THE INFLUENCE OF LENGTH CHANGE SPEED AND DIRECTION ON DYNAMIC FUNCTION POTENTIATION IN FAST MOUSE MUSCLE

The purpose of this study was to test the hypothesis that the potentiation of dynamic function was dependent upon both length change speed and direction. Mouse EDL was cycled in vitro (250 C) about optimal length (Lo) with constant peak strain (± 2.5% Lo) at 1.5,3.3 and 6.9 Hz before and after a conditioning stimulus. A single pulse was applied during shortening or lengthening and peak dynamic (concentric or eccentric) forces were assessed at Lo. Stimulation increased peak concentric force at all frequencies (range: 19±1 to 30 ± 2%) but this increase was proportional to shortening speed, as were the related changes to concentric work/power (range: -15 ± 1 to 39 ± 1 %). In contrast, stimulation did not increase eccentric force, work or power at any frequency. Thus, results reveal a unique hysteresis like effect for the potentiation of dynamic output wherein concentric and eccentric forces increase and decrease, respectively, with work cycle frequency.

Phosphorylation of Skeletal Muscle Pyruvate Dehydrogenase Phosphatase in Response to Insulin Stimulation

Pyruvate dehydrogenase phosphatase (PDP) regulates carbohydrate oxidation through the pyruvate dehydrogenase (PDH) complex. PDP activates PDH, enabling increased carbohydrate flux towards oxidative energy production. In culture myoblasts, both PDP1 and PDP2 undergo covalent activation in response to insulin–stimulation by protein kinase C delta (PKCδ). Our objective was to examine the effect of insulin on PDP phosphorylation and PDH activation in skeletal muscle. Intact rat extensor digitorum longus muscles were incubated (oxygenated at 25°C, 1g of tension) for 30min in basal or insulin–stimulated (10 mU/mL) media. PDH activity increased 58% following stimulation, (p=0.057, n=11). Serine phosphorylation of PDP1 (p=0.047) and PDP2 (p=0.006) increased by 29% and 48%, respectively (n=8), and mitochondrial PKCδ protein content was enriched by 45% in response to stimulation (p=0.0009, n=8). These data suggest that the insulin–stimulated increase in PDH activity in whole tissue is mediated through mitochondrial migration of PKCδ and subsequent PDP phosphorylation.

The effect of perturbation warning on attention switching abilities during dual-task performance in young and older adults

This study examined whether providing an auditory warning would facilitate attention switching abilities in older adults during dual-tasking. Fifteen young and 16 older adults performed a tracking task while recovering their balance from a support surface translation. For half of the trials, an auditory warning was presented to inform participants of the upcoming translation. Performance was quantified through electromyographic (EMG) recordings of the lower limb muscles, while the ability to switch attention between tasks was determined by tracking task error. Providing warning of an upcoming loss of balance resulted in both young and older adults increasing their leg EMG activity by 10-165% (p<0.05) in preparation for the upcoming translation. However, no differences in the timing of attention switching were observed with or without the warning (p=0.424). Together, these findings suggest that providing a perturbation warning has minimal benefits in improving attention switching abilities for balance recovery in healthy older adults.

The electromyographic threshold in children: Differences in neuromuscular activation during progressive exercise between boys and men

The electromyographic threshold (EMGTh), defined as an upward inflexion in the rising EMG signal during progressive exercise, is thought to reflect the onset of increased type-II MU recruitment. The study’s objective was to compare the relative exercise intensity at which the EMGTh occurs in boys vs. men. Participants included 21 men (23.4±4.1 yrs) and 23 boys (11.1±1.1 yrs). Ramped cycle-ergometry was conducted to volitional exhaustion with surface EMG recorded from the vastus lateralis muscles. The EMGTh was mathematically determined using a composite of both legs. EMGTh was detected in 95.2% of the men and in 78.3% of the boys (χ2(1, n=44) =2.69, p =.10). The boys’ EMGTh was significantly higher than the men’s (86.4±9.6 vs. 79.7±10.0% of peak power-output at exhaustion; p <.05). These findings suggest that boys activate their type-II MUs to a lesser extent than men during progressive exercise and support the hypothesis of differential child–adult MU activation.

