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

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

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

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

Force potentiation in the MDX mouse

Large forces are the primary mechanism of injury in muscular dystrophy, and muscular dystrophy is especially damaging to type IIB muscle fibers. It was hypothesized that post-tetanic potentiation (PTP) would be down-regulated to prevent damage in Xlinked muscular dystrophy (mdx) mice since PTP increases force and PTP effects are greatest in IIB fibers. PTP experiments were performed on the extensor digitorum longus (EDL) of 50 day old mdx (YM) and C57BL/10 (YC) mice and 10 month old mdx (OM) and C57B1710 (OC) mice. Twitch and tetanic forces were lower in mdx than controls and lower in younger than older mice. Contrary to the hypothesis, PTP was higher in both mdx groups compared to controls. OM potentiated more than any other condition (OM: 29.8%, OC: 23.2%, YM: 21.9%, YC: 17.2%). In accordance with literature PTP increased in the older groups. To explain PTP changes, fiber typing and Western blots for myosin light chain kinase (MLCK) were performed. YM and YC had similar fiber type profiles (2% I, 58% IIX/D and 40% IIB). In accordance with literature but contrary to expected conditions for elevated PTP, OM had a slower fiber type profile (1.7% I, 69% IIX/D and 29% IIB) than OC (0.4% I, 61% IIX/D and 38% IIB). No differences were found in MLCK expression. It seems that PTP is up-regulated to maintain muscle function rather than being down-regulated to prevent muscle damage. Ca""^ transient and myosin phosphorylation measurements would be beneficial in explaining increased PTP seen in this study.

A possible role for intrinsic calcium buffers in the long- term adaptation of crayfish neurons

Increasing the impulse activity of neurons in vivo over 3 or more days causes a reduction in transmitter release that persists for days or weeks (eg. Mercier and Atwood, 1989). This effect is usually accompanied by decreased synaptic fatigue. These two changes involve presynaptic mechanisms and indicate "long-term adaptation" (LTA) of nerve terminals. Previous experiments have shown that LTA requires extracellular calcium and protein synthesis (eg. Hong and Lnenicka, Soc. Neurosci. Abstr. 17:1322) and appears to involve communication between the cell body and the nerve terminals. The present study examines the possibility that the reduction in transmitter release is caused by an -increase in the calcium buffering ability within the nerve terminals. It examines the responses of adapted and control nerve terminals to exogenously applied calcium buffer, BAPTA-AM, which decreases transmitter release (Robitialle and Charlton, 1992). If LTA increases intrinsic Ca2+-buffering, the membrane permeant form of BAPTA should have less effect on adapted nerve terminals than on controls. Experiments are performed on the phasic abdominal extensor motor neurons of the crayfish, Procambarns clarkii. BAPTA-AM decreases excitatory postsynaptic potentials (EPSP's) of the phasic extensor muscles in a dosedependent manner between 5 and 50 JLM. LTA is elicited by in vivo stimulation at 2.5 Hz for 2-4 h per day over 3 days, which reduces EPSP's by over 50%. Experiments indicate that BAPTA-AM produces no significant change in EPSP reduction in adapted neurons when compared to controls. These results do not support the hypothesis that increased daily activity alters rapid intrinsic calcium buffers, that are able to reduce transmitter output in the same manner as BAPTA.

