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Cours 5 LE MOUVEMENT VOLONTAIRE. Ces réponses réflexes apparaissent néanmoins stéréotypées et le répertoire de mouvements limité. Les mouvements volontaires.

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1 Cours 5 LE MOUVEMENT VOLONTAIRE

2 Ces réponses réflexes apparaissent néanmoins stéréotypées et le répertoire de mouvements limité. Les mouvements volontaires diffèrent des réflexes sur plusieurs points. 1 - les mouvements volontaires sont organisés autour de la performance dune tâche ayant un objectif. Par opposition à la relation stéréotypée entre réponse et stimulus des réflexes, les réponses des mouvements volontaires varient pour un même stimulus selon la tâche. Il a été vu précédemment comment des circuits impliquant la ME ou le TC pouvaient être à lorigine de mouvements élémentaires en réponse à divers stimuli somatosensoriels, vestibulaires, visuels…

3 2 - lefficience du mouvement saméliore avec lexpérience et lapprentissage. 3 - les mouvements volontaires ne sont pas de simples réponses liés à des stimuli environnementaux mais peuvent être générés de façon interne. Les plus hautes structures de nos systèmes moteurs sont capables de dissocier les deux aspects dun stimulus : son contenu informationnel et sa capacité à déclencher un mouvement. Au niveau du cortex, le contenu informationnel dun stimulus signale vers quel endroit il faut se déplacer et ce quil faut faire, mais lapparition du stimulus peut ou non initier immédiatement le mouvement appropriés. Dans le réflexe, ces deux aspects du stimulus sont liés.

4 Les événements nerveux conduisant à un mouvement ciblé font intervenir plusieurs procédés qui sont liés. Dans lexemple une personne assoiffée qui désire saisir un verre deau sur une table, trois phases peuvent être distinguées: 1 - lobjet va devoir être identifié du point de vue de lobjectif et de la stratégie à adopter 2 - un plan daction va devoir être mis en place 3 - les systèmes moteurs vont devoir coordonner laction des différents faisceaux descendants qui convoient les commandes jusquaux Mns. Ces commandes spécifient les groupes musculaires à mobiliser, les forces à exercées par chacun des muscles et la séquence temporelle de leur activation.

5 Bien quextrêmement liées, ces 3 phases sont contrôlées par trois régions du cortex cérébral: - le cortex moteur - le cortex pré-moteur et les aires motrices supplémentaires du lobe frontal - le cortex pariétal postérieur

6 ILE CORTEX MOTEUR EST ORGANISE TOPOGRAPHIQUEMENT Cest à Sherrington que lon doit la découverte que chez les primates, ces effets moteurs sont déclenchés plus aisément et de façon très précise avec des intensités de stimulation infinitésimales. En 1870, les neurophysiologistes allemands Fritsch et Hitzig découvrirent que des stimulations électriques sur divers endroits du lobe frontal du cortex dun chien amenaient des contractions de certains muscles contralatéraux Cette région a depuis été répertoriée comme le cortex moteur ou encore laire de Brodmann n°4 (AB4).

7 Ces découvertes indiquent que le cortex cérébral est divisé fonctionnellement et quà lintérieur dune sous- division, différentes aires correspondent avec différentes fonctions et avec différentes parties du corps. En recourant à des techniques de stimulation plus modernes, Penfield, a réussi dans les années 50 à dresser une carte du cortex moteur. Son travail illustre deux principes importants : - la représentation du corps est agencée dune façon ordonnée à lintérieur du gyrus pré-central. La tête est représentée proche de la scissure de Sylvius avec le tronc et les jambes en dessous. - les groupes musculaires utilisés pour des mouvements requérant un contrôle fin (face et mains) sont représentés dune façon disproportionnée.

