The validation of heart rate variability in individuals with spinal cord injury

The current classification system for spinal cord injury (SCI) considers only somatic information and neglects autonomic damage after injiuy. Heart rate variability (HRV) has the potential to be a valuable measure of cardiac autonomic control after (SCI). Five individuals with tetraplegia and four able-bodied controls underwent 1 min continuous ECG recordings during rest, after Metoprolol administration (max dose=3x5mg) and after Atropine administration (0.02mg/kg) in both supine and 40° head-up tilt. After Metoprolol administration there was a 61.8% decrease in the LF:HF ratio in the SCI participants suggesting that the LF:HF ratio is a reflection of cardiac sympathetic outflow. After Atropine administration there was a 99.1% decrease in the HF power in the SCI participants suggesting that HF power is highly representative of cardiac parasympathetic outflow. There were no significant differences between the SCI and able-bodied participants. Thus, HRV measures are a valid index of cardiac autonomic control after SCI.

Non-invasive measurement of trigeminal nerve somatosensory evoked potentials

Whiplash injuries are common yet enigmatic to substantiate clinically. Trigeminal somatosensory evoked potentials (TSEPs) were posited as an indicator of trigeminal nerve conduction damage resulting from whiplash. Alternating polarity square-wave current stimuli were applied transcutaneously in the facial region. 379 recorded pilot trials from 27 participants (8 male and 19 female) were utilized to develop a non-invasive recording capability for TSEPs. Stimulus intensity and artifact, cortical recording sites, stimulation electrode design and placement were explored. Statistically significant differences in amplitude of TSEP waveform components at 13, 19 and 27 ms between uninjured and whiplashed participants were noted. Increased stimulus intensity in whiplashed participants was observed to increase TSEP amplitude. The present methodology and hardware are discussed and directions for future advancement of the current process are outlined.

A possible role for chemokine signalling through CXCR4 as a downstream effector of retinoic acid signalling in the regenerating tail and spinal cord of Notophthalmus viridescens

The newt, Notopthalmus viridescens is one of the few tet rapod vertebrates capable of extensive regeneration of the central nervous system, however, the factors involved in this process are still unknown. Chemokine signalling through the receptor CXCR4, has been found to be involved in the development of the central nervous system of mammals and more recently in epimorphic fin regeneration in zebrafish. We have hypothesized that the CXCR4 signalling pathway is involved in spinal cord and tail regeneration in the adul t newt , possibly as a downstream target of retinoic acid signalling. We found that CXCR4 mRNA expression was observed in the brain, spinal cord, heart, gut, liver and regenerating tail blastemas. CXCR4 expression increased over the f i rst 12 days of tail regeneration and returned to basal expression levels at day 21 of regeneration. Inhibition of CXCR4 wi th AMD3100, a specific receptor antagonist, led to a decrease in CXCR4 mRNA in the regenerating tail 14 days post amputation. Histological analysis suggests a delay in the early stages of tail and spinal cord regeneration. Spinal cord explants t reated wi th CXCL12, the ligand to CXCR4, displayed enhanced neurite outgrowth in vitro. Explants t reated wi th AMD3100 abolished any retinoic acid enhanced neurite outgrowth effects suggesting a link between these signalling pathways.

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.

Utilizing a Phenomenological Approach to Examine the Experience of Sexuality for Women Concerned about Urinary Incontinence following Spinal Cord Injury

