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 d’ingénierie

Synapses chimiques Vidéo Rôle : transmettre un signal électrique en le convertissant en signal chimique. Le signal est par la suite reconverti en signal électrique Outre les synapses électriques que l’on trouve principalement dans l’encéphale et dans le SNC, il y a les synapses chimiques Deux parties de la synapse : Corpuscule nerveux terminal et région réceptrice (sur la membrane d’une dendrite ou sur le corps cellulaire d’un neurone postsynaptique) Ces deux parties sont séparées par la fente synaptique (30-50 nm). Cette fente est remplie de liquide interstitiel et empêche le transfert direct de l’influx Région réceptrice : Soit sur la membrane d’une dendrite ou sur le corps cellulaire d’un neurone postsynaptique Transmission à travers une synapse chimique est relativement lente (0.3 à 0.5 ms) comparativement à une synapse électrique (quelques microsecondes) Contrairement à certaines synapses électriques, l’influx nerveux d’une synapse chimique est unidirectionnel Transfert de l’information à travers les synapses chimiques. L’arrivée de l’influx terminal provoque la dépolarisation de la membrane plasmique, qui provoque l’ouverture des canaux à calcium voltage-dépendants. Le déctecteur de calcium présent dans la membrane présynaptique est activé et permet la libération du neurotransmetteur par exocytose. Une fois libéré à travers le fente synaptique, le neurotransmetteur se lie aux récepteurs postsynaptiques des canaux ioniques ligands-dépendants Les canaux ioniques sont s’ouvrent par la présence des neurotransmetteurs attachés à eux. Des ions sodium passent à travers la membrane postsynaptique, ce qui modifie le potentiel. (Si le potentiel de la membrane atteint le seuil d’excitation, un potentiel d’action est produit à l’autre neurone et la transmission de l’influx à lieu) Vidéo

Synapses chimiques Transfert de l’information à travers les synapses chimiques : Arrivée de l’influx terminal  dépolarisation de la membrane plasmique  ouverture des canaux Ca2+ voltage- dépendants Détecteurs Ca2+ activés  libération des neurotransmetteurs par exocytose Neurotransmetteurs se lient aux récepteurs postsynaptiques des canaux ioniques ligands-dépendants Les canaux ioniques s’ouvrent  Na+ passent à travers la membrane postsynaptique  modification du potentiel  potentiel d’action produit au neurone postsynaptique (si seuil d’excitation atteint)  transmission de l’influx nerveux

SNC Comprend : cerveau et moelle épinière Bien protégé par : Os (crâne et vertèbres) Liquide cérébro spinale (céphalo-rachidien) Liquide cérébro spinale (céphalo-rachidien) À l’intérieur et autour de l’encéphale et de la moelle épinière En flottant dans ce liquide, le cerveau perd 97% de son poids Protège contre les traumatisme Nourrit le cerveau

Cerveau Cerveau (encéphale) : Environ 2 fois gros comme le poing Rôles : Prochaine slide Bear, Connors, Paradiso

Cerveau Hémisphères : Cervelet : Tronc cérébral : Bulbe olfactif : 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 l’olfaction (odorat) Hémisphères : Partie supérieure du cerveau (83% de la masse du cerveau)

Cerveau - Les lobes Sillons : Rainures superficielles qui séparent les lobes 5e lobe : Insulaire À l’exception du 5e, les lobes sont nommés en fonction des os qui les surmontent (http://www.radioanatomie.com/25_os/os/profil.php) Rôles des lobes : Slide suivante Bear, Connors, Paradiso Os du crâne : http://www.radioanatomie.com/25_os/os/profil.php

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 l’orientation, 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 l’équilibre et de la posture 5e lobe : lobe insulaire (non visible) : Il est enfoui dans le sillon latéral. Il est recouvert par une partie des lobes temporal, pariétal et frontal

Cerveau - Vue ventrale Bulbe olfactif Nerf optique Hypothalamus Mésencéphale Pont Hypothalamus : Veut dire « sous le thalamus ». Constitue le principal centre de régulation des fonctions physiologiques et est essentiel au maintien de L’homéostasie (équilibre de l’organisme) Pont : Entre le mésancéphale et le bulbe rachidien. Face antérieure semblable à un pont reliant deux hémisphères cérébelleux. Plusieurs fonctions (communication entre centres cérébraux et moelle, relais entre cortex moteur et cervelet) Médulle (moelle) : On connaît déjà sa fonction Bulbe olfactif : Partie du nerf olfactif (odorat). Les tractus olfactifs transporent l’influx nerveux du bulbe jusqu’au cerveau Nerf optique : Nerfs sensitifs de la vision Médulle (moelle) Bear, Connors, Paradiso

Cerveau - Tronc cérébral Thalamus Hypothalamus Tronc cérébral : De haut en bas, il est constitué : Mésancéphale, pont, bulbe rachidien Thalamus (chambre interne) : A une forme d’œuf. Constitue 80% du diencéphale. Sert au tri et à une certaine forme de traitement de l’information Le mésencéphale comprend : Pédoncules cérébraux (lien avec cervelet), l’aqueduc du mésencéphale (), les colliculus ou tubercules quadrijumeaux (supérieur : commandent réflexes visuels, inférieurs: relais auditifs) Cervelet Mésencéphale Pont Moelle Bulbe rachidien

