4.1 Discussion
Dans cette section, nous discuterons des résultats de nos analyses anatomiques des noyaux du mésencéphale. Nous aborderons dans un premier temps l’organisation du circuit descendant de ces potentiels corrélats anatomiques de la MLR avant de traiter de sa réorganisation après hémi-lésion thoracique en T10. Nous poursuivrons ensuite en discutant du potentiel de ce projet dans le domaine clinique pour finalement traiter des améliorations méthodologiques à apporter et des études de suivi complémentaires à effectuer avant de conclure.
4.1.1 Organisation anatomique du circuit descendant de la MLR
Nos données mettent ainsi en évidence l’aspect symétrique et bilatéral de la MLR. Même si le Fast-Blue n’a été injecté que d’un seul côté de la MRF, on retrouve quand même des neurones marqués rétrogradement de chaque côté et dans chaque noyau. Ceci nous suggère que ces corrélats anatomiques potentiels de la MLR projettent symétriquement et bilatéralement vers la MRF. Ceci appuie différentes études effectuées précédemment. En effet, nous avons mentionné plus tôt qu’il a été mis en évidence que la stimulation électrique (Shik et al., 1966; Skinner et Garcia-Rill, 1984; Bernau et al., 1991; Musienko et al., 2008) ou chimique (Marlinsky et Voitenko, 1991; Sirota et al., 2000) de la MLR génère des réponses motrices bilatérales et symétriques (Shik et Orlovky, 1976; Brocard et al., 2010; Ryczko et al., 2016). D’après Brocard et collaborateurs (Brocard et al., 2010), les réponses synaptiques obtenues suite à une stimulation unilatérale sont similaires selon leur forme, leur amplitude et l’intensité de leur seuil. De plus, l’augmentation de l’intensité des stimulations semble aussi accentuer les réponses de chaque côté de manière similaire. Cette symétrie et cette bilarité fonctionnelles concordent aussi avec d’autres études anatomiques (Steeves et Jordan, 1984; Garcia-Rill et al., 1986) ayant démontré la présence de projections de la MLR (CnF et PPN dans ces études) de chaque côté de la MRF. Ainsi, on peut observer une correspondance entre la structure et la fonction du circuit descendant de la MLR.
Les neurotransmetteurs des projections de la MLR vers la MRF sont le glutamate, l’acétylcholine et le GABA (Cornwall et al., 1990, Mena-Segovia et al., 2008; Wang et
Morales, 2009; Le Ray et al., 2011; Martinez-Gonzalez et al., 2014). Les neurones marqués rétrogradement dont nous n’avons pas pu identifier le neurotransmetteur pourraient donc être des neuones GABAergiques étant donné que la cible de notre marquage immunohistochimique était les neurones excitateurs. Il n’est toutefois pas possible d’exclure que le marquage immunohistochimique ait pu ne pas fonctionner correctement pour quelques neurones. Pour les neurones que nous avons pu identifier, nos résultats nous suggèrent que les neurones glutamatergiques seraient la population dominante parmi elles. En effet, on observe une majorité de neurones glutamatergiques marqués rétrogradement dans chaque noyau alors que les cholinergiques rétrogrades sont retrouvés dans le LDT et en plus faible proportion dans le PPN et que les doubles sont distribués de manière éparse dans les différents noyaux. Notons toutefois que certaines études (Takakusaki et al., 1996; Martinez-Gonzalez et al., 2014) relèvent la présence d’une densité plus conséquente de neurones cholinergiques du PPN projetant vers la MRF mais davantage vers la PRF. Leur densité n’est cependant pas aussi importante que celle des projections glutamatergiques qui elles projettent même jusque dans la moelle épinière contrairement aux cholinergiques (Rye et al., 1988). Cette importante densité de neurones glutamatergiques concorde avec leur rôle majeur dans la locomotion. En effet, la stimulation optogénétique des neurones glutamatergiques de la MLR permet d’initier la locomotion (Lee et al., 2014; Roseberry et al., 2016; Caggiano et al., 2018; Josset et al., 2018). Les projections des ganglions de la base vers la MLR cibleraient aussi spécifiquement les neurones glutamatergiques (Roseberry et al., 2016) et les projections glutamatergiques de la MRF vers la moelle épinière contribueraient à l’initiation et au contrôle de la locomotion (Hägglund et al., 2010; Bretzner et Brownstone, 2013; Bouvier et al., 2015; Capelli et al., 2017). De plus, le rôle des neurones glutamatergiques demeure crucial même au niveau réticulospinal car l’exposition des cellules réticulospinales à des bloqueurs ou des antagonistes du glutamate induit une diminution significative des réponses motrices alors que des micro-injections de glutamate ont eu l’effet inverse (Ryczko et al., 2016). Il n’est donc pas étonnant de retrouver cette dominance de projections glutamatergiques de la MLR vers la MRF. Tout comme pour l’aspect symétrique et bilatéral de la MLR, on constate ainsi une correspondance entre la structure et la fonction.
