Organisation centrale du mouvement volontaire

1. Organisation centrale du mouvement volontaire L2 – S3 UE 33-C Neurosciences Carine MICHEL Faculté des Sciences du Sport – STAPS Dijon Réalisé par Stéphane CLEMENT-AGONI

2. INTRODUCTION • Objectif : s'intéresser à l'organisation du mouvement pour répondre aux questions suivantes : • Quelles sont les structures cérébrales qui sont directement impliquées dans le mouvement ? • Dans quel ordre ces différentes structures interviennent au cours du mouvement ? • Quelle est la fonction de chacune de ces structures ? • Comment ces structures sont-elles employées dans différents types de mouvements ? • Outils : Neurophysiologie et Neuropathologie.

3. Percevoir l'espace et agir de façon appropriée implique le fonctionnement de nombreuses structures du système nerveux central et périphérique. Le contrôle du mouvement volontaire implique l'activation de nombreuses aires corticales et de structures sous-corticales.

4. Mouvement volontaire : • Activité motrice ne répondant pas nécessairement à une sollicitation sensorielle (volontaire vs réflexe). • L'activité motrice adaptée nécessite des transformations sensori-motrices : utilisation d'informations sensorielles pertinentes pour l'élaboration d'une commande motrice appropriée. • Caractérisé par une organisation hiérarchique descendante.

5. I) Evolution des methodes d’ETUDE DU SYSTEME NERVEUX CENTRAL • 1) Imagerie structurale des lésions neurologiques • Mise en relation entre les symptômes présentés par les malades et les lésions trouvées à l'autopsie de leur cerveau. • Exemple : hémiplégie = perte des mouvements volontaires du côté opposé à une lésion cérébrale. • → Introduction du concept qu'une zone bien délimitée du cortex cérébral commande les mouvements de l'hémicorps controlatéral. • Scanner X : Absorption des rayons X en fonction de la densité du tissu. Mauvaise résolution spatiale. • IRM : imagerie par résonance magnétique nucléaire • Propriétés magnétiques de l'atome d'hydrogène (densité d'atomes d'hydrogène différente entre substance blanche et grise). Très bonne résolution spatiale.

6. 2) La technique d'Evarts • Technique d'enregistrement chez les singes éveillé de l'activité d'un neurone déterminé du cerveau lorsque l'animal est conscient et effectue un mouvement volontaire. • Première étape : conditionnement minutieux du singe pour l'exécution d'un mouvement déterminé (récompense). • Deuxième étape : Opération chirurgicale : anesthésie générale : trou de 2 à 3 cm de diamètre dans le crâne. • Un micromanipulateur permettant de descendre une microélectrode dans le cerveau. • Pour atteindre une structure corticale ou un noyau profond, on utilise des points de repères osseux (stéréotaxie). • Technique très fructueuse.

7. 3) La technique cryoprobe • Une méthodologie pour étudier le rôle d'une structure cérébrale est de la rendre inopérante. • Une alternative à l'ablation chirurgicale (Résultats peu précis et difficilement interprétables). • Inspirée de la technique d'Evarts : • Implantation d'un tube creux dont l'extrémité est placée dans la zone à étudier. • A travers ce tube est glissé un cryoprobe = sonde dont l'extrémité peut être refroidie. • - Ce refroidissement empêche la propagation de l'influx nerveux et les transmissions synaptiques. • - Cette technique est réversible. • → Etude du rôle d'une structure cérébrale par inactivation. • L'animal perd la capacité d'effectuer un mouvement qu'il réalisait correctement dans les minutes précédentes.

8. 4) Technique de lésion par l'acide Kaïnique • Technique Evarts et introduction par le puits de la micropipette d'acide kaïnique. • Avantage : destruction des corps cellulaires en épargnant les fibres de passage.

9. 5) Signaux électriques et imagerie fonctionnelle • a) Signaux électriques : électroencéphalogramme • Principe : L'activité de grandes populations de neurones produit des potentiels d'une grandeur suffisante pour que l'on puisse les enregistrer à l'aide d'électrodes posées sur le cuir chevelu. • Méthode : Enregistrements sont recueillis sur une série d'essais et sont ensuite moyennés (potentiel lié à l'évènement : ERP : event-related potential).

