Role of protein kinase C and NF-kappa B in proteolysis-inducing factor-induced proteasome expression in C2C12 myotubes

Proteolysis-inducing factor (PIF) is a sulphated glycoprotein produced by cachexia-inducing tumours, which initiates muscle protein degradation through an increased expression of the ubiquitin–proteasome proteolytic pathway. The role of kinase C (PKC) in PIF-induced proteasome expression has been studied in murine myotubes as a surrogate model of skeletal muscle. Proteasome expression induced by PIF was attenuated by 4alpha-phorbol 12-myristate 13-acetate (100 nM) and by the PKC inhibitors Ro31-8220 (10 muM), staurosporine (300 nM), calphostin C (300 nM) and Gö 6976 (200 muM). Proteolysis-inducing factor-induced activation of PKCalpha, with translocation from the cytosol to the membrane at the same concentration as that inducing proteasome expression, and this effect was attenuated by calphostin C. Myotubes transfected with a constitutively active PKCalpha (pCO2) showed increased expression of proteasome activity, and a longer time course, compared with their wild-type counterparts. In contrast, myotubes transfected with a dominant-negative PKCalpha (pKS1), which showed no activation of PKCalpha in response to PIF, exhibited no increase in proteasome activity at any time point. Proteolysis-inducing factor-induced proteasome expression has been suggested to involve the transcription factor nuclear factor-kappaB (NF-kappaB), which may be activated through PKC. Proteolysis-inducing factor induced a decrease in cytosolic I-kappaBalpha and an increase in nuclear binding of NF-kappaB in pCO2, but not in pKS1, and the effect in wild-type cells was attenuated by calphostin C, confirming that it was mediated through PKC. This suggests that PKC may be involved in the phosphorylation and degradation of I-kappaBalpha, induced by PIF, necessary for the release of NF-kappaB from its inactive cytosolic complex.

Signal transduction pathways involved in proteolysis-inducing factor induced proteasome expression in murine myotubes

The proteolysis-inducing factor (PIF) is produced by cachexia-inducing tumours and initiates protein catabolism in skeletal muscle. The potential signalling pathways linking the release of arachidonic acid (AA) from membrane phospholipids with increased expression of the ubiquitin-proteasome proteolytic pathway by PIF has been studied using C2C12 murine myotubes as a surrogate model of skeletal muscle. The induction of proteasome activity and protein degradation by PIF was blocked by quinacrine, a nonspecific phospholipase A2 (PLA2) inhibitor and trifluroacetyl AA, an inhibitor of cytosolic PLA2. PIF was shown to increase the expression of calcium-independent cytosolic PLA2, determined by Western blotting, at the same concentrations as those inducing maximal expression of 20S proteasome α-subunits and protein degradation. In addition, both U-73122, which inhibits agonist-induced phospholipase C (PLC) activation and D609, a specific inhibitor of phosphatidylcholine-specific PLC also inhibited PIF-induced proteasome activity. This suggests that both PLA 2 and PLC are involved in the release of AA in response to PIF, and that this is important in the induction of proteasome expression. The two tyrosine kinase inhibitors genistein and tryphostin A23 also attenuated PIF-induced proteasome expression, implicating tyrosine kinase in this process. PIF induced phosphorylation of p44/42 mitogen-activated protein kinase (MAPK) at the same concentrations as that inducing proteasome expression, and the effect was blocked by PD98059, an inhibitor of MAPK kinase, as was also the induction of proteasome expression, suggesting a role for MAPK activation in PIF-induced proteasome expression. © 2003 Cancer Research UK.

The effects of government disability benefits, accessibility laws and rehabilitation on employment choices by individuals with spinal cord injuries

Greater inclusion of individuals with disabilities into mainstream society is an important goal for society. One of the best ways to include individuals is to actively promote and encourage their participation in the labor force. Of all disabilities, it is feasible to assume that individual with spinal cord injuries can be among the most easily mainstreamed into the labor force. However, less that fifty percent of individuals with spinal cord injuries work. ^ This study focuses on how disability benefit programs, such as Social Security Disability Insurance, and Worker's Compensation, the Americans with Disabilities Act and rehabilitation programs affect employment decisions. The questions were modeled using utility theory with an augmented expenditure function and indifference theory. Statically, Probit, Logit, predicted probability, and linear regressions were used to analyze these questions. Statistical analysis was done on the probability of working, ever attempting to work after injury, and on the number of years after injury that work was first attempted and the number of hours worked per week. The data utilized were from the National Spinal Cord Injury Database and the Spinal Cord Injuries and Labor Database. The Spinal Cord Injuries and Labor Database was created specifically for this study by the author. Receiving disability benefits decreased the probability of working, of ever attempting to work, increased the number of years after injury before the first work attempt was made, and decreased the number of hours worked per week for those individuals working. These results were all statistically significant. The Americans with Disabilities Act decrease the number of years before an individual made a work attempt. The decrease is statistically significant. The amount of rehabilitation had a significant positive effect for male individuals with low paraplegia, and significant negative effect for individuals with high tetraplegia. For women, there were significant negative effects for high tetraplegia and high paraplegia. ^ This study finds that the financial disincentives of receiving benefits are the major determinants of whether an individual with a spinal cord injury returns to the labor force. Policies are recommended that would decrease the disincentive. ^