4.1.2 Réorganisation du circuit descendant de la MLR après hémi-lésion médullaire
Nos résultats suggèrent qu’il y a un recrutement de projections glutamatergiques rétrogrades dans le CnF, le PPN contralésionnel et le LDT ipsilésionnel. Celui-ci est d’ailleurs accompagné par une récupération spontanée de la marche au fil du temps (Figure
17) ce qui appuie notre hypothèse selon laquelle une réorganisation des projections
glutamatergiques de la MLR contribuerait à la récupération fonctionnelle de la marche après lésion partielle thoracique de la moelle épinière.
Nous avons déjà discuté de l’importance des neurones glutamatergiques dans la locomotion dont celle à haute vitesse. Ainsi, il ne serait pas étonnant qu’un recrutement de ces neurones puisse effectivement contribuer à la récupération spontanée de la marche après lésion médullaire partielle. Différentes études optogénétiques (Lee et al., 2014; Roseberry et al., 2016) ont déjà mis en évidence le rôle essentiel des neurones glutamatergiques de la MLR dans la locomotion mais sans s’attarder sur le rôle exact de ses corrélats anatomiques potentiels. Notre laboratoire s’est ainsi intéressé à préciser le rôle des populations neuronales glutamatergiques et cholinergiques du CnF et du PPN (Josset et al., 2018; Annexe) afin de distinguer leurs contributions respectives au mouvement. Nous avons ainsi mis en évidence que de longues photostimulations des neurones glutamatergiques du CnF permettent l’initiation et l’accélération de la marche alors que leur photoinhibition ralentie le rythme locomoteur. De courtes photostimulations du CnF ont quant à elles pour effet d’augmenter l’activité musculaire au cours de la locomotion. Du côté du PPN, de longues photostimulations des neurones glutamatergiques et cholinergiques du PPN entraînent une décélération. Étonnamment, la photoinhibition des neurones glutamatergiques du PPN induit aussi une décélération pouvant même aller jusqu’à provoquer un arrêt locomoteur. En ce qui concerne les neurones cholinergiques, de courtes stimulations de cette population neuronale du PPN réinitialisent le rythme locomoteur et de longues photostimulations ralentissent la vitesse de marche. D’après ces résultats, il est donc possible que la population neuronale glutamatergique du CnF soit responsable de l’initiation de la locomotion et de l’accélération du rythme locomoteur. Quant au PPN, celui-ci pourrait avoir un rôle de contrôle de la vitesse de locomotion voire peut-être de frein. Si ces fonctions s’avèrent exactes, cela pourrait expliquer pourquoi nous
observons que le recrutement de neurones rétrogrades glutamatergiques est particulièrement important dans le CnF (Figure 22 E Ratios Ipsi|Contra : 2,30|3,00 CnF). S’il est possible que l’augmentation observée dans le PPN contralésionnel puisse être due à la variabilité entre les groupes, nos analyses statistiques indiquent tout de même que cette augmentation est significative. Ainsi, il est possible que le recrutement de neurones glutamatergiques dans le PPN puisse contribuer à rétablir un certain contrôle de la vitesse de locomotion. Comme peu d’informations sont disponibles sur le rôle locomoteur du LDT chez les mammifères, il ne nous est pas possible de nous prononcer sur ce que pourrait impliquer l’augmentation observée dans le LDT contralésionnel. Il est toutefois possible, étant donné que le LDT possède une population neuronale hétérogène semblable au PPN (Mesulam et al., 1983; Wang et Morales, 2009; Mena-Segovia et al., 2009; Luquin et al., 2018) que ce recrutement de neurones glutamatergiques pourrait avoir un effet similaire à celui du PPN.
