Movements generated by intraspinal microstimulation in the intermediate gray matter of the anesthetized, decerebrate, and spinal cat

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Abstract:

The intermediate laminae of the lumbosacral spinal cord are suggested to contain a small number of specialized neuronal circuits that form the basic elements of movement construction ("movement primitives"). Our aim was to study the properties and state dependence of these hypothesized circuits in comparison with movements elicited by direct nerve or muscle stimulation. Microwires for intraspinal microstimulation (ISMS) were implanted in intermediate laminae throughout the lumbosacral enlargement. Movement vectors evoked by ISMS were compared with those evoked by stimulation through muscle and nerve electrodes in cats that were anesthetized, then decerebrated, and finally spinalized. Similar movements could be evoked under anesthesia by ISMS and nerve and muscle stimulation, and these covered the full work space of the limb. ISMS-evoked movements were associated with the actions of nearby motoneuron pools. However, after decerebration and spinalization, ISMS-evoked movements were dominated by flexion, with few extensor movements. This indicates that the outputs of neuronal networks in the intermediate laminae depend significantly on descending input and on the state of the spinal cord. Frequently, the outputs also depended on stimulus intensity. These experiments suggest that interneuronal circuits in the intermediate and ventral regions of the spinal cord overlap and their function may be to process reflex and descending activity in a flexible manner for the activation of nearby motoneuron pools.Key words: intraspinal microstimulation, spinal cord, gray matter, movement primitives.

Une hypothèse a été formulée selon laquelle la lame vertébrale intermédiaire de la moelle lombo-sacrée renferme un petit nombre de circuits neuronaux spécialisés qui forment les éléments de base de la construction du mouvement. Notre objectif était d'étudier les propriétés et la dépendance par rapport à l'état de ces éventuels circuits par comparaison aux mouvements suscités par la stimulation directe des nerfs ou des muscles. Des microfils ont été implantés pour la microstimulation intraspinale (MSIS) dans la lame vertébrale intermédiaire partout dans l'élargissement lombosacré. Les vecteurs du mouvement provoqué par la MSIS ont été comparés à ceux qui sont causés par la stimulation au moyen d'électrodes dans les muscles et les nerfs de chats anesthésiés, puis décérébrés et finalement spinalisés. Des mouvements similaires ont pu être provoqués sous anesthésie par MSIS et par stimulation des nerfs et des muscles, et ceux-ci couvraient la totalité de l'espace de travail du membre. Les mouvements provoqués par MSIS étaient associés aux actions de groupes motoneuronaux avoisinants. Cependant, après décérébration et spinalisation, les mouvements provoqués par la MSIS étaient dominés par la flexion, et il se produisait peu de mouvements d'extension. Cela indique que les résultats des réseaux neuronaux dans la lame vertébrale intermédiaire dépendent beaucoup de la contribution descendante et de l'état de la moelle épinière. Les résultats dépendaient fréquemment aussi de l'intensité du stimulus. Ces expériences semblent indiquer que les circuits inter-neuronaux dans les régions intermédiaires et ventrales de la moelle épinière se chevauchent et que leur fonction peut être de traiter les réflexes et l'activité descendante de manière flexible pour l'activation des groupes de motoneurones avoisinants.Mots clés : microstimulation intraspinale, moelle épinière, matière grise, construction du mouvement.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: July 1, 2004

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