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9 De plus, des muscles, essentiellement les distaux, semblent être représentés plus dune fois dans cette aire motrice. Cette découverte pose la question de savoir si ces aires locales représentent des muscles individuellement ou alors si ce sont des mouvements élémentaires nécessitant une coordination de plusieurs muscles qui sont représentés. Des travaux plus récents ont montré quil y avait une projection dominante dune aire corticale sur un seul muscle mais aussi des collatérales vers dautres muscles. Asanuma et Sakata (1967) en insérant profondément des micro-électrodes, ont constaté que des muscles isolés se contractaient en réponse à des stimuli de très faibles intensités.

10 Lorganisation somatotopique du cortex moteur nest pas fixe mais peut être modifiée par un apprentissage moteur ou consécutivement à une blessure. Cette plasticité a été montrée à de nombreuses reprises dans diverses expérimentations ou cas cliniques. Dans une étude chez le rat adulte, la représentation des moustaches au niveau du cortex moteur primaire a tout dabord été cartographiée. Les moustaches ont été ensuite dénervées par lintermédiaire dune transection du nerf facial (VII). Une stimulation électrique de la région corticale qui auparavant conduisait à des mouvements des moustaches produit désormais des mouvements des pattes avant.

11 En vert : patte avant En brun: moustaches En bleu : oculomotricité

12 Ce changement fonctionnel est vraisemblablement du à une facilitation de circuits préexistants dans la région des moustaches et qui se sont connectés sur les pattes avant. Ce phénomène semble pouvoir intervenir en quelques heures. La perte des informations sensorielles des moustaches au niveau des aires motrices semble être à la base de cette réorganisation. Ceci indique également que les neurones influençant la musculature faciale sont en réalité beaucoup plus largement distribués que ce qui est révélé par des stimulations électriques locales.

13 Lidée que lorganisation de circuits moteurs corticaux matures puisse se modifier selon des activités sensorielles ou motrices constitue une donnée importante dans les processus de réhabilitation de patients ayant des attaques cérébrales par exemple. Dans une autre étude, une petite artère corticale a été obstruée chez un singe de façon à détruire une partie des cellules du cortex moteur primaire contrôlant la main et les doigts. - Les animaux perdent alors lhabileté de pouvoir récupérer des boulettes de nourriture dans les orifices les plus étroits qui leur étaient proposés. - La représentation des aires de la main autour de la lésion diminue progressivement avec le temps.

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15 Les modifications des cartes corticales peuvent savérer très différentes selon lentraînement. Par ex, une étude sest intéressée à lévolution de ces cartes au niveau des avant-bras et des mains Dans un premier groupe, les animaux nétaient pas conduits à solliciter les doigts mais utilisaient leurs muscles proximaux. Les aires de représentation disparaissaient alors progressivement. Les neurones situés à lextérieur de la lésion ne mourraient pas mais les aires relatives à lépaule et au coude se développaient vers les aires de la main restantes, demeurées intactes.

16 A linverse, pour lautre groupe qui était amené à exercer régulièrement leur main, la partie du cortex demeurant intacte contrôlant main et doigts se développait vers les régions corticales adjacentes préalablement occupés par les neurones contrôlant épaule et coude. Ces animaux recouvraient la capacité de récupérer les boulettes de nourriture au bout de 3 ou 4 semaines. Ce résultat met en avant limportance de lentraînement par des tâches sensori-motrices dans le cadre dune réhabilitation. Lentraînement sur une séquence particulière ne facilite pas pour autant la performance pour une nouvelle séquence motrice.

17 Ceci a pu être observé lors dune tâche motrice où les sujets devaient toucher avec le pouce lextrémité des autres doigts selon une séquence bien déterminée et pendant 20 minutes chaque jour. Alors que cette tâche est dabord réalisée de façon assez hésitante et lentement, la vitesse et la précision augmentent rapidement avec un pic de performance dès trois semaines. Il faut souligner que la séquence apprise et la nouvelle séquence sont exécutées avec la même vitesse, ceci pour exclure tout effet de vitesse. La technique dimagerie par résonance magnétique nucléaire révèle que laire corticale activée à cette occasion est plus grande que lorsque lon commence à apprendre une nouvelle séquence.