Un autre élément remarquable par rapport à cette réorganisation est que les changements sont plus importants du côté contralatéral à l’hémi-lésion thoracique (Figure
22 E Ratios Ipsi|Contra : 2,30*|3,00* CnF; 1,00|1,00 MRN; 1,20|1,40* PPN; 1,10|1,25*
LDT; *p<0,05). Zörner et collaborateurs ont également relevé une augmentation des projections de la MLR vers le GRN qui était plus importante du côté contralésionnel après une lésion médullaire cervicale (Zörner et al., 2014). Cette observation pourrait signifier que le côté intact est modifié de manière plus importante afin de compenser les déficits du côté lésé. Il a été démontré que la plasticité du circuit spinal contribue à la récupération fonctionnelle post-lésion médullaire (Courtine et al., 2008; Gosh et al., 2009; Martinez et al., 2012; Filli et al., 2014; May et al., 2017; Asboth et al., 2018). Il est donc possible que cette réorganisation supraspinale se fasse conjointement avec une réorganisation au niveau de la moelle épinière. Davantage de projections glutamatergiques vers la MRF sont apparemment recrutées et un changement similaire pourrait peut-être se produire dans la moelle épinière contralésionnelle. Ces fibres spinales supplémentaires pourraient éventuellement compenser le déficit en traversant la ligne médiane vers le côté ipsilésionnel et contribuer à rétablir des connexions entre l’encéphale et les structures sous la lésion (Gosh et al., 2009; Zörner et al., 2014) . Ceci met en évidence l’importance d’étudier la
réorganisation anatomique post-lésionnelle à la fois au niveau supraspinal et au niveau spinal afin d’avoir une compréhension exhaustive de ce phénomène.
4.1.3 Implications pour la stimulation cérébrale profonde (SCP)
Nos résultats suggèrent donc un recrutement de neurones glutamatergiques dans le CnF, le PPN contralatéral et le LDT contralatéral. Nous discuterons maintenant du potentiel de cette recherche dans le domaine clinique. En effet, la MLR serait une cible potentiellement efficace de la stimulation cérébrale profonde (SCP) afin de traiter ou atténuer certains déficits moteurs. Nous discuterons brièvement dans un premier temps du cas de la maladie de Parkinson avant d’aborder le cas des lésions médullaires.
4.1.3.1 Potentiel pour le traitement de la Maladie de Parkinson par SCP
Même s’il s’agit d’une pathologie bien différente des lésions médullaires, la maladie de Parkinson entraîne aussi plusieurs déficits moteurs (rigidité, tremblements de repos, akinésie et bradykinésie). Elle est caractérisée par une dégénérescence des neurones dopaminergiques de la SNc. Or, nous avons pu voir plus tôt que la MLR et la SNc sont connectées. Une perte des terminaisons axonales dopaminergiques (Rolland et al., 2009) ainsi qu’une dégénérescence des neurones cholinergiques (Karachi et al., 2010) du PPN ont toutes deux étés mises en évidence chez un modèle animal de la maladie de Parkinson (le singe traité au MPTP). La dégénérescence des neurones cholinergiques du PPN a d’ailleurs été associée à un déficit postural et une marche instable. Dans un autre modèle animal, soit le rat 6-OHDA, les neurones cholinergiques du PPN ne sont pas perdus mais les neurones non-cholinergiques (glutamatergiques et GABAergiques) le sont (Pienaar et Van de Berg, 2013). Si la nature des dommages demeure débattue, ces études suggèrent tout de même que la MLR est affectée par la maladie de Parkinson. De plus, il a été mis en évidence que le CnF serait hyperactif au cours de cette pathologie et il a ainsi été proposé que cette hyperactivation puisse contribuer à l’akinésie observée chez les animaux et patients atteints (Heise et Mitrofanis, 2006). La SCP pourrait donc peut-être atténuer cette hyperactivation. Malgré sa possible dégénérescence et en raison des premières évidences ayant suggéré le PPN comme un corrélat anatomique de la MLR capable d’initier la marche (Garcia-Rill et al., 1987; Garcia-Rill et Skinner, 1988), celui-ci a été proposé comme cible
