Physiopathology of the amyotrophic lateral sclerosis : implication of the neuromodulatory systems in the spinal motor netwoks

Les systèmes neuromodulateurs jouent un rôle essentiel dans la mise en place et dansla régulation des réseaux moteurs spinaux afin d’adapter finement le rythme et le patronlocomoteur aux contraintes internes et externes de l’organisme. Il a été montré que desaltérations du fonctionnement de ces systèmes étaient impliquées dans de nombreusespathologies neurologiques. La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladieneurodégénérative caractérisée par la perte des neurones moteurs corticaux et spinaux. Bienque les symptômes de la SLA n’apparaissent qu’à l’âge adulte, de plus en plus d’élémentsamènent à penser que des modifications précoces des réseaux locomoteurs spinaux ont lieudès les stades précoces du développement chez un modèle animal de la SLA, la souris SOD1.C’est dans ce cadre général que nous avons émis l’hypothèse que des altérations précoces dessystèmes neuromodulateurs pourraient intervenir dans la physiopathologie de la SLA. Dansun premier temps, nous avons comparé la modulation monoaminergique des réseaux moteursspinaux en réalisant des enregistrements extracellulaires de l’activité locomotrice générée parla préparation de moelle épinière isolée chez la souris nouveau-née sauvage et SOD1. Nousnous sommes ensuite attachés en combinant des enregistrements électrophysiologiques extraetintracellulaires avec des techniques d’immunohistochimie et de biologie cellulaire à décrirela mise en place et l’évolution avec l’âge des synapses cholinergiques reçues par lesmotoneurones en provenance d’interneurones de la lamina X : les boutons en C. Enfin, nousavons initié une approche (1) comportementale sur le long terme de l’activité motrice dessouris SOD1 et (2) des capacités plastiques des synapses glutamatergiques reçues par lesmotoneurones en culture. L’ensemble de ces travaux, nous a permis de mettre en évidence desaltérations précoces et évolutives des principaux systèmes neuromodulateurs spinaux:cholinergique, dopaminergique et noradrénergique chez les animaux SOD1. Nos résultatsmontrent pour la première fois (1) qu’une dynamique complexe des récepteurs M2 sous lesboutons en C existe et que celle-ci est perturbée chez les souris SOD1 et (2) que lesmotoneurones ne sont pas les seuls neurones à dégénérer dans la moelle de ces animaux maisque les neurones cholinergiques de la lamina X situés dans les segments lombaires L2 sontaussi la cible de processus neurodégénératifs.Neuromodulatory systems play a crucial role in the establishment and regulation ofspinal motor networks to finely adjust the locomotor rhythm and pattern to the internal andexternal constraints. It is now well admitted that alterations in neuromodulatory functions areinvolved in diverse neurologic disorders. Amyotrophic lateral sclerosis is a neurodegenerativedisease characterized by the specific loss of cortical and spinal motor neurons. A growingbody of evidence now suggests that although ALS syndromes occur in adulthood, alterationscan be detected as early as at the embryonic stages in the spinal cord of the rodent model ofALS, the SOD1 mouse. In this context, we hypothesized that early alterations in the spinalneuromodulatory systems may be involved in the pathophysiology of ALS. To answer thisquestion, in a first step, we compared the monoaminergic modulation of spinal network byrecording extracellularly the fictive locomotion produced in the in vitro spinal cordpreparation form newborn wild-type and SOD1 mice. By combining extra- intracellularrecordings with immunohistochemical and cellular biology technics, we aimed, in a secondstep, to investigate the cholinergic synapses arising onto motoneurons and their neuronalsource, the lamina X interneurons as a function of the mouse age. Finally, we initiated (1) aninnovative behavioural study of mouse motor habits and (2) an analysis of the synapticplasticity of glutamatergic synapses imping on motoneurons in culture. Altogether, our datademonstrated early and progressive changes of the major spinal neuromodulatory systems:cholinergic, dopaminergic and noradrenergic. Our data show for the first time that: (1) M2receptors undergo a complex dynamic under C-bouton that is completely disturbed in SOD1motoneurons and (2) motoneurons are not the only cellular subtype to degenerate in SOD1mice. Indeed, we found evidence that neurodegenerative processes also target lamina Xcholinergic interneurons in the SOD1 spinal cord