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

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

1. Organisation du système nerveux

SNP - Rôle Assure le lien entre Les informations sensorielles périphériques et le SNC (partie sensitive) Les commandes du SNC et les effecteurs périphériques (partie motrice)

SNP > Partie motrice Système Nerveux Somatique (SNS) Volontaire, consciente Innervation sensitive et motrice des muscles squelettiques Système nerveux volontaire Système Nerveux Autonome (SNA) Involontaire Innervation sensitive et motrice viscères, muscles lisses, muscle cardiaque et glandes Système nerveux involontaire

SNP > Partie motrice Le SNS et SNA diffèrent : Effecteurs Voies efférentes Les réponses provoquées par leurs neurotransmetteurs : stimulateur / inhibiteur Neurone moteur Ganglion

SNP > Partie motrice Effets des neurotransmetteurs Acétylcholine (des neurones moteurs somatiques): excitateur Acétylcholine, adrénaline (des neurofibres autonomes post ganglionnaires ) : excitateur Noradrénaline (des mêmes fibres) : inhibiteur SNS : Rôle stimulateur seulement SNA : Rôle soit stimulateur soir inhibiteur

SNP > Partie motrice > 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

SNP > Partie motrice > SNA Distinctions : Origines Longueurs neurofibres Situation des ganglions Tortora, 2001

2. Lignes de transmission : les nerfs et leur structure

Innervation du corps : nerfs spinaux 31 paires de nerfs spinaux contenant chacun des milliers de neurofibres émergent de la moelle épinière par les foramens intervertébraux et innervent toutes les parties du corps, Nommé d’après leur point d’émergence de la moelle épinière NOTE : 12 paires de nerfs crâniens émergent de l’encéphale et contrôlent les fonctions olfactives, optiques, oculo-moteur, etc.

Innervation du corps : nerfs spinaux Nerfs rachidiens 8 cervicaux 12 thoraciques 5 lombaires 5 sacrés 1 coccygien Nerfs mixtes : sensitifs et moteurs

Moelle épinière Anatomie en coupe : Corne dorsale Corne latérale Corne ventrale Racine dorsale du nerf spinal Racine ventrale du nerf spinal Moelle épinière Anatomie en coupe : Substance grise et racines des nerfs spinaux Substance blanche : Faisceaux et tractus ascendants (sensitifs) Tractus descendant (moteurs)

Innervation du corps : nerfs spinaux Fibres sensitives (bleu) Corne dorsale Racine dorsale Fibres motrices (jaune et rouge) Corne ventrale Racine ventrale Se rejoignent pour former un nerf spinal

Innervation du corps : nerfs spinaux Rameau ventral Rameau dorsal Innervation du corps : nerfs spinaux Racines ventrales et dorsales se rejoignent pour former un nerf spinal Ce dernier se sépare en deux : rameau dorsal (innervation du dos : peau et muscles profonds du cou jusqu’au sacré) rameau ventral (innervation des membres et de la paroi avant) Les rameaux contiennent des fibres sensitives ET des fibres motrices

SNP – Plexus Rameaux ventraux se combinent puis se ramifient pour former des réseaux : les plexus 4 plexus majeurs Cervical : C1 - C4 Brachial : C5 - C8, T1 Lombaire : L1 - L4 Sacral : L5, S1 – S4 Pas de plexus pour les rameaux dorsaux

SNP – Plexus cervical Formé des racines C1-C4 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 brachial Les Rameaux deviennent des Troncs nerveux qui deviennent des Divisions puis se regroupent en Faisceaux MNEMOTECHNIQUE : RouTe De Fou

SNP – Plexus lombo-sacral Lombaire 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 Vue antérieure Vue postérieur

3. SNP > Partie sensitive Récepteurs sensoriels et sensation Différence: Sensation = conscience du stimulus Perception = interprétation du stimulus Ex: caillou dans chaussure -» perception détermine nos réactions aux stimulus Récepteur sensoriel = structures chargées de réagir aux changements qui se produisent dans l’environnement (stimulus)

SNP – Récepteurs sensoriels 5 types classés en fonction du stimulus qu’ils enregistrent Mécanorécepteur Stimulé sous une action mécanique, une déformation (toucher, pression, vibration, étirement, démangeaison) Vidéo Thermorécepteur Changement de température (froid, chaud, etc.) Photorécepteur Lumière (rétine)

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

Potentiels récepteurs Pour qu’il y ait création d’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

Potentiels récepteurs Pour qu’il y ait création d’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

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)

4. Activité réflexe

SNP – Activité réflexe Réflexe Une réponse motrice rapide et involontaire à un stimulus Pas d’intervention de l’encéphale (prend trop de temps) Pas appris, pas prémédité, pas volontaire  intégré à la physiologie (protection) Déclenché par des voies nerveuses particulières : arcs réflexes

SNP – Arcs réflexes Vidéo Récepteur Neurone sensitif Centre d’intégration Neurone moteur Effecteur Vidéo

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 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 – Bras bionique http//www.medschool.northwestern.edu

EMG – Bras bionique Vidéo 2 http//www.ric.org/bionic/ https://www.youtube.com/watch?v=xJrxd6Y3i-c 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

FES – Des exemples Hoffer et al. (2005) (suite) Neurostep™ Implanté chez 1 sujet Pour aider à traiter le syndrome du pied tombant 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.)

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