Ingénierie des systèmes humains GTS501 – TP11 Objectifs de la séance - Quiz 5 - Exercice sur les systèmes nerveux - Révisions sur le SNC, SNP, SNA etc. - Applications d’ingénierie

Organisation du système nerveux Le système nerveux possède différents niveaux Les flèches indiquent la direction de l’influx nerveux (ex. Sensation= influx part de l’organe et va jusqu’au cerveau) IL FAUT SAVOIR ET COMPRENDRE L’ORGANISATION DU SYSTÈME NERVEUX

Composition du système nerveux Ref. Système Nerveux Central (SNC) Encéphale Moelle épinière Système Nerveux Périphérique (SNP) Tous les nerfs situés à l’extérieur du SNC Partie sensitive et motrice SNP Prochaine diapo Somatique = Qui concerne le corps

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)

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 SNP Prochaine diapo Somatique = Qui concerne le corps Autonome = automatique = involontaire

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 des rôles antagonistes pour les même organes Image d’innervation des deux systèmes (sympathiques et para) à l’autre diapo

viscères, muscles lisses et glandes Innervation viscères, muscles lisses et glandes Ganglions Tortora, 2001

SNC – Moelle épinière

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

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) Ventral = antérieur (et non pas au niveau du ventre !!!) Dorsal = postérieur Bleu = sensitif Jaune = viscéral Rouge = somatique

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 Chaque nerf spinal se divise en rameau dorsal, ventral et en rameau méningé

SNP – Plexus 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 cervical (C1 à C5) Les rameaux ventraux forment le plexus brachial (C5 à C8 + T1) Aucun plexus (nerfs intercostaux) (T1 à T12) Chaque nerf spinal se divise en rameau dorsal, ventral et en rameau méningé Chaque rameau est mixte (comme le nerf spinal) Plexus C’est un ensemble de nerfs * Il n’y a pas de plexus pour les rameaux dorsaux Les rameaux ventraux forment le plexus lombaire (L1 à L4) Les rameaux ventraux forment le plexus sacral (L4 et L5 S1 à S4)

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, de la poitrine ainsi que le diaphragme

SNP – Plexus cervical Segments

SNP – Plexus brachial Formé des racines C5 à T1 Innerve les muscles de l’épaule, du membre supérieur

SNP – Plexus Lombaire Sacral 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, tous les muscles en bas du genou, les organes génitaux

SNP – Plexus Lombaire Sacral

SNP – Récepteurs sensoriels 5 types classés en fonction du stimulus qu’ils enregistrent Mécanorécepteur Stimulé sous une action mécanique, déformation (toucher, pression, etc.) Vidéo Thermorécepteur Changement de température (froid, chaud, etc.) Photorécepteur Lumière (rétine) Tous les récepteurs ou presque jouent occasionnellement le rôle de nocicepteurs, car la stimulation excessive d’un récepteur est douloureuse (chaleur intense, froid extrême, etc.)

SNP – Récepteurs sensoriels 5 types classés en fonction du stimulus qu’ils enregistrent Chimiorécepteur Substances chimiques en solution (odeur, goût, estomac, etc.) Contrôle réflexe de la pression sanguine Nocicepteur Stimulus potentiellement nuisible (douleur) via tous les autres récepteurs Tous les récepteurs ou presque jouent occasionnellement le rôle de nocicepteurs, car la stimulation excessive d’un récepteur est douloureuse (chaleur intense, froid extrême, etc.)

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 reconnaître les stimuli Les récepteurs peuvent être - Toniques Ils produisent des influx nerveux en continue et sont activés davantage ou pas (équilibre dans oreille interne) - Phasiques Normalement au repos, sauf s’ils sont activés par un changement. Leur rôle est de rendre compte de ces changements Certains récepteurs sont toniques et phasiques à la fois (ex. Les récepteurs du froid)

Potentiels récepteurs Pour qu’il y ait une sensation, il faut qu’un stimulus excite un récepteur 4 conditions à remplir 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 Les récepteurs peuvent être - Toniques Ils produisent des influx nerveux en continue et sont activés davantage ou pas (équilibre dans oreille interne) - Phasiques Normalement au repos, sauf s’ils sont activés par un changement. Leur rôle est de rendre compte de ces changements Certains récepteurs sont toniques et phasiques à la fois (ex. Les récepteurs du froid)

Potentiels récepteurs 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) Les récepteurs peuvent être - Toniques Ils produisent des influx nerveux en continue et sont activés davantage ou pas (équilibre dans oreille interne) - Phasiques Normalement au repos, sauf s’ils sont activés par un changement. Leur rôle est de rendre compte de ces changements Certains récepteurs sont toniques et phasiques à la fois (ex. Les récepteurs du froid)

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

SNP – Arcs réflexes Vidéo C’est une boucle très rapide permettant de réagir instantanément à un stimulus (ex. brûlure, piqûre, etc.) afin de se protéger Vidéo

Niveau de contrôle du mouvement – hiérarchie Réponse Durée de la boucle (ms) Modification via instructions Affectés par le nb de choix ? Réflexe d’étirement 30 – 50 Non Arc réflexe (longue boucle) - Prg moteur primaire 50 – 80 Oui Mvts volontaires automatisés 80 – 120 Mvts volontaires contrôlés par l’attention + de 120

