Effets d’un entrainement excentrique et concentrique sur la voie BDNF/TrkB dans les régions cérébrales impliquées dans la cognition PEDARD M.1,2, ENNEQUIN G.3, MARIE C.1 1 INSERM U1093 Cognition, Action et Plasticité Sensorimotrice, Dijon (France), 2 Service de neurologie, CHU François Mitterrand, Dijon (France), 3 PEPITE EA4267, FHU INCREASE, Besançon (France) Mesdames, messieurs bonjour. Tout d’abord, je voudrais remercier le comité d’organisation de m’avoir donné l’opportunité de présenter mes travaux aujourd’hui sur les effets d’un entrainement excentrique et concentrique sur la voie du BDNF/TrkB dans les régions cérébrales impliquées dans la cognition.

2 types de contractions musculaires Concentrique (CON): Le muscle devient plus court Excentrique (ECC): Le muscle devient plus long A intensité équivalente (% de consommation maximale en O2), la production de force est plus importante en excentrique L’entrainement en excentrique est aujourd’hui reconnu comme une stratégie prometteuse pour améliorer la force musculaire chez les patients souffrants de pathologies cardio-pulmonaires Comme vous le savez, il existe 2 types de contractions musculaires : la contraction concentrique et la contraction excentrique. Durant une contraction concentrique, le muscle devient plus court alors que durant une contraction excentrique, le muscle devient plus long. Chez l’Homme comme chez l’animal, la marche ou la course en montée ou en descente sont 2 modalités couramment utilisées pour induire une contraction concentrique ou excentrique, respectivement. Un des aspects très intéressant de l’excentrique, c’est qu’à intensité équivalente c’est-à-dire à même pourcentage de consommation maximale en oxygène, la production de force est plus importante en excentrique qu’en concentrique. C’est pourquoi, l’entrainement en excentrique est aujourd’hui reconnu comme une stratégie prometteuse afin d’améliorer la force musculaire chez les patients souffrants de pathologies cardiorespiratoires comme les patients BPCO ou insuffisants cardiaques.

+ + Entrainement physique aérobie Force musculaire Santé cérébrale: L’entrainement physique aérobie n’augmente pas seulement la force musculaire mais améliore également la santé cérébrale. En effet, il est aujourd’hui bien connu que l’entrainement physique aérobie améliore la mémoire et les capacités d’apprentissage et est capable de prévenir le déclin cognitif lié à l’âge. Force musculaire Santé cérébrale: Améliore la mémoire Améliore l’apprentissage Prévient le déclin cognitif lié à l’âge

+ ↗ BDNF cérébral Entrainement physique aérobie Fonction cérébrale Les effets positifs de l’entrainement physique sur la fonction cérébrale ont été reliés à une augmentation des taux de BDNF dans dans les régions cérébrales impliquées dans la cognition comme l’hippocampe ou le cortex préfrontal. De manière plus précise, le BDNF se fixe sur son récepteur TrkB et induit sa phosphorylation en tyrosine 816. Cette phosphorylation module la cognition via une augmentation à la fois du nombre et de l’efficacité des synapses.

↗ BDNF cérébral ↗ BDNF dans les neurones ↗ BDNF dans les microvaisseaux cérébraux Les mécanismes expliquant pourquoi l’entrainement physique s’accompagne d’une augmentation des taux cérébraux de BDNF sont aujourd’hui connus. Tout d’abord, l’augmentation de BDNF cérébral peut être due à une augmentation de BDNF dans les neurones. Or, pendant l’exercice physique, il y a une augmentation de l’activité neuronale et la synthèse de BDNF par les neurones est proportionnelle à l’activité neuronale. Egalement, l’augmentation de BDNF cérébral peut être due à une augmentation du BDNF dans les microvaisseaux cérébraux, dépendante de la production de NO par l’endothélium. Or, pendant un exercice physique, le flux sanguin cérébral augmente et induit une augmentation de la production de NO par l’endothélium secondaire à une augmentation des forces de cisaillement sur la paroi des vaisseaux sanguins. ↗ Activité neuronale ↗ Production de NO par l’endothélium

Les effets positifs de l’entrainement physique aérobie sur la santé cérébrale sont-ils dépendants du type de contraction musculaire ? Objectif Comparer chez le rat l’effet de l’entrainement excentrique vs concentrique sur la voie BDNF/TrkB cérébrale Cependant le fait que les effets positifs de l’entrainement physique aérobie sur la santé cérébrale sont dépendants ou non du type de contractions musculaires est aujourd’hui inconnu. C’est pourquoi, l’objectif de l’étude était de comparer chez le rat l’effet d’un entrainement excentrique en descente vs concentrique en montée sur la voie BDNF/trkb cérébrale.

