circuits neuronaux de la moelle ÉpiniÈre et intÉgrations sensori- motrices circuits excitateurs...
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CIRCUITS NEURONAUX DE LA MOELLE CIRCUITS NEURONAUX DE LA MOELLE ÉPINIÈRE ET INTÉGRATIONS SENSORI-ÉPINIÈRE ET INTÉGRATIONS SENSORI-
MOTRICESMOTRICES
CIRCUITS EXCITATEURS OU INHIBITEURS CIRCUITS EXCITATEURS OU INHIBITEURS ALIMENTÉS PAR LES AFFÉRENCES ALIMENTÉS PAR LES AFFÉRENCES
PROPRIOCEPTIVES MUSCULAIRES ET LEUR PROPRIOCEPTIVES MUSCULAIRES ET LEUR CONTRÔLE SUPRASEGMENTAIRECONTRÔLE SUPRASEGMENTAIRE
R. KATZR. [email protected]@chups.jussieu.fr
Les fonctions motrices comprennent trois composantes :– Tonus musculaire– Maintien postural assurant entre autres chez l’Homme la
station bipède– Mouvements permettant au corps de diriger son action dans
l’espace environnant
Elles s’expriment toutes par la contraction musculaire qui est sous la dépendance directe des motoneurones
L’activité des motoneurones est le reflet du fonctionnement combiné de diverses structures du système nerveux central : cortex moteur, cervelet, noyaux gris de la base, système vestibulaire, réseaux neuronaux de la moelle épinière
Les techniques expérimentales développées Les techniques expérimentales développées chez l’animal pour démembrer ces systèmes chez l’animal pour démembrer ces systèmes complexes se sont tout d’abord basées sur complexes se sont tout d’abord basées sur des préparations réduites : décérébrées, des préparations réduites : décérébrées, spinalisées, anesthésiées, curarisées) afin de spinalisées, anesthésiées, curarisées) afin de permettre une étude spécifique de chacune permettre une étude spécifique de chacune d’entre ellesd’entre elles
Elles ont conduit dans un premier temps à Elles ont conduit dans un premier temps à une conception « segmentarisée » et une conception « segmentarisée » et « hiérarchique » du système nerveux.« hiérarchique » du système nerveux.
o Les réflexes : Activités motrices innées, Les réflexes : Activités motrices innées, reproductibles, prédictibles, toujours reproductibles, prédictibles, toujours identiques en réponse à un stimulus donnéidentiques en réponse à un stimulus donné
o Les activités « automatiques ou Les activités « automatiques ou programmées » : locomotion, respiration, programmées » : locomotion, respiration, comportement de grattage, masticationcomportement de grattage, mastication
o Les mouvements volontaires ou intentionnelsLes mouvements volontaires ou intentionnels
•Le développement récent des nouvelles techniques de Le développement récent des nouvelles techniques de neurophysiologie et d’imagerie permet d’étudier ces circuits neurophysiologie et d’imagerie permet d’étudier ces circuits chez le singe éveillé et chez l’Homme dans des situations de vie chez le singe éveillé et chez l’Homme dans des situations de vie «réelle »«réelle »
•Elles conduisent à une conception plastique et dynamique du Elles conduisent à une conception plastique et dynamique du système nerveuxsystème nerveux
–Unités fonctionnelles de base : réseaux neuronaux situés au niveau de Unités fonctionnelles de base : réseaux neuronaux situés au niveau de la moelle épinière (et du tronc cérébral) responsables d’une activité la moelle épinière (et du tronc cérébral) responsables d’une activité motrice de basemotrice de base