Modulation of muscle contraction by a FMRFamide-related peptide

A FMRFamide-like neuropeptide with the sequence "DRNFLRF-NH2" was recently isolated from pericardial organs of crayfish (Mercier et aI., Peptides, 14, 137-143, 1993). This neuropeptide, referred to as "DF2'" has already been shown to elicit cardioexcitation and to enhance synaptic transmission at neuromuscular junctions. Possible effects ofDF2 on muscle were investigated using superficial extensor muscles of the abdomen of the crayfish, Procambarus clar/ai. These muscles are of the tonic type and generate slow contractions that affect posture. DF2, at concentrations of 10-8 M or higher, increased muscle tonus and induced spontaneous, rhythmic contractions. These effects were antagonized by 5 rnM Mn2+ but not by lO-7M tetrodotoxin (TTX). Thus, they represent direct actions on muscle cells (rather than effects on motor neurons) and are likely to involve calcium influx. In contrast, deep abdominal extensor muscles, responsible for rapid swimming movements, and superficial flexor muscles do not generate contractions in response to the peptide. 2 Spontaneous contractions were also induced in the superficial extensor muscles by decreasing the temperature to II-13°C. Such contractions were also TTX-insensitive and they were antagonized by adding calcium channel blockers (Mn2+, Cd2+ or Ni2+) or by removing calcium from the bathing solution. This suggests that the spontaneous contractions depend on an influx of calcium from the extracellular solution. N-type and L-type voltage dependent calcium channel blockers did not reduce the effect of the peptide or the spontaneous contractions suggesting that calcium influx is not through N- or L-type calcium channels.

TIME COURSE OF SIGNALING PROCESSES INVOLVED WITH EXTRACELLULAR OSMOTIC - INDUCED GLUCOSE UPTAKE IN MAMMALIAN SKELETAL MUSCLE

Extracellular hyper-osmotic (HYPER) stress increases glucose uptake to defend cell volume, when compared to iso-osmotic (ISO) conditions in skeletal muscle. The purpose of this study was to determine a time course for changes in common signaling proteins involved in glucose uptake during acute hyper-osmotic stress in isolated mammalian skeletal muscle. Rat extensor digitorum longus (EDL) muscles were excised and incubated in a media formulated to mimic ISO (290 ± 10 mmol/kg) or HYPER (400 ± 10 mmol/kg) extracellular condition (Sigma Media-199). Signaling mechanisms were investigated by determining the phosphorylation states of Akt, AMPK, AS160, cPKC and ERK after 30, 45 and 60 minutes of incubation. AS160 was found to be significantly more phosphorylated in HYPER conditions compared to ISO after 30 minutes (p<0.01). It is speculated that AS160 phosphorylation increases glucose transporter 4 (GLUT4) content at the cell surface thereby facilitating an increase in glucose uptake under hyper-osmotic stress.

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.

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.

The Role of Membrane Lipid Composition on Skeletal Muscle Damage in the Rodent Model of Duchenne Muscular Dystrophy

Duchenne muscular dystrophy is a X-linked muscle disease, which leads to alterations in membrane phospholipid fatty acid (FA) composition and skeletal muscle damage. Increased membrane saturated FA in muscular dystrophy may suggest its association with increased susceptibility (as being the cause or consequence) to muscle damage. It was hypothesised that increased saturation is positively correlated to increased muscle damage. Correlations were hypothesized to be greater in extensor digitorum longus (EDL) at 20 weeks compared to soleus (SOL) at 10 weeks in dystrophin deficient (mdx) mice. Increased saturation was correlated to damage in EDL at both 10 and 20 weeks, with stronger correlations at 10 weeks. The results suggest that membrane PL FA composition may be associated with damage through two possible means. Increased saturation may be a cause or consequence of membrane damage. Association of membrane composition with eccentric induced damage has underscored the importance of saturated PL FA compositions in damage to dystrophic myofibres.

Thérapie par les cellules souches mésenchymateuses dans la guérison tendineuse chez le cheval