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19 IILE FAISCEAU CORTICO-SPINAL PROVIENT DES NEURONES PYRAMIDAUX DU CORTEX Le faisceau cortico-spinal a pour origines des neurones de diamètres variables de la couche n°5 du cortex 30% seulement des axones proviennent du cortex moteur. Le reste provient de laire n°6 (cortex pré- moteur) et des aires n°1,2 et 3 (cortex sensoriel somatique) du lobe pariétal. 1) Les neurones cortico-spinaux du cortex moteur jouent un rôle prédominant dans le contrôle des muscles distaux Une section des pyramides médullaires a pour effet de nabolir que les contractions des muscles distaux alors que celles des muscles proximaux nest quatténuée.

20 Ceci signifie que leur mise en jeu suppose des stimulations de plus fortes intensités et qu'il existe dautres faisceaux impliqués dans le contrôle de la musculature proximale. Il sagit en fait de faisceaux médians et latéraux issus du TC et qui sont contrôlés par le système cortico-bulbaire. Bien que le cortex moteur régule également les muscles proximaux, il joue un rôle spécifique dans le contrôle des muscles distaux. La destruction du gyrus pré-central abolit non seulement lensemble des effets sur les muscles distaux, résultant dune stimulation du cortex moteur, mais aussi ceux résultant dune stimulation des autres aires corticales.

21 Cela signifie que laire motrice supplémentaire et le cortex pré-moteur agissent sur la musculature distale en se projetant sur le cortex moteur. 2) Les neurones cortico-spinaux du cortex moteur influencent les motoneurones par des connections directes et indirectes Preston et Phillips ont été les premiers à démontrer que ces neurones cortico-spinaux se connectaient directement avec les Mns et parallèlement, par un trajet polysynaptique sur les Mns. Dans ce but, les potentiels post synaptiques des Mns ont été enregistrés. La durée des latences traduisait une transmission mono-synaptique.

22 Les neurones exercent aussi des influences sur les interneurones spinaux. Cela permet au cortex moteur de diriger des patrons dactivation musculaire, et donc des mouvements, par le biais dun contrôle de comportements réflexes automatisés organisés à un niveau bas situé. Cette co-activation permet aux fuseaux neuro- musculaires de demeurer sensibles à des étirements brusques même si le muscle se raccourcit. Il a ainsi pu être montré que les neurones cortico- spinaux innervaient également les muscles antagonistes par lintermédiaire dune inhibition di-synaptique sur les interneurones inhibiteurs Ia.

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24 Certaines parties du cortex exercent également un contrôle descendant indirect par lintermédiaire de projections parallèles sur les neurones du TC. Les neurones rubro-spinaux, en supplément des neurones cortico-rubraux provenant de lAB6, reçoivent des connections indirectes de collatérales de petits neurones cortico-spinaux. De façon similaire, les neurones des cortex moteur et prémoteur se terminent sur les neurones réticulo- spinaux et vestibulo-spinaux. Ces connections permettent au cortex de contrôler des conduites motrices automatisées organisées à partir du TC comme les réponses posturales ou les coordinations posturo-cinétiques.

25 3) Les neurones du cortex moteur, activés avant le début du mouvement volontaire, évaluent le niveau de force exercé Evarts en 1968 a été le premier à examiner les patterns de décharge des neurones du cortex précentral qui se projettent au niveau du faisceau cortico-spinal, ceci chez un singe entraîné à fléchir ou à étendre alternativement son poignet. Lactivité de certains neurones augmentait lors dune flexion, dautres lors dune extension. Il a pu constater que lactivité des neurones cortico- spinaux contrôlant le poignet se modifiait en fonction de la direction du mouvement. De plus, ces neurones déchargeaient avant le début de la contraction.

