Attenuation of muscle atrophy by an N-terminal peptide of the receptor for proteolysis-inducing factor (PIF)

Background: Atrophy of skeletal muscle in cancer cachexia has been attributed to a tumour-produced highly glycosylated peptide called proteolysis-inducing factor (PIF). The action of PIF is mediated through a high-affinity membrane receptor in muscle. This study investigates the ability of peptides derived from the 20 N-terminal amino acids of the receptor to neutralise PIF action both in vitro and in vivo. Methods: Proteolysis-inducing factor was purified from the MAC16 tumour using an initial pronase digestion, followed by binding on DEAE cellulose, and the pronase was inactivated by heating to 80°C, before purification of the PIF using affinity chromatography. In vitro studies were carried out using C2C12 murine myotubes, while in vivo studies employed mice bearing the cachexia-inducing MAC16 tumour. Results: The process resulted in almost a 23?000-fold purification of PIF, but with a recovery of only 0.004%. Both the D- and L-forms of the 20mer peptide attenuated PIF-induced protein degradation in vitro through the ubiquitin-proteosome proteolytic pathway and increased expression of myosin. In vivo studies showed that neither the D- nor the L-peptides significantly attenuated weight loss, although the D-peptide did show a tendency to increase lean body mass. Conclusion: These results suggest that the peptides may be too hydrophilic to be used as therapeutic agents, but confirm the importance of the receptor in the action of the PIF on muscle protein degradation.

Downregulation of muscle protein degradation in sepsis by eicosapentaenoic acid (EPA)

Eicosapentaenoic acid (EPA) has been shown to attenuate muscle atrophy in cancer, starvation and hyperthermia by downregulating the increased expression of the ubiquitin-proteasome proteolytic pathway leading to a reduction in protein degradation. In the current study EPA (0.5 g/kg) administered to septic mice completely attenuated the increased protein degradation in skeletal muscle by preventing the increase in both gene expression and protein concentration of the alpha- and beta-subunits of the 20S proteasome, as well as functional activity of the proteasome, as measured by the 'chymotrypsin-like' enzyme activity. These results suggest that muscle protein catabolism in sepsis is mediated by the same intracellular signalling pathways as found in other catabolic conditions.

Role of the dsRNA-dependent protein kinase (PKR) in the attenuation of protein loss from muscle by insulin and insulin-like growth factor-I (IGF-I)

Proteolysis-inducing factor (PIF), a tumour-produced cachectic factor, induced a dose-dependent decrease in protein synthesis in murine myotubes, together with an increase in phosphorylation of eucaryotic initiation factor 2 (eIF2) on the alpha-subunit. Both insulin (1 nM) and insulin-like growth factor I (IGF-I) (13.2 nM) attenuated the depression of protein synthesis by PIF and the increased phosphorylation of eIF2alpha, by inhibiting the activation (autophosphorylation) of the dsRNA-dependent protein kinase (PKR) by induction of protein phosphatase 1. A low-molecular weight inhibitor of PKR also reversed the depression of protein synthesis by PIF to the same extent, as did insulin and IGF-I. Both insulin and IGF-I-stimulated protein synthesis in the presence of PIF, and this was attenuated by Salubrinal, an inhibitor of phospho eIF2alpha phosphatase, suggesting that at least part of this action was due to their ability to inhibit phosphorylation of eIF2alpha. Both insulin and IGF-I also attenuated the induction of protein degradation in myotubes induced by PIF, this effect was also attenuated by Salubrinal. These results suggest an alternative mechanism involving PKR to explain the effect of insulin and IGF-I on protein synthesis and degradation in skeletal muscle in the presence of catabolic factors.

Mechanism of activation of dsRNA-dependent protein kinase (PKR) in muscle atrophy

The role of Ca2+ in the activation of PKR (double-stranded-RNA-dependent protein kinase), which leads to skeletal muscle atrophy, has been investigated in murine myotubes using the cell-permeable Ca2+ chelator BAPTA/AM (1,2-bis (o-aminphenoxy) ethane-N,N,N',N'-tetraacetic acid tetra (acetoxymethyl) ester). BAPTA/AM effectively attenuated both the increase in total protein degradation, through the ubiquitin–proteasome pathway, and the depression of protein synthesis, induced by both proteolysis-inducing factor (PIF) and angiotensin II (Ang  II). Since both protein synthesis and degradation were attenuated this suggests the involvement of PKR. Indeed BAPTA/AM attenuated both the activation  (autophosphorylation) of PKR and the subsequent phosphorylation of eIF2a (eukaryotic initiation factor 2a) in the presence of PIF, suggesting the involvement of Ca2+ in this process. PIF also induced an increase in the activity of both caspases-3 and -8, which was attenuated by BAPTA/AM. The increase in caspase-3 and -8 activity was shown to be responsible for the activation of PKR, since the latter was completely attenuated by the specific caspase-3 and -8 inhibitors. These results suggest that Ca2+ is involved in the increase in protein degradation and decrease in protein synthesis by PIF and Ang II through activation of PKR by caspases-3 and -8.