Méthodes Rats Wistar adultes: sédentaires (SED), ECC, CON (n=6/groupe) Entrainement physique : 30 minutes/jour pendant 7 jours consécutifs ECC : inclinaison -5% CON : inclinaison +10% La vitesse du tapis a été choisie pour que les rats courent à 50% de leur VO2max Sacrifice 24h après la dernière session de tapis roulant pour collecter le cortex préfrontal et l’hippocampe Western blot : BDNF (14kDa), p-TrkB Y816 (145kDa), synaptophysine (38kDa), c-fos (41 kDa), peNOSser1177 (130 kDa), β-actine (42kDa) Statistiques: Valeurs exprimées par la moyenne ± ET Moyennes comparées par le test de Mann Whitney, *p<0,05, **p<0,01, ***p<0,001 Pour cela, l’étude a été réalisée chez des rats wistar adultes randomisés en 3 groupes distincts : sédentaires (SED), excentrique (ECC) et concentrique (CON) avec un nombre de 6 rats par groupe. L’entrainement physique consistait en une course sur tapis roulant de 30 minutes par jour pendant 7 jours consécutifs. L’inclinaison du tapis roulant étant de -5% dans le groupe excentrique et +10% dans le groupe concentrique. La première étape de l’étude a été de déterminer la vitesse du tapis afin que les rats courent à 50% de leur VO2max. 24 heures après la dernière séance de course, les rats ont été sacrifiés pour collecter le cortex préfrontal et l’hippocampe, 2 régions cérébrales fortement impliquées dans la cognition afin d’y doser par western blot la forme mature du BDNF, le TrkB phosphorylé en tyrosine 816, la synaptophysine utilisée comme marqueur à la fois du nombre et de l’efficacité des synapses, la c-fos utilisée comme marqueur d’activité neuronale, la eNOS phosphorylée en sérine 177 utilisée comme marqueur du shear stress dans les vaisseaux cérébraux et la beta-actine utilisée comme marqueur interne. Concernant les statistiques utilisées, les valeurs ont été exprimées par la moyenne plus ou moins l’écart type et les moyennes ont été comparées par le test de Mann Whitney.

Détermination de la vitesse du tapis Afin que l’intensité ne diffère par entre les 2 groupes ECC et CON La vitesse maximale aérobie a été déterminée par un exercise sur tapis roulant « par épuisement » progressif (paliers de 3 m/min, durée : 3 min) en excentrique et en concentrique La vitesse maximale aérobie était de : 25,6 m/min pour le groupe CON 28 m/min pour le groupe ECC La première étape de l’étude a été de déterminer la vitesse du tapis roulant pour que l’intensité de diffère pas entre les 2 groupes excentrique et concentrique. Pour cela, la VMA a été déterminée par un exercise par épuisement progressif. Nous avons augmenté la vitesse du tapis roulant de 9 à 33 m/min par étape de 3 m/min toutes les 3 minutes en excentrique et concentrique chez les mêmes rats. La vitesse du tapis à laquelle le rat stoppait sa course était en moyenne de : 25,6 m/min pour le groupe concentrique 28 m/min pour le groupe excentrique De cette vitesse maximale aérobie, nous avons été capable de déterminer la vitesse du tapis pour que les rats courent à 50% de leur VO2max c’est-à-dire : 12,8 m/min en concentrique 14 m/min en excentrique Entrainement à 50% de la VO2max: CON : 25,6/2 = 12,8 m/min ECC : 28/2 = 14 m/min

