Organisation anatomique et fonctionnelle du système nerveux central Plan du cours 1. Présentation générale du système nerveux 2. Les méthodes d’investigation du SNC 2.1. La neuroanatomie 2.2. L’étude des lésions 2.3. L’exploration neurophysiologique 2.4. L’imagerie fonctionnelle 3. L’organisation anatomo-fonctionnelle du SNC 3.1. Développement du SNC 3.2. Organisation du SNC 3.3. Le système ventriculaire 3.4. Les méninges 3.5. La vascularisation

1. Présentation générale du système nerveux Système Nerveux Central (SNC) = encéphale + moelle épinière encéphale encéphale = cerveau + cervelet + tronc cérébral Cerveau Tronc cérébral

Système Nerveux Périphérique (SNP) = nerfs sensitifs + moteurs (somatique et végétatifs = SNV) ganglion noyau ensemble de corps cellulaires nerf faisceau ensemble d’axones SNP SNC

anatomiquement  SNC, SNP 1.1. Les systèmes neuronaux anatomiquement  SNC, SNP fonctionnellement  systèmes sensoriels, moteurs et associatifs

1.2. Les circuits neuronaux Constitués de neurones afférents (sensoriels), de neurones efférents (motoneurones) et parfois d’interneurones  circuits fonctionnels ex : le réflexe d’étirement (ou myotatique) + - & l’arc réflexe d’innervation réciproque

2. Les méthodes d’investigation du SNC  résolution spatiale et temporelle spécifique : complémentarité

2.1. La neuroanatomie Etude, au microscope, de la structure du système nerveux (SN) : - composants neurone = neuroanatomie microscopique - structure globale, connexions = anatomie macroscopique 2.1.1. Les méthodes de coloration Injection substances chimiques sélectivement absorbées par éléments particuliers b) Imprégnation argentique de Golgi  prolongements a) Coloration de Nissl  noyau et soma

Brodmann (1909) : carte cytoarchitectonique du cortex  52 aires corticales numérotées

Aires différenciées par : - structure laminaire (3 à 6 couches) neurones étoilés neurones pyramidaux Aires différenciées par : - structure laminaire (3 à 6 couches) = un type cellulaire par couche - variation de densité des types cellulaires d’une région à l’autre

c) Traceurs rétrogrades & antérogrades  connexions ex : la péroxydase de raifort (rétrograde) thalamus (CGL) rétine (faible grossisst) rétine (fort grossisst)

2.1.2. Les techniques histochimiques  contenu chimique : NT, métabolites  cartographie des systèmes de NT exemple : système sérotoninergique

2.2. L’étude des lésions  étude des conséquences sur le comportement postulat : la dégradation d’un comportement après lésion d’une structure implique que la structure intervenait dans le comportement les effets d’une lésion peuvent dépasser la simple élimination des fonctions propres à la structure lésée  ! 2.2.1. Les lésions sélectives chez l’animal - aspiration tissu nerveux / injection courant : peu sélectives - techniques neurochimiques : sélectives d’un NT ex : MPTP dans substance noire  destruction cellules dopaminergiques = maladie de Parkinson - lésions réversibles :  t°   temporaire du métabolisme

2.2.2. Les lésions chez l’homme 2.2.2.1. Les différentes origines - troubles dégénératifs ou infectieux - vasculaires :  débit sanguin - tumeurs : développement anormal de tissu - traumatismes

2.2.2.2. La visualisation des lésions a) Le scanner à rayons X - mesure densité tissus - reconstruction 3-D os = forte densité liquide = faible densité  faible résolution spatiale (0,5 - 1 cm)  discernement difficile des tissus

b) L’imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM) élément organique (Hydrogène) - tissus organiques = magnétiques - mesure rebond (= champ magnétique) - tissus = densités d’H différentes  meilleure résolution (0,1 mm)

2.2.2.3. Les apports de la psychologie cognitive  tests pour analyser les déficits comportementaux - grandes fonctions : langage, mémoire, etc. - opérations élémentaires : analyses phonétique, sémantique, etc. Comparaison avec population ‘saine’ Exige des patients avec un seul trouble et des atteintes délimitées

2.3. L’exploration neurophysiologique 2.3.1. La stimulation électrique Penfield : stimulation corticale  observation des effets ou recueil de l’expérience du sujet scissure de Rolando Gyrus précentral (lobe frontal) Gyrus postcentral (lobe pariétal)  carte fonctionnelle des cortex moteur et somesthésique

Chaque hémicorps est représenté sur l’hémisphère controlatéral  correspondance territoires corticaux et parties du corps = homunculus médian latéral latéral médian Chaque hémicorps est représenté sur l’hémisphère controlatéral

2.3.2. L’enregistrement de l’activité électrique 2.3.2.1. L’enregistrement unitaire Grâce à des microélectrodes (2 µm)  activité spontanée très fluctuante  fréquence modifiée par conditions expérimentales = neurones impliqués dans la tâche Existence de neurones spécialisés :  sensibles aux variations de certains paramètres du stimulus : couleur, orientation, etc.