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27 IIILES NEURONES DU CORTEX MOTEUR, ACTIFS AVANT LE DEBUT DU MOUVEMENT, EVALUENT LE NIVEAU DE FORCE EXERCE 1) Des groupes particuliers de neurones du cortex moteur codent le type de force requis pour le mouvement Les études d'Evarts révèlent que les neurones du faisceau pyramidal voient leur activité croître en fonction de la force à exercer plutôt qu'en fonction de la position. Cependant, qu'en est il dès lorsque le type de force varie ? Dans ce but des singes ont été entraînés à exercer une force variable de préhension entre le pouce et l'index.

28 L'enregistrement de cette force isométrique couplée à celle des activités des neurones cortico-spinaux a permis de mettre en évidence trois groupes de neurones: dynamique, statique et mixte. Les neurones dynamiques codent la variation de force. Leur activité augmente brièvement avec la force à produire. Le niveau d'activité revient à 0 même lorsque la nouvelle force est maintenue constante. Les neurones statiques codent le maintien d'un niveau de force. Ces neurones déchargent aussi longtemps que le niveau de force persiste. Les neurones mixtes se caractérisent par des propriétés intermédiaires.

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30 Comme il a été vu précédemment, les structures du noyau rouge participent également au contrôle de la musculature distale par les faisceaux rubro-spinaux. Mais bien que ce système agisse en parallèle avec le cortico-spinal, il contrôle des caractéristiques différentes du mouvement. Des enregistrements uni-cellulaires montrent que ces neurones codent préférentiellement le développement de la force et la vitesse du mouvement. 2) Les neurones du cortex moteur sont informés des conséquences du mouvement En plus de l'initiation de mouvements volontaires complexes, ils sont aussi informés des conséquences du mouvement par des afférences sensorielles.

31 L'information périphérique est réceptionnée sur certains neurones du cortex moteur qui ressemblent à ceux des régions corticales sensorielles. La relation entre ces aires réceptrices du cortex moteur et les groupes musculaires contrôlés par chacune des zones du cortex a été étudiée par Asanuma et al.(1973). Les neurones du cortex moteur reçoivent des signaux en provenance soit du muscle innervé, soit de la région cutanée sollicitée par l'activité de ce muscle. Bien que les circuits permettant le transport de linformation restent mal connus, il semble que les fibres cortico-corticales en provenance du cortex sensoriel somatique et les faisceaux directement issus du thalamus soient impliqués.

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33 Phillips a suggéré que lorganisation en termes de messages afférents et efférents au niveau du cortex moteur devrait fonctionner en parallèle avec les réflexes détirement localisés au niveau de la ME. Par ce réflexe trans-cortical, les informations musculaires afférentes pourraient contrôler la contraction musculaire par un circuit à boucle longue transitant par le cortex moteur. Avec le ralentissement du mouvement, un décalage doit normalement survenir entre les longueurs du muscle et des fuseaux neuro-musculaires activement raccourcis du fait de la coactivation -. Ce feedback amènerait une servo-assistance capable de renforcer la réponse réflexe monosynaptique lorsque le segment mobilisé rencontre un obstacle imprévu.

34 Ce décalage devrait à son tour augmenter la réponse efférente. La fonction du circuit transcortical a été étudiée par Brooks et al. Des singes ont été entraînés à manipuler une poignée entre deux zones cibles qui pouvaient être atteintes par une flexion ou une extension du poignet. Une fois le mouvement initié, une charge était soudainement appliquée qui sopposait à lextension de lavant-bras. Lanimal devait réagir au plus vite pour achever le mouvement. Un moteur solidaire de la poignée était utilisé pour produire des charges sopposant aux mouvements à différents instants. Cette contrainte soudaine conduit à une profonde modification dans le patron de décharge cortical.

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36 La présence de la première bouffée dactivité corticale indique que le cortex moteur répond à létirement musculaire dune façon identique aux motoneurones, Bien que ces réponses aient été perçues comme une compensation à des variations soudaines de charges lors dun mouvement, la force développée apparaît trop faible. 3) Tous les mouvements ne sont pas sous le contrôle du cortex moteur Lorsque cette dernière est vraiment importante, il est indispensable quune réponse volontaire soit initiée. Le système nerveux peut en effet activer les mêmes muscles en utilisant plusieurs composantes des systèmes moteurs.

