The Effect of Functional Electrically Stimulated Ambulation Training on Locomotor Function and Quality of Life in Individuals With Incomplete Spinal Cord Injury

The purpose of this study was to investigate the effects of a 12-week FES-ambulation program on locomotor function and quality of life after incomplete spinal cord injury. Six individuals with incomplete SCI participated in the study. Over-ground walking endurance (6MWT), speed (10MWT), independence (WISCI II) and body-weight support were assessed. Quality of life was assessed via the SF-36, WHOQOL-BREF, Perceived Stress Scale, Center of Epidemiological Studies for Depression scale, and task self-efficacy. Participants experienced significant improvements in walking endurance (223.6±141.5m to 297.3±164.5m; p=0.03), body-weight support (55.3±12.6% to 14.7±23.2%; p= 0.005) and four of the six participants showed improvements on the WISCI II scale (1-4 points). In addition, there was a significant reduction in reported bodily pain (6.5±1.2 to 5.0±1.7; p=0.04). Therefore, FES-ambulation is an effective means for enhancing over-ground locomotor function in individuals with incomplete SCI. It may also be an effective method for reducing pain in individuals with SCI.

Mechanisms of long-term modulation of synaptic transmission in crayfish

Please consult the paper edition of this thesis to read. It is available on the 5th Floor of the Library at Call Number: Z 9999 B56 M68 2007

Les mécanismes endogènes de modulation de la douleur et leur dysfonction dans le syndrome de l'intestin irritable

La douleur est une expérience subjective multidimensionnelle accompagnée de réponses physiologiques. Ces dernières sont régulées par des processus cérébraux qui jouent un rôle important dans la modulation spinale et cérébrale de la douleur. Cependant, les mécanismes de cette régulation sont encore mal définis et il est essentiel de bien les comprendre pour mieux traiter la douleur. Les quatre études de cette thèse avaient donc comme objectif de préciser les mécanismes endogènes de modulation de la douleur par la contreirritation (inhibition de la douleur par une autre douleur) et d’investiguer la dysfonction de ces mécanismes chez des femmes souffrant du syndrome de l’intestin irritable (Sii). Dans un premier temps, un modèle expérimental a été développé pour mesurer l’activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle concurremment à l’enregistrement du réflexe nociceptif de flexion (RIII : index de nociception spinale) et des réponses de conductance électrodermale (SCR : index d’activation sympathique) évoqués par des stimulations électriques douloureuses. La première étude indique que les différences individuelles d’activité cérébrale évoquée par les stimulations électriques dans les cortex orbitofrontal (OFC) et cingulaire sont associées aux différences individuelles de sensibilité à la douleur, de réactivité motrice (RIII) et de réactivité autonomique (SCR) chez des sujets sains. La deuxième étude montre que l’analgésie par contreirritation produite chez des sujets sains est accompagnée de l’inhibition de l’amygdale par OFC et d’une modulation du réflexe RIII par la substance grise périaqueducale (PAG) et le cortex somesthésique primaire (SI). Dans les troisième et quatrième études, il est montré que la contreirritation ne produit pas d’inhibition significative de la douleur et du réflexe RIII chez les patientes Sii en comparaison aux contrôles. De plus, les résultats indiquent que la sévérité des symptômes psychologiques est associée au déficit de modulation de la douleur et à une hypersensibilité diffuse chez les patientes Sii. Dans l’ensemble, cette thèse précise le rôle de certaines structures cérébrales dans les multiples composantes de la douleur et dans l’analgésie par contreirritation et montre que les patientes Sii présentent une dysfonction des mécanismes spinaux et cérébraux impliqués dans la perception et la modulation de la douleur.