Ex : neurones « miroirs » : actifs lors d’une tâche motrice réalisée par l’animal et l’expérimentateur (= imitation)

2.3.2.2. L’électroencéphalographie (EEG) Enregistrement de populations neuronales grâce à des électrodes (scalp)  mesure ddp : électrode / référence 0 µV - + référence  nombreuses applications

- Caractérisation des états de vigilance : - Détection pointes épileptiques :

2.3.2.3. Les potentiels évoqués Dérivée de l’EEG Visualisation des réponses cérébrales survenant après un stimulus  moyennage des réponses :  bruit de fond  réponses évoquées par le stimulus Reflet du « parcours » d’un stimulus, des organes sensoriels jusqu’aux aires corticales

 applications cliniques : détection des anomalies de réponses

Mais difficulté pour connaître précisément les structures cérébrales qui sont à l’origine des potentiels évoqués  problème inverse  modélisation mathématique 2.3.2.4. La magnétoencéphalographie (MEG) Mesure des variations du champ magnétique produit par les neurones Moyennage ( potentiels évoqués)

2.4. L’imagerie fonctionnelle Détection des phénomènes nerveux de façon indirecte ( EEG, MEG) =  débit sanguin ou changements métaboliques 2.4.1. La tomographie par émission de positons (TEP) Traceur (radioactif) Injection molécule radioactive  émission positons  production photons

- Suivant l’isotope, permet de localiser : - la consommation de glucose ou d’oxygène (métabolisme) - la densité de récepteurs d’un NT - la variation régionale de débit sanguin cérébral - A B = = corrélée à activité mentale  mais technique « lourde », peu sensible et chère

2.4.2. L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) Même principe que l’IRM (= détection  champ magnétique)  mesure les variations locales de teneur en déoxy-hémoglobine dans le sang = mesure les variations de débits sanguin régionaux consécutives à une activité neuronique locale

Avantages / TEP : - pas d’injection de radioactivité (santé, coût) - très bonne résolution spatiale : TEP = 5-10 mm ; IRMf = 1 mm - bonne résolution temporelle : TEP = 45 s voire + ; IRMf ~ 1 s - analyses individuelles

3. L’organisation anatomo-fonctionnelle du SNC 3.1. Développement du SNC 3 feuillets : mésoderme, endoderme, ectoderme  tube neural  SNC NEURULATION

2 mois 4 mois 6 mois  mouvements de courbure Adulte coupe longitudinale prosencéphale rhombencéphale mésencéphale moelle télencéphale diencéphale métencéphale myélencéphale Adulte télencéphale  cortex cérébral, hippocampe, ganglions de la base diencéphale  thalamus, hypothalamus métencéphale  cervelet, pont myélencéphale  bulbe rachidien

Située dans le canal vertébral Colonne vertébrale  bulbe rachidien 3.2. Organisation du SNC 3.2.1. La moelle épinière Située dans le canal vertébral Colonne vertébrale  bulbe rachidien Nerfs cervicaux (8 paires) 31 paires de nerfs spinaux (= segmentaires) innervant chacune une partie du corps. Nerfs thoraciques (12 paires) Nerfs peuvent contenir 4 types de fibres : - somato-motrices - somato-sensitives - viscéro-motrices - viscéro-sensitives SNP SNV Nerfs lombaires (5 paires) Nerfs sacrés (5 paires) Nerfs coccygiens (1 paire)

Les fibres somato-sensitives innervent des dermatomes Fonctions : • Transfert l’information concernant le corps (exceptés tête et cou) : - sensorielle  encéphale - motrice  muscles • Voies réflexes

COUPES TRANSVERSALES ascendant mixte descendant Nerf spinal corne dorsale corne ventrale Nerf spinal

A chaque niveau de la moelle, il existe des voies réflexes (cf A chaque niveau de la moelle, il existe des voies réflexes (cf. réflexe myotatique)

3.2.2. Le tronc cérébral = bulbe + pont + mésencéphale Fonctions : • sensitives et motrices de la tête et du cou • relais cortex-moelle • système respiratoire + coeur • veille / sommeil, etc. lésions  souvent fatales ( cortex)

Constitué de groupes de noyaux (+ de 20 paires) : - sensitifs ou - moteurs  organisation rostro-caudale caudal rostral  cou, épaule  face = médians latéraux

noyaux  12 paires de nerfs crâniens (sensitifs ou moteurs ou mixtes) Tronc cérébral sensitifs moteurs sensitivo-moteurs

Voies de passage : - tractus pyramidal (faisceaux descendants) - lemnisque médian (faisceaux sensitifs ascendants) - faisceau longitudinal médial (connexions noyaux du tronc)