pour la SCP visant à traiter l’akinésie causée par la maladie de Parkinson. La SCP du PPN a permis de soulager les symptômes moteurs chez plusieurs patients (Liu et al., 2015; Hamani et al., 2016) en dépit d’un certain nombre d’effets secondaires comme des troubles du sommeil (Arnulf et al., 2010) et des mictions involontaires (Aviles-Olmos et al., 2011). En revanche, les résultats se sont avérés très variables entre les différentes études cliniques (Mazzone et al., 2005; Mazzone et al., 2007; Stefani et al., 2007) indiquant un problème dans la reproductibilité des effets bénéfiques. Ces résultats mixtes pourraient s’expliquer par des variations de positionnement des électrodes de stimulation. En effet, nos résultats suggèrent que les neurones glutamatergiques du CnF pourraient en fait être une meilleure cible en raison de leur apparente capacité à initier et promouvoir la locomotion. Ainsi, il est possible que les effets bénéfiques de la SCP du PPN soient en fait dus à une stimulation du CnF seul ou du CnF et du PPN simultanément plutôt que du PPN seul. En effet, les recherches de Takakusaki et collaborateurs (Takakusaki et al., 2003a; Takakusaki et al., 2005; Pour revue : Takakusaki et al., 2004) et nos travaux (Josset et al., 2018) suggèrent plutôt que le PPN serait impliqué dans le contrôle de la locomotion en la ralentissant, en réinitialisant le rythme locomoteur et en contrôlant le tonus musculaire. Ainsi, en plus de sa contribution potentielle aux traitements des lésions médullaires, ce projet qui soutient l’importance des neurones glutamatergiques du CnF dans la locomotion pourrait contribuer à préciser les sites de SCP optimaux afin d’améliorer les fonctions motrices déficitaires dans le cas de la maladie de Parkinson.
4.1.3.2 Potentiel pour le traitement des lésions médullaires
De nombreuses avenues thérapeutiques sont été étudiées afin de traiter les lésions de la moelle épinière. Parmi elles, on retrouve l’utilisation de cellules souches et de facteurs de croissances neuronaux afin de favoriser la croissance axonale et éventuellement rétablir les connexions spinales (Schnell et Schwab. 1990; Bomze et al., 2001; Bareyre et al., 2002; Liu et al., 2004; Bretzner et al., 2008; Zörner et Schwab, 2010; Fehlings et al., 2011; Lindau et al., 2014) mais aussi la stimulation des centres locomoteurs spinaux en ciblant le réseau locomoteur lombaire (Gerasimienko et al., 2015). La stimulation électrique des centres locomoteurs supraspinaux est également une avenue prometteuse. En effet, il a été mis en évidence (Bachmann et al., 2013) que la SCP dans la région du PPN appartenant à la
MLR et ses alentours peut améliorer la marche et la nage chez des rats ayant subi une lésion presque complète (12-25% et 2,5-11% de matière blanche intacte selon leurs groupes) de la moelle épinière en T9-T10. La Figure 23 A montre l’effet d’une SCP de la MLR d’intensité progressive (incréments de 25%) sur la marche d’un rat sévèrement lésé (pour 12-25% de matière blanche intacte). On observe aussi (Figure 23 B) l’effet de cette même SCP sur la nage d’un rat ayant reçu une lésion partielle sévère voire presque complète (pour 12-25% et 2,5-11% de matière blanche intacte). Il est intéressant de remarquer que les rats lésés dont seulement 2,5-11% de la matière blanche était intacte n’étaient pas en mesure de marcher avec la SCP mais ont été capables de nager grâce au support de poids apporté par l’eau. Cela pourrait donc s’avérer être une avenue prometteuse pour réhabiliter certains patients ayant subis une lésion médullaire incomplète mais tout de même extrêmement sévère.
Figure 23. La stimulation cérébrale profonde de la MLR améliore la locomotion chez des souris médullaires
A. Schéma représentant la marche d’un rat 4 semaines après lésion thoracique de la moelle
épinière en T9-T10 (Groupe lésé : 12-25% de matière blanche intacte) en fonction de l’intensité de la stimulation reçue (0%-100%). B. Schéma représentant la nage d’un rat 4 semaines après lésion thoracique de la moelle épinière en T9-T10 (Groupe lésé pour 2,5- 11% et Groupe lésé pour 12-25% de matière blache intacte) en fonction de l’intensité de la stimulation reçue (0%-100%). Les effets des stimulations en A et en B sont observables par la position des pattes et la posture des rats. (Figure adaptée de Bachmann et al., 2013).