• Coordination entre muscles synergistesCoordination entre muscles synergistes
• Inhibition entre muscles antagonistesInhibition entre muscles antagonistes
–Sélection par les centres supra-segmentaires de ces unités Sélection par les centres supra-segmentaires de ces unités fonctionnelles de base selon que le sujet « décide » de marcher, courir, fonctionnelles de base selon que le sujet « décide » de marcher, courir, attraper un objet avec parallèlement une modulation de la commande attraper un objet avec parallèlement une modulation de la commande descendante par les afférences sensitivesdescendante par les afférences sensitives
Mise en place des structures du Mise en place des structures du système nerveux et musculo-système nerveux et musculo-squelettique impliquées dans la squelettique impliquées dans la réalisation des fonctions motricesréalisation des fonctions motrices
Voie corticospinale
Moelle épinière
Cortex moteur
Mésencéphale
Décussation des pyramides
BulbePyramidebulbaire
Faisceau corticospinal
Capsule interne
1
2
3
4Thalamus
12
3
4
INNERVATION MOTRICE DES MUSCLES INNERVATION MOTRICE DES MUSCLES
SQUELETTIQUESSQUELETTIQUES
Motoneurone
Fibres intrafusales
Fibres extrafusales
Motoneurone
REPARTITION DES FUSEAUX NEUROMUSCULAIRES DANS DEUX MUSCLES DU CHAT
SOLEUS LAT GASTROC
(d’après Chin, Cope et Pang 1962)(d’après Chin, Cope et Pang 1962)
5 cm
7 mm
INNERVATION SENSITIVE DES MUSCLES INNERVATION SENSITIVE DES MUSCLES SQUELETTIQUESSQUELETTIQUES
Récepteurs non spécifiques fuseaux neuromusculaires et
organes tendineux de Golgi
Fibres Ia
Capsule fibreuse
Fibres musculairesCapsule de l’organe tendineux de Golgi
Fibre Ib
Tendon
Fibres collagènes
Afférence Ia
Motoneurone
Quadriceps
FuseauneuromusculaireTendon du
quadriceps
Structures cérébrales : - Cortex - Noyaux gris...
Faisceauxcorticospinaux
Interneuronesspinaux
Motoneuronesspinaux
Fibres afférentes
périphériques
Structures médullaires : - interneurones - motoneurones
Fibres musculairesforce développée par la contraction
Récepteurs sensitifssensibles aux modifications de
positions des segments de membres
a
Groupe Ib
Groupe Ia
Groupe II
Agoniste
Antagoniste
Inh Exc
PLAN DE L’EXPOSÉPLAN DE L’EXPOSÉ
Moyens d’étude de l’excitabilité des motoneurones Moyens d’étude de l’excitabilité des motoneurones chez l’Homme chez l’Homme
Les connexions monosynaptiques Ia-MN Les connexions monosynaptiques Ia-MN Le contrôle de l’efficacité de la volée afférente IaLe contrôle de l’efficacité de la volée afférente Ia
– L’inhibition présynaptiqueL’inhibition présynaptique– La dépression homosynaptiqueLa dépression homosynaptique
L’inhibition disynaptiqueL’inhibition disynaptique– L’inhibition réciproque IaL’inhibition réciproque Ia– L’inhibition IbL’inhibition Ib– L’inhibition entre muscles du poignetL’inhibition entre muscles du poignet
Le relais propriospinalLe relais propriospinal Quelques exemples des régulations des circuits Quelques exemples des régulations des circuits
spinaux au règlements physiopathologiquesspinaux au règlements physiopathologiques
ACCÈS AUX STRUCTURES NERVEUSES ACCÈS AUX STRUCTURES NERVEUSES IMPLIQUÉES DANS LE CONTRÔLE MOTEUR CHEZ IMPLIQUÉES DANS LE CONTRÔLE MOTEUR CHEZ
L’HOMMEL’HOMME Activité corticale et sous-Activité corticale et sous-corticale :corticale :
- PETscan- PETscan
- IRMf- IRMf
- EEG et MEG- EEG et MEG
