Ingénierie des systèmes humains GTS501 – TP10

1. Ingénierie des systèmes humains GTS501 – TP10 • Objectifs de la séance : - Quiz 5 - Exercice sur les systèmes nerveux - Révisions : sur le SNC, SNP, SNA etc. - Applications d’ingénierie

2. Organisation du système nerveux

3. Composition du système nerveux • Système Nerveux Central (SNC) : • Encéphale • Moelle épinière • Système Nerveux Périphérique (SNP) : • Tous les nerfs situés à l’extérieur du SNC • Partie sensitive et motrice Vidéo youtube

4. Rôle du SNP • Assure le lien entre : • Les informations sensorielles périphériques et le SNC (partie sensitive) • Les commandes du SNC et les effecteurs périphériques (partie motrice)

5. Partie motrice du SNP Système Nerveux Somatique (SNS) : Volontaire Innervation sensitive et motrice des muscles squelettiques Système Nerveux Autonome (SNA) : Involontaire Innervation sensitive et motrice viscères, muscles lisses et glandes

6. Le SNA • Sympathique (thoraco-lombaire) : • Associé aux situations d’urgence (vasoconstriction,  fréquence cardiaque, etc.) • Para-Sympathique (cranio-sacrale) : • Situation neutre, repos, digestion (↓ fréquence cardiaque, etc.) • Ils jouent un rôle antagoniste pour les même organes Vidéo youtube

7. Tortora 2001

8. SNC – Moelle épinière • Située dans le canal vertébral • Segments : • 8 cervicaux • 12 thoraciques • 5 lombaires • 5 sacraux • 1 coccygien • Transmet les informations du SNC au SNP et vice versa Werner 2002

9. Organisation de la substance grise de la moelle épinière • Fibres sensitives (bleu) • Corne dorsale • Racine dorsale • Fibres motrices (jaune et rouge) • Corne ventrale • Racine ventrale • Se rejoignent pour former un nerf spinal • Ce dernier se sépare en rameau dorsal (innervation du dos) et ventral (innervation des membres et de la paroi avant)

10. SNP – Rameaux, troncs, faisceaux Les rameaux deviennent des troncs nerveux qui deviennent des faisceaux Les rameaux contiennent des fibres nerveuses qui proviennent de différents nerf spinaux Les neurofibres des rameaux ventraux se ramifient en plexus RAMEAUX TRONCS FAISCEAUX

11. SNP – Plexus Les rameaux ventraux forment le plexus cervical (C1 à C5) • Les plexus sont des groupes de rameaux ventraux dont les neurofibres s’entrecroisent et se redistribuent • 4 plexus majeurs : • Cervical • Brachial • Lombaire • Sacral Les rameaux ventraux forment le plexus brachial (C5 à C8 + T1) Aucun plexus (nerfs intercostaux) (T1 à T12) Les rameaux ventraux forment le plexus lombaire (L1 à L4) Les rameaux ventraux forment le plexus sacral (L4 et L5 ; S1 à S4)

12. SNP – Plexus cervical • Formé des racines C1-C5 • Innerve la peau et les muscles de la tête, du cou, de la partie supérieure des épaules et de la poitrine ainsi que le diaphragme

13. SNP – Plexus cervical

14. SNP – Plexus brachial • Formé des racines C5 à T1 • Innerve les muscles de l’épaule et du membre supérieur (moteur et sensitif)

17. SNP – Plexus • Lombaire : • Formé à partir des fibres L1 à L4 • Innerve les muscles et la peau de la loge antérieure de la cuisse • Sacral : • Formé à partir des fibres L5 à S5 • Innerve les muscles de la loge postérieure de la cuisse, les fessiers et tous les muscles en bas du genou ainsi que les organes génitaux

18. SNP – Plexus • Lombaire • Sacral

19. SNP – Récepteurs sensoriels • 5 types classés en fonction du stimulus qu’ils enregistrent • Mécanorécepteur : • Stimulé sous une action mécanique, déformation (toucher, pression, etc.) • Vidéos youtube : souris d’ordinateur, marteau à réflexe • Thermorécepteur : • Changement de température (froid, chaud, etc.) • Photorécepteur : • Lumière (rétine) • Chimiorécepteur : • Substances chimiques en solution (odeur, goût, estomac, etc.) • Vidéo youtube : Contrôle réflexe de la pression sanguine • Nocicepteur (noci = mal) : • Stimulus potentiellement nuisible (douleur) • Vidéo youtube