Mode of action of a Drosophila FMRFamide in inducing muscle contraction

Drosophila melanogaster is a model system for examining the mechanisms of action of neuropeptides. DPKQDFMRFamide was previously shown to induce contractions in Drosophila body wall muscle fibres in a Ca(2+)-dependent manner. The present study examined the possible involvement of a G-protein-coupled receptor and second messengers in mediating this myotropic effect after removal of the central nervous system. DPKQDFMRFamide-induced contractions were reduced by 70% and 90%, respectively, in larvae with reduced expression of the Drosophila Fmrf receptor (FR) either ubiquitously or specifically in muscle tissue, compared with the response in control larvae in which expression was not manipulated. No such effect occurred in larvae with reduced expression of this gene only in neurons. The myogenic effects of DPKQDFMRFamide do not appear to be mediated through either of the two Drosophila myosuppressin receptors (DmsR-1 and DmsR-2). DPKQDFMRFamide-induced contractions were not reduced in Ala1 transgenic flies lacking activity of calcium/calmodulin-dependent protein kinase (CamKII), and were not affected by the CaMKII inhibitor KN-93. Peptide-induced contractions in the mutants of the phospholipase C-β (PLCβ) gene (norpA larvae) and in IP3 receptor mutants were similar to contractions elicited in control larvae. The peptide failed to increase cAMP and cGMP levels in Drosophila body wall muscles. Peptide-induced contractions were not potentiated by 3-isobutyl-1-methylxanthine, a phosphodiesterase inhibitor, and were not antagonized by inhibitors of cAMP-dependent or cGMP-dependent protein kinases. Additionally, exogenous application of arachidonic acid failed to induce myogenic contractions. Thus, DPKQDFMRFamide induces contractions via a G-protein coupled FMRFamide receptor in muscle cells but does not appear to act via cAMP, cGMP, IP3, PLC, CaMKII or arachidonic acid.

The electromyographic threshold in boys and men

Abstract Background Children have been shown to have higher lactate (LaTh) and ventilatory (VeTh) thresholds than adults, which might be explained by lower levels of type-II motor-unit (MU) recruitment. However, the electromyographic threshold (EMGTh), regarded as indicating the onset of accelerated type-II MU recruitment, has been investigated only in adults. Purpose To compare the relative exercise intensity at which the EMGTh occurs in boys versus men. Methods Participants were 21 men (23.4 ± 4.1 years) and 23 boys (11.1 ± 1.1 years), with similar habitual physical activity and peak oxygen consumption (VO2pk) (49.7 ± 5.5 vs. 50.1 ± 7.4 ml kg−1 min−1, respectively). Ramped cycle ergometry was conducted to volitional exhaustion with surface EMG recorded from the right and left vastus lateralis muscles throughout the test (~10 min). The composite right–left EMG root mean square (EMGRMS) was then calculated per pedal revolution. The EMGTh was then determined as the exercise intensity at the point of least residual sum of squares for any two regression line divisions of the EMGRMS plot. Results EMGTh was detected in 20/21 of the men (95.2 %) and only in 18/23 of the boys (78.3 %). The boys’ EMGTh was significantly higher than the men’s (86.4 ± 9.6 vs. 79.7 ± 10.0 % of peak power output at exhaustion; p < 0.05). The pattern was similar when EMGTh was expressed as percentage of VO2pk. Conclusions The boys’ higher EMGTh suggests delayed and hence lesser utilization of type-II MUs in progressive exercise, compared with men. The boys–men EMGTh differences were of similar magnitude as those shown for LaTh and VeTh, further suggesting a common underlying factor.

Do Neuro-Muscular Adaptations Occur in Endurance-Trained Boys and Men?