Modèles de dysfonction érectile chez le rat

Des modèles de dysfonction érectile (DE) ont été développés et étudiés chez le rat. Cependant, peu de choses sont connues dans certains modèles présentant des facteurs de risque de la DE, en l’occurrence le rat soumis à une diète riche en glucose, le rat avec une restriction de croissance intra-utérine (RCIU) et le rat avec l’infusion continue de l’angiotensine (Ang) II en ce qui concerne l’évaluation de la fonction érectile in vivo. C’est ainsi que nous nous sommes proposés cette étude. La fonction érectile a été mesurée par la stimulation électrique du nerf caverneux à des cohortes de rats mâles Sprague-Dawley de différents âges comme suit: 1) des rats jeunes de 12 semaines d’âge, adultes reproducteurs à la retraite d’environ 30 semaines d’âge et des rats de 27 et 29 semaines soumis à une diète riche en glucose par l’eau de breuvage (10%) à court (1 semaine), moyen (6 semaines) et long (12 ou 13 semaines) termes; 2) des rats jeunes âgés de 12 semaines recevant une infusion soit de l’Ang II (200ng/kg/min) soit de la saline par mini-pompes osmotiques sous-cutanées pendant 1 et 2 semaines; et 3) des rats adultes âgés de 36 semaines avec une RCIU. La fonction érectile a été représentée par des courbes de variations de pression intracaverneuse (PIC) et d’aire sous la courbe (ASC) normalisées avec la pression artérielle moyenne (PAM) en réponse à la stimulation nerveuse à différents volts. À la fin des expériences, les animaux ont été sacrifiés, le sang recueilli pour le dosage de la glycémie et de l’insulinémie; le pénis, l’aorte thoracique et le cœur prélevés à des fins d’analyses protéique et histologique. La diète riche en glucose à court terme a eu un effet néfaste sur la fonction érectile chez le jeune rat mais bénéfique chez le rat adulte reproducteur; de même que pour les études à long terme, la diète riche en glucose a amélioré ou renversé la DE associée au vieillissement. Les rats avec RCIU ont exhibé une baisse très significative de la fonction érectile. Ces détériorations ou améliorations de la fonction érectile avec le glucose ou dans la RCIU ont été principalement associées à des modifications de l’expression de l’Akt, en plus d’une augmentation de l’insuline sérique dans les groupes avec le glucose. L’Ang II a entraîné une baisse de la fonction érectile, statistiquement très significative après 1 semaine et maintenue après 2 semaines de traitement, sans causer des changements morphologiques au cœur et à l’aorte thoracique. En conclusion : l’atteinte du système érectile se fait précocement dans les complications cardiovasculaires liées à l’activation du SRA, l’implication de l’Akt dans la modulation de la fonction érectile dépend de type de vieillissement et de la diète, le RCIU est un facteur de risque pour la DE.

Transmission des voies olfactives aux cellules réticulospinales de la lamproie

Les informations olfactives sont connues pour leur capacité à induire des comportements moteurs spécifiques. En dépit de nombreuses observations comportementales chez les vertébrés, on ne connaît toujours pas les mécanismes et les voies nerveuses qui sous-tendent ces phénomènes de transformation olfacto-locomotrices. Chez la lamproie, des travaux récents ont permis de décrire cette voie, et les mécanismes responsables de la transformation des entrées olfactives en activité locomotrice (Derjean et al., 2010). Cette voie prend origine dans la partie médiane du bulbe olfactif, et envoie des projections vers le tubercule postérieur, une région qui se trouve dans le diencéphale. De là, les neurones projettent directement vers la Région Locomotrice Mésencéphalique, connue pour envoyer des connexions vers les neurones réticulospinaux, et activer la locomotion. L’objectif de cette étude était d’établir si l’ensemble des neurones réticulospinaux répond aux stimulations olfactives. Pour ce faire, nous avons utilisé sur une préparation de cerveau isolé de lamproie des techniques d’électrophysiologie et d’imagerie calcique. La stimulation électrique des nerfs olfactifs, de la région médiane du bulbe olfactif ou du tubercule postérieur a provoqué une activation de toutes les cellules réticulospinales qui se retrouvent dans les quatre noyaux réticulaires (ARRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Antérieur; MRN : Noyau Réticulaire Mésencéphalique; MRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Moyen; PRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Postérieur). Seule la partie médiane du bulbe olfactif est impliquée dans le passage de l’information olfactive vers les neurones réticulospinaux. Nous avons aussi découvert que le blocage des récepteurs GABAergiques dans la partie médiane du bulbe olfactif augmentait les réponses olfactives de façon considérable dans les cellules réticulospinales. Nous avons montré ainsi qu’il existe un tonus inhibiteur impliqué dans la dépression modulatrice de la voie olfacto-locomotrice. Ce travail a permis de montrer que la stimulation des afférences sensorielles olfactives active simultanément l’ensemble des populations de neurones réticulospinaux qui commandent la locomotion. De plus, il existerait un tonus inhibiteur GABAergique, au niveau de la partie médiane du bulbe olfactif, responsable d’une dépression modulatrice dans la voie olfacto-locomotrice.