Mvts volontaire contrôlé par l’attention Niveau de contrôle du mouvement – hiérarchie Mvts volontaire contrôlé par l’attention Mvts volontaire « automatique » Programme moteur primaire réflexe

Organisation du système nerveux

Effecteurs Le SNS et SNA diffèrent sur trois points Rappel Effecteurs Voies efférentes Les réponses provoquées par leurs neurotransmetteurs Rappel SNS stimule les muscles squelettiques SNA innerve les muscles cardiaques, les muscles lisses et les glandes SNS 1 seul neurone moteur Les axones des neurones moteurs vont du SNC jusqu’aux organes effecteurs. Ils sont fortement myélinisés (Transmission rapide de l’influx) SNA 2 neurones moteurs Les axones des neurones préganglionnaires (peu myélinisés) émergent du SNC font synapse avec un neurone ganglionnaire (dont l’axone post ganglionnaire est amyélinisé) dans un ganglion autonome périphérique. - Ganglion Regroupement de corps cellulaires de neurones associés au nerfs du SNP. 2 sortes Spinaux et autonome - Ganglions autonomes ganglions moteurs qui contiennent les corps cellulaires de neurones moteurs. Il s’agit de synapses et de point de transmission de l’information entre les neurones pré et post ganglionnaires La fréquence des influx constitue aussi une différence notable 20 x moins élevée dans neurofibres autonomes

Effecteurs Ganglion Neurone moteur SNS 1 seul neurone moteur Les axones des neurones moteurs vont du SNC jusqu’aux organes effecteurs. Ils sont fortement myélinisés (Transmission rapide de l’influx) SNA 2 neurones moteurs Les axones des neurones préganglionnaires (peu myélinisés) émergent du SNC font synapse avec un neurone ganglionnaire (dont l’axone post ganglionnaire est amyélinisé) dans un ganglion autonome périphérique. Ganglion = regroupement de corps cellulaires de neurones associés aux nerfs du SNP. 2 sortes , Spinaux et Autonomes Ganglions autonomes ganglions moteurs qui contiennent les corps cellulaires de neurones moteurs. Il s’agit de synapses et de point de transmission de l’information entre les neurones pré et post ganglionnaires La fréquence des influx constitue aussi une différence notable 20 x moins élevée dans neurofibres autonomes

Effecteurs Effets des neurotransmetteurs Acétylcholine (des neurones moteurs somatiques): excitateur Acétylcholine, adrénaline (des neurofibres autonomes post ganglionnaires ) : excitateur Noradrénaline (des mêmes fibres) : inhibiteur SNS Acétylcholine favorise la transmission d’influx nerveux (effet toujours stimulant) SNA noradrénaline effet inhibiteur

Physiologie du SNA Rôles exclusifs du SN sympathique Thermorégulation Libération de rénine (Enzyme protéolytique vaso-constrictrice) Effets métaboliques Rôle SN parasympathique Repos Digestion C’est pour empêcher l’activité sympatique d’entraver la digestion que l’on conseille de se reposer après avoir manger

Applications d’ingénierie

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

EMG – Étapes menant 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 de  -80 mv au repos à  +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

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

EMG EMG brut lors de l’extension du dos On doit traiter le signal brut pour pouvoir interpréter par la suite

EMG post-traitement

EMG http//www.medschool.northwestern.edu

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

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

Fonctional Electrical 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

FES – Des exemples Hoffer et al. (2005) Neurostep™ Test pilote de faisabilité Système d’assistance à la marche Victhom a mis au point un dispositif entièrement implantable capable de restaurer la mobilité d’un patient atteint du pied tombant. L’Implant pour troubles de la démarche permet de synchroniser artificiellement l’activation du mouvement de dorsiflexion de la cheville par la stimulation des nerfs périphériques reliés aux muscles antérieurs de la jambe. Cet implant utilise des techniques de neurodétection et de neurostimulation reposant sur le système bionique en boucle fermée de Victhom. Avec ce dispositif, Victhom démontre que sa technologie en boucle fermée est prête pour des applications commerciales.

FES – Des 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.)

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

Restoration of Functional Grasping in Patients with Quadriplegia FES – Des exemples Adams et al. (2005) Restoration of Functional Grasping in Patients with Quadriplegia À l’aide d’électrodes placées sur la peau, restituer la fonction de «préhension» à des quadraplégique

QUESTIONS ?

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

Applications d’ingénierie Rendre la vue aux aveugles Deux stratégies distinctes Caméra avec implant dans le cerveau Des électrodes (242 par hémisphère) implantés dans le cortex visuel permettent (après apprentissage) à une personne aveugle de voir des images avec une résolution d’environs 16x16.

Applications d’ingénierie

Applications d’ingénierie Rendre la vue aux aveugles Caméra avec écouteurs (vue par le son) Chaque image de la caméra est transformée en son Le cerveau apprend éventuellement à décoder les son pour en faire des images que le sujet voit réellement Bonne résolution, peut servir même si le cortex visuel n’est pas intacte (contrairement à l’implant) Apprentissage long, résolution limitée par l’audition www.seeingwithsound.com