Cerveau - Coupe frontale (mi-thalamus) Ventricule latéral Fissure latérale (de Sylvius) Thalamus Troisième ventricule Cerveau antérieur Trois couches : Cortex (substance grise.. 75 % des 100 milliards neurones du cerveau, ce qui fait la diff avec les autres vertébré), substance blanche, noyaux basaux Sur la coupe, ce qui est en blanc est de la substance blanche. Ce qui est en vert ou rose, est de la substance grise Hypothalamus Bear, Connors, Paradiso

Cerveau - Cortex Montrer l’aire motrice (rouge) et l’aire sensitive (jaune) http://cti.itc.virginia.edu/

Cortex moteur et somatosensoriel Somatotopie : Correspondance entre les parties du corps et la partie du cerveau qui la contrôle Chaque partie du corps occupe une surface importante et disproportionnée. La disproportion reflète le fait que ce n’est pas la taille des muscles contrôlés mais bien le nombre de leur unités motrices qui détermine la surface occupée sur le cortex. Deux homoncules distincts pour deux aires distinctes (motrice et sensitive) Marieb, 1999

Cortex somatosensoriel Homoncule : Espace relatif occupé par différentes zones de sensibilité et motricité

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

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 Plasticité neuronale: Changement de la structure ou des fonctions du SN qui permet de compenser un traumatisme ou une pathologie La plasticité diminue avec l'âge. Elle pourrait jouer un rôle dans le vieillissement cognitif (mécanisme d’apprentissage). Bear, Connors, Paradiso

Mécanisme de la plasticité Potentialisation à long terme (PLT) : Augmentation de l’efficacité à long terme de la transmission synaptique entre 2 neurones qui sont stimulés simultanément Mécanisme sous-jacent de l’apprentissage et de la mémoire L’hipocampe (rôle important dans la mémorisation d’informations et dans l’apprentissage) possède une capacité de potentialisation à long terme assez élevée

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 La plasticité tiendrais de ces récepteurs NMDA (du nom de la substance qui peut les activer)

Quelques applications d’ingénierie

Imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) http://www.williamoslerhc.on.ca/

IRMf Permet de visualiser les parties du cerveau qui s’activent lors de différentes tâches : Lorsqu’une partie du cerveau s’active, on y retrouve un accroissement du flux de sang Cette augmentation est accompagné d’une 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 L’activation liée au stimuli est la différence entre les images avec stimuli et l’image au repos

IRMf Utilise un appareil IRM traditionnel : Généralement avec appareil 3T Une image haute résolution (IRM) est prise pour situer l’anatomie Une série d’images basse résolution (IRMf) sont prises pendant une période d’environs 1 à 2 minutes La taille d’un voxel peut atteindre environs 1.5 mm3 http://www.firstscience.com

Mapping du cortex Le neurochirurgien identifie les régions du cortex avec des électrodes Vidéo Frontiers of medecine : Premières 2 minutes et ensuite passer à 4:45 jusqu’à 5:42

Deep Brain Stimulation (DBS) Stimulation électrique des structures profondes du cerveau dans le but de pallier à un déficit moteur ou psychologique www.mja.com.au

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 l’activité des cellules défectrices www.liebermanparkinsonclinic.com http://www.anc.ed.ac.uk/~anaru/research/images/sth-sn.gif

Deep Brain Stimulation (DBS) Vidéos : Durée : 0:19 Durée : 0:22 http://www.care4dystonia.org/videos.htm Durée : 0:13 De 4:50 à 6:00 Découverte, www.radio-canada.ca

Signaux du cortex moteur À l’aide d’électrodes placés dans le cortex moteur, mesures d’activité des neurones À l’aide d’une tâche pré- définie, correlation entre le déchargement des neurones, le mouvement et l’activité EMG Capable de prédire la direction et l’intensité du mouvement à l’aide de l’activité neuronale; (Moran et Schwartz 1999)

Signaux du cortex moteur À l’aide d’une tâche pré-définie, correlation entre le déchargement des neurones, le mouvement et l’activité EMG; Moran & Schwartz 1999

Signaux du cortex moteur Capable de prédire la direction et l’intensité du mouvement à l’aide de l’activité neuronale; (Moran et Schwartz 1999);

Applications d’ingénierie Exemple d’utilisation d’implants dans les BCI : Electrode implantée dans le cortex moteur d’un singe (dans la région du bras) Singe contrôle curseur à l’aide d’un bras aptique Récompensé lorsqu’il atteint la cible Black et al. 2003

Applications d’ingénierie Déplacement d’un curseur à l’aide d’implants dans le cortex moteur humain (Braingate).

Applications d’ingénierie Prothèses neuronales : Même technologie que pour l’interface informatique Mouvements du bras du singe répliqués par le bras robotisé Pourra servir à contrôler des prothèses et éventuellement des membres par FES http://brownalumnimagazine.com

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

Applications d’ingénierie Ratbots : Rats télécommandés Implant stimule 3 régions : Moustache gauche Moustache droite Centre du plaisir (“feelgood”) Dressés à suivre les stimulations des moustaches à l’aide de récompenses sous forme de plaisir. www.nature.com

Questions?

Bibliographie Fimbel, Éric. Notes de cours SYS861, A04 Bear, Connors, Paradiso. Neuroscience, Exploring the brain. Wolpert, Ghahramani. Computational principles of mouvement neuroscience. Nature, 3, 1212-1217 (2000). http://www.fmri.org Moran, D.W., Schwartz, A.B., Motor Cortical representation of speed and direction during reaching., J. Neurophysiol. 82: 2676– 2692, 1999. http://books.google.ca/books?id=xq_xw2ph9SEC&prin tsec=frontcover&dq=plasticit%C3%A9&hl=fr#PPA71,M1 Grand dictionnaire terminologique