Most research on the effects of endurance training has focused on endurance training's health-related benefits and metabolic effects in both children and adults. The purpose of this study was to examine the neuromuscular effects of endurance training and to investigate whether they differ in children (9.0-12.9 years) and adults (18.4-35.6 years). Maximal isometric torque, rate of torque development (RTD), rate of muscle activation (Q30), electromechanical delay (EMD), and time to peak torque and peak RTD were determined by isokinetic dynamometry and surface electromyography (EMG) in elbow and knee flexion and extension. The subjects were 12 endurance-trained and 16 untrained boys, and 15 endurance-trained and 20 untrained men. The adults displayed consistently higher peak torque, RTD, and Q30, in both absolute and normalized values, whereas the boys had longer EMD (64.7+/-17.1 vs. 56.6+/-15.4 ms) and time to peak RTD (98.5+/-32.1 vs. 80.4+/-15.0 ms for boys and men, respectively). Q30, normalized for peak EMG amplitude, was the only observed training effect (1.95+/-1.16 vs. 1.10+/-0.67 ms for trained and untrained men, respectively). This effect could not be shown in the boys. The findings show normalized muscle strength and rate of activation to be lower in children compared with adults, regardless of training status. Because the observed higher Q30 values were not matched by corresponding higher performance measures in the trained men, the functional and discriminatory significance of Q30 remains unclear. Endurance training does not appear to affect muscle strength or rate of force development in either men or boys.

Myosin Regulatory Light Chain Phosphorylation and Its Effect on the Contractile Economy of Mouse Fast Muscle

Activated by elevations in myoplasmic calcium concentration, myosin light chain kinase (skMLCK) phosphorylates the regulatory light chains (RLCs) of fast muscle myosin. This covalent modification potentiates force production, but requires an investment of ATP. Our objective was to investigate the effect of RLC phosphorylation on the contractile economy (mechanical output:metabolic input) of fast twitch skeletal muscle. Extensor digitorum longus muscles isolated from Wildtype and skMLCK-/- mice mounted in vitro (25°C) were subjected to repetitive low-frequency stimulation (10Hz,15s) known to cause activation of skMLCK, and staircase potentiation of force. With a 3-fold increase in RLC phosphate content, Wildtype generated 44% more force than skMLCK-/- muscles over the stimulation period (P = .002), without an accompanied increase in energy cost (P = .449). Overall, the contractile economy of Wildtype muscles, with an intact RLC phosphorylation mechanism, was 73% greater than skMLCK /- muscles (P = .043), demonstrating an important physiological function of skMLCK during repetitive contractile activity.

Force potentiation as a modulator of contractile performance: Implications for control of skeletal muscle force and energetics of work

This thesis investigated the modulation of dynamic contractile function and energetics of work by posttetanic potentiation (PTP). Mechanical experiments were conducted in vitro using software-controlled protocols to stimulate/determine contractile function during ramp shortening, and muscles were frozen during parallel incubations for biochemical analysis. The central feature of this research was the comparison of fast hindlimb muscles from wildtype and skeletal myosin light chain kinase knockout (skMLCK-/-) mice that does not express the primary mechanism for PTP: myosin regulatory light chain (RLC) phosphorylation. In contrast to smooth/cardiac muscles where RLC phosphorylation is indispensable, its precise physiological role in skeletal muscle is unclear. It was initially determined that tetanic potentiation was shortening speed dependent, and this sensitivity of the PTP mechanism to muscle shortening extended the stimulation frequency domain over which PTP was manifest. Thus, the physiological utility of RLC phosphorylation to augment contractile function in vivo may be more extensive than previously considered. Subsequent experiments studied the contraction-type dependence for PTP and demonstrated that the enhancement of contractile function was dependent on force level. Surprisingly, in the absence of RLC phosphorylation, skMLCK-/- muscles exhibited significant concentric PTP; consequently, up to ~50% of the dynamic PTP response in wildtype muscle may be attributed to an alternate mechanism. When the interaction of PTP and the catchlike property (CLP) was examined, we determined that unlike the acute augmentation of peak force by the CLP, RLC phosphorylation produced a longer-lasting enhancement of force and work in the potentiated state. Nevertheless, despite the apparent interference between these mechanisms, both offer physiological utility and may be complementary in achieving optimal contractile function in vivo. Finally, when the energetic implications of PTP were explored, we determined that during a brief period of repetitive concentric activation, total work performed was ~60% greater in wildtype vs. skMLCK-/- muscles but there was no genotype difference in High-Energy Phosphate Consumption or Economy (i.e. HEPC: work). In summary, this thesis provides novel insight into the modulatory effects of PTP and RLC phosphorylation, and through the observation of alternative mechanisms for PTP we further develop our understanding of the history-dependence of fast skeletal muscle function.