20. Potentiels récepteurs • Pour qu’il y ait une sensation, il faut qu’un stimulus excite un récepteur • 4 conditions à remplir : • Le récepteur doit être adapté au stimulus (ou forme d’énergie) qu’il reçoit (son, pression, chimique) • Le stimulus doit être appliqué dans le champ récepteur de sa cible • Plus un champ récepteur est restreint, plus le cerveau est en mesure de localiser le stimulus avec précision • L’énergie du stimulus doit être convertie en potentiel gradué • Transduction (chimique à électrique par neurotransmetteur) • Le potentiel d’action déclenché dans le neurone sensitif associé permet la propagation de l’influx nerveux jusqu’au SNC • L’intensité, la durée et les variations du stimulus s’exprime par la fréquence des potentiels d’action venant du récepteur (haute fréquence = stimulus fort)

21. SNP – Activité réflexe • Réflexe : • Une réponse motrice rapide et involontaire à un stimulus • Pas appris, pas prémédité, pas volontaire  intégré à la physiologie (protection) • Réflexe d’étirement, tendineux, etc. • Arc réflexe

22. SNP – Arc réflexe Vidéo youtube

23. Effecteurs • Le SNS et SNA diffèrent sur trois points : • Effecteurs • Voies efférentes • Les réponses que provoquent leur neurotransmetteurs • Rappel : • SNS : stimule les muscles squelettiques • SNA : innerve les muscles cardiaques, les muscles lisses et les glandes

24. Effecteurs • Effets des neurotransmetteurs : • Neurones moteurs somatiques : acétylcholine (excitateur) • Neurofibres autonomes postganglionnaires : noradrénaline (inhibiteur), adrénaline ou acétylcholine (excitateur)

25. Applications d’ingénierie

26. Électromyographie (EMG) • Semblable à L’EEG mais on enregistre les signaux musculaires partout sur le corps • Types d’électrodes : • de surface • de type aiguille • implantées dans les muscles

27. EMG – Étapesmenant à l’enregistrement • Moto-neurone émet des trains de potentiels d’action • Les potentiels d’action voyagent dans la fibre nerveuse : • 10-100 m/s selon la fibre • Les potentiels arrivent à la jonction neuro-musculaire : • Relâchement d'acétylcholine côté axone, capture côté cellules • Entrée d'ions sodium Na+ • La fibre musculaire se dépolarise : • Potentiel des cellules de la fibre :  -80 mv au repos ->  +40 mv : • Zone dépolarisée  2 mm2 • La dépolarisation voyage le long de la fibre musculaire : • Vitesse de propagation 2-6 m/s • La dépolarisation est enregistrée par l’électrode ou l’aiguille

28. EMG • L’EMG est utilisé en biomédical pour : • Diagnostiquer des pathologies • Créer des interfaces pour handicapés • Commander des prothèses • La stimulation électrique fonctionnelle (FES)

29. EMG

31. EMG http://www.medschool.northwestern.edu

32. EMG – Bras bionique • Les nerfs qui allaient aux bras sont redirigés vers la poitrine • Les nerfs poussent dans les pectoraux • Lorsque le patient veut bouger son bras, une partie des pectoraux se contracte • Des électrodes EMG détecte la contraction musculaire

33. EMG – Bras bionique http://www.ric.org/bionic/

34. FonctionalElectrical Stimulation (FES) • À pour but de restaurer la fonctionnalité des personnes handicapées en stimulant électriquement des muscles ou des nerfs • Utilisée lors de : • Problèmes neurologiques • Blessure à la moelle épinière, à la tête, etc. • AVC

35. FES - Quelques exemples • Hoffer et al. (2005) • Neurostep™ : • Test pilote de faisabilité • Système d’assistance à la marche

36. FES - Quelques exemples • Hoffer et al. (2005) (suite) • Neurostep™ : • Implanté chez 1 sujet • Pour aider à traiter le syndrome du pied tombant • Signaux recueillis par l’électroneurographie (ENG) • Interprétation des signaux enregistrés à l’aide d’algorithme de détection permettent d’activer des muscles grâce au stimulateur interne • Augmentation de la performance lors de la marche avec stimulation et même sans stimulation (10 sem.)

37. FES – Quelques exemples Sans FES Avec FES http://www.polyu.edu.hk/rec/fes/prine.html

38. FES – Quelques exemples • Autre VIDÉO pied tombant

39. FES – Quelques exemples • Adams et al. (2005) : Restoration of FunctionalGrasping in Patients withQuadriplegia : • À l’aide d’électrodes placés sur la peau, restituer la fonction de «préhension» à des quadraplégique

40. QUESTIONS ?

41. Références • Bear, Connors, Paradiso. Neuroscience, Exploring the brain. • Talwar, S. K. et al. Rat navigation guided by remote control.. Nature, 417, 37 - 38, (2002). • Note de cours KIN20740 – Contrôle moteur, Normand Teasdale; • Hofer,JA et al., Initial results with fully implanted Neurostep™ FES system for foot drop., IFESS conference proceedings, July 2005. • Adams, ME et al., Restoration of functional grasping in patients with quadraplegia, IFESS conference proceedings, July 2005. • Marieb, 1999; • Netter, 1999; • Moore, 2001;