La locomotion du chat pourrait débloquer un meilleur traitement des lésions de la moelle épinière humaine

En utilisant un mélange d’études expérimentales et de modèles informatiques, les chercheurs montrent que la rétroaction somatosensorielle, ou les signaux neuronaux provenant de capteurs spécialisés dans tout le corps d’un chat, aident à informer la moelle épinière du mouvement en cours et à coordonner les quatre membres pour empêcher les chats de tomber lorsqu’ils rencontrent obstacles. La recherche suggère qu’avec ces signaux sensoriels liés au mouvement, l’animal peut marcher même si la connexion entre la moelle épinière et le cerveau est partiellement fracturée.

Comprendre les mécanismes de ce type de contrôle de l’équilibre est particulièrement pertinent pour les personnes âgées qui ont souvent des problèmes d’équilibre et peuvent se blesser lors de chutes. Finalement, les chercheurs espèrent que cela pourrait apporter une nouvelle compréhension du rôle de la rétroaction somatosensorielle dans le contrôle de l’équilibre. Cela pourrait également conduire à des progrès dans le traitement des lésions de la moelle épinière, car la recherche suggère que l’activation des neurones somatosensoriels peut améliorer la fonction des réseaux neuronaux spinaux sous le site des lésions de la moelle épinière.

“Nous nous sommes intéressés aux mécanismes qui permettent de réactiver les réseaux lésés dans la moelle épinière”, a déclaré le professeur de l’École des sciences biologiques Boris Prilutsky. “Nous savons par des études antérieures que la rétroaction somatosensorielle des jambes en mouvement aide à activer les réseaux vertébraux qui contrôlent la locomotion, permettant un mouvement stable.”

Chats coordonnés

Bien que les modèles de souris génétiquement modifiées soient récemment devenus dominants dans le contrôle neuronal de la recherche sur la locomotion, le modèle de chat offre un avantage important. Lorsqu’elles bougent, les souris restent accroupies, ce qui signifie qu’elles sont moins susceptibles d’avoir des problèmes d’équilibre, même si la rétroaction somatosensorielle échoue. Les humains et les chats, en revanche, ne peuvent pas maintenir leur équilibre ou même bouger s’ils perdent des informations sensorielles sur le mouvement des membres. Cela suggère que les espèces plus grandes, comme les chats et les humains, pourraient avoir une organisation différente du réseau neuronal spinal contrôlant la locomotion par rapport aux rongeurs.

Georgia Tech s’est associée à des chercheurs de l’Université de Sherbrooke au Canada et de l’Université Drexel à Philadelphie pour mieux comprendre comment les signaux des neurones sensoriels coordonnent les mouvements des quatre jambes. Le laboratoire de Sherbrooke a entraîné des chats à marcher sur un tapis roulant à un rythme compatible avec la démarche humaine, puis a utilisé des électrodes pour stimuler leur nerf sensoriel.

Les chercheurs se sont concentrés sur le nerf sensoriel qui transmet la sensation tactile du dessus du pied à la moelle épinière. En stimulant électriquement ce nerf, les chercheurs ont imité le fait de heurter un obstacle et ont vu comment les chats trébuchaient et corrigeaient leur mouvement en réponse. Des stimulations ont été appliquées à quatre périodes du cycle de marche : mi-position, transition position-à-oscillation, mi-oscillation et transition oscillation-position. À partir de là, ils ont appris que le milieu du swing et la transition de la position au swing étaient les périodes les plus importantes car la stimulation augmentait l’activité des muscles qui fléchissent les articulations du genou et de la hanche, la flexion des articulations et la hauteur des orteils, la longueur des pas et la durée des pas. le membre stimulé.

“Afin de maintenir l’équilibre, l’animal doit coordonner le mouvement des trois autres membres, sinon il tomberait”, a déclaré Prilutsky. “Nous avons constaté que la stimulation de ce nerf pendant la phase d’oscillation augmente la durée de la phase d’appui des autres membres et améliore la stabilité.”

En effet, lorsque le chat trébuche pendant la phase d’oscillation, la sensation déclenche des réflexes vertébraux qui assurent que les trois autres membres restent au sol et maintiennent le chat droit et en équilibre, tandis que la branche d’oscillation enjambe l’obstacle.

Chats computationnels

Avec ces expériences de laboratoire canadiennes, les chercheurs de Georgia Tech et de l’Université Drexel utilisent des observations pour développer un modèle informatique des systèmes de contrôle neuronal musculo-squelettique et spinal du chat. Les données recueillies sont utilisées pour calculer les signaux somatosensoriels liés à la longueur, à la vitesse et à la force produite des muscles, ainsi qu’à la pression sur la peau de tous les membres. Cette information forme des sensations de mouvement dans la moelle épinière de l’animal et contribue à la coordination entre les membres par les réseaux neuronaux spinaux.

“Pour aider à traiter n’importe quelle maladie, nous devons comprendre comment fonctionne le système intact”, a déclaré Prilutsky. “C’était l’une des raisons pour lesquelles cette étude a été réalisée, afin que nous puissions comprendre comment les réseaux rachidiens coordonnent les mouvements des membres et développer un modèle informatique réaliste du contrôle rachidien de la locomotion. Cela nous aidera à mieux savoir comment la moelle épinière contrôle la locomotion.”