Les tendinites sont des lésions communes chez le cheval athlète, ayant un impact financier et sportif considérable. Les cellules souches mésenchymateuses (CSMs) de moelle osseuse (MO) sont empiriquement utilisées en clinique pour améliorer la guérison des affections myoarthrosquelettiques. Cependant, il est nécessaire de standardiser les protocoles d’isolement des CSMs équines et d’analyser leurs effets sur la guérison tendineuse pour ajuster leur dose. Les objectifs de cette étude étaient de comparer 3 méthodes d’isolement des CSMs équines et d’établir un modèle de guérison tendineuse minimal invasif pour analyser l’effet des CSMs sur cette guérison. Des CSMs de MO du sternum de juments étaient isolées par 3 protocoles couramment utilisés (adhérence au pétri (Classique) et 2 méthodes par gradient de densité (Percoll et Ficoll)). La viabilité des cellules après isolement, le rendement d’isolement, le nombre de CSMs obtenues après 14 jours de culture et leurs caractéristiques fonctionnelles (renouvellement et différentiation) étaient comparés entre les 3 protocoles. Les résultats suggéraient que le Percoll était le meilleur protocole en termes de rendement et de capacité de renouvellement des cellules. La différence n’était pas significative pour leur viabilité et leur capacité de différentiation. Un modèle de guérison tendineuse, consistant en une ténectomie du tendon extenseur latéral du doigt fut ensuite développé. Cependant, la grande variabilité interindividuelle de qualité de guérison dans le groupe pilote implique une ré-évaluation du modèle. Des études futures, avec des CSMs isolées par le Percoll dans de nouveaux modèles de guérison tendineuse devraient permettre de déterminer la dose adéquate de CSMs.

Role of corticospinal influences in post-stroke spasticity

Chez les personnes post-AVC (Accident Vasculaire Cérébral), spasticité, faiblesse et toute autre coactivation anormale proviennent de limitations dans la régulation de la gamme des seuils des réflexes d'étirement. Nous avons voulu savoir si les déficits dans les influences corticospinales résiduelles contribuaient à la limitation de la gamme des seuils et au développement de la spasticité chez les patients post-AVC. La stimulation magnétique transcranienne (SMT) a été appliquée à un site du cortex moteur où se trouvent les motoneurones agissant sur les fléchisseurs et extenseurs du coude. Des potentiels évoqués moteurs (PEM) ont été enregistrés en position de flexion et d'extension du coude. Afin d'exclure l'influence provenant de l'excitabilité motoneuronale sur l'évaluation des influences corticospinales, les PEM ont été suscités lors de la période silencieuse des signaux électromyographiques (EMG) correspondant à un bref raccourcissement musculaire juste avant l'enclenchement de la SMT. Chez les sujets contrôles, il y avait un patron réciproque d'influences corticospinales (PEM supérieurs en position d'extension dans les extenseurs et vice-versa pour les fléchisseurs). Quant à la plupart des sujets post-AVC ayant un niveau clinique élevé de spasticité, la facilitation corticospinale dans les motoneurones des fléchisseurs et extenseurs était supérieure en position de flexion (patron de co-facilitation). Les résultats démontrent que la spasticité est associée à des changements substantiels des influences corticospinales sur les motoneurones des fléchisseurs et des extenseurs du coude.

Contrôle cortico-spinal des mouvements volontaires du coude

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

Approches arthroscopiques et description de l'anatomie articulaire normale du carpe et du tarse chez le bovin adulte

Les approches arthroscopiques et l’anatomie normale des articulations antébrachiocarpienne, carpienne moyenne et tarsocrurale n’ont jamais été décrites spécifiquement chez les bovins. Notre étude avait pour buts de définir les abords chirurgicaux et de décrire l’anatomie arthroscopique de ces trois articulations. Deux carpes et deux tarses issus du cadavre frais d’une vache adulte ont été injectés avec un mélange de latex, puis disséqués afin de déterminer les sites arthroscopiques d’intérêt. Par la suite, l’arthroscopie des articulations antébrachiocarpienne et carpienne moyenne (approche dorsale) et de l’articulation tarsocrurale (approches dorsale et plantaire) a été réalisée sur six cadavres frais de vaches adultes ne présentant ni boiterie ni distension articulaire avant leur euthanasie. Les approches dorsolatérale et dorsomédiale des articulations antébrachiocarpienne et carpienne moyenne ont été réalisées de part et d’autre de l’extenseur radial du carpe. Les structures observées étaient le radius distal, les os radial, intermédiaire, ulnaire, II et III fusionnés et IV du carpe, ainsi que des ligaments palmaires. Les approches dorsolatérale et dorsomédiale de l’articulation tarsocrurale ont été réalisées latéralement au long extenseur des doigts et médialement au troisième péronier respectivement. Les approches plantarolatérale et plantaromédiale ont été réalisées latéralement au fléchisseur latéral des doigts et latéralement au fléchisseur médial des doigts respectivement. Les structures observées étaient le tibia distal, les trochlées proximale et plantaire du talus, le processus coracoïde du calcanéus, l’articulation fibulo-calcanéenne et des ligaments articulaires. Quelle que soit l’articulation, l’approche latérale était préférée à l’approche médiale. L’arthroscopie du carpe et du tarse pourra être proposée dans un contexte hospitalier comme outil diagnostique, thérapeutique et pronostique des maladies articulaires bovines.