10. b) Imagerie fonctionnelle • Principe général : L'activation des neurones d'une région du cerveau s'accompagne d'une vasodilatation (production de CO2 lors de l'activation des pompes Na+/K+) responsable d'une augmentation du débit sanguin dans cette région. • Les variations de débit sanguin cérébral témoignent du degré d'activité des différentes régions du cerveau. • Tomographie à Emission de Positons (TEP) • On utilise un traceur de la circulation sanguine. • Ex : eau marquée à l'oxygène 15. • Isotope radioactif se désintègre en émettant un positon. Lorsque le positon rencontre un électron, la collision s'accompagne de deux photons. Les capteurs détectent l'emplacement de la collision. • IRMf (fonctionnelle) : • Propriétés magnétiques de l'hémoglobine.

11. 6) Stimulation magnétique transcranienne • Application contre le crâne d'une bobine créant un champ magnétique. • Perturbation du fonctionnement cérébral sous la bobine. • Ex : stimulation du cortex moteur → mouvement. • stimulation du cortex sensoriel → sensations. • Des méthodes d'études variées pour l'étude du rôle des structures cérébrales dans la motricité. • Echelle de taille : cellule → aire cérébrale. • Echelle de temps : milliseconde → plusieurs jours ou années en cas d'accidents vasculaires cérébraux.

12. II) LE CORTEX MOTEUR 1) Localisation neuroanatomique Localisé dans le lobe frontal, en avant du sillon de Rolando. Le cortex moteur est divisé en 2 parties : - l'aire motrice primaire (M1 ou Aire 4) - les aires motrices associatives : → aire motrice supplémentaire (AMS) en position médiane. → aire prémotrice (APM) (cortex prémoteur) en position plus latérale.

14. 2) Représentation somatotopique • Organisation somatotopique : A chaque partie du corps correspond une zone bien précise du cortex moteur.

15. Penfield a imaginé un personnage caricatural, l'homunculus, où la grandeur d'un segment de membre est proportionnelle à l'étendue relative du cortex qui lui est dévoulue. • L'importance des territoires corticaux n'est pas proportionnelle aux masses musculaires mises en jeu mais à la complexité et la finesse des mouvements. • Une stimulation électrique du cortex moteur → mouvements des régions corporelles correspondant à la partie de carte corporelle stimulée.

16. 3) Organisation fonctionnelle a) L'aire motrice primaire

17. Caractérisé par : • de très gros neurones pyramidaux • (cellules de Betz) dirigeant leur axone jusqu'à la moelle. • Ces neurones communiquent directement avec les motoneurones de la corne antérieure. • → contrôler les muscles individuellement ou par petits groupes. • Une stimulation même très faible de l'aire motrice primaire réussit à engendrer la contraction d'un muscle du corps. • Exemple de fonctionnement de neurones de l'aire motrice primaire : • - Certaines cellules pyramidales de l'aire motrice primaire ont une activité phasique (brève) → codage de la vitesse de contraction. • - D'autres ont une activité tonique (longue) → codage de la force développée.

18. L'information est portée par la fréquence de décharge des potentiels d'action. Certaines cellules codent la direction du mouvement à accomplir. Ex : Activité d'un neurone du cortex moteur. Le singe va manoeuvrer un levier d'une position centrale vers les huit positions. Les mouvements ont pour point de départ l'un des huit positions périphériques (Georgopoulos et al. 1990). L'activité du neurone est plus élevée pour les mouvements dirigés vers le bas.

19. Notion de direction préférentielle de neurones et de vecteur de population :

20. La direction préférentielle du neurone est vers la gauche. La contribution de chaque neurone à un moment donné peut être représentée par un vecteur : - direction du vecteur : direction préférentielle du neurone - longueur du vecteur : fréquence de décharge du neurone pour la direction cible.

