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+ Ingénierie des systèmes humains GTS501 – TP9 Objectifs de la séance : - Quiz 4 - Exercice sur le système nerveux central (SNC) - Retour sur les synapses.

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1 + Ingénierie des systèmes humains GTS501 – TP9 Objectifs de la séance : - Quiz 4 - Exercice sur le système nerveux central (SNC) - Retour sur les synapses chimiques - Révision sur le SNC - Applications dingénierie

2 Synapses chimiques Rôle : transmettre un signal électrique en le convertissant en signal chimique. Le signal est par la suite reconverti en signal électrique Vidéo

3 Synapses chimiques Transfert de linformation à travers les synapses chimiques : Arrivée de linflux terminal dépolarisation de la membrane plasmique ouverture des canaux Ca 2+ voltage- dépendants Détecteurs Ca 2+ activés libération des neurotransmetteurs par exocytose Neurotransmetteurs se lient aux récepteurs postsynaptiques des canaux ioniques ligands-dépendants Les canaux ioniques souvrent Na + passent à travers la membrane postsynaptique modification du potentiel potentiel daction produit au neurone postsynaptique (si seuil dexcitation atteint) transmission de linflux nerveux

4 SNC Comprend : cerveau et moelle épinière Bien protégé par : Os (crâne et vertèbres) Liquide cérébro spinale (céphalo-rachidien)

5 Cerveau Bear, Connors, Paradiso

6 Cerveau Hémisphères : Coté gauche reçoit les sensations et contrôle les mouvements du côté droit (et inversement). Cervelet : Centre du contrôle moteur Tronc cérébral : Gère les fonctions vitales telles que la respiration, la température corporelle, etc. Bulbe olfactif : Responsable de lolfaction (odorat)

7 Cerveau - Les lobes Bear, Connors, Paradiso Os du crâne :

8 Cerveau - Les lobes et leurs fonctions Lobe frontal : Associé au raisonnement, à la planification, à la locution, au mouvement et aux émotions Lobe pariétal : Associé au mouvement, à lorientation, à la reconnaissance et à la perception de stimuli Lobe temporal : Associé à la perception et à la reconnaissance de stimuli auditif, à la mémoire et à la locution Lobe occipital : Associé au traitement visuel Lobe insulaire : Associé au comportement (agressivité, peur, plaisir, …) Cervelet : Associé à la régulation et coordination du mouvement, de léquilibre et de la posture

9 Cerveau - Vue ventrale Bulbe olfactif Nerf optique Mésencéphale Médulle (moelle) Pont Hypothalamus Bear, Connors, Paradiso

10 Cerveau - Tronc cérébral Thalamus Hypothalamus Cervelet Moelle Pont Mésencéphale Bulbe rachidien

11 Cerveau - Coupe frontale (mi- thalamus) Ventricule latéral Fissure latérale (de Sylvius) Troisième ventricule Hypothalamus Thalamus Cerveau antérieur Bear, Connors, Paradiso

12 Cerveau - Cortex

13 Cortex moteur et somatosensoriel Marieb, 1999

14 Cortex somatosensoriel Homoncule :

15 Commotion cérébrale Impact direct Affecte : Les transmissions neuronales Circulation sanguine Neurotransmetteurs Vidéo

16 Plasticité du cortex La neuroplasticité est la capacité du cerveau (neurone) à se réorganiser en créant de nouvelles connections tout au long de la vie Bear, Connors, Paradiso

17 Mécanisme de la plasticité Potentialisation à long terme (PLT) : Augmentation de lefficacité à long terme de la transmission synaptique entre 2 neurones qui sont stimulés simultanément Mécanisme sous-jacent de lapprentissage et de la mémoire Lhipocampe (rôle important dans la mémorisation dinformations et dans lapprentissage) possède une capacité de potentialisation à long terme assez élevée

18 Mécanisme de la plasticité Potentialisation à long terme (PLT) : Rend synapse plus efficace Assurée par la présence dans certaines synapses de récepteurs dits NMDA Le changement est réversible à long terme Dépression à long terme (DLT) : Assurée aussi par NMDA

19 Quelques applications dingénierie

20 Imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf)

21 IRMf Permet de visualiser les parties du cerveau qui sactivent lors de différentes tâches : Lorsquune partie du cerveau sactive, on y retrouve un accroissement du flux de sang Cette augmentation est accompagné dune réduction de deoxyhémoglobine Cette réduction est visible sur une image IRMf Une première image est prise sans stimuli et ensuite une série est prise avec le stimuli ou la tâche Lactivation liée au stimuli est la différence entre les images avec stimuli et limage au repos

22 IRMf Utilise un appareil IRM traditionnel : Généralement avec appareil 3T Une image haute résolution (IRM) est prise pour situer lanatomie Une série dimages basse résolution (IRMf) sont prises pendant une période denvirons 1 à 2 minutes La taille dun voxel peut atteindre environs 1.5 mm 3

23 Mapping du cortex Le neurochirurgien identifie les régions du cortex avec des électrodes

24 Deep Brain Stimulation (DBS) Stimulation électrique des structures profondes du cerveau dans le but de pallier à un déficit moteur ou psychologique

25 Deep Brain Stimulation (DBS) Utiliser pour réduire les épisodes de tremblement chez les patients souffrant de parkinson Possible par la stimulation des noyaux subthalamiques en bloquant lactivité des cellules défectrices mages/sth-sn.gif

26 Deep Brain Stimulation (DBS) Vidéos : Découverte, Durée : 0:19 Durée : 0:22 Durée : 0:13 De 4:50 à 6:00

27 Signaux du cortex moteur À laide délectrodes placés dans le cortex moteur, mesures dactivité des neurones À laide dune tâche pré- définie, correlation entre le déchargement des neurones, le mouvement et lactivité EMG Capable de prédire la direction et lintensité du mouvement à laide de lactivité neuronale; (Moran et Schwartz 1999)

28 Signaux du cortex moteur Moran & Schwartz 1999

29 Signaux du cortex moteur

30 Applications dingénierie Exemple dutilisation dimplants dans les BCI : Electrode implantée dans le cortex moteur dun singe (dans la région du bras) Singe contrôle curseur à laide dun bras aptique Récompensé lorsquil atteint la cible Black et al. 2003

31 Applications dingénierie Déplacement dun curseur à laide dimplants dans le cortex moteur humain (Braingate).

32 Applications dingénierie Prothèses neuronales : Même technologie que pour linterface informatique Mouvements du bras du singe répliqués par le bras robotisé Pourra servir à contrôler des prothèses et éventuellement des membres par FES

33 Signaux du cortex moteur Ces informations permettent de reproduire le mouvement à laide la « pensée » : Durée : 0:51 Durée : 0:54

34 Applications dingénierie Ratbots : Rats télécommandés Implant stimule 3 régions : Moustache gauche Moustache droite Centre du plaisir (feelgood) Dressés à suivre les stimulations des moustaches à laide de récompenses sous forme de plaisir.

35 Questions?

36 Bibliographie Fimbel, Éric. Notes de cours SYS861, A04 Bear, Connors, Paradiso. Neuroscience, Exploring the brain. Wolpert, Ghahramani. Computational principles of mouvement neuroscience. Nature, 3, (2000). Moran, D.W., Schwartz, A.B., Motor Cortical representation of speed and direction during reaching., J. Neurophysiol. 82: 2676– 2692, tsec=frontcover&dq=plasticit%C3%A9&hl=fr#PPA71,M1 tsec=frontcover&dq=plasticit%C3%A9&hl=fr#PPA71,M1 Grand dictionnaire terminologique


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