The influence of skeletal muscle cell volume on the regulation of carbohydrate uptake and muscle metabolism

This study investigated the regulation of carbohydrate metabolism and glucose uptake through changes in skeletal muscle cell volume. Using an established invitro isolated whole muscle model, soleus (SOL) and extensor digitorum longus (EDL) muscles were dissected from male rats and incubated in an organ bath containing Sigma medium-199 with 8 mM D-glucose altered to target osmolality (hypo-osmotic: HYPO, iso-osmotic: ISO, hyper-osmotic: HYPER; 190, 290, 400 mmol/kg). Muscles were divided into two groups; metabolite (MM) and uptake (MU). MM (N=48) were incubated for 60 minutes and were then immediately flash frozen. MU (N=24) were incubated for 30 minutes and then the extracellular fluid was exchanged for media containing ^H-glucose and ^'*C-mannitol and incubated for another 30 minutes. After the incubation, the muscles were freeze clamped. Results demonstrated a relative water decrease and increase in HYPER and HYPO, respectively. EDL and SOL glucose uptakes were found to be significantly greater in HYPER conditions. The HYPER condition resulted in significant alterations in muscle metabolite concentrations (lower glycogen, elevated lactate, and G-6-P) suggesting a catabolic cell state, and an increase in glycogen synthase transformation when compared to the HYPO group. In conclusion, skeletal muscle cell volume alters rates of glucose uptake with further alterations in muscle metabolites and glycogen synthase transformation.

The influence of skeletal muscle cell volume on carbohydrate metabolism in contracting skeletal muscle

This study investigated the regulation of carbohydrate metabolism through changes in skeletal muscle cell volume immediately post contraction and during recovery. Using an established in vitro isolated muscle strip model, soleus (SOL) and extensor digitorum longus (EDL) were dissected from male rats and incubated in an organ bath (perfused with 95% O2; 5% CO2, pH 7.4, temperature 25°C) containing medium- 199 altered to a target osmotic condition (iso-, hypo- or hyper-osmotic; 290, 1 80, 400 mmol/kg). Muscles were stimulated for 10 minutes (40 Hz SOL; 30 Hz EDL) and then either immediately flash frozen or allowed to recover for 20 minutes before subsequent metabolite and enzyme analysis. Results demonstrated a relative water decrease in HYPER vs. HYPOosmotic condition (n=8/group; p<0.05) regardless of muscle type. Specifically, the SOL HYPER condition had elevated metabolite concentrations after 10 minutes of stimulation in comparison to both HYPO and ISO (p<0.05), while EDL muscle did not show any significant difTerences between the HYPER or HYPO conditions. After 20 minutes of recovery, metabolic changes occurred in both SOL and EDL with the SOL HYPER condition showing greater relative changes in metabolite concentrations versus HYPO. The results of the current study have demonstrated that osmotic imbalance induces metabolic change within the skeletal muscle cell and muscle type may influence the mechanisms utilized for cell volume regulation.

Action of octopamine and tyramine on muscles of Drosophila melanogaster larvae

Octopamine (OA) and tyramine (TA) play important roles in homeostatic mechanisms, behavior, and modulation of neuromuscular junctions in arthropods. However, direct actions of these amines on muscle force production that are distinct from effects at the neuromuscular synapse have not been well studied. We utilize the technical benefits of the Drosophila larval preparation to distinguish the effects of OA and TA on the neuromuscular synapse from their effects on contractility of muscle cells. In contrast to the slight and often insignificant effects of TA, the action of OA was profound across all metrics assessed. We demonstrate that exogenous OA application decreases the input resistance of larval muscle fibers, increases the amplitude of excitatory junction potentials (EJPs), augments contraction force and duration, and at higher concentrations (10−5 and 10−4 M) affects muscle cells 12 and 13 more than muscle cells 6 and 7. Similarly, OA increases the force of synaptically driven contractions in a cell-specific manner. Moreover, such augmentation of contractile force persisted during direct muscle depolarization concurrent with synaptic block. OA elicited an even more profound effect on basal tonus. Application of 10−5 M OA increased synaptically driven contractions by ∼1.1 mN but gave rise to a 28-mN increase in basal tonus in the absence of synaptic activation. Augmentation of basal tonus exceeded any physiological stimulation paradigm and can potentially be explained by changes in intramuscular protein mechanics. Thus we provide evidence for independent but complementary effects of OA on chemical synapses and muscle contractility.