Étude des mécanismes psychophysiologiques de la modulation volontaire de la douleur par le biofeedback et la respiration.

Bien que la douleur soit une expérience subjective universelle, la façon de la percevoir et de l’interpréter est modulée par une multitude de facteurs. Plusieurs interventions cognitives se sont montrées efficaces pour réduire la douleur dans des conditions cliniques et expérimentales. Cette thèse s’intéressera particulièrement aux mécanismes psychophysiologiques impliqués dans les stratégies de modulation volontaire de la douleur. Ces stratégies sont intéressantes puisqu’elles encouragent une prise en charge par l’individu, lui permettant de jouer un rôle actif dans la régulation de sa douleur. La première étude s’intéresse à l’efficacité du biofeedback comme moyen de modulation volontaire de la douleur. Il s’agissait de déterminer si le fait de présenter une rétroaction de l’amplitude du réflex RIII (évoqué par une stimulation électrique du nerf sural) au cours d’un entraînement de plusieurs essais permettrait au participant d’adopter des stratégies de modulation de la douleur et d’activer volontairement des mécanismes de contrôle descendant de la douleur. De façon à évaluer spécifiquement les changements induits par le biofeedback, la modulation du réflexe RIII et de la douleur était comparée dans trois groupes (biofeedback valide, faux biofeedback et groupe contrôle sans rétroaction). Dans les trois groupes, il était suggéré aux participants d’utiliser des stratégies cognitives de modulation de la douleur (attention, modulation de la respiration, réévaluation cognitive et imagerie mentale) afin d’augmenter ou de diminuer leur réflexe RIII comparativement à leur niveau de base. Les résultats de notre étude indiquent que les participants des 3 groupes ont réussi à moduler leur réflexe RIII (p<0,001) ainsi que leurs évaluations de douleur (p<0,001) (intensité et désagrément). Les résultats de notre étude montrent que l’entraînement au biofeedback n’était pas nécessaire pour obtenir une modulation du réflexe RIII et de la douleur, ce qui suggère que l’utilisation de stratégies cognitives pourrait être suffisante pour déclencher des mécanismes de contrôle de la douleur. La deuxième étude découle de la première et s’intéressait à l’influence de la fréquence et de la phase respiratoire sur la nociception spinale, l’activité cérébrale et la perception de douleur. Le contrôle volontaire de la respiration est un moyen commun de régulation des émotions et est fréquemment utilisé en combinaison avec d’autres techniques (ex. : relaxation, méditation) dans le but de réguler la douleur. Les participants étaient invités à synchroniser leur respiration à des indices sonores indiquant le moment de l’inspiration et de l’expiration. Trois patrons de respiration étaient proposés (respiration à 0,1Hz avec une inspiration de 4 secondes, respiration à 0,1Hz avec une inspiration de 2 secondes et respiration à 0,2Hz avec une inspiration de 2 secondes. La moitié des stimulations étaient données durant l’inspiration et l’autre moitié durant l’expiration. Afin d’évaluer l’effet de ces manipulations, l’amplitude du RIII, l’évaluation subjective d’intensité de la douleur et de l’anxiété suscitée par le choc en plus des potentiels évoqués étaient mesurés. Les résultats de cette étude démontrent que les évaluations d’intensité de la douleur n’étaient pas affectées par le patron respiratoire (p=0,3), mais étaient statistiquement plus basses durant l’inspiration comparativement à l’expiration (p=0,02). Un effet de phase (p=0,03) était également observé sur les potentiels évoqués durant la condition de respiration à 0,1hHz avec une inspiration de 2 secondes comparativement au patron de respiration de 0,2Hz. Paradoxalement, l’amplitude du réflexe RIII était augmenté durant l’inspiration (p=0,02) comparativement à l’expiration. Ces résultats montrent que la manipulation de la fréquence et de la phase respiratoires (par une synchronisation imposée) a un effet marginal sur les évaluations de douleur et sur l’activité cérébrale et spinale évoquée par une stimulation électrique (douleur aigüe). Cela suggère que d’autres mécanismes contribuent aux effets analgésiques observés dans la relaxation et la méditation. Plus largement, nos résultats font état de la nécessité d’études plus approfondies avec une méthodologie plus rigoureuse afin de contrôler les effets non spécifiques aux traitements évalués. Une meilleure connaissance des mécanismes sous-tendant chaque stratégie permettrait de mieux cibler les clientèles susceptibles d’y répondre et de mieux considérer le ratio coût bénéfice de chaque traitement.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Influence de la mécanoréception faciale sur les comportements moteurs chez l’opossum nouveau-né, Monodelphis domestica