Pas d’accès direct au Pas d’accès direct au motoneuronemotoneurone
Mais l’EMG reflète Mais l’EMG reflète l’activitél’activité
motoneuronalemotoneuronaleActivation des motoneurones par :Activation des motoneurones par :
- Réflexes monosynaptiques (H ouT)- Réflexes monosynaptiques (H ouT)
-autres réflexes-autres réflexes
- activation volontaire : EMG/PSTH- activation volontaire : EMG/PSTH
Stimulation magnétique Stimulation magnétique transcorticaletranscorticale
Le réflexe HLe réflexe H
Motoneurone
Amplitude
Le Post-Stimulus Time Histogram (PSTH)Le Post-Stimulus Time Histogram (PSTH)
100 V
50 ms
N
PU
Ms
L’EMG redresséL’EMG redressé
10 15 20 25 30
Latence (ms)%
EM
Gco
ntr
ôle
mo
yen
100
80
120
contrôle
Conditionné
MC 0,8 SM
-3
-2
-1
0
1
2
-20 0 20 40 60 80
Latence (en msec)Latence (en msec)
I = 30 mAI = 30 mA
Am
plit
ude
H e
t A
mpl
itud
e H
et
M
M
Latence (en msec)Latence (en msec)
I = 9 mAI = 9 mA
-0,75
-0,5
-0,25
0
0,25
0,5
-20 0 20 40 60 80
Am
plit
ude
H e
t A
mpl
itud
e H
et
MM
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
-20 0 20 40 60 80
Latence (en msec)Latence (en msec)
I = 15 mAI = 15 mA
Am
plit
ude
Am
plit
ude
H
H
et M
et M
METHODOLOGIE : LE REFLEXE H (1)
I = 9mA
I = 12mA
I = 15mA
Latence (ms)0 20 40 60
I = 30mA
5 10 15 20 25 30 35 40
0
1
2
3
4
Intensité de la stimulation (mA)
Am
pli
tud
e d
u r
éfle
xe H
et
de
la r
épon
se M
en
% d
e M
max
H
M
Réflexe H : activation réflexe des motoneurones par la stimulation des afférences Ia
Réponse motrice directe (M) : activation orthodromique des axones moteurs
ST
METHODOLOGIE : LE REFLEXE H (2)
ST
Amplitude duréflexe test
SC Amplitude duréflexe conditionné
SCAmplitude du
réflexe conditionnéSC inhibitrice :
ST
SC facilitatrice :
80% de sa valeurcontrôle
Taux d‘inhibition :20%
120% de sa valeurcontrôle
Taux de facilitation : 20%
Les modifications de l ’amplitude du réflexe H reflètent l ’excitabilité motoneuronale
Evalue les modifications de la probabilité de décharge d’une unité motrice activée volontairement, sous l’influence d’une stimulation conditionnante
• Explore l’excitabilité d’un seul MNExplore l’excitabilité d’un seul MN
• Enregistrement uniquement au cours de la Enregistrement uniquement au cours de la contraction musculairecontraction musculaire
MN
MU
Triggered pulse
PSTH
Stimulation
Spike advanced by stimulation
“Spontaneous” spike
Latency
Trigger level
AHP
EPSP
Delay
ACT
ECT
A 1.5
0
0.05
0
0
6
37 38 39 40 41 42 43
Triggerdelay
PSTH 0.5 ms bins
H reflex restH reflex contraction
Single motor unit
Latency (ms)
C
B
Triggerleve l
100
150
0 123 4
80
100
120
10 14 18 22 26 30
ISI (ms)
Duration of ischaemia(minutes)
EPSTH
0.1 ms bins
G
F
0
20
01 02 03 04 05 0
Ia
Soleus MN
Inferiorsoleus nerve
PTNCuff
LES CONNEXIONS MONOSYNAPTIQUES LES CONNEXIONS MONOSYNAPTIQUES FACILITATRICES IaFACILITATRICES Ia
• les connexions homonymes : le réflexe myotatique• les connexions Ia hétéronymes : la base des synergies
Afférences Ia
Motoneurone
Muscle
Réflexe myotatiqueRéflexe myotatiqueAfférence Ia
Motoneurone Quadriceps
Fuseauneuromusculaire
Tendon du quadriceps
1
1
2
2
0,5 ms
Les afférences Ia s’articulent sur les Les afférences Ia s’articulent sur les motoneurones motoneurones ..La latence centrale de La latence centrale de 0,5ms0,5ms de cet de cet effet est compatible avec une effet est compatible avec une connexion connexion monosynaptique.monosynaptique.