The action of octopamine on muscles of Drosophila melanogaster larvae

Octopamine (OA) and tyramine (TA) play important roles in homeostatic mechanisms, behavior, and modulation of neuromuscular junctions in arthropods. However, direct actions of these amines on muscle force production that are distinct from effects at the neuromuscular synapse have not been well studied. We utilize the technical benefits of the Drosophila larval preparation to distinguish the effects of OA and TA on the neuromuscular synapse from their effects on contractility of muscle cells. In contrast to the slight and often insignificant effects of TA, the action of OA was profound across all metrics assessed. We demonstrate that exogenous OA application decreases the input resistance of larval muscle fibers, increases the amplitude of excitatory junction potentials (EJPs), augments contraction force and duration, and at higher concentrations (10(-5) and 10(-4) M) affects muscle cells 12 and 13 more than muscle cells 6 and 7. Similarly, OA increases the force of synaptically driven contractions in a cell-specific manner. Moreover, such augmentation of contractile force persisted during direct muscle depolarization concurrent with synaptic block. OA elicited an even more profound effect on basal tonus. Application of 10(-5) M OA increased synaptically driven contractions by ≈ 1.1 mN but gave rise to a 28-mN increase in basal tonus in the absence of synaptic activation. Augmentation of basal tonus exceeded any physiological stimulation paradigm and can potentially be explained by changes in intramuscular protein mechanics. Thus we provide evidence for independent but complementary effects of OA on chemical synapses and muscle contractility.

The Role of Membrane Lipid Composition on Sarco(endo)plasmic Reticulum Calcium ATPase Function in Rat Soleus Muscle

Sarco(endo)plasmic reticulum calcium ATPase (SERCA) is a transmembrane protein whose function is regulated by its immediate lipid environment (annulus). The composition of the annulus is currently unknown or it’s susceptibility to a high saturated fat diet (HSFD). Furthermore it is uncertain if HSFD can protect SERCA from thermal stress. The purpose of the study was to determine SERCA annular lipid composition, resulting impact of a HSFD, and in turn, influence on SERCA activity with and without thermal stress. The major findings were annular lipids were shorter and more saturated compared to whole homogenate and HSFD had no effect on annular lipid composition or SERCA activity with and without thermal stress. Both average chain length and unsaturation index were positively correlated with SERCA activity with and without thermal stress. These findings suggest that annular lipid composition is different than whole homogenate and its composition appears to be related to SERCA function.

Reduced power output in skeletal muscles devoid of skMLCK: RLC phosphorylation contributes to peak performance

Regulatory light chain (RLC) phosphorylation in fast twitch muscle is catalyzed by skeletal myosin light chain kinase (skMLCK), a reaction known to increase muscle force, work, and power. The purpose of this study was to explore the contribution of RLC phosphorylation on the power of mouse fast muscle during high frequency (100 Hz) concentric contractions. To determine peak power shortening ramps (1.05 to 0.90 Lo) were applied to Wildtype (WT) and skMLCK knockout (skMLCK-/-) EDL muscles at a range of shortening velocities between 0.05-0.65 of maximal shortening velocity (Vmax), before and after a conditioning stimulus (CS). As a result, mean power was increased to 1.28 ± 0.05 and 1.11 ± .05 of pre-CS values, when collapsed for shortening velocity in WT and skMLCK-/-, respectively (n = 10). In addition, fitting each data set to a second order polynomial revealed that WT mice had significantly higher peak power output (27.67 ± 1.12 W/ kg-1) than skMLCK-/- (25.97 ± 1.02 W/ kg-1), (p < .05). No significant differences in optimal velocity for peak power were found between conditions and genotypes (p > .05). Analysis with Urea Glycerol PAGE determined that RLC phosphate content had been elevated in WT muscles from 8 to 63 % while minimal changes were observed in skMLCK-/- muscles: 3 and 8 %, respectively. Therefore, the lack of stimulation induced increase in RLC phosphate content resulted in a ~40 % smaller enhancement of mean power in skMLCK-/-. The increase in power output in WT mice suggests that RLC phosphorylation is a major potentiating component required for achieving peak muscle performance during brief high frequency concentric contractions.

clc is co-expressed with clf or cntfr in developing mouse muscles

Affiliation: Jean-François Gauchat : Département de Pharmacologie, Faculté de médecine, Université de Montréal

