Etude anatomique et fonctionnelle des neurones à l'interface entre réseaux respiratoire et locomoteur chez la souris

par Coralie Herent

Projet de thèse en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Gilles Fortin et de Julien Bouvier.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Signalisations et réseaux intégratifs en biologie (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut des Neurosciences Paris-Saclay (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Lors d'un exercice physique, la respiration s'accélère pour subvenir à l'augmentation de la demande énergétique, mais les bases neurales de cette « hyperpnée à l'exercice » restent encore peu documentées. Cette thèse a pour but d'identifier les structures locomotrices qui modulent l'activité respiratoire et les neurones des structures respiratoires ciblées. Par des outils optogénétiques, des enregistrements électromyographiques in vivo et des traçages viraux, nous avons montré que l'activation de la région mésencéphalique locomotrice (MLR, la principale commande locomotrice) augmente les fréquences respiratoires avant même l'enclenchement de la locomotion. Nous montrons également que les neurones de la MLR projettent vers le complexe preBötzinger (preBötC), le générateur du rythme inspiratoire. La fréquence respiratoire augmente davantage encore quand la locomotion est engagée. Nous avons donc exploré la possibilité que les neurones exécutifs de la locomotion (CPG en anglais), puissent accélérer la respiration pendant l'exercice. Sur des préparations réduites sur lesquelles les activités nerveuses inspiratoires et locomotrices sont enregistrées par électrophysiologie, nous montrons que l'activation pharmacologique du CPG locomoteur accélère les fréquences inspiratoires. De plus, nous montrons (i) que les neurones du CPG locomoteur projettent vers le noyau rétrotrapézoïde (RTN), structure respiratoire essentielle et que (ii) l'ablation génétique du RTN abolit l'entrainement des fréquences inspiratoires ex vivo. Nos expériences actuelles visent à valider cette démonstration in vivo chez l'animal adulte. Mes travaux indiquent que des circuits locomoteurs distincts contactent les centres respiratoires par 1) un signal descendant depuis la MLR jusqu'au preBötC pour préparer la respiration en anticipation de l'exercice et 2) un signal ascendant depuis le CPG locomoteur jusqu'au RTN pour accélérer les fréquences respiratoires pendant l'exercice.

  • Titre traduit

    Anatomical and functional interrogation of the neuronal substrate linking respiration and locomotion in mice


  • Résumé

    When animals move, respiration increases to meet the increased energy demand but the neuronal basis for this “exercise hyperpnoea” has remained elusive. In this context, this PhD program aims at identifying locomotor neurons that modulate breathing and their targets in respiratory centers. First, using optogenetics, chronic electromyographic recordings in vivo and viral tracings we show that activation of the mesencephalic locomotor region (MLR, the prime supraspinal activator of locomotion) upregulates breathing frequency prior to the onset of locomotor movements and that the MLR send collaterals to the preBötzinger complex (preBötC), the main inspiratory oscillator. Interestingly, respiratory frequency increases further upon the engagement of locomotion. We therefore investigated the possibility that the spinal locomotor executive circuits, referred to as a “central pattern generator” (CPG), could upregulate breathing during ongoing locomotion. For this we used ex-vivo preparations from neonatal mice and electrophysiological recordings of locomotor and inspiratory-related ventral nerve roots. We show that pharmacological activation of the locomotor CPG results in an increase of the frequency of inspiratory-like activities. We also show that spinal locomotor neurons may target the Retro-Trapezoid Nucleus (RTN), another essential population of respiratory neurons. Corroborating this, genetic deletion of the RTN abolishes the locomotor entrainment of inspiration ex-vivo. Our current and future experiments aim at validating this demonstration in vivo, on adult animals. Altogether, our work indicates that locomotor circuits send distinct central drives to respiratory centers through 1) a descending feedforward drive from the MLR to the preBötC that could help prime respiration in anticipation of exercise and 2) an ascending drive from the locomotor CPG to the RTN that upregulates respiratory frequencies during locomotion.