21. Le vecteur de population est la somme des vecteurs individuels.

22. b) Aires motrices associatives • Propriétés générales • Seuls quelques neurones projettent directement sur la moelle épinière. • Stimulation efficace plus intense que pour l'aire motrice primaire : nombre de synapses plus important entre le point stimulé et l'effecteur périphérique. • Les stimulations des aires prémotrice et motrice supplémentaire ne sont pas suivies de mouvement si l'aire motrice primaire est préalablement lésée.

23. Les contractions en question s'organisent en véritable mouvement. • - Aire prémotrice (APM) • → mouvement de tout un membre • → contractions séquentielles et coordonnées de plusieurs muscles agissant sur plusieurs articulations + inhibition simultanée de la contraction des muscles antagonistes. • - Aire motrice supplémentaire • → actes moteurs très complexes (réactions d'orientation du corps impliquant la coordination de muscles situés dans les deux hémicorps).

24. Planification motrice • AMS et APM jouent un rôle crucial dans la planification des mouvements volontaires. • ex : enregistrement par la technique d'Evarts de neurones de l'APM. • Tâche de mouvement du bras vers une cible. • → Attente du stimulus lumineux • → Apparition du stimulus d'instruction mais sans exécution du mouvement. • Couleur rouge : mouvement sera réalisé vers la droite. • Activité du neurone qui dépend de l'instruction. • → Signal de déclenchement. La décharge cesse après le début du mouvement.

25. Ex : Des neurones de l'APM deviennent actifs lorsque le singe prépare un mouvement vers la gauche. • Cas particulier des neurones miroirs : • Ultima et ses collaborateurs (2001) : de nombreux neurones de l'aire prémotrice sont actifs lorsque l'animal est actif mais aussi lorsqu'il voit un congénère faire le mouvement.

26. Transformation visuo-motrices : transport et saisie • Les mouvements dirigés vers un but nécessitent la transformation de représentations sensorielles de l'environnement en commandes musculaires : transformation sensori-motrices. • Transport (reaching) : dépend de la localisation de la cible par rapport à l'effecteur. • Direction et amplitude : localisation de l'objet. • Saisie (grasping) : implique l'ouverture et la fermeture de la pince manuelle. • Forme et orientation de l'objet et non de sa localisation.

27. Composante de transport : Activation de l'aire prémotrice dorsale. Composante de saisie : Activation de l'aire prémotrice ventrale. Neurones de l'APM ventrale : active de façon spécifique pendant la tâche de saisie.

28. c) Les afférences sensorielles Une conditions indispensable pour qu'une zone cérébrale puisse organiser le mouvement est qu'elle soit avertie de l'état du milieu environnant (contexte postural, présence d'adversaires ...). L'aire motrice primaire reçoit des afférences du cortex somatosensoriel (S1) et de l'aire 5. Les aires motrices associatives reçoivent des informations pariétales (aire 5 et 7 : intégration des informations visuelles) et préfrontales (aire 46 : mémoire de travail).

29. Exemple : potentiels moteurs • Le premier événement qui précède un mouvement de l'index droit est un potentiel bilatéral (potentiel de préparation) largement distribué dans les régions précentrales et pariétales. • Premiers événements (850 ms avant le début du mouvement) dans les régions pariétales puis dans les aires motrices associatives. • Plus tardivement (50 ms avant le début du mouvement) dans l'aire motrice primaire.

30. - Les aires motrices associatives jouent un rôle essentiel dans la préparation du mouvement : reçoivent des informations sensorielles pour l'élaboration du programme moteur en fonction du contexte. - Cortex préfrontal est impliqué dans : → L'inhibition de l'action → L'anticipation sur les conséquences de l'action → La prise de décisions.

