Modulation of the stretch reflex arc to improve functional recovery after peripheral nerve injury

Abstract

Després d’una lesió del sistema nerviós perifèric, aquest té la capacitat de regenerar però la seva recuperació funcional sol ser limitada, principalment degut a la inespecificitat de la reinnervació dels òrgans perifèrics i als canvis plàstics maladaptatius de la circuiteria espinal. En aquesta tesi hem volgut modular els canvis a la circuiteria espinal del reflex d’estirament per poder millorar la recuperació funcional després de lesions del nervi perifèric en un model animal. En primer lloc, es va dur a terme una caracterització immunohistoquímica dels canvis que patien les motoneurones espinals després d'una lesió del nervi ciàtic; aquests canvis es van estudiar en animal postnatal i en l’adult. En els animals postnatals, també es va estudiar la composició sinàptica de l’arbre dendrític de les neurones, i es va observar una elevada pèrdua de sinapsis excitatòries que no s’arriben a recuperar després de 2 mesos. Pel que fa als canvis produïts en l’adult, vam observar que la màxima pèrdua de sinapsis glutamatèrgiques i de xarxes perineurals (PNN) es produïa dues setmanes després de la lesió, amb una progressiva recuperació a partir de la quarta setmana. Per intentar atenuar aquesta pèrdua sinàptica i de PNN, vam estudiar l’efecte de l’estimulació elèctrica i de la capacitat de diferents factors tròfics (aplicats a la zona de lesió mitjançant una matriu de col·lagen en un tub de silicona). No es van obtenir diferències significatives en cap de les dues teràpies. També vam avaluar diferents protocols d'exercici físic, concretament l’exercici forçat, voluntari i passiu. Si es feia servir un protocol d’alta intensitat, la pèrdua sinàptica i de PNN que patien les motoneurones era menor que la pèrdua observada en les motoneurones d'animals que no havien estat sotmesos a exercici, mentre que en aquells que corrien menys no presentaven millores respecte als animals no exercitats A més, en els animals exercitats també vam observar un augment de l’astrogliosis al voltant de les motoneurones axotomitzades i una disminució de l’activació de la microglia, excepte en l’exercici voluntari i passiu a baixa intensitat, on vam observar un augment de l’activació de microglia. Degut als efectes positius induïts per l’exercici físic sobre els canvis plàstics en el nostre model, vam valorar potencials mecanismes implicats en aquestes efectes. Tot i que se sap que l’exercici incrementa l’expressió de neurotrofines, es desconeix com l'exercici modula aquestes neurotrofines i quines són les seves accions específiques. Per valorar el paper del BDNF en els efectes de l'exercici observats en el nostre model, vam administrar sistèmicament un agonista i un antagonista del TrkB. Vam observar que el manteniment de les sinapsis mediat per l'exercici físic depenia parcialment de l’activació del TrkB, però l'activació farmacològica d'aquest receptor no mimetitzava els efectes de l'exercici. Com que l'exercici físic provoca un augment de l'activitat neural, també vam valorar el paper de les projeccions descendents noradrenèrgiques del tronc de l'encèfal en els efectes moduladors de l'exercici sobre les motoneurones. Aquestes vies descendents modulen l'excitabilitat de les motoneurones espinals i s'activen en situació d’estrès, com l'exercici forçat. Mitjançant l’administració de DSP-4, que destrueix el locus coeruleus i per tan, provoca la pèrdua de les projeccions noradrenergiques descendents, vam veure una reducció de PNN i una marcada reactivitat de la microglia. En els animals sotmesos a exercici, la pèrdua d'aquestes projeccions impedia la preservació de sinapsis i de PNN al voltant de les motoneurones lesionades, si bé la reactivitat microglial es veia igualment disminuïda. Aquestes troballes suggereixen que la modulació dels canvis espinals induïts per l'exercici físic seria parcialment dependent de l'activació d'aquestes projeccions noradrenèrgiques, mentre que la modulació de la micròglia per l'exercici en seria independent

After a peripheral nerve injury, axons are able to regenerate but functional recovery is usually limited, mainly due to unspecific reinnervation of target organs and also to maladaptive plastic changes in the spinal circuitry. In this thesis we wanted to modulate the stretch reflex arc to improve functional recovery after peripheral nerve lesions in animal model. Firstly, we carried out an immunohistochemical characterization of the changes surrounding spinal motoneurons after sciatic nerve injury; these changes were studied in postnatal and adult animals. In postnatal animals, we also studied VGlut1 contacts along dendrites, observing a high loss of excitatory synapses that were not recovered at 2 months. Regarding adult motoneurons, we found that the maximum loss of glutamatergic synapses and perineuronal nets (PNN) took place two weeks after injury, with a progressive recovery at 4 weeks. To try to ameliorate this loss of synapses and PNN, we studied the effect of electrical stimulation and different trophic factors (applied directly to the injury with a collagen matrix in a silicone tube). No significant differences were observed in none of them. We also evaluated different exercise protocols, specifically forced, voluntary and passive exercise. A high intensity protocol was able to partially prevent the synaptic and PNN loss that suffer axotomized motoneurons, whereas low intensity programs did not show significant differences compared to untrained ones. We also observed an increase of astrogliosis surrounding axotomized motoneurons and a decrease of microglia activation in exercised animals, except for those receiving low intensity voluntary and passive exercise, where there was a significant increase of microglia. Due to the positive effects induced by physical exercise on central plastic changes, we evaluate potential mechanisms involved in these effects. Although it is known that exercise increase neurotrophins, it is unknown how exercise modulates these neurotrophins and their specific actions. To evaluate the role of BDNF in the effects of exercise on axotomized motoneurons, we systemically administered a TrkB agonist and antagonist. We observed that the maintenance of synapses mediated by exercise was partially dependent of TrkB activation, but pharmacological activation of this receptor did not mimic exercise effects. As after physical exercise there was an increase of neural activity, we studied the role of noradrenergic descending projections from brainstem in spinal cord motoneurons after exercise. These descending pathways modulate excitability of the spinal motoneurons and are activated by stress situations, such as forced exercise. By DSP-4 administration, we provoked the desestructuration of the Locus Coeruleus and thus, loss of noradrenergic descending projections, observing a reduction of PNN and a marked reactivity of microglia. In animals submitted to exercise, the loss of these projections prevented the preservation of synapses and PNN around injured motoneurons, although microglial reactivity was also decreased. These findings suggest that modulation of spinal changes induced by physical exercise would be partially dependent on the activation of noradrenergic projections, whereas the modulation of microglia is independent of the exercise.