Effet comparé des entrainements CON vs ECC sur c-fos Cortex préfrontal Cette diapositive résume l’effet des entrainement concentrique et excentrique sur la protéine c-fos. Sur toutes les graphiques, vous pourrez voir en haut un blot représentatif de la protéine d’interêt et juste en dessous un blot de la b-actine correspondante. Les résultats sont exprimés en pourcentage des valeurs contrôles. A gauche, vous pouvez voir que le concentrique augmente c-fos à la fois dans le cortex préfrontal et l’hippocampe Au milieu, vous pouvez voir que l’excentrique augmente c-fos également dans les 2 structures. Le western blot étant une technique semi-quantitative, nous avons également comparé les 2 modalités de contraction entre elles. A droite vous pouvez donc voir qu’il n’y a pas de différence concernant c-fos entre les 2 modalités de contraction suggérant que l’activité neuronale est la même en excentrique et en concentrique à la fois dans le cortex préfrontal et l’hippocampe. Hippocampe

Effet comparé des entrainements CON vs ECC sur peNOSser1177 Cortex préfrontal De la même manière, nous avons étudié la protéine peNOS. Vous pouvez voir que peNOS augmente en concentrique à gauche et en excentrique au milieu dans les 2 structures Hippocampe

Effets de l’entrainement excentrique sur BDNF/p-TrkB Y816/synaptophysine Cortex préfrontal The first slide summarizes the effect of downhill training on BDNF, P-trkB and synaptophysin levels in both prefrontal cortex and hippocampus A representative blot of the protein of interest is shown above each graph Values for eccentric training (black bars) are expressed as percentage of values obtained in sed rats (white bars). On this slide, you can see that downhill training significantly increases BDNF, P-trkB and synaptophysin levels in both brain structures Hippocampe

Effets de l’entrainement concentrique sur BDNF/p-TrkB Y816/synaptophysine Cortex préfrontal The slide summarizes the effect of downhill training on BDNF, p-trkB and synaptophysin levels in the way as the last slide. Here, values for concentric training (the black bars) are expressed as percentage of values obtained in sedentary rats (the white bars) As observed for downhill training, you can see that uphill training significantly increases BDNF, P-trkB and synaptophysin levels in both prefrontal cortex and hippocampus. Hippocampe

Comparaison des 2 modalités de contractions Cortex préfrontal As western blot is only a semi-quantitative method, we finally compared on the same blot samples collected after downhill and uphill training. Here values for ECC training (black bars) are expressed as pourcentage of values obtained for concentric group (white) As you can see, there is no difference between concentric and eccentric contractions concerning BDNF, P-trkB and synaptophysin levels in both prefrontal cortex and hippocampus. Hippocampe

Conclusion La stimulation de la voie BDNF/TrkB induite par l’entrainement physique aérobie est indépendante des modalités de contraction (EXC vs CON) à condition que l’entrainement soit réalisé à même intensité Le bénéfice cognitif de l’entrainement physique aérobie semble être indépendant des modalités de contraction si celui-ci est réalisé à même intensité Pour conclure, nous pouvons donc dire que l’entrainement physique en excentrique stimule la voie de signalisation dépendante du BDNF c’est-à-dire le BDNF mature, le trkb phosphorylé et la synaptophysine dans les régions cérébrales impliquées dans la cognition : l’hippocampe et le cortex préfrontal.

PEDARD M.1,2, ENNEQUIN G.3, MARIE C.1 1 INSERM U1093 Cognition, Action et Plasticité Sensorimotrice, Dijon (France), 2 Service de neurologie, CHU François Mitterrand, Dijon (France), 3 PEPITE EA4267, FHU INCREASE, Besançon (France) What are the mechanisms by which physical training increases brain BDNF levels ? What about the effect of physical training on BDNF levels in motor areas of the brain ? What cell types are involved in the increase of BDNF levels after physical training ? The differences between the 2 modalities of physical training concerns the production of force by the muscles. How can such a difference change BDNF levels in the brain ? The intensity of exercise was moderate. Why this choice ? The first reason was to avoid muscle damage induced by too strong eccentric contraction The second reason is that CBF decreases when exercise is intense as a result of hypercapnia. EX-induced brain BDNF levels are mainly dependent of 2 factors : cerebral hemodynamic and neuronal hyperactivity that occurs in both motor- and cognition-related brain regions during each boot. Indeed, neuronal BDNF synthesis increases in proportion with neuronal activity. At equivalent intensity, cerebral hemodynamic and neuronal hyperactivity did not differ among groups. In our laboratory, we recently provide arguments for the contribution of cerebral hemodynamic in EX-induced brain BDNF levels. Indeed, unilateral ligature of the common carotid arteries or pharmacologic eNOS inhibition blunted the effect of EX on BDNF levels as least in the motor cortex.