Action of octopamine and tyramine on muscles of Drosophila melanogaster larvae

Octopamine (OA) and tyramine (TA) play important roles in homeostatic mechanisms, behavior, and modulation of neuromuscular junctions in arthropods. However, direct actions of these amines on muscle force production that are distinct from effects at the neuromuscular synapse have not been well studied. We utilize the technical benefits of the Drosophila larval preparation to distinguish the effects of OA and TA on the neuromuscular synapse from their effects on contractility of muscle cells. In contrast to the slight and often insignificant effects of TA, the action of OA was profound across all metrics assessed. We demonstrate that exogenous OA application decreases the input resistance of larval muscle fibers, increases the amplitude of excitatory junction potentials (EJPs), augments contraction force and duration, and at higher concentrations (10−5 and 10−4 M) affects muscle cells 12 and 13 more than muscle cells 6 and 7. Similarly, OA increases the force of synaptically driven contractions in a cell-specific manner. Moreover, such augmentation of contractile force persisted during direct muscle depolarization concurrent with synaptic block. OA elicited an even more profound effect on basal tonus. Application of 10−5 M OA increased synaptically driven contractions by ∼1.1 mN but gave rise to a 28-mN increase in basal tonus in the absence of synaptic activation. Augmentation of basal tonus exceeded any physiological stimulation paradigm and can potentially be explained by changes in intramuscular protein mechanics. Thus we provide evidence for independent but complementary effects of OA on chemical synapses and muscle contractility.

The action of octopamine on muscles of Drosophila melanogaster larvae

Octopamine (OA) and tyramine (TA) play important roles in homeostatic mechanisms, behavior, and modulation of neuromuscular junctions in arthropods. However, direct actions of these amines on muscle force production that are distinct from effects at the neuromuscular synapse have not been well studied. We utilize the technical benefits of the Drosophila larval preparation to distinguish the effects of OA and TA on the neuromuscular synapse from their effects on contractility of muscle cells. In contrast to the slight and often insignificant effects of TA, the action of OA was profound across all metrics assessed. We demonstrate that exogenous OA application decreases the input resistance of larval muscle fibers, increases the amplitude of excitatory junction potentials (EJPs), augments contraction force and duration, and at higher concentrations (10(-5) and 10(-4) M) affects muscle cells 12 and 13 more than muscle cells 6 and 7. Similarly, OA increases the force of synaptically driven contractions in a cell-specific manner. Moreover, such augmentation of contractile force persisted during direct muscle depolarization concurrent with synaptic block. OA elicited an even more profound effect on basal tonus. Application of 10(-5) M OA increased synaptically driven contractions by ≈ 1.1 mN but gave rise to a 28-mN increase in basal tonus in the absence of synaptic activation. Augmentation of basal tonus exceeded any physiological stimulation paradigm and can potentially be explained by changes in intramuscular protein mechanics. Thus we provide evidence for independent but complementary effects of OA on chemical synapses and muscle contractility.

Reduced power output in skeletal muscles devoid of skMLCK: RLC phosphorylation contributes to peak performance

Regulatory light chain (RLC) phosphorylation in fast twitch muscle is catalyzed by skeletal myosin light chain kinase (skMLCK), a reaction known to increase muscle force, work, and power. The purpose of this study was to explore the contribution of RLC phosphorylation on the power of mouse fast muscle during high frequency (100 Hz) concentric contractions. To determine peak power shortening ramps (1.05 to 0.90 Lo) were applied to Wildtype (WT) and skMLCK knockout (skMLCK-/-) EDL muscles at a range of shortening velocities between 0.05-0.65 of maximal shortening velocity (Vmax), before and after a conditioning stimulus (CS). As a result, mean power was increased to 1.28 ± 0.05 and 1.11 ± .05 of pre-CS values, when collapsed for shortening velocity in WT and skMLCK-/-, respectively (n = 10). In addition, fitting each data set to a second order polynomial revealed that WT mice had significantly higher peak power output (27.67 ± 1.12 W/ kg-1) than skMLCK-/- (25.97 ± 1.02 W/ kg-1), (p < .05). No significant differences in optimal velocity for peak power were found between conditions and genotypes (p > .05). Analysis with Urea Glycerol PAGE determined that RLC phosphate content had been elevated in WT muscles from 8 to 63 % while minimal changes were observed in skMLCK-/- muscles: 3 and 8 %, respectively. Therefore, the lack of stimulation induced increase in RLC phosphate content resulted in a ~40 % smaller enhancement of mean power in skMLCK-/-. The increase in power output in WT mice suggests that RLC phosphorylation is a major potentiating component required for achieving peak muscle performance during brief high frequency concentric contractions.

clc is co-expressed with clf or cntfr in developing mouse muscles

Affiliation: Jean-François Gauchat : Département de Pharmacologie, Faculté de médecine, Université de Montréal

Identification des mécanismes périphériques impliqués dans la douleur chronique expérimentale des muscles de la mastication