Réflexe myotatiqueRéflexe myotatique
Charge
Longueurdu
muscle
AfférencesIa
MN
Afférence Ia
Motoneurone Poids
Projections monosynaptiques Ia Hétéronymes au membre inférieurProjections monosynaptiques Ia Hétéronymes au membre inférieurPierrot-Deseilligny & Burke, 2005Pierrot-Deseilligny & Burke, 2005
Projections hétéronymes monosynaptiques Projections hétéronymes monosynaptiques IaIa
SoleusTibialisanterior
GroupeIa Quadriceps
Exemple au membre Exemple au membre inférieur :inférieur :
CHAT HOMMENERFS STIMULES
Sol GM Fibul TA Q Sol GM Fibul TA Q
Sol Sol
GM GM
Fibul Fibul
TA TA
Q Q
Bi Bi
ST ST
Eccles et al. (1957 c) Meunier et al. (1993)
Motoneuronesexplorés
MoelleMoelle cervicalecervicale
Développement des contrôles Développement des contrôles inhibiteurs. Rôledans la inhibiteurs. Rôledans la sélectivité de la contraction sélectivité de la contraction sous-tendant les gestes fins du sous-tendant les gestes fins du membre supérieurmembre supérieur
Moelle lombaireMoelle lombaire
Apparition de connexions Apparition de connexions facilitatrices entre groupes facilitatrices entre groupes musculaires de la jambe et de la musculaires de la jambe et de la cuisse.cuisse.Rôle dans la sécurisation de Rôle dans la sécurisation de l ’appui unipodall ’appui unipodal.
Les projections excitatrices Ia hétéronymes peuvent permettre les co-contractions des muscles qu’elles relient entre eux, mais selon le type de mouvement souhaité, il peut être nécessaire de sélectionner la contraction de certains muscles, particulièrement dans le cas de ceux qui peuvent agir soit comme des agonistes, soit comme des antagonistes.
Par exemple, selon que l’on s’incline en avant ou en arrière, le quadriceps peut être en synergie soit avec le soléaire, soit avec le jambier antérieur.Il existe un dispositif qui contrôle les fibres Ia : c’est l’inhibition présynaptique
Inhibition présynaptiqueInhibition présynaptique
MNIa
2 s 8 s
MNIa
Dépression homosynaptiqueDépression homosynaptique
INHIBITION PRESYNAPTIQUEINHIBITION PRESYNAPTIQUEETUDE CHEZ LE CHATETUDE CHEZ LE CHAT
• Phénomène diffus, met en jeu un réseau d’interneurones inhibiteurs (PAD) • Inhibition des fibres Ia des fléchisseurs
• activée par des fibres afférentes issues des fléchisseurs et extenseurs ipsilatéraux • inhibée par les afférences cutanées et II et III.
Inhibition présynaptiqueInhibition présynaptique
Corticospinal
Afférents cutanés
Interneuronesprésynaptiques
Groupe I
MN
FCR
Fibre afférente Ia
PROJECTIONS SEGMENTAIRES ET SUPRASEGMENTAIRES (CHAT)
Rs Cs
Cs : tractus corticospinalRs : tractus rubrospinal
Cut
Cut : Afférences cutanées
Ib
Ia
Ia : fibre afférente IaIb : fibre afférente Ib
ARF(i)
ARF(i) : Afférences du réflexe de flexion ipsilatéral
Vs
Vs : tractus vestibulospinal
RsB(i)
RsB(i) : tractus réticulospinal bulbaire ipsilatéral
Adapté de Jankowska, 1992
MN
Muscle de lapatte postérieure
Fibre afférente Ia
Fuseauneuromusculaire
Réseau d’interneurones de l’inhibition présynaptique
INHIBITION PRÉSYNAPTIQUE DES FIBRES INHIBITION PRÉSYNAPTIQUE DES FIBRES IaIa
Franck et Fuortes (1957) : enregistrements intracellulaires des Franck et Fuortes (1957) : enregistrements intracellulaires des motoneurones ont montré qu’un motoneurones ont montré qu’un PPSEPPSE évoqué dans un motoneurone évoqué dans un motoneurone par la stimulation des afférences Ia peut-être par la stimulation des afférences Ia peut-être diminuédiminué par une par une stimulation dite conditionnante stimulation dite conditionnante sans modification des propriétés sans modification des propriétés membranaires du motoneurone (chat).membranaires du motoneurone (chat).Latence d’apparition de Latence d’apparition de 1,5 à 1,8 ms1,5 à 1,8 ms impliquant la mise en jeu d’au impliquant la mise en jeu d’au moins deux interneurones (pour revue, Jankowska , 1992).moins deux interneurones (pour revue, Jankowska , 1992).Il s’agit d’un Il s’agit d’un phénomène prolongéphénomène prolongé dont la durée est de 200 à 300 ms. dont la durée est de 200 à 300 ms.