37 Ce phénomène de convergence a pu être mis en évidence par un enregistrement des fibres cortico- bulbaires contrôlant les muscles de la mâchoire. Les neurones corticaux qui sont modulés lorsque lanimal est conditionné à mordre voient leur activité cesser lors du mâchement. Il est vraisemblable que linhibition de ces neurones cortico-spinaux est compensée par dautres composantes motrices.

38 - le contexte émotionnel et le degré dautomatisation de lacte moteur sont des éléments déterminant quel système moteur contrôle à un instant donné un ensemble de muscles donné. - de lensemble des systèmes moteurs, le cortex moteur joue un rôle plus important dans la production de mouvements fins et précis que dans celle de mouvements automatiques ou de contractions alternées. On peut donc observer que : - le système nerveux central peut passer pour le contrôle de plusieurs muscles dun système à un autre

39 IVLE MOUVEMENT VOLONTAIRE REQUIERT UN PLAN D'ACTION : LE PROGRAMME MOTEUR CENTRAL Dans un mouvement (saisie d'objet), notre système nerveux doit d'abord sélectionner le programme moteur pour spécifier la séquence des muscles permettant à la main datteindre le point désiré et leurs intensités. LAMS et le CPM ont été découverts en dressant la carte des effets de stimulations corticales. Ces composantes sont développées au niveau de trois régions corticales: l'aire motrice supplémentaire (AMS), le cortex pré-moteur (CPM) et les cortex pariétaux postérieurs (CPP).

40 Les mouvements ainsi produits étaient plus complexes et nécessitaient des stimuli plus importants. Chacune de ces zones est organisée de façon somatotopique et reçoit des projections des CPP 5 et 7. Penfield et Woolsey ont trouvé que la stimulation daires corticales en AV de lAB4 produisait également des contractions musculaires et des mouvements. Ces dernières à leur tour reçoivent des signaux afférents des cortex sensoriel et visuel. LAMS et le CPM se projettent de façon somatotopique sur le cortex moteur

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42 Le CPM et lAMS reçoivent des informations des structures sous-corticales. LAMS reçoit avant tout des informations des portions du thalamus (VL) qui sont à leur tour fortement influencés par les noyaux de la base (pallidum). Ces origines différentes suggèrent des fonctions spécifiques quant aux mouvements que le CPM et lAMS sont capables de produire. Le CPM est influencé dabord par des afférences cérébelleuses, ceci par lintermédiaire dautres portions du VL du thalamus. Leur rôle est mis en évidence au travers des déficits provoqués par leur lésion chez le singe.

43 L'animal est incapable d'orienter correctement son corps de façon à attraper le morceau de nourriture à travers un orifice percé au travers d'une plaque transparente. 1) L'aire motrice supplémentaire joue un rôle important dans la programmation des séquences motrices Bien que la représentation somatotopique soit assez grossière, les réponses induites par sa stimulation déterminent des organisations de mouvements assez complexes telles que lorientation du corps ou louverture ou la fermeture de la main. Les mouvements sont aussi le plus souvent bilatéraux. Les mouvements proximaux sont assurés par des projections directes sur le TC ou la ME.

44 Les mouvements distaux, réalisés indirectement par des connections corticales, sont donc abolis lors dune lésion au niveau du cortex moteur. LAMS joue par conséquent plutôt un rôle indirect de préparation à la fonction motrice. Son rôle a été mis en évidence par Roland et al (1980). La méthode utilisée repose sur la mesure du flux sanguin qui rend compte de l'activité neuronale. Les sujets avaient pour consigne de réaliser plusieurs tâches de complexité variable. Dans une tâche simple (maintenir un ressort entre le pouce et l'index), le flux sanguin augmentait considérablement du côté controlatéral au niveau des cortex moteurs et sensoriels

45 En cas de mouvement plus complexe englobant l'ensemble des doigts, le flux sanguin augmente alors au niveau de lAMS, ceci bilatéralement.