Sexuality after spinal cord injury (SCI) is a complex issue that is influenced by a number of social, psychological and physiological factors, one of which is urinary incontinence (UI). Using a phenomenological approach, seven mixed methods interviews combining both the interview guide and standardized open-ended approaches were conducted to examine the experience of sexuality for women who are concerned about UI following SCI. Sexual function was one of the top priorities for the women after SCI, and UI was one of the main concerns the women had regarding sexuality. The findings of this study demonstrate that various dimensions of intimacy and the sexual experience as a whole were affected by UI, and the women discussed both physical and psychological concerns. The main issues regarding sexuality included concerns related to relationships, frustrations with limited sexual activities and the difficulty of being sexually satisfied, the number of unanswered questions and concerns, and a fear of being hurt or injured while participating in sexual activities. The main concerns regarding UI were embarrassment, the work and inconvenience involved with the clean-up of UI, bladder infections, the lack of accessible washrooms, and the negative effects of UI medications. When examining sexuality and UI together, the major issues were the constant comparison to the way things were before SCI, as well as the new concerns that the women did not have to worry about previously, worrying about how their partner would react if UI were to occur during sexual activity, and the impact of their own feelings toward UI on sexuality, a connection between pleasurable sexual sensations and UI as well as difficulty differentiating between the sensation of UI with the sensation of UI, dealing with infected urine during sexual activity, having to discuss UI with a new potential sexual partner, and a fear of rejection. Other identified issues included those related to body image, a lack of resources, Doctors who were inadequately educated regarding SCI, and issues related to both having and raising children. There is a significant shortage of information available for women with SCI to use as a resource regarding sexual function in general, and sexual function as it relates to UI. It is necessary that future work focus on creating resources to assist in this area, and that the dissemination of those resources becomes both appropriate and effective. Addressing sexual function and UI which are among the top concerns for this population has the opportunity to greatly improve quality of life (QOL) for these individuals.

Investigation of the role of the nucleus accumbens in amphetamine-induced 50 kHz ultrasonic vocalizations in the rat

There is extensive evidence that the mesolimbic dopamine system underlies the production of 50 kHz ultrasonic vocalizations in rats. In particular, the shell of the nucleus accumbens is associated with generation of frequency modulated 50 kHz calls (a specific type of 50 kHz call which can be subdivided into various subtypes). There is also evidence that amphetamine administered systemically preferentially increases the proportion of trill and step calls compared to other frequency modulated 50 kHz subtypes. The purpose of this study was to investigate the effect of drug administration route and the role of the nucleus accumbens shell in amphetamine-induced 50 kHz call profile in the rat. Three experiments investigated this by using subcutaneous and intra-accumbens microinjections of amphetamine, as well as procaine (a local anesthetic) blockade of the nucleus accumbens. Ultrasonic vocalizations were recorded digitally from 24 rats and were analysed for sonographic structure based on general call parameters. The results of the three experiments were partially supportive of the hypotheses. Systemic amphetamine was found to induce greater bandwidth in 50 kHz calling compared to spontaneous calls in a vehicle condition. Systemic amphetamine was also found to preferentially increase the proportion of trill and step subtypes compared to vehicle. Moreover, there was no difference in the proportions of 50 kHz subtypes resulting from intracerebral or systemic application of amphetamine. There was, however, a significant difference for bandwidth, with systemic amphetamine inducing greater bandwidth over intraaccumbens application. Procaine blockade of the nucleus accumbens shell paired with subcutaneous amphetamine produced no difference in bandwidth of calls compared with those after a vehicle pre-treatment similarly paired. There was no reduction in the proportions of trill and step 50 kHz subtypes as well, with the procaine condition showing significantly greater proportion of step calls. The results of the study support a role for the iii nucleus accumbens shell in the amphetamine-induced changes on 50 kHz call profile. They also indicate there are more regions and pathways involved in generating 50 kHz calls than the projections from the ventral tegmental area to the nucleus accumbens. The implications of this work are that frequency modulated 50 kHz subtypes may be generated by distinct neurophysiological mechanisms and may represent a profitable avenue for investigating different circuits of 50 kHz call categories in the rat.

Exploring Body-Related Experiences among Individuals with Spinal Cord Injury

Using modified constructivist grounded theory, the purpose of the present study was to explore body-related experiences, specifically body image, in people with spinal cord injury. A total of nine participants (five women, four men) who had a broad range of body image experiences (from very negative to very positive) were interviewed. Most participants explained experiencing a fluctuating body image that varied from day-to-day. Negative body image experiences were represented by appearance, weight concerns, and function with all body image experiences encompassed by self-presentational concerns and tactics (an unanticipated finding). Positive body image was represented by acceptance, appreciation and gratitude of the body. Interestingly, negative body image experiences were not found to be represented by the opposite of positive body image experiences as they were each distinct. These findings have direct implications for medical professionals in hospital and rehabilitation settings to understand the importance of body image after spinal cord injury.

