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Planification et exécution des mouvements volontaires

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Planification et exécution des mouvements volontaires. Purves et coll. Chapitres 16,17,18,19. Planification et exécution des mouvements volontaires. Les mouvements volontaires Les modes de contrôle boucle ouverte boucle fermée Le substrat neuroanatomique du contrôle moteur

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Presentation Transcript
planification et ex cution des mouvements volontaires
Planification et exécution des mouvements volontaires
  • Purves et coll. Chapitres 16,17,18,19
slide2

Planification et exécution des mouvements volontaires

  • Les mouvements volontaires
  • Les modes de contrôle
    • boucle ouverte
    • boucle fermée
  • Le substrat neuroanatomique du contrôle moteur
    • système pyramidal
    • système extrapyramidal
  • Les boucles de contrôle dans le système nerveux
slide3
Les mouvements volontaires de précision relèvent des structures supérieures

Les mouvements réflexes et automatiques relèvent de la moelle épinière et du tronc cérébral

Mouvements volontaires

de précision

Mouvements rythmiques

respiration et mastication

Posture

et équilibration

Mouvements rythmiques

locomotion

Réflexes

r le des structures nerveuses dans le contr le des mouvements
Rôle des structures nerveuses dans le contrôle des mouvements

Quelles sont les

études qui ont permis

de comprendre ce rôle?

r le d une structure nerveuse donn e dans le contr le des mouvements
Rôle d’une structure nerveuse donnée dans le contrôle des mouvements
  • Études de lésion pour l’inactiver
  • Stimulation de la structure pour l’activer
    • stimulation électrique
    • stimulation pharmacologique
  • Plus récemment,
    • enregistrement de l’activité des neurones qui composent la structure
      • avant, pendant et après le mouvement
      • électrodes implantées à demeure (enregistrements chroniques)

Études chez les animaux

pour tudier le contr le moteur chez l humain
On enregistre les mouvements

composantes cinétiques, cinématiques et enregistrements de l ’activité électrique des muscles (électromyogramme).

Cinétique

forces qui stabilisent et qui produisent les mouvements

Pour étudier le contrôle moteur chez l’humain
  • Cinématique
    • Description du mouvement du corps et de ses caractéristiques
      • distance parcourue
      • vitesse
      • accélération
partir des donn es recueillies chez l humain
À partir des données recueillies chez l’humain:
  • On définit les mécanismes de contrôle utilisés
  • On infère un rôle aux structures nerveuses impliquées dans le contrôle.
  • Les pathologies du système nerveux sont aussi très utilisées.
    • maladies qui affectent le contrôle des mouvements
      • atteintes cérébelleuses, maladie de Parkinson...
imagerie r sonance magn tique nucl aire
Imagerie à résonance magnétique nucléaire

Phénomène de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)

mouvements de la main
Mouvements de la main

Mesure du signal BOLD (Blood Oxygen Level Dependant)

mesure du rapport oxyhémoglobine/ désoxyhémoglobine

Une petite augmentation de la consommation d'oxygène par les neurones est surcompensée par une large augmentation de flux sanguin. (réponse hémodynamique)

le contr le des mouvements diff re selon la vitesse des mouvements
Le contrôle des mouvements diffère selon la vitesse des mouvements.
  • Mouvements lents
    • mouvements de poursuite d’une cible
  • Mouvements rapides aussi appelés balistiques
mouvements lents
Mouvements lents
  • mouvements de poursuite d’une cible
      • dessiner le contour du cercle avec le curseur de la souris
      • demande un feed-back continu de la périphérie
      • co-contraction de muscles antagonistes pour une plus grande précision

FEEDBACK = boucle fermée

mouvements rapides ou balistiques
Mouvements rapides ou balistiques
  • Mouvements balistiques
    • durée entre 75 et 200 ms