L’objectif premier de notre projet était d’établir un modèle animal de douleur chronique orofaciale, lequel pourrait imiter la sensibilité retrouvée chez les patients souffrant de douleur orofaciale myalgique. Nous avons procédé à des injections intramusculaires de saline acide (2 injections à 2 jours d’intervalle pH 4.0) pour induire une sensibilisation mécanique des mucles massétérins. La réponse nocifensive a été mesurée à l’aide de filaments de von Frey avant et après ces injections dans des rats Sprague-Dawley. Par la suite, le potentiel analgésique de différents antagonistes des récepteurs glutamatergiques fût évalué par l’injection intramusculaire de ces antagonistes à différents moments. Nos résultats suggèrent que deux injections de saline acide, produisent une hypersensibilité mécanique signalée par l’augmentation du nombre de réponses à l’application de filaments de von Frey. Cet effet dure plusieurs semaines et est bilatéral, même lorsque les injections sont unilatérales, indiquant qu’une composante centrale est forcément impliquée. Toutefois, une composante périphérique impliquant les récepteurs glutamatergiques semble présider le tout puisque les antagonistes glutamatergiques, appliqués de façon préventive empêchent le développement de l’hypersensibilité. Cependant, le maintien de cette hypersensibilité doit dépendre de mécanismes centraux puisque l’application d’antagonistes une fois la sensibilisation induite, ne diminue en rien le nombre de réponses obtenues. Ce modèle semble approprié pour reproduire une hypersensibilité musculaire durable de bas niveau. Nos données indiquent que les récepteurs glutamatergiques périphériques participent à l’induction de cette hypersensibilité de longue durée. Nous croyons que ce modèle pourra éventuellement contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes à l’origine des myalgies faciales persistantes.

Effets de la vibration des muscles sur les mécanismes neuronaux et la fonction du membre supérieur et inférieur des personnes ayant une hémiparésie chronique

Cette thèse vise à répondre à trois questions fondamentales: 1) La diminution de l’excitabilité corticospinale et le manque d’inhibition intracorticale observés suite à la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) du cortex moteur de la main atteinte de sujets hémiparétiques sont-ils aussi présents suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte? 2) Est-ce que les altérations dans l’excitabilité corticomotrice sont corrélées aux déficits et incapacités motrices des personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral depuis plus de 6 mois? 3) La vibration musculaire, étant la source d’une forte afférence sensorielle, peut-elle moduler l’excitabilité corticomotrice et améliorer la performance motrice de ces personnes? Premièrement, afin d’appuyer notre choix d’intervention et d’évaluer le potentiel de la vibration mécanique locale pour favoriser la réadaptation des personnes ayant une atteinte neurologique, nous avons réalisé une révision en profondeur de ses applications et intérêts cliniques à partir d’informations trouvées dans la littérature scientifique (article 1). La quantité importante d’information sur les effets physiologiques de la vibration contraste avec la pauvreté des études qui ont évalué son effet thérapeutique. Nous avons trouvé que, malgré le manque d’études, les résultats sur son utilisation sont encourageants et positifs et aucun effet adverse n’a été rapporté. Dans les trois autres articles qui composent cette thèse, l’excitabilité des circuits corticospinaux et intracorticaux a été étudiée chez 27 sujets hémiparétiques et 20 sujets sains sans atteintes neurologiques. Les fonctions sensorimotrices ont aussi été évaluées par des tests cliniques valides et fidèles. Tel qu’observé à la main chez les sujets hémiparétiques, nous avons trouvé, par rapport aux sujets sains, une diminution de l’excitabilité corticospinale ainsi qu’un manque d’inhibition intracorticale suite à la SMT du cortex moteur de la jambe atteinte (article 2). Les sujets hémiparétiques ont également montré un manque de focus de la commande motrice lors de l’activation volontaire des fléchisseurs plantaires. Ceci était caractérisé par une augmentation de l’excitabilité nerveuse des muscles agonistes, mais aussi généralisée aux synergistes et même aux antagonistes. De plus, ces altérations ont été corrélées aux déficits moteurs au membre parétique. Le but principal de cette thèse était de tester les effets potentiels de la vibration des muscles de la main (article 3) et de la cuisse (article 4) sur les mécanismes neuronaux qui contrôlent ces muscles. Nous avons trouvé que la vibration augmente l’amplitude de la réponse motrice des muscles vibrés, même chez des personnes n’ayant pas de réponse motrice au repos ou lors d’une contraction volontaire. La vibration a également diminué l’inhibition intracorticale enregistrée au quadriceps parétique (muscle vibré). La diminution n’a cependant pas été significative au niveau de la main. Finalement, lors d’un devis d’investigation croisé, la vibration de la main ou de la jambe parétique a résulté en une amélioration spécifique de la dextérité manuelle ou de la coordination de la jambe, respectivement. Au membre inférieur, la vibration du quadriceps a également diminuée la spasticité des patients. Les résultats obtenus dans cette thèse sont très prometteurs pour la rééducation de la personne hémiparétique car avec une seule séance de vibration, nous avons obtenu des améliorations neurophysiologiques et cliniques.