NeuromodulationNeuromodulationL’inhibition présynaptique s’exerce sur les terminaisons des L’inhibition présynaptique s’exerce sur les terminaisons des afférences Ia par l’intermédiaire de synapses axo-axoniques afférences Ia par l’intermédiaire de synapses axo-axoniques inhibitrices inhibitrices GABAergiques.GABAergiques.
RôleRôleDiminution de l’efficacité de la transmission synaptique entre la fibre Ia Diminution de l’efficacité de la transmission synaptique entre la fibre Ia et le motoneurone et le motoneurone ..
The vibration paradoxThe vibration paradox
Delwaide 1971
De Gail, Lance & Neilsson, 1966
L ’INHIBITION PRÉSYNAPTIQUE L ’INHIBITION PRÉSYNAPTIQUE
ECR
Interneurone inhibiteur Ia
Afférences Ia
FCR
MN MN
Afférences Ia ECR
Inhibition D1présynaptique
FCR
Am
plit
ude
du r
éfle
xe H
du
FC
R c
ondi
tion
né (
en c
% d
e sa
val
eur
cont
rôle
)
0
50
100
150
200
-5 0 5 10 15 20 25 30Intervalle entre les simulations conditionnante et test (ms)
Inhibitionprésynaptique
Afférences IaECR
FCR
Stimulationradial
Stimulationmédian
Stimulation magnétiquetranscrânienne Stim
ulatio
n
méd
ian
Amplitude duréflexe test
Stimula
tion
méd
ian
Amplitude duréflexe conditionné
Stimula
tion ra
dial
Stimula
tion
mag
nétiq
ue
Amplitude duPEM test
Stimula
tion
mag
nétiq
ue
Amplitude duPEM conditionné
Stimula
tion ra
dial
INHIBITION D1 = INHIBITION INHIBITION D1 = INHIBITION PRÉSYNAPTIQUE ?PRÉSYNAPTIQUE ?
FCR
Presynaptic Inhibition
Right side of tetraplegicpatients
40
60
80
100
Am
plitu
de o
f co
nditi
oned
ref
lex
(%
of
its c
ontr
ol v
alue
Upper limb Lower limb
Healthy subjects
Non hemiplegic side
Hemiplegic side
40
60
80
100
120Healthy subjects
Left Side of tetraplegicpatients
Upper limb
Inhibition présynaptiqueInhibition présynaptiquePatients hémiplégiques et paraplégiquesPatients hémiplégiques et paraplégiques
La dépression homosynaptique : La dépression homosynaptique : un autre mécanisme de filtrage un autre mécanisme de filtrage
de l’efficacité des afférences de l’efficacité des afférences monosynaptiquesmonosynaptiques IaIa
Inhibition présynaptiqueInhibition présynaptique
MNIa
2 s 8 s
MNIa
Dépression homosynaptiqueDépression homosynaptique
Libération dutransmetteur
11 22 33 44 55 66 77 88 99 10102020
3030
4040
5050
6060
7070
Intervalle entre les stimulations (sec.)Intervalle entre les stimulations (sec.)
Am
pli
tud
e d
u r
éfl
ex
e H
Am
pli
tud
e d
u r
éfl
ex
e H
FCRAfférences Ia
Effets de la fréquence de stimulation sur la taille Effets de la fréquence de stimulation sur la taille du réflexe Hdu réflexe H
LES MECANISMES POST-LES MECANISMES POST-SYNAPTIQUES INHIBITEURSSYNAPTIQUES INHIBITEURS
• Inhibition réciproque Ia• Inhibition Ib
INHIBITION RECIPROQUE IaINHIBITION RECIPROQUE Ia
INHIBITION RÉCIPROQUEINHIBITION RÉCIPROQUE
1
1
2
2
1 ms
INHIBITION RECIPROQUEINHIBITION RECIPROQUECHEZ LE CHATCHEZ LE CHAT
Mécanismes post-Mécanismes post-synaptiques inhibiteurssynaptiques inhibiteursse projetant sur les MNse projetant sur les MN
Décours temporel de l’inhibition réciproque au coude:A = Biceps brachialB = Triceps brachial
Le relâchement de l’antagoniste pendant une contraction musculaire = lié à une inhibition active des MNs de l’antagoniste.
