière coordonnée afin de produire des mouvements ventilatoires adaptés aux contraintes environnementales et aux exigences de l'organisme. Cette fonction vitale doit être fiable et adaptable à très court terme, c’est pourquoi elle est influencée, entre autres, par un grand nombre d’activités motrices. Par exemple, lors d’exercices physiques, le rythme respiratoire peut se coupler au rythme locomoteur. Les objectifs de ce travail doctoral sont centrés sur l’exploration des mécanismes neurogènes à la base du couplage entre ces deux fonctions motrices chez le rat nouveau-né. Pour une grande partie, cette étude a été réalisée sur préparation isolée in vitro de tronc cérébral-moelle épinière de rat nouveau-né (0 à 3 jours), ce modèle permettant de conserver dans leur intégrité les centres responsables des rythmes respiratoire et locomoteur. Compte tenu de l’accessibilité directe aux réseaux neuronaux, les mécanismes de couplage et d'entraînement respiratoire ont été abordés par des approches combinées électrophysiologique, neuroanatomique, pharmacologique et lésionnelle. Dans ce contexte, un des principaux résultats de ce travail doctoral est le rôle crucial joué par les informations sensorielles en provenance des membres antérieurs et postérieurs dans l'entraînement respiratoire observé lors de séquences locomotrices. Ainsi, les afférences proprioceptives spinales capables de réinitialiser et d'entraîner l’activité des centres respiratoires bulbaires via un relais pontique, établissent également des connexions sur l’ensemble des populations de motoneurones spinaux respiratoires phréniques, intercostaux et abdominaux.