31. Versant sensoriel Traitement initial des informations sensorielles Aires sensorielles primaires Ex : cortex somatosensoriel, aire visuelle primaire Intégration des informations de plusieurs modalités Aires associatives sensorielles multimodales Ex : cortex pariétal postérieur Utilisation des informations sensorielles pour élaborer le programme moteur Aires associatives motrices Ex : AMS, APM Transmission du programme moteur Aire motrice primaire Versant moteur

32. Cas particulier de l'imagerie motrice: • Lorsqu'on s'imagine faire un mouvement (principe de l'entraînement mental) les structures de préparation du mouvement sont actives (préparation du mouvement).

33. d) Centre des praxies et syndromes apraxiques • Observations cliniques : apraxiques. • - Perte des habiletés motrices en absence de faiblesse motrice, de perte de sensibilité ou de problème de motivation. Le patient garde intacte la capacité de faire fonctionner ses muscles mais ne peut relier ses gestes en un acte cohérent ou retrouver l'utilisation adéquate des objets. • Déficit des actions coordonnées sont encore plus marqués lorsqu'on demande au patient de mener des actions (ex : couper du pain). • Le centre des praxies. • = le centre d'élaboration des schémas moteurs. • Unilatéral (partie inférieure du lobe pariétal gauche). • Relié à l'aire prémotrice gauche. • La zone prémotrice gauche est reliée par le corps calleux à la zone prémotrice droite.

34. Conclusion : • Les aires corticales recueillent et intègrent les informations sensorielles. • Les aires corticales utilisent ces informations sensorielles afin d'élaborer la commande motrice. • La planification motrice est un processus distribué impliquant de nombreuses régions corticales. • Les régions essentiellement impliqués sont l'AMS (aires motrices supplémentaires), APM (aires prémotrices) et le cortex préfrontal (CPF). • Les aires motrices sont hiérarchisées : • - les aires motrices associatives sont porteuses du programme moteur qu'elles transmettent à l'aire motrice primaire. • Aire motrice primaire est associée à l'exécution du mouvement et les aires motrices associatives à sa programmation.

35. III) LES GANGLIONS DE LA BASE 1) Introduction 4 noyaux jouant un rôle dans le mouvement volontaire. Pas de connexion directe avec la moelle épinière. Afférence provenant du cortex cérébral et efférences vers le cortex cérébral. Initialement ce sont des observations cliniques qui ont suggéré le rôle des ganglions de la base dans le contrôle du mouvement (examination post-mortem des patients ayant la maladie de Parkinson, de Huntington). Les ganglions de la base jouent un rôle dans la planification et de démarrage des mouvements.

36. 2) Structure neuroanatomique Les ganglions de la base concernent un ensemble de noyaux situés principalement dans le télencéphale basal.

37. Coupe frontale de l’encéphale Coupe horizontale du mésencéphale

38. Les ganglions de la base reçoivent des signaux nerveux issus des aires corticales, les traitant puis les leur renvoient. Ils constituent ainsi une boucle de régulation motrice. • Les ganglions de la base sont impliqués dans : • - le déclenchement du mouvement • - la détermination des intensités des activités musculaires • - le choix du bon plan moteur.

39. 3) Les afférences • Le striatum est la structure d'entrée des ganglions de la base, il reçoit ses afférences de deux sources • principales : • Le cortex moteur • - Les projections les plus denses • proviennent des lobes frontaux • et pariétaux. • - Projections moindres du cortex • temporel.

40. Ces projections corticales empruntent la capsule interne et gagnent directement le caudé et le putamen. • Le noyau caudé reçoit essentiellement des informations des aires d'associations multimodales. • → Le noyau caudé traite les informations cognitives contribuant au déclenchement des actes moteurs complexes. • Le putamen reçoit ses afférences des aires sensorielles primaires et secondaires, des aires motrices et prémotrices du lobe frontal et des aires associatives auditives du lobe temporal. • → Cette disposition suggère que le putamen traite les informations relatives au contexte sensoriel dans lequel le mouvement prévu sera exécuté.

41. 4) Les connexions intrinsèques • Les projections entre striatum et substance noire sont réciproques. • Le striatum se projette sur le pallidum. • Pallidum interne : départ majeur des efférences des noyaux de la base (structure de sortie des ganglions de la base). • Le médiateur de la substance noire sur le striatum est la dopamine (voie dopaminergique).