Identification des mécanismes périphériques impliqués dans la douleur chronique expérimentale des muscles de la mastication

L’objectif premier de notre projet était d’établir un modèle animal de douleur chronique orofaciale, lequel pourrait imiter la sensibilité retrouvée chez les patients souffrant de douleur orofaciale myalgique. Nous avons procédé à des injections intramusculaires de saline acide (2 injections à 2 jours d’intervalle pH 4.0) pour induire une sensibilisation mécanique des mucles massétérins. La réponse nocifensive a été mesurée à l’aide de filaments de von Frey avant et après ces injections dans des rats Sprague-Dawley. Par la suite, le potentiel analgésique de différents antagonistes des récepteurs glutamatergiques fût évalué par l’injection intramusculaire de ces antagonistes à différents moments. Nos résultats suggèrent que deux injections de saline acide, produisent une hypersensibilité mécanique signalée par l’augmentation du nombre de réponses à l’application de filaments de von Frey. Cet effet dure plusieurs semaines et est bilatéral, même lorsque les injections sont unilatérales, indiquant qu’une composante centrale est forcément impliquée. Toutefois, une composante périphérique impliquant les récepteurs glutamatergiques semble présider le tout puisque les antagonistes glutamatergiques, appliqués de façon préventive empêchent le développement de l’hypersensibilité. Cependant, le maintien de cette hypersensibilité doit dépendre de mécanismes centraux puisque l’application d’antagonistes une fois la sensibilisation induite, ne diminue en rien le nombre de réponses obtenues. Ce modèle semble approprié pour reproduire une hypersensibilité musculaire durable de bas niveau. Nos données indiquent que les récepteurs glutamatergiques périphériques participent à l’induction de cette hypersensibilité de longue durée. Nous croyons que ce modèle pourra éventuellement contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes à l’origine des myalgies faciales persistantes.

Effets de la vibration des muscles sur les mécanismes neuronaux et la fonction du membre supérieur et inférieur des personnes ayant une hémiparésie chronique

Cette thèse vise à répondre à trois questions fondamentales: 1) La diminution de l’excitabilité corticospinale et le manque d’inhibition intracorticale observés suite à la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) du cortex moteur de la main atteinte de sujets hémiparétiques sont-ils aussi présents suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte? 2) Est-ce que les altérations dans l’excitabilité corticomotrice sont corrélées aux déficits et incapacités motrices des personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral depuis plus de 6 mois? 3) La vibration musculaire, étant la source d’une forte afférence sensorielle, peut-elle moduler l’excitabilité corticomotrice et améliorer la performance motrice de ces personnes? Premièrement, afin d’appuyer notre choix d’intervention et d’évaluer le potentiel de la vibration mécanique locale pour favoriser la réadaptation des personnes ayant une atteinte neurologique, nous avons réalisé une révision en profondeur de ses applications et intérêts cliniques à partir d’informations trouvées dans la littérature scientifique (article 1). La quantité importante d’information sur les effets physiologiques de la vibration contraste avec la pauvreté des études qui ont évalué son effet thérapeutique. Nous avons trouvé que, malgré le manque d’études, les résultats sur son utilisation sont encourageants et positifs et aucun effet adverse n’a été rapporté. Dans les trois autres articles qui composent cette thèse, l’excitabilité des circuits corticospinaux et intracorticaux a été étudiée chez 27 sujets hémiparétiques et 20 sujets sains sans atteintes neurologiques. Les fonctions sensorimotrices ont aussi été évaluées par des tests cliniques valides et fidèles. Tel qu’observé à la main chez les sujets hémiparétiques, nous avons trouvé, par rapport aux sujets sains, une diminution de l’excitabilité corticospinale ainsi qu’un manque d’inhibition intracorticale suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte (article 2). Les sujets hémiparétiques ont également montré un manque de focus de la commande motrice lors de l’activation volontaire des fléchisseurs plantaires. Ceci était caractérisé par une augmentation de l’excitabilité nerveuse des muscles agonistes, mais aussi généralisée aux synergistes et même aux antagonistes. De plus, ces altérations ont été corrélées aux déficits moteurs au membre parétique. Le but principal de cette thèse était de tester les effets potentiels de la vibration des muscles de la main (article 3) et de la cuisse (article 4) sur les mécanismes neuronaux qui contrôlent ces muscles. Nous avons trouvé que la vibration augmente l’amplitude de la réponse motrice des muscles vibrés, même chez des personnes n’ayant pas de réponse motrice au repos ou lors d’une contraction volontaire. La vibration a également diminué l’inhibition intracorticale enregistrée au quadriceps parétique (muscle vibré). La diminution n’a cependant pas été significative au niveau de la main. Finalement, lors d’un devis d’investigation croisé, la vibration de la main ou de la jambe parétique a résulté en une amélioration spécifique de la dextérité manuelle ou de la coordination de la jambe, respectivement. Au membre inférieur, la vibration du quadriceps a également diminuée la spasticité des patients. Les résultats obtenus dans cette thèse sont très prometteurs pour la rééducation de la personne hémiparétique car avec une seule séance de vibration, nous avons obtenu des améliorations neurophysiologiques et cliniques.