L’opossum nait dans un état très immature, mais rampe avec ses membres antérieurs (MA) de l’orifice urogénital de la mère à une tétine, où il s’attache pour poursuivre son développement. Des informations sensorielles sont nécessaires pour guider le nouveau-né vers une tétine et déclencher son attachement. Des expériences précédentes ont montré que le système du trijumeau, dont dépend l’innervation somesthésique du museau, influence les mouvements précoces des MA. Le présent projet vise à déterminer si les mécanorécepteurs faciaux sont fonctionnels et exercent une influence sur les MA. On s’intéresse particulièrement aux cellules de Merkel, un mécanorécepteur épidermique innervé par des fibres à adaptation lente de type I (SA I). Ces cellules ont été localisées sur le pourtour du museau de l’opossum nouveau-né en utilisant un traceur cellulaire, l’AM1-43. Nous avons analysé les réponses musculaires des MA consécutives à l’application de forces calibrées au museau sur des préparations in vitro. Ces réponses sont bilatérales et simultanées, très variables, et leur intensité augmente avec la force de la stimulation. Lors de stimulations répétitives pendant 60 min, les réponses diminuent avec le temps. Le retrait de la peau faciale abolit presque ces réponses. De plus, l’application d’un antagoniste des récepteurs métabotropiques du glutamate, qui affecte l’activité des fibres SA I, ou d’un antagoniste des récepteurs purinergiques les diminue fortement, suggérant une participation des cellules de Merkel. Ces résultats soutiennent que le sens du toucher facial relayé par le système du trijumeau est fonctionnel chez l’opossum nouveau-né et qu’il pourrait influencer les mouvements des MA.