46 Lors dune représentation mentale du mouvement, le flux sanguin augmente également au niveau de lAMS mais disparaît au niveau du cortex moteur. Ceci suggère que lAMS est plutôt impliquée dans la programmation que dans lexécution de mouvements. 2) Le cortex pré-moteur joue un rôle dans le contrôle de la musculature axiale et proximale

47 Le CPM agit principalement sur les Mns des muscles proximaux et joue un rôle important dans le guidage sensoriel des mouvements segmentaires. Le CPM reçoit des informations du CPP. Ceci suggère que le CPM joue un rôle majeur dans le contrôle des musculatures proximales et axiales et quil est indispensable pour les phases initiales dorientation du corps et du bras vers une cible. Il est aussi impliqué dans le contrôle des messages efférents déclenchés à partir des stimuli tactiles et dautres stimuli périphériques. Ainsi, lorsquun bras est déplacé vers une cible sallumant soudainement, certains neurones du CPM deviennent actifs lorsque la cible apparaît, dautres ne le sont quavec le mouvement.

48 3) Le cortex pariétal postérieur fournit des informations spatiales pour les mouvements ciblés Ces aires intègrent les informations sensorielles somatiques avec dautres modalités sensorielles visuelles, auditives et vestibulaires. Cette intégration est nécessaire par ex pour la perception en 3D ou la planification de manipulations dobjets. Chez le singe, des lésions du CPP entraînent des effets similaires à celles du CPM. Dans les deux cas, il est incapable dutiliser des informations sensorielles complexes pour produire des stratégies motrices adéquates.

49 Ces symptômes sont similaires aux apraxies qui, chez lhomme, apparaissent lors de lésions du cortex dassociation frontal ou du CPP. Ces patients ont perdu lhabilité dexécuter des séquences de mouvements préalablement apprises dans un contexte spatio-temporel correct. Ils sont incapables de générer des mouvements saccordant dun point de vue spatial avec les objets environnants. Par ex, il narrivent pas à orienter leurs mains vers un objet. Ils chercheront à latteindre mais le rateront et devront tâtonner avant de latteindre. Pour les autres tâches motrices (contrôle des muscles axiaux et proximaux), aucun déficit napparaît. Cette observation sexplique par le fait que ces deux structures sont anatomiquement liées.

50 Un disfonctionnement du CPP se traduit également souvent par des syndromes de négligence spatiale. Les patients sont alors incapables de répondre à des stimuli en provenance du côté controlatéral du corps ou du champ visuel controlatéral. On parle alors dhéminégligence Ils sont incapables de reconnaître des objets placés dans la main ou de dessiner des objets en trois dimensions. Par ex, lorsquil dessine une pendule, ce type de patient place tous les nombres du même côté et ne se rend pas compte de linexactitude de son dessin.

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52 Une des formes les plus spectaculaires de négligence sensorielle est la négligence de représentation Dans ce cas, ce sont les champs visuels gauche ou droit qui sont négligés dans loptique dune représentation intérieure dune scène visuelle. Dans les deux cas, les patients nétaient capables didentifier que les bâtiments situés sur leur droite. Ceci fut observé tout dabord par Bisiach. Il demandait à ses patients, tous atteints dun déficit au niveau du lobe pariétal droit, de se représenter la place du Dôme à Milan en étant sur le parvis de la cathédrale ou à lautre extrémité de la place.

53 Par contre, lorsque lon inversait le lieu doù le patient était supposé voir la place, les bâtiments qui nétaient pas mentionnés précédemment le devenaient et inversement pour les autres. Un autre exemple provient dautoportraits dessinés par un peintre devenu héminégligeant après un accident vasculaire cérébral

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