Attenuation of muscle atrophy in a murine model of cachexia by inhibition of the dsRNA-dependent protein kinase

Atrophy of skeletal muscle is due to a depression in protein synthesis and an increase in degradation. Studies in vitro have suggested that activation of the dsRNA-dependent protein kinase (PKR) may be responsible for these changes in protein synthesis and degradation. In order to evaluate whether this is also applicable to cancer cachexia the action of a PKR inhibitor on the development of cachexia has been studied in mice bearing the MAC16 tumour. Treatment of animals with the PKR inhibitor (5 mg kg-1) significantly reduced levels of phospho-PKR in muscle down to that found in non-tumour-bearing mice, and effectively attenuated the depression of body weight, with increased muscle mass, and also inhibited tumour growth. There was an increase in protein synthesis in skeletal muscle, which paralleled a decrease in eukaryotic initiation factor 2α phosphorylation. Protein degradation rates in skeletal muscle were also significantly decreased, as was proteasome activity levels and expression. Myosin levels were increased up to values found in non-tumour-bearing animals. Proteasome expression correlated with a decreased nuclear accumulation of nuclear factor-κB (NF-κB). The PKR inhibitor also significantly inhibited tumour growth, although this appeared to be a separate event from the effect on muscle wasting. These results suggest that inhibition of the autophosphorylation of PKR may represent an appropriate target for the attenuation of muscle atrophy in cancer cachexia. © 2007 Cancer Research UK.

Mechanism of induction of muscle protein degradation by angiotensin II

Angiotensin I and II have been shown to directly induce protein degradation in skeletal muscle through an increased activity and expression of the ubiquitin-proteasome proteolytic pathway. This investigation determines the role of the nuclear transcription factor nuclear factor-κB (NF-κB) in this process. Using murine myotubes as a surrogate model system both angiotensin I and II were found to induce activation of protein kinase C (PKC), with a parabolic dose-response curve similar to the induction of total protein degradation. Activation of PKC was required for the induction of proteasome expression, since calphostin C, a highly specific inhibitor of PKC, attenuated both the increase in total protein degradation and in proteasome expression and functional activity increased by angiotensin II. PKC is known to activate I-κB kinase (IKK), which is responsible for the phosphorylation and subsequent degradation of I-κB. Both angiotensin I and II induced an early decrease in cytoplasmic I-κB levels followed by nuclear accumulation of NF-κB. Using an NF-κB luciferase construct this was shown to increase transcriptional activation of NF-κB regulated genes. Maximal luciferase expression was seen at the same concentrations of angiotensin I/II as those inducing protein degradation. Total protein degradation induced by both angiotensin I and II was attenuated by resveratrol, which prevented nuclear accumulation of NF-κB, confirming that activation of NF-κB was responsible for the increased protein degradation. These results suggest that induction of proteasome expression by angiotensin I/II involves a signalling pathway involving PKC and NF-κB. © 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Angiotensin II directly induces muscle protein catabolism through the ubiquitin-proteasome proteolytic pathway and may play a role in cancer cachexia

The ability of angiotensin I (Ang I) and II (Ang II) to induce directly protein degradation in skeletal muscle has been studied in murine myotubes. Angiotensin I stimulated protein degradation with a parabolic dose-response curve and with a maximal effect between 0.05 and 0.1 μM. The effect was attenuated by coincubation with the angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibitor imidaprilat, suggesting that angiotensin I stimulated protein degradation through conversion to Ang II. Angiotensin II also stimulated protein breakdown with a similar dose-response curve, and with a maximal effect between 1 and 2.5 μM. Total protein degradation, induced by both Ang I and Ang II, was attenuated by the proteasome inhibitors lactacystin (5 μM) and MG132 (10 μM), suggesting that the effect was mediated through upregulation of the ubiquitin-proteasome proteolytic pathway. Both Ang I and Ang II stimulated an increased proteasome 'chymotrypsin-like' enzyme activity as well as an increase in protein expression of 20S proteasome α-subunits, the 19S subunits MSSI and p42, at the same concentrations as those inducing protein degradation. The effect of Ang I was attenuated by imidaprilat, confirming that it arose from conversion to Ang II. These results suggest that Ang II stimulates protein degradation in myotubes through induction of the ubiquitin-proteasome pathway. Protein degradation induced by Ang II was inhibited by insulin-like growth factor and by the polyunsaturated fatty acid, eicosapentaenoic acid. These results suggest that Ang II has the potential to cause muscle atrophy through an increase in protein degradation. The highly lipophilic ACE inhibitor imidapril (Vitor™) (30 mg kg-1) attenuated the development of weight loss in mice bearing the MAC16 tumour, suggesting that Ang II may play a role in the development of cachexia in this model. © 2005 Cancer Research.

