CIRCUITS NEURONAUX DE LA MOELLE ÉPINIÈRE ET INTÉGRATIONS SENSORI-MOTRICES

1. CIRCUITS NEURONAUX DE LA MOELLE ÉPINIÈRE ET INTÉGRATIONS SENSORI-MOTRICES CIRCUITS EXCITATEURS OU INHIBITEURS ALIMENTÉS PAR LES AFFÉRENCES PROPRIOCEPTIVES MUSCULAIRES ET LEUR CONTRÔLE SUPRASEGMENTAIRE R. KATZ rose.katz@chups.jussieu.fr

2. 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

3. Les techniques expérimentales développées chez l’animal pour démembrer ces systèmes complexes se sont tout d’abord basées sur des préparations réduites : décérébrées, spinalisées, anesthésiées, curarisées) afin de permettre une étude spécifique de chacune d’entre elles • Elles ont conduit dans un premier temps à une conception « segmentarisée » et « hiérarchique » du système nerveux. • Les réflexes : Activités motrices innées, reproductibles, prédictibles, toujours identiques en réponse à un stimulus donné • Les activités « automatiques ou programmées » : locomotion, respiration, comportement de grattage, mastication • Les mouvements volontaires ou intentionnels

4. Le développement récent des nouvelles techniques de neurophysiologie et d’imagerie permet d’étudier ces circuits chez le singe éveillé et chez l’Homme dans des situations de vie «réelle » • Elles conduisent à une conception plastique et dynamique du système nerveux • Unités fonctionnelles de base : réseaux neuronaux situés au niveau de la moelle épinière (et du tronc cérébral) responsables d’une activité motrice de base • Coordination entre muscles synergistes • Inhibition entre muscles antagonistes • Sélection par les centres supra-segmentaires de ces unités fonctionnelles de base selon que le sujet « décide » de marcher, courir, attraper un objet avec parallèlement une modulation de la commande descendante par les afférences sensitives

5. Mise en place des structures du système nerveux et musculo-squelettique impliquées dans la réalisation des fonctions motrices

8. Voie corticospinale Cortex moteur 4 3 2 1 Thalamus 4 Capsule interne 3 Mésencéphale 2 Bulbe Pyramide bulbaire Décussation des pyramides 1 Moelle épinière Faisceau corticospinal

10. INNERVATION MOTRICE DES MUSCLES SQUELETTIQUES Motoneurone  Motoneurone  Fibres extrafusales Fibres intrafusales

11. REPARTITION DES FUSEAUX NEUROMUSCULAIRES DANS DEUX MUSCLES DU CHAT 5 cm 7 mm LAT GASTROC SOLEUS (d’après Chin, Cope et Pang 1962)

12. INNERVATION SENSITIVE DES MUSCLES SQUELETTIQUES Fibres Ia • Récepteurs non spécifiques • fuseaux neuromusculaires et organes tendineux de Golgi Capsule fibreuse Fibres musculaires Capsule de l’organe tendineux de Golgi Fibre Ib Fibres collagènes Tendon

13. Afférence Ia Quadriceps Motoneurone a Fuseau neuromusculaire Tendon du quadriceps

14. Structures cérébrales : - Cortex - Noyaux gris... Faisceaux corticospinaux Structures médullaires : - interneurones - motoneurones Interneurones spinaux Motoneurones spinaux Fibres afférentes périphériques Récepteurs sensitifs sensibles aux modifications de positions des segments de membres Fibres musculaires force développée par la contraction

15. Inh Exc

16. PLAN DE L’EXPOSÉ • Moyens d’étude de l’excitabilité des motoneurones  chez l’Homme • Les connexions monosynaptiques Ia-MN  • Le contrôle de l’efficacité de la volée afférente Ia • L’inhibition présynaptique • La dépression homosynaptique • L’inhibition disynaptique • L’inhibition réciproque Ia • L’inhibition Ib • L’inhibition entre muscles du poignet • Le relais propriospinal • Quelques exemples des régulations des circuits spinaux au règlements physiopathologiques

17. ACCÈS AUX STRUCTURES NERVEUSES IMPLIQUÉES DANS LE CONTRÔLE MOTEUR CHEZ L’HOMME Activité corticale et sous-corticale : - PETscan - IRMf - EEG et MEG Stimulation magnétique transcorticale Pas d’accès direct au motoneurone Mais l’EMG reflète l’activité motoneuronale Activation des motoneurones par : - Réflexes monosynaptiques (H ouT) -autres réflexes - activation volontaire : EMG/PSTH

20. L’EMG redressé 120 % EMG contrôle moyen 100 contrôle 80 Conditionné MC 0,8 SM 10 15 20 25 30 Latence (ms) Le réflexe H Amplitude Motoneurone Le Post-Stimulus Time Histogram (PSTH) 100 mV N PUMs 50 ms

21. 0,5 I = 9 mA 0,25 Amplitude H et M 0 -0,25 -0,5 -0,75 -20 0 20 40 60 80 Latence (en msec) 1 AmplitudeH et M I = 15 mA 0,5 0 -0,5 -1 -1,5 -20 0 20 40 60 80 Latence (en msec) 2 I = 30 mA 1 0 -1 -2 -3 -20 0 20 40 60 80 Latence (en msec) Amplitude H et M

23. METHODOLOGIE : LE REFLEXE H (1) I = 9mA 4 M I = 12mA 3 H Amplitude du réflexe H et de la réponse M en % de Mmax 2 I = 15mA 1 I = 30mA 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Intensité de la stimulation (mA) 0 20 40 60 Latence (ms) Réflexe H : activation réflexe des motoneurones par la stimulation des afférences Ia Réponse motrice directe (M) : activation orthodromique des axones moteurs

