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The resilience of the size principle in the organization of motor unit properties in normal and reinnervated adult skeletal muscles

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Abstract:

Henneman's size principle relates the input and output properties of motoneurons and their muscle fibers to size and is the basis for size-ordered activation or recruitment of motor units during movement. After nerve injury and surgical repair, the relationship between motoneuron size and the number and size of the muscle fibers that the motoneuron reinnervates is initially lost but returns with time, irrespective of whether the muscles are self- or cross-reinnervated by the regenerated axons. Although the return of the size relationships was initially attributed to the recovery of the cross-sectional area of the reinnervated muscle fibers and their force per fiber, direct enumeration of the innervation ratio and the number of muscle fibers per motoneuron demonstrated that a size-dependent branching of axons accounts for the size relationships in normal muscle, as suggested by Henneman and his colleagues. This same size-dependent branching accounts for the rematching of motoneuron size and muscle unit size in reinnervated muscles. Experiments were carried out to determine whether the daily amount of neuromuscular activation of motor units accounts for the size-dependent organization and reorganization of motor unit properties. The normal size-dependent matching of motoneurons and their muscle units with respect to the numbers of muscle fibers per motoneuron was unaltered by synchronous activation of all of the motor units with the same daily activity. Hence, the restored size relationships and rematching of motoneuron and muscle unit properties after nerve injuries and muscle reinnervation sustain the normal gradation of muscle force during movement by size-ordered recruitment of motor units and the process of rate coding of action potentials. Dynamic modulation of size of muscle fibers and their contractile speed and endurance by neuromuscular activity allows for neuromuscular adaptation in the context of the sustained organization of the neuromuscular system according to the size principle.Key words: motor unit size, motor unit recruitment, innervation ratio, reinnervation.

Le principe de taille de Henneman stipule que le recrutement et l'activation des motoneurones et des fibres musculaires qu'ils innervent se fait en fonction de leur taille pendant le mouvement. Suite à un dommage neuronal et à sa réparation chirurgicale, la relation entre la taille d'un motoneurone et le nombre et la taille des fibres musculaires qu'il réinnerve est initialement perdue mais est rétablie en fonction du temps, peu importe si les muscles sont auto- ou trans-innervés par les axones régénérés. Quoique le rétablissement de la relation de taille ait été initialement attribué à la récupération de la zone de la trans-section des fibres musculaires réinnervées et à leur force par fibre, l'énumération directe du rapport d'innervation, soit le nombre de fibres musculaires par motoneurone, a démontré que le branchement des axones dépendant de la taille est responsable des relations de taille dans le muscle normal, selon Henneman et ses collègues. Des expériences ont été entreprises afin de déterminer si la somme quotidienne d'activation neuromusculaire d'unités motrices peut expliquer l'organisation et la réorganisation des unités motrices en fonction de la taille. L'association normale des motoneurones et de leurs unités musculaires dépendante de la taille en fonction du nombre de fibres musculaires par motoneurone n'a pas été affectée par une activation synchrone de toutes les unités motrices avec la même activité quotidienne. En conséquence, le rétablissement des relations de taille et le réappariement du motoneurone à l'unité motrice après un dommage nerveux et la réinnervation musculaire supporte la gradation normale de la force musculaire durant le mouvement en recrutant les unités motrices en fonction de la taille ainsi que par le processus de codage des potentiels d'action. La modulation dynamique de la taille des fibres musculaires, leur vitesse de contraction et leur endurance permet une adaptation neuromusculaire dans le contexte d'une organisation soutenue du système neuromusculaire en fonction du principe de taille. Mots clé : taille de l'unité motrice, recrutement de l'unité motrice, rapport d'innervation, réinnervation.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: July 1, 2004

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