Effect of branched-chain amino acids on muscle atrophy in cancer cachexia

In the present study, the BCAAs (branched-chain amino acids) leucine and valine caused a significant suppression in the loss of body weight in mice bearing a cachexia-inducing tumour (MAC16), producing a significant increase in skeletal muscle wet weight, through an increase in protein synthesis and a decrease in degradation. Leucine attenuated the increased phosphorylation of PKR (double-stranded-RNA-dependent protein kinase) and eIF2α (eukaryotic initiation factor 2α) in skeletal muscle of mice bearing the MAC16 tumour, due to an increased expression of PP1 (protein phosphatase 1). Weight loss in mice bearing the MAC16 tumour was associated with an increased amount of eIF4E bound to its binding protein 4E-BP1 (eIF4E-binding protein 1), and a progressive decrease in the active eIF4G-eIF4E complex due to hypophosphorylation of 4E-BP1. This may be due to a reduction in the phosphorylation of mTOR (mammalian target of rapamycin), which may also be responsible for the decreased phosphorylation of p70S6k (70 kDa ribosomal S6 kinase). There was also a 5-fold increase in the phosphorylation of eEF2 (eukaryotic elongation factor 2), which would also decrease protein synthesis through a decrease in translation elongation. Treatment with leucine increased phosphorylation of mTOR and p70S6k, caused hyperphosphorylation of 4E-BP1, reduced the amount of 4E-BP1 associated with eIF4E and caused an increase in the eIF4G-eIF4E complex, together with a reduction in phosphorylation of eEF2. These changes would be expected to increase protein synthesis, whereas a reduction in the activation of PKR would be expected to attenuate the increased protein degradation. © The Authors.

Attenuation of muscle wasting in murine C2C12myotubes by epigallocatechin-3-gallate

Background: Loss of muscle protein is a common feature of wasting diseases where currently treatment is limited. This study investigates the potential of epigallocatechin-3-gallate (EGCg), the most abundant catechin in green tea, to reverse the increased protein degradation and rescue the decreased protein synthesis which leads to muscle atrophy. Methods: Studies were conducted in vitro using murine C2C12myotubes. Increased protein degradation and reduced rates of protein synthesis were induced by serum starvation and tumour necrosis factor-α (TNF-α). Results: EGCg effectively attenuated the depression of protein synthesis and increase in protein degradation in murine myotubes at concentrations as low as 10 μM. Serum starvation increased expression of the proteasome 20S and 19S subunits, as well as the proteasome ‘chymotrypsin-like’ enzyme activity, and these were all attenuated down to basal values in the presence of EGCg. Serum starvation did not increase expression of the ubiquitin ligases MuRF1 and MAFbx, but EGCg reduced their expression below basal levels, possibly due to an increased expression of phospho Akt (pAkt) and phospho forkhead box O3a (pFoxO3a). Attenuation of protein degradation by EGCg was increased in the presence of ZnSO4, suggesting an EGCg-Zn2+complex may be the active species. Conclusion: The ability of EGCg to attenuate depressed protein synthesis and increase protein degradation in the myotubule model system suggests that it may be effective in preserving skeletal muscle mass in catabolic conditions.

Myostatin dysfunction is associated with reduction in overload induced hypertrophy of soleus muscle in mice

Acknowledgements This project was also supported by Marie Curie International Reintegration Grant 249156 (A. Lionikas) and the grants VP1-3.1-SMM-01-V-02-003 (A. Kilikevicius) and MIP-067/2012 (T. Venckunas) from the Research Council of Lithuania as well as the grant from the Ministry of Higher Education of Saudi Arabia (Y. Alhind). We wish also to thank Mrs Indre Libnickiene for her excellent technical assistance provided during the project

Myostatin dysfunction is associated with reduction in overload induced hypertrophy of soleus muscle in mice

Acknowledgements This project was also supported by Marie Curie International Reintegration Grant 249156 (A. Lionikas) and the grants VP1-3.1-SMM-01-V-02-003 (A. Kilikevicius) and MIP-067/2012 (T. Venckunas) from the Research Council of Lithuania as well as the grant from the Ministry of Higher Education of Saudi Arabia (Y. Alhind). We wish also to thank Mrs Indre Libnickiene for her excellent technical assistance provided during the project

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.