42. 5) Les efférences • Les messages efférents des ganglions de la base doivent atteindre le cortex moteur pour influencer les commandes motrices. • Le relais se fait par le complexe VA (ventro antérieur)/VL (ventro latéral) du thalamus après passage par les noyaux du pallidum. • Deux voies de sortie des ganglions de la base agissent de façon contraire dans le contrôle des efférences excitatrices du complexe VA/VL vers le cortex moteur. • La voie indirecte est antagoniste à la voie directe. • a) La voie directe • Le Pallidum se divise en un segment externe et un segment interne. • Le segment interne envoie ses projections sur le complexe VA/VL du thalamus. Ce circuit est connu sous le nom de voie directe.

43. La désinhibitionpermet de comprendre comment les ganglions de la base influencent le cortex moteur. Cortex Cérébral Cortex Moteur Substance Noire D2 Striatum (noyau caudé + putamen) Thalamus VA/VL Pallidum interne D2 = dopamine

44. b) La voie indirecte • La voie indirecte implique le segment externe du pallidum, puis le noyau sous-thalamique, le segment interne du pallidum et le thalamus. Cortex Cérébral Cortex Moteur Substance Noire D2 Striatum (noyau caudé + putamen) Thalamus VA/VL Pallidum externe Pallidum interne Noyau sous-thalamique

45. 6) Paramètre du mouvement programmé par les ganglions de la base • Ex : enregistrement de l'activité neuronale au niveau du putamen (De Long 1973) : activité précoce précédant le début du mouvement rapide ou lent. • → intervention dans la programmation du mouvement. • Ex : Destruction du globus pallidus à l'acide kaïnique (Horak et Anderson 1984). • → mesure du temps de mouvement (entre le temps où le singe lève la patte et le temps où il touche la cible) et du temps de réaction (temps qui sépare l’apparition de la cible et le singe qui lève la patte).

46. Après destruction du globus pallidus à l'acide kaïnique : • - Le temps de réaction n’est pas modifié. • - La durée du mouvement est allongée. • - Les activités des muscles surviennent dans l'ordre correct mais ne sont suffisamment intenses et ne se développent pas suffisamment rapidement. • → Les ganglions de la base interviennent dans la détermination de l’intensité des différentes activités musculaires à l’accomplissement d’un mouvement.

47. 7) Maladie de Parkinson et de Huntington • Maladie de Parkinson • Dégénérescence des neurones dopaminergiques de la substance noire. • Tremblements involontaires localisés au niveau des mains (on a l'impression que le malade roule des pilules ou des cigarettes) ou au niveau de la tête. • Pauvreté du mouvement (akinésie). • Diminution des mouvements spontanés (moins de grattage, d'agitation machinale, de sourires et de grimaces). • Un ralentissement des mouvements volontaires complexes (bradykinésie). • Maladie décrite à l'origine sous le nom de paralysie agitante (akinésie + tremblement). • Perte de neurones dopaminergiques de la substance noire.

48. Cortex Cérébral Cortex Moteur Substance Noire Diminution de l’activation D2 Striatum (noyau caudé + putamen) Diminution de l’activation Diminution de l’inhibition Thalamus VA/VL Pallidum interne Renforcement de l’inhibition

49. Influence dopaminergique réduit → excitation des neurones du caudé/putamen réduite → activation du cortex moteur par le thalamus est moins susceptible de se produire. La rareté des mouvements observés dans la maladie de Parkinson reflète un défaut de désinhibition des ganglions de la base.

50. Maladie de Huntington • - Libération généralisée de comportements moteurs • - Au début : impropriétés motrices légères comme un tressaillement du visage ou des gestes machinaux excessifs. Evolution de la maladie : mouvements brusques et inopinés, mettant en jeu différentes parties du corps selon une succession aléatoire = chorée • Héréditaire. • Dégénérescence des neurones du striatum projetant sur le pallidum externe. • Libération de comportements moteurs qui sont normalement refrénés par les ganglions de la base.