The Influence of Cerebral Blood Flow and Carbon Dioxide on Neuromuscular Responses During Environmental Stress

Although reductions in cerebral blood flow (CBF) may be implicated in the development of central fatigue during environmental stress, the contribution from hypocapnia-induced reductions in CBF versus reductions in CBF per se has yet to be isolated. The current research program examined the influence of CBF, with and without consequent hypocapnia, on neuromuscular responses during hypoxia and passive heat stress. To this end, neuromuscular responses, as indicated by motor evoked potentials (MEP), maximal M-wave (Mmax) and cortical voluntary activation (cVA) of the flexor carpi radialis muscle during isometric wrist flexion, was assessed in three separate projects: 1) hypocapnia, independent of concomitant reductions in CBF; 2) altered CBF during severe hypoxia and; 3) thermal hyperpnea-mediated reductions in CBF, independent of hypocapnia. All projects employed a custom-built dynamic end-tidal forcing system to control end-tidal PCO2 (PETCO2), independent of the prevailing environmental conditions, and cyclooxygenase inhibition using indomethacin (Indomethacin, 1.2 mg·Kg-1) to selectively reduce CBF (estimated using transcranial Doppler ultrasound) without changes in PETCO2. A primary finding of the present research program is that the excitability of the corticospinal tract is inherently sensitive to changes in PaCO2, as demonstrated by a 12% increase in MEP amplitude in response to moderate hypocapnia. Conversely, CBF mediated reductions in cerebral O2 delivery appear to decrease corticospinal excitability, as indicated by a 51-64% and 4% decrease in MEP amplitude in response to hypoxia and passive heat stress, respectively. The collective evidence from this research program suggests that impaired voluntary activation is associated with reductions in CBF; however, it must be noted that changes in cVA were not linearly correlated with changes in CBF. Therefore, other factors independent of CBF, such as increased perception of effort, distress or discomfort, may have contributed to the reductions in cVA. Despite the functional association between reductions in CBF and hypocapnia, both variables have distinct and independent influence on the neuromuscular system. Therefore, future studies should control or acknowledge the separate mechanistic influence of these two factors.

Suivi à long terme de l’efficacité d’un traitement de physiothérapie sur l'incontinence urinaire d'effort persistante en période postnatale

