Chasing the spinal circuit for reaching and grasping control in rats

Abstract

El moviment és la base de la vida. Està coordinat per una complexa xarxa anomenada sistema motor, que constantment s’ajusta a un ambient en permanent canvi per produir moviments significatius. Hem centrat aquesta tesi en una de les formes més representatives del control motor – l’abast i prensió. El rol de la medul·la espinal en la seva mediació ha estat tradicionalment subestimat, tot i la presència de xarxes espinals, denominades generadors centrals de patrons, governant comportaments com la locomoció. Per això, hem intentat elucidar el paper de la medul·la espinal en la funció manual hàbil. Amb aquest objectiu, vam infligir lesions excitotòxiques mitjançant la injecció d’àcid kaínic a la substància grisa de la medul·la espinal cervical de rates. Així, vam afectar exclusivament les xarxes espinals i hem preservat els axons en trànsit. Els dèficits motors van ser avaluats amb diversos tests conductuals de funció manual que presumiblement requerien xarxes neuronals diferents. Vam trobar que el dany en el segment espinal sC3 provocava dèficits en l’abast i prensió i en altres moviments relacionats. Subseqüentment, vam mostrar que la secció de les arrels dorsals i ventrals d’aquest segment no perjudicava l’habilitat d’abast i prensió, refutant la intervenció de les motoneurones i/o neurones sensorials del segment sC3 en el seu control i implicant la participació de xarxes d’interneurones. A més, això suggeria la possibilitat de l’existència al segment sC3 d’un generador central de patrons per a l’abast i prensió. A continuació, vam indagar en aquesta hipotètica xarxa a sC3. Primer, vam tractar d’identificar les poblacions neuronals espinals activades preferentment pel moviment d’abast i prensió, en base a l’expressió de gens d’expressió primerenca en animals intactes. Els resultats van mostrar una tendència a un major nombre de neurones activades en els animals entrenats per l’abast i prensió, especialment als segments espinals rostrals sC2-C5. Finalment, per elucidar el rol de les interneurones de sC3 en el control de la destresa manual, vam silenciar específicament les interneurones de sC3 que projecten a sC7. Nogensmenys, la inactivació de les interneurones sC3-a-sC7 no va pertorbar la funció manual, rebutjant la hipòtesi del generador central de patrons a sC3. En conjunt, els nostres resultats recolzen l’existència d’una xarxa neuronal al segment espinal sC3 que seria necessària pel control de la destresa manual. Aquesta xarxa no és un generador central de patrons, sinó que podria estar integrant informació i projectant-la cap a estructures supraespinals perquè el moviment es pugui executar correctament. Avançar en la comprensió del control motor fi serà crucial pel desenvolupament d’estratègies terapèutiques que millorin la qualitat de vida dels pacients amb desordres relacionats.

El movimiento es la base de la vida. Está coordinado por una compleja red llamada sistema motor, que constantemente se ajusta a un ambiente en cambio permanente para producir movimientos significativos. Hemos centrado esta tesis en una de las formas más representativas del control motor – el alcance y agarre. El rol de la médula espinal en su mediación ha sido tradicionalmente subestimado, pese a la presencia de redes espinales, denominadas generadores centrales de patrones, gobernando comportamientos como la locomoción. Por eso, hemos intentado elucidar el papel de la médula espinal en la función manual hábil. Con este objetivo, infligimos lesiones excitotóxicas mediante la inyección de ácido kaínico en la sustancia gris de la médula espinal cervical de ratas. Así, afectamos exclusivamente las redes espinales y preservamos los axones en tránsito. Los déficits motores fueron evaluados con diversos test comportamentales de función manual que presumiblemente requerían redes neuronales distintas. Encontramos que el daño al segmento espinal sC3 provocaba déficits en alcance y agarre y en otros movimientos relacionados. Subsiguientemente, mostramos que la sección de las raíces dorsales y ventrales de este segmento no perjudicaba la habilidad de alcance y agarre, refutando la intervención de las motoneuronas y/o neuronas sensoriales del segmento sC3 en su control e implicando la participación de redes de interneuronas. Además, esto sugería la posibilidad de la existencia de un generador central de patrones para el alcance y agarre en el segmento sC3. A continuación, indagamos en esa hipotética red de sC3. Primero, tratamos de identificar las poblaciones neuronales espinales activadas preferentemente por el movimiento de alcance y agarre, en base a la expresión de genes de expresión temprana en animales intactos. Los resultados mostraron una tendencia a un mayor número de neuronas activadas en los animales entrenados para alcance y agarre, especialmente en los segmentos espinales rostrales sC2-C5. Finalmente, para elucidar el rol de las interneuronas de sC3 en el control de la destreza manual, silenciamos específicamente las interneuronas de sC3 que proyectan a sC7. Sin embargo, la inactivación de las interneuronas sC3-a-sC7 no perturbó la función manual, rechazando la hipótesis del generador central de patrones en sC3. En conjunto, nuestros resultados respaldan la existencia de una red neuronal en el segmento espinal sC3 que sería necesaria para el control de la destreza manual. Esta red no es un generador central de patrones, sino que podría estar integrando información y proyectándola hacia estructuras supraespinales para que el movimiento se pueda ejecutar correctamente. Avanzar en la comprensión del control motor fino será crucial para el desarrollo de estrategias terapéuticas que mejoren la calidad de vida de los pacientes que sufren desórdenes relacionados.

Motion is the basis of life. It is coordinated by a highly complex network known as the motor system, which constantly adjusts to a permanent changing environment to produce meaningful movements. We centred this thesis in one of the most representative forms of fine motor control – reaching and grasping (R&G). The role of the spinal cord in its mediation has been traditionally underestimated, despite the presence of spinal networks, called central pattern generators (CPGs), governing behaviours such as locomotion. Thus, we aimed to elucidate the involvement of the spinal cord in forelimb skilled function. For this purpose, we inflicted excitotoxic injuries by injecting kainic acid into the grey matter of the cervical spinal cord of rats. Hence, we exclusively affected spinal networks while preserving the axons of passage. Motor deficits were evaluated in a variety of behavioural tests of forelimb function that presumably require different neuronal networks. We found that damaging spinal segment sC3 provoked deficits in R&G and other related movements. Subsequently, we showed that sectioning the dorsal and ventral roots of that spinal segment did not impair R&G ability, refuting the intervention of sC3 motoneurons and/or sensory neurons in their control, thus implying the participation of networks of interneurons. Moreover, it suggested the possibility of a R&G CPG at sC3. Next, we inquired into this hypothetical sC3 network. First, we aimed to identify the spinal cord neuronal populations preferentially activated while R&G, based on the expression of immediate early genes (IEGs) in intact animals. The results showed a trend of a higher number of activated neurons in animals trained for R&G, especially at rostral spinal segments sC2-C5. Finally, to elucidate the role of sC3 interneurons in manual dexterity control, we anatomically targeted and silenced sC3-to-C7 projecting neurons. Nonetheless, inactivation of sC3-to-C7 interneurons did not perturb forelimb function, cancelling the sC3 CPG hypothesis. On the whole, our findings support the existence of neuronal network necessary for controlling forelimb skilled function at spinal segment sC3. This network is not a CPG, but it could be integrating feedback information and projecting it to supraspinal structures so that the movement is properly executed. Advancing our comprehension of fine motor control will be crucial for developing improved therapeutic strategies, ultimately enhancing the quality of life for patients with associated disorders.