Mécanismes neuronaux médullaires, coordination musculaire et fonction motrice chez les sujets hémiparétiques

Dans l’hémiparésie consécutive à un AVC, une coactivation anormale des extenseurs du genou et de la cheville est souvent observée à la jambe atteinte lorsque la personne tente de bouger ou encore lors de la marche. Les mécanismes sous-jacents à cette coactivation sont mal compris. Bien que l’AVC entraîne une lésion supraspinale, des évidences démontrent le dysfonctionnement de certains circuits spinaux dans l’hémiparésie. Ce projet de doctorat visait à évaluer : 1) l’excitabilité des circuits spinaux intersegmentaires projetant des extenseurs du genou aux extenseurs de la cheville et 2) si un éventuel dysfonctionnement de ces circuits dans l’hémiparésie est associé à une coactivation anormale des extenseurs du genou et de la cheville lors de contractions statiques et au cours de la marche. La première étude compare la modulation de l’activité réflexe du soléaire suite à la stimulation du nerf fémoral entre des sujets hémiparétiques et sains. Une augmentation de la facilitation hétéronyme de courte latence et une diminution de l’inhibition ultérieure du réflexe H du soléaire ont été observées chez les sujets hémiparétiques. Ces résultats démontrent un dysfonctionnement des circuits intersegmentaires propriospinaux liant le quadriceps au soléaire suite à l’AVC. La deuxième étude démontre que ces changements dans la modulation hétéronyme des sujets hémiparétiques, évaluée au moyen de la méthode complexe basée sur l’activité réflexe du soléaire, sont similaires à ceux observés lorsque la modulation est évaluée en utilisant une méthode plus simple, soit celle de l’activité volontaire du soléaire. De plus, la modulation hétéronyme évaluée par les deux méthodes est corrélée avec l’atteinte motrice à la jambe parétique. La troisième étude a permis de quantifier une augmentation de la coactivation entre les extenseurs du genou et de la cheville lors de contractions volontaires statiques chez des personnes hémiparétiques par rapport à des personnes saines. De plus, le niveau accru de la coactivation involontaire des extenseurs de la cheville lors de l’activation volontaire des extenseurs du genou s’avère corrélé avec la modulation intersegmentaire du côté parétique. La quatrième étude a utilisé un indice temporel, soit l’intervalle entre les pics d’activation électromyographique (PAI), et un indice d’amplitude de coactivation (CAI) pour quantifier une augmentation de la coactivation entre les extenseurs du genou et de la cheville lors de la marche chez des personnes hémiparétiques par rapport à des personnes saines. Ces indices sont corrélés, pour certains groupes musculaires, avec la modulation intersegmentaire modifiée du côté parétique. Finalement, des résultats préliminaires montrent que la vibration mécanique du tendon rotulien (80 Hz) réduit la facilitation intersegmentaire accrue des sujets hémiparétiques. Ce projet doctoral a permis de mettre en lumière un dysfonctionnement de circuits spinaux liant le quadriceps et le soléaire dans l’hémiparésie consécutive à un AVC. Ce changement dans les mécanismes neurophysiologiques de la moelle épinière est corrélé avec des changements fonctionnels. Ainsi, ce dysfonctionnement pourrait contribuer à la coactivation involontaire entre les extenseurs du genou et de la cheville qui fait partie intégrante de la synergie pathologique en extension souvent rencontrée à la jambe parétique lors d’efforts en statique et pendant la marche. Finalement, une étude préliminaire suggère que la vibration mécanique serait une modalité sensorielle prometteuse pour réguler l’hyperexcitabilité des circuits spinaux qui contribuerait aux atteintes motrices chez les personnes hémiparétiques.