L’incontinence urinaire d’effort (IUE) est une condition fréquente en période postnatale pouvant affecter jusqu’à 77% des femmes. Neuf femmes sur dix souffrant d’IUE trois mois après l’accouchement, vont présenter une IUE cinq ans plus tard. Le traitement en physiothérapie de l’IUE par le biais d’un programme d’exercices de renforcement des muscles du plancher pelvien est reconnu comme étant un traitement de première ligne efficace. Les études ont prouvé l’efficacité de cette approche sur l’IUE persistante à court terme, mais les résultats de deux ECR à long terme n’ont pas démontré un maintien de l’effet de traitement. L’effet d’un programme en physiothérapie de renforcement du plancher pelvien intensif et étroitement supervisé sur l’IUE postnatale persistante avait été évalué lors d’un essai clinique randomisé il y a sept ans. Le but principal de la présente étude était d’évaluer l’effet de ce programme sept ans après la fin des interventions de l’ECR initial. Un objectif secondaire était de comparer l’effet de traitement à long terme entre un groupe ayant fait seulement des exercices de renforcement du plancher pelvien et un groupe ayant fait des exercices de renforcement du plancher pelvien et des abdominaux profonds. Un troisième objectif était d’explorer l’influence de quatre facteurs de risques sur les symptômes d’IUE et la qualité de vie à long terme. Les cinquante-sept femmes ayant complétées l’ECR initial ont été invitées à participer à l’évaluation du suivi sept ans. Vingt et une femmes ont participé à l’évaluation clinique et ont répondu à quatre questionnaires, tandis que dix femmes ont répondu aux questionnaires seulement. L’évaluation clinique incluait un pad test et la dynamométrie du plancher pelvien. La mesure d’effet primaire était un pad test modifié de 20 minutes. Les mesures d’effets secondaires étaient la dynamométrie du plancher pelvien, les symptômes d’IUE mesuré par le questionnaire Urogenital Distress Inventory, la qualité de vie mesurée par le questionnaire Incontinence Impact Questionnaire et la perception de la sévérité de l’IUE mesuré par l’Échelle Visuelle Analogue. De plus, un questionnaire portant sur quatre facteurs de risques soit, la présence de grossesses subséquentes, la v présence de constipation chronique, l’indice de masse corporel et la fréquence des exercices de renforcement du plancher pelvien de l’IUE, venait compléter l’évaluation. Quarante-huit pour-cent (10/21) des participantes étaient continentes selon de pad test. La moyenne d’amélioration entre le résultat pré-traitement et le suivi sept ans était de 26,9 g. (écart-type = 68,0 g.). Il n’y avait pas de différence significative des paramètres musculaires du plancher pelvien entre le pré-traitement, le post-traitement et le suivi sept ans. Les scores du IIQ et du VAS étaient significativement plus bas à sept ans qu’en prétraitement (IIQ : 23,4 vs 15,6, p = 0,007) et (VAS : 6,7 vs 5,1, p = 0,001). Les scores du UDI étaient plus élevés au suivi sept ans (15,6) qu’en pré-traitement (11,3, p = 0,041) et en post-traitement (5,7, p = 0,00). La poursuite des exercices de renforcement du plancher pelvien à domicile était associée à une diminution de 5,7 g. (p = 0,051) des fuites d’urine observées au pad test selon une analyse de régression linéaire. Les limites de cette étude sont ; la taille réduite de l’échantillon et un biais relié au désir de traitement pour les femmes toujours incontinentes. Cependant, les résultats semblent démontrer que l’effet du traitement à long terme d’un programme de renforcement des muscles du plancher pelvien qui est intensif et étroitement supervisé, est maintenu chez environ une femme sur deux. Bien que les symptômes d’IUE tel que mesuré par les pad test et le questionnaire UDI, semblent réapparaître avec le temps, la qualité de vie, telle que mesurée par des questionnaires, est toujours meilleure après sept qu’à l’évaluation initiale. Puisque la poursuite des exercices de renforcement du plancher pelvien est associée à une diminution de la quantité de fuite d’urine au pad test, les participantes devraient être encouragées à poursuivre leurs exercices après la fin d’un programme supervisé. Pour des raisons de logistique la collecte de donnée de ce projet de recherche s’est continuée après la rédaction de ce mémoire. Les résultats finaux sont disponibles auprès de Chantale Dumoulin pht, PhD., professeure agrée à l’Université de Montréal.

Validité de construit d’un test d’évaluation de la stabilité lombo-pelvienne, le soulèvement actif de la jambe tendue (SAJT) version objective

Introduction : L’évaluation clinique du contrôle neuromusculaire des muscles du tronc est criante en réhabilitation et en entraînement. L’objectif principal de cette étude a été d’évaluer la reproductibilité intra et inter-évaluateur d’un test clinique le soulèvement actif de la jambe tendue (SAJT) chez une population active et saine. Méthode : Chaque sujet (18 joueurs de tennis) a été testé à deux reprises par 2 physiothérapeutes avec le SAJT. Résultats : La reproductibilité intra-évaluateur s’est avérée élevée à très élevée (ICC = 0.81 à 0.93) tandis la reproductibilité inter-évaluateur s’est avérée cliniquement non viable. Conclusion : À notre connaissance, le SAJT est le premier test clinique reproductible évaluant le contrôle neuromusculaire du tronc avec des compensations musculaires et cinétiques chez des sujets actifs et sains. Une formation plus importante des évaluateurs aurait certainement amélioré la reproductibilité inter-évaluateur.