24. METHODOLOGIE : LE REFLEXE H (2) ST Amplitude du réflexe test ST SC 80% de sa valeur contrôle Taux d‘inhibition :20% Amplitude du réflexe conditionné SC inhibitrice : ST SC Amplitude du réflexe conditionné 120% de sa valeur contrôle Taux de facilitation : 20% SC facilitatrice : Les modifications de l ’amplitude du réflexe H reflètent l ’excitabilité motoneuronale

25. Explore l’excitabilité d’un seul MN • Enregistrement uniquement au cours de la contraction musculaire Evalue les modifications de la probabilité de décharge d’une unité motrice activée volontairement, sous l’influence d’une stimulation conditionnante

28. LES CONNEXIONS MONOSYNAPTIQUES FACILITATRICES Ia • les connexions homonymes : le réflexe myotatique • les connexions Ia hétéronymes : la base des synergies

29. Afférences Ia Motoneurone Muscle

30. 2 1 0,5 ms 1 2 Réflexe myotatique Afférence Ia Quadriceps Motoneurone a Fuseau neuromusculaire Tendon du quadriceps Les afférences Ia s’articulent sur les motoneurones a. La latence centrale de 0,5ms de cet effet est compatible avec une connexion monosynaptique.

31. Charge Longueur du muscle Afférences Ia MN a Réflexe myotatique Afférence Ia Poids Motoneurone a

32. Projections monosynaptiques Ia Hétéronymes au membre inférieur Pierrot-Deseilligny & Burke, 2005

33. Exemple au membre inférieur : Groupe Ia Quadriceps Soleus Tibialis anterior Projections hétéronymes monosynaptiques Ia

34. Motoneurones explorés

35. Moellecervicale Développement des contrôles inhibiteurs. Rôledans la sélectivité de la contraction sous-tendant les gestes fins du membre supérieur Moelle lombaire Apparition de connexions facilitatrices entre groupes musculaires de la jambe et de la cuisse. Rôle dans la sécurisation de l ’appui unipodal.

36. 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

37. MN MN Ia Ia 2 s 8 s Inhibition présynaptique Dépression homosynaptique

38. INHIBITION PRESYNAPTIQUE ETUDE CHEZ LE CHAT

39. Inhibition présynaptique • 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.

41. PROJECTIONS SEGMENTAIRES ET SUPRASEGMENTAIRES (CHAT) Cs Rs Cut Vs ARF(i) RsB(i) Ia MNa Ib Réseau d’interneurones de l’inhibition présynaptique Ia : fibre afférente Ia Ib : fibre afférente Ib Fibre afférente Ia Cut : Afférences cutanées ARF(i) : Afférences du réflexe de flexion ipsilatéral Cs : tractus corticospinal Rs : tractus rubrospinal RsB(i) : tractus réticulospinal bulbaire ipsilatéral Fuseau neuromusculaire Vs : tractus vestibulospinal Muscle de la patte postérieure Adapté de Jankowska, 1992

42. INHIBITION PRÉSYNAPTIQUE DES FIBRES Ia Franck et Fuortes (1957) : enregistrements intracellulaires des motoneurones ont montré qu’un PPSEévoqué dans un motoneurone par la stimulation des afférences Ia peut-être diminué par une stimulation dite conditionnante sans modification des propriétés membranaires du motoneurone (chat). Latence d’apparition de 1,5 à 1,8 ms impliquant la mise en jeu d’au moins deux interneurones (pour revue, Jankowska , 1992). Il s’agit d’un phénomène prolongé dont la durée est de 200 à 300 ms. Neuromodulation L’inhibition présynaptique s’exerce sur les terminaisons des afférences Ia par l’intermédiaire de synapses axo-axoniques inhibitrices GABAergiques. Rôle Diminution de l’efficacité de la transmission synaptique entre la fibre Ia et le motoneurone a.

43. The vibration paradox De Gail, Lance & Neilsson, 1966 Delwaide 1971

44. Interneurone inhibiteur Ia Inhibition D1 présynaptique Afférences Ia ECR MN MN FCR Afférences Ia ECR FCR 200 150 100 Amplitude du réflexe H du FCR conditionné (en c% de sa valeur contrôle) 50 0 -5 0 5 10 15 20 25 30 Intervalle entre les simulations conditionnante et test (ms) L ’INHIBITION PRÉSYNAPTIQUE

45. Stimulation médian Stimulation magnétique transcrânienne Amplitude du réflexe test Stimulation radial Stimulation médian Amplitude du réflexe conditionné Inhibition présynaptique Afférences Ia ECR Stimulation magnétique FCR Amplitudedu PEM test Stimulation radial Stimulation médian Stimulation radial Stimulation magnétique Amplitude du PEM conditionné INHIBITION D1 = INHIBITION PRÉSYNAPTIQUE ?

47. Inhibition présynaptique Patients hémiplégiques et paraplégiques Presynaptic Inhibition FCR Right side of tetraplegic patients Hemiplegic side Non hemiplegic side Left Side of tetraplegic patients Healthy subjects 120 100 Healthy subjects Amplitude of conditioned reflex 100 80 (% of its control value 80 60 60 40 40 Upper limb Upper limb Lower limb

49. La dépression homosynaptique : un autre mécanisme de filtrage de l’efficacité des afférences monosynaptiquesIa

50. MN MN Ia Ia 2 s 8 s Inhibition présynaptique Dépression homosynaptique