Comparación entre analgesia epidural continua vs bloqueo nervio periférico en niños llevados a cirugía múltiple de miembros inferiores

Las cirugías reconstructivas múltiples de miembros inferiores son intervenciones quirúrgicas que implican un difícil manejo analgésico en el postoperatorio, actualmente la técnica analgésica usada es la analgesia peridural; sin embargo los efectos adversos asociados a esta no la hacen una técnica ideal para manejo de dolor. Los bloqueos de nervio periférico han aparecido como una alternativa para el manejo del dolor; pero no se ha difundido ampliamente su uso. Se pretende evaluar la disminución de efectos adversos con el uso de bloqueos de nervio periférico sobre la analgesia epidural. Este estudio piloto inicial se realizo para verificar efectividad técnicas a usar y problemas que se pudieran presentar. Se aplico el protocolo en 23 pacientes que fueron llevados a cirugía de miembros inferiores, se dividieron en 2 grupos 11 recibieron bloqueos de nervio periférico y 12 analgesia epidural. Se les realizo seguimiento por 48 horas y se evaluó el control del dolor, consumo de opioides y efectos adversos. El tiempo de colocación del bloqueo fue similar en ambos grupos, el grupo de bloqueos presento menos episodios de dolor y menos episodios de dolor severo. No se presento retención urinaria en ningún paciente pero en el grupo de epidural se presento mayor incidencia de nausea y vomito (60% vs 45%). Se encontró que los bloqueos de nervio periférico son una adecuada opción para el manejo del dolor en este tipo de cirugías; y al parecer disminuye la incidencia de eventos adversos asociados a la analgesia epidural.

Activation of lower back muscles via FES for pressure sores prevention in paraplegia: a case study

The aim of this paper is to show the feasibility of the use of functional electrical stimulation (FES) applied to the lower back muscles for pressure sores prevention in paraplegia. The hypothesis under study is that FES induces a change in the pressure distribution on the contact area during sitting. Tests were conducted on a paraplegic subject (T5), sitting on a standard wheelchair and cushion. Trunk extensors (mainly the erector spinae) were stimulated using surface electrodes placed on the skin. A pressure mapping system was used to measure the pressure on the sitting surface in four situations: (a) no stimulation; (b) stimulation on one side of the spine only; (c) stimulation on both sides, at different levels; and (d) stimulation at the same level on both sides, during pressure-relief manoeuvres. A session of prolonged stimulation was also conducted. The experimental results show that the stimulation of the erector spinae on one side of the spine can induce a trunk rotation on the sagittal plane, which causes a change in the pressure distribution. A decrease of pressure on the side opposite to the stimulation was recorded. The phenomenon is intensified when different levels of stimulation are applied to the two sides, and such change can be sustained for a considerable time (around 5 minutes). The stimulation did not induce changes during pressure-relief manoeuvres. Finally, from this research we can conclude that the stimulation of the trunk extensors can be a useful tool for pressure sores prevention, and can potentially be used in a routine for pressure sores prevention based on periodical weight shifts.

H∞ robust control design for unsupported paraplegic standing: experimental evaluation

This paper is concerned with the design of robust feedback H~-control systems for the control of the upright posture of paraplegic persons standing. While the subject stands in a special apparatus, stabilising torque at the ankle joint is generated by electrical stimulation of the paralyzed calf muscles. Since the muscles acting as actuators in this setup show a significant degree of nonlinearity, a robust H~-control design is used. The design approach is implemented in experiments with a paraplegic subject. The results demonstrate good performance and closed loop stability over the whole range of operation.

Voltage-gated potassium currents within the dorsal vagal nucleus: inhibition by BDS toxin

Voltage-gated potassium (Kv) channels are essential components of neuronal excitability. The Kv3.4 channel protein is widely distributed throughout the central nervous system (CNS), where it can form heteromeric or homomeric Kv3 channels. Electrophysiological studies reported here highlight a functional role for this channel protein within neurons of the dorsal vagal nucleus (DVN). Current clamp experiments revealed that blood depressing substance (BDS) and intracellular dialysis of an anti-Kv3.4 antibody prolonged the action potential duration. In addition, a BDS sensitive, voltage-dependent, slowly inactivating outward current was observed in voltage clamp recordings from DVN neurons. Electrical stimulation of the solitary tract evoked EPSPs and IPSPs in DVN neurons and BDS increased the average amplitude and decreased the paired pulse ratio, consistent with a presynaptic site of action. This presynaptic modulation was action potential dependent as revealed by ongoing synaptic activity. Given the role of the Kv3 proteins in shaping neuronal excitability, these data highlight a role for homomeric Kv3.4 channels in spike timing and neurotransmitter release in low frequency firing neurons of the DVN.