The role of microRNAs and retinoid signaling during spinal cord regeneration in the adult newt.

The molecular events after spinal cord injury that lead to the establishment of a permissive environment and epimorphic regeneration remain unclear. Two molecular pathway regulators that may converge to create a spinal cord regeneration-permissive environment in the urodele are retinoic acid (RA) and microRNAs (miRNAs). Recent evidence suggests that RARβ-mediated signaling is necessary for tail and caudal spinal cord regeneration in the adult newt. MicroRNAs are attractive candidates as mediators of retinoid signaling during regeneration, as their pleiotropic effects are vital in situations where global changes in gene expression are required. Thus, the overall aim of this thesis was to determine if miRNAs are involved in tail and caudal spinal cord regeneration in the adult newt, and if they act as regulators and/or effectors of retinoid signaling during this process. I have demonstrated here, for the first time, that multiple miRNAs are dysregulated in response to spinal cord injury in the adult newt, as well as in response to inhibition of retinoid signaling. Two of these miRNAs, miR-133a and miR-1, appear to target RARβ2 transcripts both in vivo and in vitro. Inhibition of RA signaling via RARβ with a selective antagonist, LE135, alters the pattern of expression of these miRNAs, which leads to an inhibition of tail regeneration. These data are indicative of a negative feed back loop, albeit potentially an indirect one. I also aimed to examine which miRNAs are affected by inhibiting RA synthesis during regeneration, and provided a long list of miRNAs that are dysregulated. These data provide the foundation for future studies on the putative roles of these miRNAs, as well as their function in retinoid signaling. Overall, these studies provide the first evidence for a role for miRNAs as mediators of retinoid signaling during caudal spinal cord regeneration in any system.

Les mécanismes synaptiques et intrinsèques qui sous-tendent l’activité des cellules réticulospinales (RS) en réponse à une stimulation sensorielle de type cutané chez la lamproie

Chez diverses espèces animales, les informations sensorielles peuvent déclencher la locomotion. Ceci nécessite l’intégration des informations sensorielles par le système nerveux central. Chez la lamproie, les réseaux locomoteurs spinaux sont activés et contrôlés par les cellules réticulospinales (RS), système descendant le plus important. Ces cellules reçoivent des informations variées provenant notamment de la périphérie. Une fois activées par une brève stimulation cutanée d’intensité suffisante, les cellules RS produisent des dépolarisations soutenues de durées variées impliquant des propriétés intrinsèques calcium-dépendantes et associées à l’induction de la nage de fuite. Au cours de ce doctorat, nous avons voulu savoir si les afférences synaptiques ont une influence sur la durée des dépolarisations soutenues et si l’ensemble des cellules RS partagent des propriétés d’intégration similaires, impliquant possiblement les réserves de calcium internes. Dans un premier temps, nous montrons pour la première fois qu’en plus de dépendre des propriétés intrinsèques des cellules réticulospinales, les dépolarisations soutenues dépendent des afférences excitatrices glutamatergiques, incluant les afférences spinales, pour perdurer pendant de longues périodes de temps. Les afférences cutanées ne participent pas au maintien des dépolarisations soutenues et les afférences inhibitrices glycinergique et GABAergiques ne sont pas suffisantes pour les arrêter. Dans un deuxième temps, nous montrons que suite à une stimulation cutanée, l’ensemble des cellules RS localisées dans les quatre noyaux réticulés possèdent un patron d’activation similaire et elles peuvent toutes produire des dépolarisations soutenues dont le maintien ne dépend pas des réserves de calcium internes. Enfin, les résultats obtenus durant ce doctorat ont permis de mieux comprendre les mécanismes cellulaires par lesquels l’ensemble des cellules RS intègrent une brève information sensorielle et la transforment en une réponse soutenue associée à une commande motrice.

