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Synaptic integration in motoneurons with hyper-excitable dendrites

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Abstract:

Motoneurons have extensive dendritic trees that receive the numerous inputs required to produce movement. These dendrites are highly active, containing voltage-sensitive channels that generate persistent inward currents (PICs) that can enhance synaptic input 5-fold or more. However, this enhancement is proportional to the level of activity of monoaminergic inputs from the brainstem that release serotonin and noradrenalin. The higher this activity, the larger the dendritic PIC and the higher the firing rate evoked by a given amount of excitatory synaptic input. This brainstem control of motoneuron input-output gain translates directly into control of system gain of a motor pool and its muscle. Because large dendritic PICs are probably necessary for motoneurons to have sufficient gain to generate large forces, it is possible that descending monoaminergic inputs scale in proportion to voluntary force. Inhibition from sensory inputs has a strong suppressive effect on dendritic PICs: the stronger the inhibition, the smaller the PIC. Thus, local inhibitory inputs within the cord may oppose the descending monoaminergic control of PICs. Most motor behaviors evoke a mixture of excitation and inhibition (e.g., the reciprocal inhibition between antagonists). Therefore, normal joint movements may involve constant adjustment of PIC amplitude.Key words: motoneuron, serotonin, norepinephrine, neuromodulation, persistent inward current, spinal cord.

Les motoneurones sont constitués d'arbres dendritiques étendus qui reçoivent les nombreuses informations nécessaires pour produire le mouvement. Ces dendrites sont très actifs et contiennent des canaux sensibles au voltage qui génèrent des courant entrants persistants (CEP) pouvant stimuler les entrées synaptiques d'un facteur 5 ou plus. Toutefois, cette stimulation est proportionnelle au niveau d'activité des entrées monoaminergiques en provenance du tronc cérébral qui libèrent la sérotonine et la noradrénaline. Plus cette activité est élevée, plus les CEP dendritiques sont importants et plus le taux de décharge induit par une quantité d'entrées synaptiques donnée est élevé. Ce contrôle par le tronc cérébral du gain entrée-sortie des motoneurones se traduit directement en un contrôle du gain du système d'une population de motoneurones et du muscle qu'elle innerve. De puissants CEP dendritiques étant probablement nécessaires pour que les motoneurones aient un gain suffisant pour produire de grandes forces, il se peut les entrées monoaminergiques descendantes augmentent en proportion de la force volontaire. L'inhibition par les entrées sensorielles a un effet suppresseur substantiel sur les CEP dendritiques : plus l'inhibition est forte, plus les CEP sont faibles. Ainsi, les entrées inhibitrices locales dans la moelle pourraient s'opposer au contrôle monoaminergique descendant des CEP. La plupart des comportements moteurs induisent un mélange d'excitation et d'inhibition (p. ex. inhibition réciproque entres antagonistes). Ainsi, les mouvements articulaires normaux pourraient impliquer un ajustement de l'amplitude des PEC.Mots clés : motoneurone, sérotonine, norépinéphrine, neuromodulation, courant entrant persistant, moelle épinière.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: July 1, 2004

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