The effects of government disability benefits, accessibility laws and rehabilitation on employment choices by individuals with spinal cord injuries

Greater inclusion of individuals with disabilities into mainstream society is an important goal for society. One of the best ways to include individuals is to actively promote and encourage their participation in the labor force. Of all disabilities, it is feasible to assume that individual with spinal cord injuries can be among the most easily mainstreamed into the labor force. However, less that fifty percent of individuals with spinal cord injuries work. This study focuses on how disability benefit programs, such as Social Security Disability Insurance, and Worker's Compensation, the Americans with Disabilities Act and rehabilitation programs affect employment decisions. The questions were modeled using utility theory with an augmented expenditure function and indifference theory. Statically, Probit, Logit, predicted probability, and linear regressions were used to analyze these questions. Statistical analysis was done on the probability of working, ever attempting to work after injury, and on the number of years after injury that work was first attempted and the number of hours worked per week. The data utilized were from the National Spinal Cord Injury Database and the Spinal Cord Injuries and Labor Database. The Spinal Cord Injuries and Labor Database was created specifically for this study by the author. Receiving disability benefits decreased the probability of working, of ever attempting to work, increased the number of years after injury before the first work attempt was made, and decreased the number of hours worked per week for those individuals working. These results were all statistically significant. The Americans with Disabilities Act decrease the number of years before an individual made a work attempt. The decrease is statistically significant. The amount of rehabilitation had a significant positive effect for male individuals with low paraplegia, and significant negative effect for individuals with high tetraplegia. For women, there were significant negative effects for high tetraplegia and high paraplegia. This study finds that the financial disincentives of receiving benefits are the major determinants of whether an individual with a spinal cord injury returns to the labor force. Policies are recommended that would decrease the disincentive.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Transcription-Coupled DNA Supercoiling in Escherichia Coli: Mechanisms and Biological Functions

Transcription by RNA polymerase can induce the formation of hypernegatively supercoiled DNA both in vivo and in vitro. This phenomenon has been explained by a “twin-supercoiled-domain” model of transcription where a positively supercoiled domain is generated ahead of the RNA polymerase and a negatively supercoiled domain behind it. In E. coli cells, transcription-induced topological change of chromosomal DNA is expected to actively remodel chromosomal structure and greatly influence DNA transactions such as transcription, DNA replication, and recombination. In this study, an IPTG-inducible, two-plasmid system was established to study transcription-coupled DNA supercoiling (TCDS) in E. coli topA strains. By performing topology assays, biological studies, and RT-PCR experiments, TCDS in E. coli topA strains was found to be dependent on promoter strength. Expression of a membrane-insertion protein was not needed for strong promoters, although co-transcriptional synthesis of a polypeptide may be required. More importantly, it was demonstrated that the expression of a membrane-insertion tet gene was not sufficient for the production of hypernegatively supercoiled DNA. These phenomenon can be explained by the “twin-supercoiled-domain” model of transcription where the friction force applied to E. coli RNA polymerase plays a critical role in the generation of hypernegatively supercoiled DNA. Additionally, in order to explore whether TCDS is able to greatly influence a coupled DNA transaction, such as activating a divergently-coupled promoter, an in vivo system was set up to study TCDS and its effects on the supercoiling-sensitive leu-500 promoter. The leu-500 mutation is a single A-to-G point mutation in the -10 region of the promoter controlling the leu operon, and the AT to GC mutation is expected to increase the energy barrier for the formation of a functional transcription open complex. Using luciferase assays and RT-PCR experiments, it was demonstrated that transient TCDS, “confined” within promoter regions, is responsible for activation of the coupled transcription initiation of the leu-500 promoter. Taken together, these results demonstrate that transcription is a major chromosomal remodeling force in E. coli cells.