La SCP de la MLR pour traiter les patients médullaires est ainsi à l’étude et est promise à des essais cliniques dans le futur (Stieglitz et Prusse, 2017). Or, les résultats de notre analyse stéréologique post-lésion combinés à ceux de nos expériences de stimulation optogénétique de la MLR pourraient contribuer à préciser les sites de stimulation les plus
favorables à la récupération de la locomotion chez ces patients dans le cadre d’un traitement par SCP. En effet, les neurones glutamatergiques du CnF semblent être responsables de l’initiation de la marche et subissent apparemment une réorganisation anatomique qui pourrait contribuer à la récupération fonctionnelle spontanée après lésion médullaire partielle. Ainsi, il est possible que les neurones glutamatergiques du CnF soient la cible préférentielle pour favoriser une récupération optimale de la locomotion chez les patients ayant subi une lésion incomplète de la moelle épinière.
4.2 Perspectives et conclusions
4.2.1 Perspectives : considérations méthodologiques et études complémentaires
Avant de conclure ce mémoire, nous aborderons dans cette section les problèmes que comportent ce projet et les études complémentaires nécessaires afin d’en faire une recherche plus robuste. Son problème le plus apparent est son besoin de reproductibilité. En effet, plusieurs manipulations comportent des risques pouvant réduire le nombre d’animaux analysables. Sans compter les pertes chirurgicales, des souris ont été exclues de nos analyses en raison d’une lésion médullaire trop importante ou insuffisante ou encore à cause d’une injection de traceur qui n’était pas correctement circonscrite à la MRF droite. Ainsi, nous n’avons que cinq animaux contrôles « Sham » et cinq animaux médullaires « SCI ». Il serait donc nécessaire de refaire l’expérience afin d’augmenter notre nombre de souris analysables dans les deux groupes. Ceci permettrait également de rendre nos analyses statistiques plus robustes et possiblement de limiter l’influence de la variabilité entre les animaux d’un même groupe. En effet, même si nous avons pu mettre en évidence une augmentation significative du nombre de projections glutamatergiques du CnF, du PPN contralésionnel et du LDT contralésionnel, ceux-ci ne correpondent qu’au degré minimal de significativité statistique (*p<0,05 selon un intervalle de confiance de 95%). De plus, on observe des écart-types relativement élevés parmi les groupes « Sham » (Tableau 2) et « SCI » (Tableau 3) selon les différentes populations neuronales quantifiées. À part une certaine variabilité entre les animaux, ceci pourrait en partie s’expliquer par le fait que pour des raisons techniques et de disponibilité du système d’analyse stéréologique, nous avons dû effectuer nos analyses sur deux stations différentes qui n’étaient pas équipées des mêmes versions du logiciel Stereo Investigator. Nous nous sommes assurés au préalable
que les méthodes d’estimation du nombre de neurones concordaient entre les deux versions mais il n’est pas possible de totalement exclure cette inconvenance comme une source éventuelle de variabilité. La variabilité dans le groupe médullaire « SCI » pourrait aussi être liée à la réorganisation anatomique suggérée par nos résultats. En effet, il est possible que l’importance de cette réorganisation puisse être corrélée au degré de récupération fonctionnelle individuel des animaux lésés. Cette dernière éventualité offre cependant une information intéressante à déterminer pour la suite.
Il nous faut aussi évaluer la récupération fonctionnelle à partir de plus éléments quantitifables comme la durée des phases d’appui et de balancement, la hauteur et le mouvement de la hanche ou encore le degré de traînement de la patte lésée. Nous pourrons aussi renforcer nos conclusions en déterminant individuellement pour chaque animal si un recrutement de projections glutamatergiques plus important est lié ou non à une meilleure amélioration de la locomotion par rapport aux autres individus lésés. Aussi, d’après des résultats qualitatifs préliminaires de notre laboratoire obtenus par traçage axonal avec un AAV m-cherry (Figures 24 et 25) chez des souris VGluT2-Cre contrôles, il semble que le CnF envoie davantage de projections axonales glutamatergiques vers la partie alpha et ventrale du GRN, le LPGi et la PPR. Le PPN quant à lui projetterait davantage que le CnF dans le GRN mais moins que lui dans le LPGi, la PPR et la partie alpha et ventrale du GRN. Ceci pourrait signifier que les résultats de nos analyses stéréologiques pourraient peut-être varier significativement si le site d’injection du traceur était davantage localisé dans le LPGi ou la PPR plutôt que le GRN. Il serait alors intéressant de vérifier si l’apparente réorganisation post-lésion des projections glutamatergiques du CnF se produit différemment si leurs cibles sont le LPGi et le GRN alpha et ventral plutôt que le GRN. En