Abstract : When clinical symptoms of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) appear, the majority of spinal motoneurons have already degenerated. Similarly, studies of ALS mouse models have shown that the contractile force of several muscles have diminished by up to 80 percent when clinical symptoms emerge. The etiology of ALS is still unknown and studying the early pathological events could help to improve our understanding of why motoneurons are the principal target of this neurodegenerative disease. Our aim was to identify early abnormalities in transgenic mice expressing a mutated human superoxyde dismutase 1 (SOD1) gene. This SOD1 mutation is found in some ALS patients and these mice are commonly used as a model of this disease. Using behavioral assessments, we showed that the maturation of sensorimotor pathways was disturbed in the SOD1 mice during the first two postnatal weeks. Precisely, the appearance of motor reflexes such as placing, grasping and righting were delayed compared to wild type (WT) animals. These deficits could be explained by the dysfunction of lumbar networks, as hindlimb function was involved in all of the altered motor reflexes. Using brainstem-spinal cord in vitro preparations isolated from pups in the first postnatal week, we showed that SOD1 lumbar networks were barely activated by pharmacological agents. Electrophysiological recordings from these preparations demonstrated that SOD1 lumbar networks were weakly activated by glutamate agonists. However, intracellular recordings of motoneurons showed that the intrinsic properties of SOD1 motoneurons were unchanged compared to WT motoneurons. Thus, these data suggested an imbalance between AMPA and NMDA receptors and a lack of activation of NMDA receptors in SOD1 motoneurons. During the second postnatal week the intrinsic properties of SOD1 lumbar motoneurons were altered. Specifically, SOD1 motoneurons were hypo-excitable and exhibited a lower gain and input resistance compared to motoneurons recorded from WT animals. Concomitantly, we also described a robust increase in the dendritic surface area of SOD1 motoneurons. This surface area increase was sufficient to fully account for the lower input resistance, while the lower gain indicated modifications of ionic conductances. These modifications remain to be characterized. Lastly, with morphometric analysis of 3D reconstructed motoneurons, we showed that dendrites of SOD1 lumbar motoneurons were abnormally over-developed and complex compared with age-matched WT dendrites. SOD1 lumbar motoneurons demonstrated a significant increase in the number of dendritic segments. Importantly, in a pathological context, sacral networks and other spinal neurons that are spared in end-stage ALS did not show such differences. This finding strongly supports the proposition that the postnatal abnormalities described in this work were specific to ALS and also that motoneurons are the principal target of this disease even at early postnatal stages. In conclusion, we showed that motoneuronal dysfunction was evident long before axonal degeneration and the loss of peripheral synapses between motoneurons and muscles (neuromuscular junctions). Moreover, the change in motoneuronal excitability described in this work occurred during a critical period of motor unit maturation and consequently could weaken the neuromuscular junctions.
Résumé : Les études sur les souris transgéniques SOD1 utilisées comme modèle de sclérose latérale amyotrophique (SLA) montrent que les signes cliniques apparaissent quand la majorité des motoneurones (MNs) est déjà déconnectée de la périphérie et la force contractile de certains muscles diminuée de 80%. L'identification des mécanismes pathologiques précoces est une étape importante pour améliorer notre compréhension de la maladie et expliquer l'atteinte préférentielle des MNs observée pendant la SLA. Notre objectif était de rechercher la présence d'anomalies précoces dès la naissance dans un modèle souris de SLA. L'analyse comportementale suggère que dès la période postnatale, la mutation SOD1-G85R perturbe la maturation du système sensori-moteur des souris transgéniques et ralentit l'expression de réflexes moteurs comme le montrent les retards observés lors des tests de placement et d'agrippement des membres postérieurs et lors du test de retournement. Ces retards pourraient principalement résulter d'un dysfonctionnement des réseaux lombaires de la moelle épinière pendant la 1ère semaine postnatale. Pendant cette période, sur les préparations in vitro de moelle épinière / tronc cérébral, les réseaux lombaires SOD1 sont difficilement activables lors d'applications pharmacologiques. Les enregistrements électrophysiologiques réalisés pendant cette période appuient principalement la possibilité que la composante glutamatergique possède un rôle clé dans cette difficulté. Nos données suggèrent la possibilité d'un déséquilibre entre les récepteurs AMPA et NMDA dans les MNs SOD1 avec un défaut lors de l'activation des récepteurs NMDA. En 2ème semaine postnatale, les MNs lombaires SOD1 sont hypoexcitables et présentent une résistance d'entrée ainsi qu'un gain plus faibles. Nous montrons que l'augmentation anormale de la surface dendritique de ces MNs suffit à expliquer cette diminution de la résistance d'entrée alors que la baisse du gain indique plutôt des modifications de conductances ioniques qui restent à caractériser. Enfin l'analyse morphologique montre que les dendrites des motoneurones SOD1 sont anormalement développées et complexes. Il est important de souligner dans le cadre de la maladie que les segments de la moelle sacrée et les interneurones lombaires qui sont épargnés à l'âge adulte ne sont pas concernés par ces différences. Cela renforce l'idée que les anomalies que nous décrivons sont spécifiques de la maladie et que dès le plus jeune âge les MNs sont la cible privilégiée de la SLA. Dans ce travail, nous montrons des dysfonctionnements des MNs bien avant la dénervation périphérique et la dégénérescence des axones moteurs. La modification de l'excitabilité des motoneurones pendant la période de maturation des unités motrices pourrait fragiliser les jonctions neuromusculaires qui sont une des cibles principales de la SLA.