Effect of short-term creatine supplementation on markers of skeletal muscle damage after strenuous contractile activity

The protective effect of short-term creatine supplementation (CrS) upon markers of strenuous contractile activity-induced damage in human and rat skeletal muscles was investigated. Eight Ironman triathletes were randomized into the placebo (Pl; n = 4) and creatine-supplemented (CrS; n = 4) groups. Five days prior to the Ironman competition, the CrS group received creatine monohydrate (20 g day(-1)) plus maltodextrin (50 g) divided in two equal doses. The Pl group received maltodextrin (50 g day(-1)) only. The effect of CrS (5 g day(-1)/kg body weight for 5 days) was also evaluated in a protocol of strenuous contractile activity induced by electrical stimulation in rats. Blood samples were collected before and 36 and 60 h after the competition and were used to determine plasma activities of creatine kinase (CK), lactate dehydrogenase (LDH), aldolase (ALD), glutamic oxaloacetic acid transaminase (GOT), glutamic pyruvic acid transaminase (GPT), and C-reactive protein (CRP) level. In rats, plasma activities of CK and LDH, muscle vascular permeability (MVP) using Evans blue dye, muscle force and fatigue were evaluated. Activities of CK, ALD, LDH, GOT, GTP, and levels of CRP were increased in the Pl group after the competition as compared to basal values. CrS decreased plasma activities of CK, LDH, and ALD, and prevented the rise of GOT and GPT plasma activities. In rats, CrS delayed the fatigue, preserved the force, and prevented the rise of LDH and CK plasma activities and MVP in the gastrocnemius muscle. CrS presented a protective effect on muscle injury induced by strenuous contractile activities.

Models of passive and active dendrite motoneuron pools and their differences in muscle force control

Motoneuron (MN) dendrites may be changed from a passive to an active state by increasing the levels of spinal cord neuromodulators, which activate persistent inward currents (PICs). These exert a powerful influence on MN behavior and modify the motor control both in normal and pathological conditions. Motoneuronal PICs are believed to induce nonlinear phenomena such as the genesis of extra torque and torque hysteresis in response to percutaneous electrical stimulation or tendon vibration in humans. An existing large-scale neuromuscular simulator was expanded to include MN models that have a capability to change their dynamic behaviors depending on the neuromodulation level. The simulation results indicated that the variability (standard deviation) of a maintained force depended on the level of neuromodulatory activity. A force with lower variability was obtained when the motoneuronal network was under a strong influence of PICs, suggesting a functional role in postural and precision tasks. In an additional set of simulations when PICs were active in the dendrites of the MN models, the results successfully reproduced experimental results reported from humans. Extra torque was evoked by the self-sustained discharge of spinal MNs, whereas differences in recruitment and de-recruitment levels of the MNs were the main reason behind torque and electromyogram (EMG) hysteresis. Finally, simulations were also used to study the influence of inhibitory inputs on a MN pool that was under the effect of PICs. The results showed that inhibition was of great importance in the production of a phasic force, requiring a reduced co-contraction of agonist and antagonist muscles. These results show the richness of functionally relevant behaviors that can arise from a MN pool under the action of PICs.

Development of a multi-scale finite element model of the osteoporotic lumbar vertebral body for the investigation of apparent level vertebra mechanics and micro-level trabecular mechanics.

Osteoporotic spinal fractures are a major concern in ageing Western societies. This study develops a multi-scale finite element (FE) model of the osteoporotic lumbar vertebral body to study the mechanics of vertebral compression fracture at both the apparent (whole vertebral body) and micro-structural (internal trabecular bone core)levels. Model predictions were verified against experimental data, and found to provide a reasonably good representation of the mechanics of the osteoporotic vertebral body. This novel modelling methodology will allow detailed investigation of how trabecular bone loss in osteoporosis affects vertebral stiffness and strength in the lumbar spine.

Polycaprolactone-based scaffold plus recombinant human bone morphogenic protein rhBMP-2) in a sheep thoracic spine fusion model

Adolescent idiopathic scoliosis is a complex three dimensional deformity affecting 2-3% of the general population. The resulting spinal deformity consists of coronal curvature, hypokyphosis of the thoracic spine and vertebral rotation in the axial plane with posterior elements turned into the curve concavity. The potential for curve progression is heightened during the adolescent growth spurt. Success of scoliosis deformity correction depends on solid bony fusion between adjacent vertebrae after the intervertebral (IV) discs have been surgically cleared and the disc spaces filled with graft material. Recently a bioactive and resorbable scaffold fabricated from medical grade polycaprolactone has been developed for bone regeneration at load bearing sites. Combined with rhBMP-2, this has been shown to be successful in acting as a bone graft substitute in a porcine lumbar interbody fusion model when compared to autologous bone graft alone. The study aimed to establish a large animal thoracic spine interbody fusion model, develop spine biodegradable scaffolds (PCL) in combination with biologics (rhBMP-2) and to establish a platform for research into spine tissue engineering constructs. Preliminary results demonstrate higher grades of radiologically evident bony fusion across all levels when comparing fusion scores between the 3 and 6 month postop groups at the PCL CaP coated scaffold level, which is observed to be a similar grade to autograft, while no fusion is seen at the scaffold only level. Results to date suggest that the combination of rhBMP-2 and scaffold engineering actively promotes bone formation, laying the basis of a viable tissue engineered constructs.