Évaluation de la spécificité de différents exercices d'endurance des muscles spinaux

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

Étude des variations respiratoires associées à une activité rythmique des muscles de la mastication durant le bruxisme du sommeil

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L'influence de la position du sujet et du niveau de force sur la fatigue des muscles du cou

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Étude de la fatigue des muscles cervicaux chez les travailleuses présentant une cervicalgie chronique

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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.

Effet d’une pré-sollicitation maximale isométrique des muscles stabilisateurs sur la coordination intermusculaire lors d’un exercice pluriarticulaire épuisant.

Introduction: Les stratégies d’optimisation de la performance chez les athlètes sont de plus en plus exploitées par les entraîneurs et préparateurs physiques. La potentialisation de post- activation (PAP) est reconnue comme étant un phénomène pouvant mener à une augmentation des performances. L’objectif de la présente étude était de donc décrire les effets d’une pré-sollicitation à la hanche sur la coordination inter-musculaire et la performance au cours d’un exercice épuisant. Méthodes: Six athlètes de patins de vitesse de courte piste (3 de sexe masculin et 3 de sexe féminin; âge: 20.2 ± 2.8 ans; moyenne±écart-type) ont exécuté aléatoirement un exercice qui consistait en 2 séries de 9 blocs de squats sautés maximaux, entre-coupés d’un squat isométrique d’une durée de 5 secondes sans pré-sollicitation préalable (CON) et avec une tâche de pré-sollicitation unilatérale de squat isométrique (EXP) contre une barre fixe de 2x3 secondes. Le pic de puissance moyen, l’amplitude et la fréquence moyenne d’EMG, et la vitesse et l’accélération angulaires des premiers et derniers blocs étaient enregistrés. Résultats: La pré-sollicitation isométrique maximale des membres inférieurs n’a pas amélioré de manière significative la performance de sauts et la coordination des muscles stabilisateurs à la hanche. La fréquence spectrale moyenne a néanmoins témoigné de l’implication de stratégies compensatoires du membre inférieur gauche en réponse à la fatigue. Conclusion: La pré-sollicitation des stabilisateurs à la hanche n’augmenterait pas la performance de squats répétés. Par contre, la fréquence moyenne du grand fessier et du tibial antérieur gauche ont suggéré meilleure résistance à la fatigue des muscles du membre inférieur non-dominant avec une pré-sollicitation. Les résultats de la présente étude indiquent donc la pertinence de considérer la pré-sollicitation dans un objectif de performance et de réadaptation sachant que l’asymétrie est omniprésente chez les athlètes et qu’elle est impliquée dans le taux élevé de blessures enregistré chez cette population.

Back muscles activity and scoliosis in ataxic and dystrophic patients

To investigate the role of muscles in the development of adolescent idiopathic scoliosis (AIS), our group was initially interested in Duchenne muscular dystrophy (DMD) diseases where a muscular degeneration often leads to scoliosis. Few years ago the studies with those patients provided interesting results but were obtained only from few patients. To increase that number, the present project was initiated but recruitment of new DMD patients from Marie-Enfant hospital was found impossible. As an alternative, patients with Friedreich’s ataxia (FA) were recruited since they also suffer from a muscular deficiency which often induces a scoliosis. So, 4 FA patients and 4 healthy controls have been chosen to closely match the age, weight and body mass indexes (BMI) of the patients were enrolled in our experiments. As in the previous study, electromyography (EMG) activity of paraspinal muscles were recorded on each side of the spine during three types of contraction at 2 different maximum voluntary contractions (MVC). Moreover, the volume and skinfold thickness of these muscles were determined from ultrasound images (US) in order to facilitate the interpretation of EMG signals recorded on the skin surface. For the 3 FA right scoliotic patients, EMG activity was most of the time larger on the concave side of the deviation. The opposite was found for the 4th one (P4, left scoliosis, 32°) for whom EMG activity was larger on the convex side; it should however be noted that all his signals were of small amplitude. This was associated to a muscle weakness and a large skinfold thickness (12 mm) vs 7 mm for the 3 others. As for the paraspinal muscle volume, it was present on the convex side of P1, P3 and P4 and on the concave side for P2. As for skinfold thickness over this muscle, it was larger on the concave side for P1 and P2 and the opposite for P3 and P4. At the apex of each curve, the volume and skinfold thickness differences were the largest. Although the study covers only a small number of FA patients, the presence of larger EMG signals on the concave side of a spinal deformation is similar to pre-scoliotic DMD patients for whom the deformation is in its initial stage. It thus seems that our FA patients with more EMG activity on their concave side could see progression of their spinal deformation in the coming months in spite of their already important Cobb angle.