The neurochemically diverse intermedius nucleus of the medulla as a source of excitatory and inhibitory synaptic input to the nucleus tractus solitarii

Sensory afferent signals from neck muscles have been postulated to influence central cardiorespiratory control as components of postural reflexes, but neuronal pathways for this action have not been identified. The intermedius nucleus of the medulla (InM) is a target of neck muscle spindle afferents and is ideally located to influence such reflexes but is poorly investigated. To aid identification of the nucleus, we initially produced three-dimensional reconstructions of the InM in both mouse and rat. Neurochemical analysis including transgenic reporter mice expressing green fluorescent protein in GABA-synthesizing neurons, immunohistochemistry, and in situ hybridization revealed that the InM is neurochemically diverse, containing GABAegric and glutamatergic neurons with some degree of colocalization with parvalbumin, neuronal nitric oxide synthase, and calretinin. Projections from the InM to the nucleus tractus solitarius (NTS) were studied electrophysiologically in rat brainstem slices. Electrical stimulation of the NTS resulted in antidromically activated action potentials within InM neurons. In addition, electrical stimulation of the InM resulted in EPSPs that were mediated by excitatory amino acids and IPSPs mediated solely by GABA(A) receptors or by GABA(A) and glycine receptors. Chemical stimulation of the InM resulted in (1) a depolarization of NTS neurons that were blocked by NBQX (2,3-dioxo-6-nitro-1,2,3,4-tetrahydrobenzo[f]quinoxaline-7-sulfonoamide) or kynurenic acid and (2) a hyperpolarization of NTS neurons that were blocked by bicuculline. Thus, the InM contains neurochemically diverse neurons and sends both excitatory and inhibitory projections to the NTS. These data provide a novel pathway that may underlie possible reflex changes in autonomic variables after neck muscle spindle afferent activation.

Localization and function of the Kv3.1b subunit in the rat medulla oblongata: focus on the nucleus tractus solitarii

The voltage-gated potassium channel subunit Kv3.1 confers fast firing characteristics to neurones. Kv3.1b subunit immunoreactivity (Kv3.1b-IR) was widespread throughout the medulla oblongata, with labelled neurones in the gracile, cuneate and spinal trigeminal nuclei. In the nucleus of the solitary tract (NTS), Kv3.1b-IR neurones were predominantly located close to the tractus solitarius (TS) and could be GABAergic or glutamatergic. Ultrastructurally, Kv3.1b-IR was detected in NTS terminals, some of which were vagal afferents. Whole-cell current-clamp recordings from neurones near the TS revealed electrophysiological characteristics consistent with the presence of Kv3.1b subunits: short duration action potentials (4.2 +/- 1.4 ms) and high firing frequencies (68.9 +/- 5.3 Hz), both sensitive to application of TEA (0.5 mm) and 4-aminopyridine (4-AP; 30 mum). Intracellular dialysis of an anti-Kv3.1b antibody mimicked and occluded the effects of TEA and 4-AP in NTS and dorsal column nuclei neurones, but not in dorsal vagal nucleus or cerebellar Purkinje cells (which express other Kv3 subunits, but not Kv3.1b). Voltage-clamp recordings from outside-out patches from NTS neurones revealed an outward K(+) current with the basic characteristics of that carried by Kv3 channels. In NTS neurones, electrical stimulation of the TS evoked EPSPs and IPSPs, and TEA and 4-AP increased the average amplitude and decreased the paired pulse ratio, consistent with a presynaptic site of action. Synaptic inputs evoked by stimulation of a region lacking Kv3.1b-IR neurones were not affected, correlating the presence of Kv3.1b in the TS with the pharmacological effects.