3.2.3. Le cervelet Fonctions : • tonus, posture et équilibre • coordination et correction des mouvements

afférentes et efférentes = cortex cérébelleux + noyaux sous-corticaux cérébelleux = faisceaux de fibres afférentes et efférentes  connexions avec cortex cér. (programme moteur), tronc et moelle (mouvement) Le cervelet détecte la différence (« erreur motrice ») entre le mouvement prévu et le mouvement réalisé, et la corrige

Epithalamus (glande pinéale), thalamus, subthalamus et hypothalamus 3.2.4. Le cerveau 3.2.4.1. Le diencéphale Epithalamus (glande pinéale), thalamus, subthalamus et hypothalamus Thalamus

a) Le thalamus Groupe de noyaux = relais sensori-spécifiques Fonctions : relais des voies sensorielles  cortex (exceptées olfactives) = « porte d’entrée du cortex » vision  corps genouillé latéral audition  corps genouillé médian somesthésie  complexe ventral postérieur Autres fonctions : attention  pulvinar

b) L’hypothalamus = Groupe de noyaux  production hormones  hypophyse  sang = interaction avec SNV et endocrinien = homéostasie  afférences système limbique = émotions  afférences rétine (noyau supra-chiasmatique) = rythme circadien  SNV = contrôle des fonctions végétatives

3.2.4.2. Le télencéphale a) Les noyaux profonds = ganglions de la base (ou noyaux gris centraux) + amygdale

- Ganglions de la base = noyau caudé + putamen + globus pallidus  connexions avec cervelet et lobe frontal Fonctions : • modulation des mouvements • mémoire à court terme - Amygdale = groupe de noyaux Fonctions : • émotions

b) Le cortex cérébral

2 hémisphères cérébraux α) Anatomie externe Scissure inter- hémisphérique 2 hémisphères cérébraux Nombreux plissements  gyrus (= circonvolutions) et sillons (= scissures)  augmente la surface corticale (+ 1/3)

Face dorsale Face ventrale

Quatre lobes par hémisphère + insula

Chaque lobe joue un rôle fonctionnel particulier  lobe frontal : fonctions motrices  lobe pariétal : fonctions somesthésiques  lobe occipital : traitement visuel  lobe temporal : traitement auditif  le reste : aires associatives

 substance grise (écorce cérébrale) = très dense β) Anatomie interne  substance grise (écorce cérébrale) = très dense = corps cellulaires, dendrites, axones  substance blanche = faisceaux d’axones  milliards de connexions COUPE HORIZONTALE  Structures profondes non visibles en surface

 hippocampe gyrus cingulaire gyrus parahippocampique etc. système limbique Nombreuses interconnexions  mémoire (et émotions)

= + sieurs couches de neurones neurones étoilés neurones pyramidaux - Substance grise = + sieurs couches de neurones  Néocortex = 6 couches  Paléocortex, Archicortex = 3 à 4 couches

Chaque couche corticale a des caractéristiques anatomiques et fonctionnelles propres

- Substance blanche Fibres commissurales Fibres d’association Fibres de projection

Fibres d’association : Fibres commissurales : Corona radiata Fibres de projection : Radiations optiques Capsule interne Fibres d’association : courtes : longues : Fibres commissurales : Corps calleux

γ) Nomenclature des axes et coupes HORIZONTALE CORONALE SAGITTALE (ou transversale ou axiale) (ou frontale) COUPES :

3.3. Les méninges = dure-mère, arachnoïde et pie-mère

Espace sous-arachnoïdien : - rempli de liquide céphalorachidien (LCR) = protège le cerveau contre les chocs - contient les artères principales  branches (dans substances)

3.4. Le système ventriculaire = cavités interconnectées remplies de LCR = foramen

 développement parallèle au SN

 sécrétion du LCR par les plexus choroïdes  connectés à l’espace sous-arachnoïdien = forment le « squelette » du cerveau sécrétion LCR absorption LCR ( sang)  sécrétion du LCR par les plexus choroïdes

3.5. La vascularisation 3.5.1. Vascularisation de la moelle épinière  2 artères vertébrales Aorte artères spinales antérieure et postérieures  10 artères segmentaires  déficits sensitifs  déficits moteurs

3.5.2. La vascularisation du cerveau Aorte dorsale  2 artères vertébrales  2 artères carotides internes Artère communicante postérieure antérieure Points de confluence : art. communicantes antérieure et postérieure Art. carotides internes  art. cérébrales antérieure et moyenne Artère cérébrale postérieure Art. vertébrales  art. basilaire  art. cérébrales postérieures

- Circulation antérieure = art. cérébrales antérieure et moyenne  cortex, ganglion de la base, thalamus - Circulation postérieure = rameaux des art. cérébrales postérieures, vertébrales et basilaire  cortex postérieur, mésencéphale, tronc cérébral

Barrière hémato-encéphalique = interface capillaires et tissus  homéostasie et protection (ions ou molécules toxiques)  jonction serrée avec transporteurs spécifiques  pied astrocytaire = formation et maintien de la barrière