Une voie excitatrice monosynaptique du tronc cérébral qui pilote les activités locomotrices et les réponses cardiovasculaires sympathiques

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 5079 (2022) Citer cet article

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L'exercice, y compris la locomotion, nécessite des ajustements cardiovasculaires autonomes appropriés pour répondre aux demandes métaboliques des muscles en contraction, mais l'architecture fonctionnelle cérébrale qui sous-tend ces ajustements reste inconnue. Ici, nous démontrons les circuits du tronc cérébral qui jouent un rôle essentiel dans le relais des signaux moteurs volitionnels, c'est-à-dire la commande centrale, pour piloter les activités locomotrices et les réponses cardiovasculaires sympathiques. Les neurones locomoteurs mésencéphaliques chez le rat transmettent des signaux excitateurs centraux commandés sur la moelle ventrolatérale rostrale au moins partiellement via des processus glutamatergiques, pour activer les systèmes nerveux somatomoteur et sympathique. L'excitation optogénétique de cette voie monosynaptique provoque des réponses locomotrices et cardiovasculaires, comme lors d'un exercice de course à pied, tandis que l'inhibition de la voie supprime les activités locomotrices et l'élévation de la pression artérielle pendant la course volontaire sans affecter l'homéostasie cardiovasculaire basale. Ces résultats démontrent une voie sous-corticale importante qui transmet des signaux de commande centraux, fournissant ainsi un aperçu clé du mécanisme du circuit central requis pour le conditionnement physiologique essentiel à la maximisation des performances physiques.

L'exercice, y compris la locomotion, qui fait partie du comportement fondamental chez les vertébrés, y compris les humains, s'accompagne d'ajustements cardiovasculaires autonomes qui fournissent les ressources métaboliques, telles que le carburant et l'oxygène, requises par la contraction des muscles squelettiques et améliorent ainsi les performances physiques. La contribution d’un signal moteur descendant du cerveau antérieur au contrôle cardiovasculaire est suggérée depuis plus d’un siècle1,2. Actuellement, ce signal anticipatif a été appelé commande centrale et postulé comme une activation parallèle des systèmes moteurs somatiques et autonomes dans le cerveau pour augmenter simultanément l'activité musculaire ainsi que la pression artérielle et la contractilité cardiaque3. Ce concept est issu d'une étude humaine montrant que l'ampleur des réponses cardiovasculaires au cours d'un exercice isométrique volontaire à tension musculaire constante était positivement corrélée à la quantité d'activation de commande centrale qui était modifiée par des contractions réflexes dues à la vibration du tendon sur le muscle agoniste ou antagoniste4. Le commandement central est couplé à l'activation du système nerveux sympathique indépendamment du retour de mouvement, comme le montrent les augmentations des variables cardiovasculaires lors d'une locomotion fictive chez des chats décortiqués et paralysés5 et par des réponses cardiovasculaires exagérées à la contraction musculaire volontaire chez les sujets humains après paralysie6,7.

L'emplacement précis de la source de commande centrale reste flou car le mécanisme du circuit central par lequel les signaux de commande centrale provoquent des ajustements cardiovasculaires autonomes pendant l'exercice n'a pas encore été entièrement élucidé. Les régions cérébrales autonomes activées en réponse à un exercice volontaire8,9,10,11,12 ou les régions dont la stimulation provoque des réponses autonomes ou somatomotrices13,14,15,16,17,18 peuvent être impliquées dans le contrôle central de la circulation. Par exemple, des études humaines utilisant des techniques neurochirurgicales ont suggéré que les circuits mésencéphaliques, y compris le noyau sous-thalamique (STN) et le gris périaqueducal (PAG), dont les activités neuronales sont élevées pendant l'exercice volontaire11, configurent les circuits sous-corticaux pour relayer les signaux de commande centraux19, comme en témoigne l'effet vasopresseur de stimulation électrique du STN17 ou du PAG18 dorsal/latéral chez des patients éveillés atteints de la maladie de Parkinson ou de douleurs chroniques. Néanmoins, les rôles causals de ces régions cérébrales dans les changements autonomes au cours de l’exercice ainsi que dans les connexions fonctionnelles avec d’autres régions n’ont pas été démontrés. Le substrat cérébral du commandement central a également acquis une importance clinique. Une régulation cardiovasculaire anormale pendant l'exercice dans des conditions pathologiques, telles que l'insuffisance cardiaque, augmente l'intolérance à l'exercice et le risque d'événements cardiaques mortels tels que l'arythmie20. Ceci est au moins en partie dû à un dysfonctionnement du commandement central21,22, alors que les programmes d'exercices thérapeutiques destinés aux patients améliorent leur état fonctionnel et leurs résultats23.