Altérations synaptiques à la jonction neuromusculaire dans un modèle murin de sclérose latérale amyotrophique

La sclérose latérale amyotrophique est une maladie neurodégénérative fatale caractérisée par la dégénérescence progressive des neurones moteurs centraux et périphériques. L’un des premiers signes de la maladie est la dénervation de la jonction neuromusculaire (JNM). Les diverses unités motrices (UM) ne présentent toutefois pas la même vulnérabilité à la dénervation dans la SLA: les UM rapide fatigables sont en fait les plus vulnérables et les UM lentes sont les plus résistantes. Alors que des études précédentes ont démontré dans plusieurs modèles animaux de la SLA de nombreuses variations synaptiques, les découvertes ont été contradictoires. Par ailleurs, le type d’UM n’a pas été tenu en compte dans ces divers travaux. Nous avons donc émis l’hypothèse que la présence de la mutation SOD1 pourrait affecter différemment la transmission synaptique des UM, en accord avec leur vulnérabilité sélective. En effectuant des enregistrements électrophysiologiques et de l’immunohistochimie, nous avons étudié la transmission synaptique des différents types d’UM du muscle à contraction rapide Extensor Digitorum Longus (EDL; rapide fatigable (FF) MU) et du muscle à contraction lente Soleus (SOL; lente (S) and rapide fatigue-résistante (FR) MU) de la souris SOD1G37R et leur congénères WT. Pour identifier le type d’UM, un marquage par immunohistochimie des chaînes de myosine a été effectué. Un triple marquage de la JNM a également été effectué pour vérifier son intégrité aux différents stades de la maladie. À P160, dans la période asymptomatique de la maladie, alors qu’aucune altération morphologique n’était présente, l’activité évoquée était déjà altérée différemment en fonction des UM. Les JNMs FF mutantes ont démontré une diminution de l’amplitude des potentiels de plaque motrice (PPM) et du contenu quantique, alors que les JNMs lentes démontraient pratiquement le contraire. Les JNMs FR montraient quant à elles une force synaptique semblable au WT. À P380, dans la période présymtomatique, de nombreuses altérations morphologiques ont été observées dans le muscle EDL, incluant la dénervation complète, l’innervation partielle et les extensions du nerf. La transmission synaptique évoquée des UM FF étaient toujours réduites, de même que la fréquence des potentiels de plaque motrice miniatures. À P425, à l’apparition des premiers symptômes, l’activité synaptique des JNMs S était redevenue normale alors que les JNMs FR ont montré à ce moment une diminution du contenu quantique par rapport au contrôle. De manière surprenante, aucun changement du ratio de facilitation n’a été observé malgré les changements flagrants de la force synaptique. Ces résultats révèlent que la fonction de la JNM est modifiée différemment en fonction de la susceptibilité des UM dans l’ALS. Cette étude fournit des pistes pour une meilleure compréhension de la physiologie de la JNM durant la pathologie qui est cruciale au développement d’une thérapie adéquate ciblant la JNM dans la SLA.

La transposición frecuencial : incidencia en las habilidades de identificación y el reconocimiento auditivo en jóvenes con pérdidas auditivas profundas.

Resumen en inglés. Resumen basado en el de la publicación