Abstract :
[en] Abstract Background Spinal cord injury is devastating for its victims because of the resulting motor, sensory and autonomic deficits, i.e., paraplegia and tetraplegia. The different deficits are mainly due to the interruption of the long white matter tracts which connect the supraspinal central nervous system to the spinal cord. In many cases, the interruption is partial and some recovery may be observed. The preserved spinal cord tissue plays a role in the recovery which, to date, has only been incompletely elucidated. The preserved spinal cord tissues have been investigated in the present work from two angles. The first part describes an attempt to recruit the locomotor generator of the sub-lesional cord, using several therapeutic strategies, in order to improve locomotor recovery. The second part describes a new approach for the investigation of the injury site and the preserved white matter; correlating magnetic resonance imaging and histology with locomotor recovery. Methods Subdural balloon compression was used in the rat to induce incomplete spinal cord lesions which allow partial locomotor recovery. Locomotion was assessed with a widely employed, detailed behavioural scale. In the first set of experiments, physiotherapy (body weight supported treadmill training), repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS), and monoaminergic pharmacotherapy (clonidine and fluoxetine) were used individually or in combination, five days a week, over several weeks. Spinal cords were analysed for histological and immunohistochemical correlates of recovery, including sub-lesional serotonin content. In the second set of experiments, experimental high field magnetic resonance imaging (MRI) was used post-mortem to investigate the spinal cord lesion and spared white matter. A comparison was then made between the MRI and subsequent histological data. Morphometric parameters assessing the lesion extent, spinal cord atrophy, and white matter sparing were correlated with locomotor function. In a supplementary post-mortem MRI investigation, an explanted sample of human sub-lesional thoracic cord was analysed after a severe cervical spinal cord injury. Results Body weight supported treadmill training had a clear beneficial effect when initiated early after injury. Repetitive TMS also appears to increase locomotor recovery after low thoracic spinal cord injury, associated with an increase of serotoninergic innervation of the sub-lesional spinal cord segment. Combining rTMS with clonidine therapy appeared to have synergistic positive effects on locomotor recovery, but no statistically significant results could be obtained, due to the variability of the observed locomotor scores. Histology of the cords in the latter experiment did not allow sufficient anatomical or quantitative comparison of white matter sparing, a potential reason for the behavioural variability. In the subsequent series of untreated rats, post-mortem MRI of the spinal cord precisely showed the lesion size and topography, as well as white matter sparing, with high spatial precision. MRI could differentiate between lesion components. The evolution of the lesion was followed from the acute to the chronic stage. Different morphometric parameters were statistically significantly correlated with locomotor function. In the human spinal cord sample, the almost complete sub-lesional degeneration of the white matter tracts was precisely demonstrated with the same technique. Conclusion The present investigations confirm and extend the notion that partially preserved spinal cord tissue plays a key role in locomotor recovery after spinal cord injury. The intrinsic locomotor circuitry of the spinal cord is a promising therapeutic target for various strategies which can be combined and are potentially rapidly applicable in the clinical situation, as all the investigated treatments are already used in humans for different indications. The quantity and topography of white matter sparing is of major importance in locomotor recovery, and it can be precisely assessed with post-mortem MRI.Résumé Introduction La tétra- et la paraplégie résultant d’un traumatisme médullaire sont principalement dues à l’interruption des voies longues qui connectent les centres supraspinaux aux circuits intramédullaires. La majorité des lésions médullaires sont anatomiquement incomplètes et une récupération fonctionnelle peut être observée dans bon nombre de cas. Le rôle du parenchyme médullaire épargné dans la récupération n’est que partiellement compris—que ce soit celui de la substance blanche périlésionnelle ou celui des circuits médullaires situés à distance de la lésion. Premièrement, nous avons tenté de recruter les circuits médullaires sous-lésionnels par différentes stratégies thérapeutiques, dans le but d’améliorer la récupération locomotrice. Ensuite, nous avons mis au point une technique d’imagerie par résonance magnétique (IRM) permettant l’étude de la substance blanche préservée et corrélé les images obtenues et l’histologie à la récupération fonctionnelle. Méthodes Après un traumatisme médullaire expérimental incomplet, nous avons suivi l’évolution locomotrice au moyen d’une échelle comportementale détaillée, largement utilisée. Dans la première partie du travail, différents groups de rats ont été traités pendant plusieurs semaines par physiothérapie (entraînement sur tapis roulant avec support du poids du corps), par stimulation transcrânienne magnétique répétitive (STMr), et par substances monoaminergiques (clonidine et fluoxétine), seuls ou combinés. Des analyses histologiques et immunohistochimiques des moelles épinières ont été réalisées, visant notamment à mettre en évidence la sérotonine dans le parenchyme sous-lésionnel. Dans la deuxième partie du travail, nous avons étudié la lésion médullaire et la substance blanche épargnée par IRM post-mortem, comparant sa précision à celle de l’histologie standard. L’étendue de la lésion, le degré d’atrophie médullaire et la quantité de parenchyme préservé ont été mesurés et corrélés au comportement locomoteur. Dans une étude supplémentaire, un échantillon de moelle épinière humaine thoracique sous-lésionnelle a été analysé par la même technique d’IRM. Résultats L’entraînement par tapis roulant précoce potentialise la récupération fonctionnelle. La STMr semble également avoir un effet favorable sur la récupération dans les lésions médullaires thoraciques basses, augmentant l’innervation sérotoninergique de la moelle épinière sous-lésionnelle. Parmi les stratégies thérapeutiques combinées, nous avons également observé que les rats traités par STMr et clonidine montraient globalement une meilleure récupération locomotrice. Toutefois, cet effet n’était pas statistiquement significatif, en raison d’une variabilité trop importante des scores locomoteurs—possiblement attribuable à une hétérogénéité de préservation de substance blanche au sein des groupes expérimentaux. L’histologie n’a cependant pas permis de confirmer cette hypothèse. Chez les rats non traités, dans la deuxième partie du travail, l’IRM post-mortem de haute résolution nous a permis d’évaluer très précisément la lésion médullaire et la substance blanche préservée. Elle a également permis de distinguer différents composants histologiques de la lésion et son évolution du stade aigu au stade chronique. Les paramètres morphométriques ont pu être corrélés significativement au comportement locomoteur. Dans la moelle épinière humaine, une dégénérescence quasi complète des voies descendantes sous-lésionnelles a été démontrée. Conclusion La moelle épinière partiellement préservée joue un rôle clé dans la récupération locomotrice après un traumatisme médullaire. Les circuits locomoteurs intrinsèques sont une cible prometteuse pour différentes stratégies thérapeutiques qui peuvent être combinées et qui sont potentiellement rapidement applicables en clinique, puisque tous les traitements investigués sont déjà utilisés à d’autres fins chez l’homme. La quantité et la topographie de substance blanche épargnée sont d’une importance primordiale dans la récupération fonctionnelle, et celles-ci peuvent être précisément étudiées par l’IRM post-mortem.