Anatomo-functional magnetic resonance imaging of the spinal cord and its application to the characterization of spinal lesions in cats

Les lésions de la moelle épinière ont un impact significatif sur la qualité de la vie car elles peuvent induire des déficits moteurs (paralysie) et sensoriels. Ces déficits évoluent dans le temps à mesure que le système nerveux central se réorganise, en impliquant des mécanismes physiologiques et neurochimiques encore mal connus. L'ampleur de ces déficits ainsi que le processus de réhabilitation dépendent fortement des voies anatomiques qui ont été altérées dans la moelle épinière. Il est donc crucial de pouvoir attester l'intégrité de la matière blanche après une lésion spinale et évaluer quantitativement l'état fonctionnel des neurones spinaux. Un grand intérêt de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est qu'elle permet d'imager de façon non invasive les propriétés fonctionnelles et anatomiques du système nerveux central. Le premier objectif de ce projet de thèse a été de développer l'IRM de diffusion afin d'évaluer l'intégrité des axones de la matière blanche après une lésion médullaire. Le deuxième objectif a été d'évaluer dans quelle mesure l'IRM fonctionnelle permet de mesurer l'activité des neurones de la moelle épinière. Bien que largement appliquées au cerveau, l'IRM de diffusion et l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière sont plus problématiques. Les difficultés associées à l'IRM de la moelle épinière relèvent de sa fine géométrie (environ 1 cm de diamètre chez l'humain), de la présence de mouvements d'origine physiologique (cardiaques et respiratoires) et de la présence d'artefacts de susceptibilité magnétique induits par les inhomogénéités de champ, notamment au niveau des disques intervertébraux et des poumons. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer des méthodes permettant de contourner ces difficultés. Ce développement a notamment reposé sur l'optimisation des paramètres d'acquisition d'images anatomiques, d'images pondérées en diffusion et de données fonctionnelles chez le chat et chez l'humain sur un IRM à 3 Tesla. En outre, diverses stratégies ont été étudiées afin de corriger les distorsions d'images induites par les artefacts de susceptibilité magnétique, et une étude a été menée sur la sensibilité et la spécificité de l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière. Les résultats de ces études démontrent la faisabilité d'acquérir des images pondérées en diffusion de haute qualité, et d'évaluer l'intégrité de voies spinales spécifiques après lésion complète et partielle. De plus, l'activité des neurones spinaux a pu être détectée par IRM fonctionnelle chez des chats anesthésiés. Bien qu'encourageants, ces résultats mettent en lumière la nécessité de développer davantage ces nouvelles techniques. L'existence d'un outil de neuroimagerie fiable et robuste, capable de confirmer les paramètres cliniques, permettrait d'améliorer le diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de lésions médullaires. Un des enjeux majeurs serait de suivre et de valider l'effet de diverses stratégies thérapeutiques. De telles outils représentent un espoir immense pour nombre de personnes souffrant de traumatismes et de maladies neurodégénératives telles que les lésions de la moelle épinière, les tumeurs spinales, la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique.

Src family kinases are required for limb trajectory selection by spinal motor axons

Signal relay by guidance receptors at the axonal growth cone is a process essential for the assembly of a functional nervous system. We investigated the in vivo function of Src family kinases (SFKs) as growth cone guidance signaling intermediates in the context of spinal lateral motor column (LMC) motor axon projection toward the ventral or dorsal limb mesenchyme. Using in situ mRNA detection we determined that Src and Fyn are expressed in LMC motor neurons of chick and mouse embryos at the time of limb trajectory selection. Inhibition of SFK activity by C-terminal Src kinase (Csk) overexpression in chickLMCaxons using in ovo electroporation resulted inLMC axons selecting the inappropriate dorsoventral trajectory within the limb mesenchyme, with medial LMC axon projecting into the dorsal and ventral limb nerve with apparently random incidence. We also detected LMC axon trajectory choice errors in Src mutant mice demonstrating a nonredundant role for Src in motor axon guidance in agreement with gain and loss of Src function in chickLMCneurons which led to the redirection ofLMCaxons. Finally, Csk-mediated SFK inhibition attenuated the retargeting ofLMCaxons caused by EphA or EphB over-expression, implying the participation of SFKs in Eph-mediated LMC motor axon guidance. In summary, our findings demonstrate that SFKs are essential for motor axon guidance and suggest that they play an important role in relaying ephrin:Eph signals that mediate the selection of motor axon trajectory in the limb.