Asymétries à la marche chez les adolescents atteints de scoliose idiopathique

La scoliose idiopathique de l’adolescence (SIA) est une pathologie de cause inconnue impliquant une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale et de la cage thoracique. Cette pathologie affecte, entre autres, les vertèbres ainsi que les muscles paraspinaux. Ces composantes de la colonne vertébrale jouent un rôle important lors de la marche. Dix sujets témoins et neuf sujets SIA ont effectué dix essais de marche à vitesse normale sur un corridor de marche de dix mètres dans lequel était inséré deux plates-formes de force. De plus, un système de huit caméras (VICON) a permis de calculer les coordonnées tridimensionnelles des 30 marqueurs utilisés afin d’analyser la cinématique des sujets. Les variables faisant l’objet de cette étude sont les amplitudes totales, minimales et maximales des rotations des ceintures pelvienne et scapulaire dans les plans transverse et frontal de même que les coefficients de corrélation et de variation de ces segments. Des tests de Student ont été utilisés pour l’analyse statistique. Malgré le fait qu’aucune différence significative n’a été observée, dans aucun des plans, entre les amplitudes des rotations des ceintures pelvienne et scapulaire entre les groupes témoin et SIA, une différence significative en ce qui a trait aux minimums de rotations pelviennes et scapulaires, dans le plan transverse, a été observée. Cette différence suggère une asymétrie dans les rotations effectuées par ces segments à la marche à vitesse naturelle chez une population atteinte de SIA.

Caractérisation d’un nouveau récepteur à octopamine exprimé chez la palourde Spisula solidissima

À partir des ovocytes de la palourde Spisula solidissima, un ADNc codant un récepteur nommé Spi-OAR a été cloné et séquencé. Une analyse de la séquence en acides aminés a indiqué que ce nouveau récepteur possède une forte similarité avec les récepteurs β-adrénergiques et les récepteurs à octopamine. En effet, il est étroitement lié à la classe des récepteurs à octopamine « β-adrénergique-like » couplés à une protéine Gs. L’ADNc de Spi-OAR a été introduit dans un vecteur d'expression (pCEP4) et un épitope reconnaissable par un anticorps commercial a été ajouté au segment N-terminal. Cette construction a été transfectée dans des cellules hôtes (HEK 293) et des études d’immunofluorescence ont montré une expression efficace du récepteur au niveau membranaire. Également, des mesures d'AMPc pour les cellules exprimant Spi-OAR ont révélé une augmentation de ce messager secondaire lors de l'ajout de l'octopamine, et dans une moindre mesure, la tyramine, tandis que la dopamine, la sérotonine et l'histamine n’ont engendré aucun effet. Une légère activité constitutive de ce récepteur dans les cellules hôtes a été observée. De plus, une analyse RT-PCR avec des oligonucléotides spécifiques a révélé l'ARNm de Spi-OAR non seulement dans les ovocytes, mais aussi dans les gonades, le cœur, les muscles adducteurs, les branchies et les ganglions suggérant que ce récepteur soit exprimé de façon ubiquitaire dans divers tissus et dans différents stades embryonnaires chez la palourde. En outre, des études avec des ovocytes isolés n'ont montré aucun effet de l’octopamine sur la réactivation méiotique. Des études éventuelles pourront finalement confirmer le rôle fonctionnel de Spi-OAR.

Régulations homéostatiques cardiovasculaires suite à une transfusion par échange avec du sang hyperagrégeant chez le rat

Dans le but de vérifier l’impact d’un changement soudain dans l’agrégation érythrocytaire sur certains paramètres cardiovasculaires, une transfusion par échange sanguin du tiers du volume a été effectuée avec du sang hyperagrégeant chez le rat de souche Brown Norway. La pression caudale, le volume cardiaque systolique, la fraction d’éjection, le débit cardiaque, le rythme cardiaque et la résistance périphérique à l’écoulement sanguin ont été observés non-intrusivement sur 19 jours suite à la transfusion. Les rats ont été sacrifiés plus d’un mois suivant la transfusion et une étude ex vivo de la réponse à deux agents dilatateurs (l’acétylcholine et le nitroprussiate de sodium) a été menée sur les artérioles mésentériques. Des variations des paramètres cardiovasculaires, soit le débit, le volume systolique et la résistance périphérique, ont été remarquées dans les trois premiers jours posttransfusion. Une résistance du muscle vasculaire lisse au monoxyde d’azote a été notée chez les rats transfusés au sang hyperagrégeant alors qu’aucune dysfonction endothéliale n’était apparente en réponse à l’acétylcholine.