Le circuit de l’inhibition réciproque est donc simple : une fibre afférente (Ia), un Le circuit de l’inhibition réciproque est donc simple : une fibre afférente (Ia), un interneurone, le motoneurone innervant le muscle antagoniste Mais ce réseau interneurone, le motoneurone innervant le muscle antagoniste Mais ce réseau neuronal très simple est en fait contrôlé par des circuits neuronaux situés au niveau neuronal très simple est en fait contrôlé par des circuits neuronaux situés au niveau médullaire et au niveau suprasegmentairemédullaire et au niveau suprasegmentaire
�
�
MNInterneurone Ia
�
fléchisseur Extenseur
Fibre Ia
Moelle épinière
Connexions de l’interneurone IaConnexions de l’interneurone IaD’après Baldissera, Hultborn, IllertD’après Baldissera, Hultborn, Illert
Handbook of Physiology, 1981Handbook of Physiology, 1981
INHIBITION IbINHIBITION Ib
Réflexe en canif ou réflexe myotatique inverseRéflexe en canif ou réflexe myotatique inverse
Organe tendineux de Golgi
Afférence Ib
Os
Interneuroneinhibiteur
Motoneurone
Rôles de ce rétrocontrôle proprioceptif :
Conditions extrêmes : protection du muscle d’une
trop grande tension.
En raison des difficultés d’exploration des seules afférences Ib, le rôle de telles connexions reste mal connu dans les conditions physiologiques.
C
A
QMN
Ia
Ib
Ib INs
MN
Inferiorsoleusnerve
Stimulus intensity (x MT)0.4 0.6 0.8 1
Soleus
Biceps
BSoleusTest
Test
Soleus
Biceps
Test
Conditioning: Inferior soleus
Conditioning: GM
D
ISI (ms)
ISI (ms)
Test TA
E
GIa Ib
Ib IN
GMnerve
Ia inhibition
TAMN
F
BiMN Ia Ib
Ib INs
SolMN
GMnerve
70
100
130
26 10 14 18
Quadriceps
70
100
130
160
024 68 10 12
70
100
130
80
100
120
02 468 10
Sol
Ia interneurone
Ia
Ib interneuroneIb
Oppint
CoFRA
+ FRA
INHIBITION DISYNAPTIQUEINHIBITION DISYNAPTIQUEENTRE MUSCLES ENTRE MUSCLES
DU POIGNETDU POIGNET
L ’INHIBITION DISYNAPTIQUE ET L ’INHIBITION DISYNAPTIQUE ET PRÉSYNAPTIQUE ENTRE FLECHISSEURS ET PRÉSYNAPTIQUE ENTRE FLECHISSEURS ET
EXTENSEURS DU POIGNETEXTENSEURS DU POIGNET
ECR
Interneurone inhibiteur Ia
Afférences Ia
FCR
MN MN
Afférences Ia ECR
Inhibition D1présynaptique
FCR
Am
plit
ude
du r
éfle
xe H
du
FC
R c
ondi
tion
né (
en c
% d
e sa
val
eur
cont
rôle
)
0
50
100
150
200
-5 0 5 10 15 20 25 30Intervalle entre les simulations conditionnante et test (ms)
Caractérisation du circuit de l’inhibition Caractérisation du circuit de l’inhibition disynaptiquedisynaptique
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Noyaux gris de la base
Faisceau corticospinal
Interneurones spinaux
Fibres afférentespériphériques
Motoneurones spinaux
Témoin Hémiplégique
-80
-60
-40
-20
0
20 30 40 50-80
-60
-40
-20
0
20 30 40 50 60
Latence (ms)
EM
G c
ondi
tionn
é (%
EM
Gco
ntrô
le)
atteintsain
droitgauche
Cutanées
PropriospinalCorticospinal
Formation réticulée
Propriospinal
Afférences Cutanées
Corticospinal
Lésion
voie normale chez l ’hémiplégique
Cortex cérébral
Noyau propriospinal
Inhibition présynaptique
MNantagoniste
MNagoniste
MNagoniste
InhibitionRéciproque
Ib
Renshaw