Caractérisation spatiale des syncytia formés par le couplage des astrocytes du noyau sensoriel principal du nerf trijumeau en fonction de la concentration de calcium extracellulaire.

Le mouvement masticatoire est généré et coordonné par un générateur de patron central (GPC) situé au niveau du pont. Plusieurs résultats antérieurs de notre laboratoire soutiennent que le réseau de neurones à l’origine de la rythmogénèse est situé dans le noyau sensoriel principal du nerf trijumeau (NVsnpr). Ces mêmes expériences révèlent que des diminutions de la concentration calcique extracellulaire ([Ca2+]e) tiennent une place importante dans la génération des bouffées de décharges des neurones de cette région. Notre laboratoire tente de vérifier si la contribution des astrocytes à l’homéostasie de la concentration calcique extracellulaire est impliquée dans la genèse du rythme. Cette étude a pour but la caractérisation spatiale du syncytium astrocytaire au sein du NVsnpr dorsal et l’étude de l’effet de la [Ca2+]e sur les propriétés astrocytaires électrophysiologiques et de connectivité. Nous avons utilisés pour ce faire la technique d’enregistrement par patch-clamp sur une préparation en tranche de tronc cérébral de rat. Nous démontrons ici que la diminution de la [Ca2+]e n’affecte pas les propriétés électrophysiologiques astrocytaires, mais induit une augmentation de la taille du syncytium. De plus, nous établissons l’existence au sein du NVsnpr dorsal d’une organisation anatomofonctionnelle du réseau astrocytaire calquée sur l’organisation neuronale.

Functional organization of cutaneous reflex pathways during locomotion and reorganization following peripheral nerve and/or spinal cord lesions

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Contrôle cortico-spinal des mouvements volontaires du coude

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité.

Rôle du système du trijumeau dans la locomotion chez le nouveau-né d’opossum (Monodelphis domestica)

L’opossum Monodelphis domestica naît très immature et grimpe sans aide de la mère, du sinus urogénital à une mamelle où il va s’attacher pour poursuivre son développement. Des informations sensorielles sont nécessaires pour guider le nouveau-né vers la mamelle et les candidats les plus probables sont le toucher, l’équilibre et l’olfaction. Pour tester l’action des différents systèmes sur la motricité chez l’opossum nouveau-né, des régions céphaliques du trijumeau, du vestibulaire et de l’olfaction ont été stimulées électriquement sur des préparations in vitro en comparaison avec une stimulation seuil T (intensité minimale de la stimulation à la moelle épinière cervicale induisant le mouvement des membres antérieurs). Par comparaison, un mouvement similaire était induit par des stimulations à ~2T du ganglion du trijumeau, à ~20 T du complexe vestibulaire, et à ~600 T des bulbes olfactifs. L’étude de l'innervation de la peau faciale et des voies relayant les informations du trijumeau vers la moelle épinière (ME) a été approfondie en utilisant de l’immunohistochimie pour les neurofilament-200 et du traçage rétrograde avec du Texas-Red couplé à des Dextrans Aminés. De nombreuses fibres nerveuses ont été révélées dans le derme de plusieurs régions de la tête. Quelques cellules du ganglion trigéminal projettent à la ME rostrale, mais la majorité projette vers la médulla caudale où se trouvent les neurones secondaires du trijumeau ou des cellules réticulospinales. Les résultats de cette étude indiquent une influence significative des systèmes du trijumeau et du vestibulaire, mais pas de l'olfaction, sur le mouvement des membres antérieurs des opossums nouveau-nés.