Measurement of Training Intensity and Work During Submaximal Isokinetic Progressive Resistance Training Protocols

Physical exercise programmes are routinely prescribed in clinical practice to treat impairments, improve activity and participation in daily life because of their known physiological, health and psychological benefits (RCP, 2009). Progressive resistance exercise is a type of exercise prescribed specifically to improve skeletal muscle strength (Latham et al., 2004). The effectiveness of progressive resistance exercise varies considerably between studies and populations. This thesis focuses on how training parameters influence the delivery of progressive resistance exercise. In order to appropriately evaluate the influence of training parameters, this thesis argues the need to record training performance and the total work completed by participants as prescribed by training protocols. In the first study, participants were taken through a series of protocols differentiated by the intensity and volume of training. Training intensity was defined as a proportion of the mean peak torque achieved during maximal voluntary contractions and was set at 80% and 40% respectively of the MVC mean peak torque. Training volume was defined as the total external work achieved over the training period. Measures of training performance were developed to accurately report the intensity, repetitions and work completed during the training period. A second study evaluated training performance of the training protocols over repeated sessions. These protocols were then applied to 3 stroke survivors. Study 1 found sedentary participants could achieve a differentiated training intensity. Participants completing the high and low intensity protocols trained at 80% and 40% respectively of the MVC mean peak torque. The total work achieved in the high intensity low repetition protocol was lower than the total work achieved in the low intensity high repetition protocol. With repeated practice, study 2 found participants were able to improve in their ability to perform manoeuvres as shown by a reduction in the variation of the mean training intensity achieving total work as specified by the protocol to a lower margin of error. When these protocols were applied to 3 stroke survivors, they were able to achieve the specified training intensity but they were not able to achieve the total work as expected for the protocol. This is likely to be due to an inability in achieving a consistent force throughout the contraction. These results demonstrate evaluation of training characteristics and support the need to record and report training performance characteristics during progressive resistance exercise, including the total work achieved, in order to elucidate the influence of training parameters on progressive resistance exercise. The lack of accurate training performance may partly explain the inconsistencies between studies on optimal training parameters for progressive resistance exercise.

The role of intracellular calcium perturbations in muscle damage and dysfunction in mouse models of muscular dystrophy

Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a neuromuscular disease caused by mutations in the dystrophin gene. DMD is clinically characterized by severe, progressive and irreversible loss of muscle function, in which most patients lose the ability to walk by their early teens and die by their early 20’s. Impaired intracellular calcium (Ca2+) regulation and activation of cell degradation pathways have been proposed as key contributors to DMD disease progression. This dissertation research consists of three studies investigating the role of intracellular Ca2+ in skeletal muscle dysfunction in different mouse models of DMD. Study one evaluated the role of Ca2+-activated enzymes (proteases) that activate protein degradation in excitation-contraction (E-C) coupling failure following repeated contractions in mdx and dystrophin-utrophin null (mdx/utr-/-) mice. Single muscle fibers from mdx/utr-/- mice had greater E-C coupling failure following repeated contractions compared to fibers from mdx mice. Moreover, protease inhibition during these contractions was sufficient to attenuate E-C coupling failure in muscle fibers from both mdx and mdx/utr-/- mice. Study two evaluated the effects of overexpressing the Ca2+ buffering protein sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase 1 (SERCA1) in skeletal muscles from mdx and mdx/utr-/- mice. Overall, SERCA1 overexpression decreased muscle damage and protected the muscle from contraction-induced injury in mdx and mdx/utr-/- mice. In study three, the cellular mechanisms underlying the beneficial effects of SERCA1 overexpression in mdx and mdx/utr-/- mice were investigated. SERCA1 overexpression attenuated calpain activation in mdx muscle only, while partially attenuating the degradation of the calpain target desmin in mdx/utr-/- mice. Additionally, SERCA1 overexpression decreased the SERCA-inhibitory protein sarcolipin in mdx muscle but did not alter levels of Ca2+ regulatory proteins (parvalbumin and calsequestrin) in either dystrophic model. Lastly, SERCA1 overexpression blunted the increase in endoplasmic reticulum stress markers Grp78/BiP in mdx mice and C/EBP homologous protein (CHOP) in mdx and mdx/utr-/- mice. Overall, findings from the studies presented in this dissertation provide new insight into the role of Ca2+ in muscle dysfunction and damage in different dystrophic mouse models. Further, these findings support the overall strategy for improving intracellular Ca2+ control for the development of novel therapies for DMD.

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.