PAS DE FEEDBACK = boucle ouverte

mouvement balistique
Mouvement balistique
  • Le sujet doit fléchir rapidement le coude sans se préoccuper de la position finale.
  • Le sujet sait que le mouvement sera freiné
    • par la limitation articulaire
    • par un stop extérieur mis en place par l’expérimentateur
  • Pas d’activité de freinage de l’antagoniste
  • Une seule activité dans l’agoniste
mouvement balistique1
Mouvement balistique
  • Le sujet doit aller très vite et précisément d’un endroit à un autre
  • On observe la classique triple bouffée d’activité electromyographique EMG
    • 1. agoniste
    • 2. antagoniste
    • 3. agoniste
    • corrélation entre l’intensité d’activité dans l’antagoniste et la vitesse du mouvement
slide18
Mouvements balistiques
    • les ré-afférences somesthésiques ne jouent aucun rôle dans l ’arrêt du mouvement
    • les activités dans les muscles agonistes et antagonistes sont programmées
le contr le des mouvements diff re selon la vitesse des mouvements1
Le contrôle des mouvements diffère selon la vitesse des mouvements.
  • Mouvements balistiques
    • contrôle en boucle ouverte
  • Mouvements lents
    • contrôle en boucle fermée
boucle ouverte
Boucle ouverte
  • Mouvement balistique
  • Le mouvement n’est pas corrigé au cours de son déroulement
  • Les centres encéphaliques précisent tous les paramètres de l’initiation et du déroulement du mouvement sans réafférences (feed-back)

Décision

Valeur à atteindre

Programmation de l’action

Effecteur

ACTION

Valeur atteinte

boucle ferm e
Boucle fermée

Décision

  • Mouvement lent
  • Le mouvement peut être corrigé au cours de son déroulement

Valeur à atteindre

Écart

Programmation de l’action

Comparateur

Effecteur

ACTION

Feed-back

Valeur atteinte

tapes du mouvement
Étapes du mouvement
  • 1. Planification
  • 2. Programmation
  • 3. Exécution
  • 4. Correction

Quelles sont les

structures nerveuses impliquées?

slide23

Le support

neuroanatomique

du contrôle moteur

  • Le système pyramidal
    • voies corticospinales
  • Le système extrapyramidal
    • autres structures de l’encéphale
    • et autres voies descendantes
le cortex c r bral joue un r le important dans le contr le des mouvements volontaires
Le cortex cérébral joue un rôle important dans le contrôle des mouvements volontaires
r le du cortex c r bral dans le contr le des mouvements
Rôle du cortex cérébral dans le contrôle des mouvements
  • Première études remontent au 19ième siècle
  • Les neurologues et les physiologistes de l’époque établissent que le cortex cérébral joue un rôle dans le contrôle des mouvements.
slide26
Paul Brocapropose une localisation des fonctions dans différentes régions du cortex cérébral

Photographie du cerveau de Leborgne par Paul Broca.

Origins of Neuroscience, Finger, p.38

slide27
John Hughlings Jackson a été le premier à proposer l’existence d’une organisation somatotopique dans le cortex moteur.
  • Ses conclusions étaient en grande partie tirées de ses observations faites chez les patients atteints d’épilepsie.

John Hughlings Jackson ( 1835-1911)

Origins of Neuroscience, Finger, p.195.

slide29

Edouard Hitzig (1838-1907), découverte du cortex moteur en 1870 avec Gustav Fritsch.

Origins of Neuroscience, Finger, p.39.

Cerveau d’un chien par Fritsch and Hitzig. Une stimulation électrique des zones marquées produit un mouvement du côté opposé.

Origins of Neuroscience, Finger, p.39.

slide30
En 1886, David Ferrier montrait que la stimulation électrique de diverses régions corticales du singe induisait des mouvements

Schéma de l’hémisphère gauche du singe de David Ferrier (1886)

Origins of Neuroscience, Finger, p.199

d bit sanguin r gional au niveau du cortex
Débit sanguin régional au niveau du cortex

Activation au niveau du cortex moteur et du cortex somesthésique

Activation des récepteurs sensoriels

de la main

slide34

Le système pyramidal

    • voies corticospinales
  • Le système extrapyramidal
    • autres structures de l’encéphale
    • et autres voies descendantes

Le support

neuroanatomique

du contrôle moteur

le syst me pyramidal
Le système pyramidal
  • Voies corticospinales
    • les cellules d’origine sont localisées dans le cortex cérébral
les projections descendantes du cortex
Les projections descendantes du cortex

Projections corticospinales les cellules d’origine sont localisées dans le cortex cérébral

60% des fibres proviennent des aires motrices du cortex frontal aires 4 et 6 ainsi que l’aire motrice supplémentaire

40% des fibres proviennent du cortex pariétal aires 3, 1 ,2 , 5 et 7

faisceau corticospinal lat ral
Faisceau corticospinal latéral

Capsule

interne

  • 80% croisent la ligne médiane après les pyramides bulbaires

Pédoncules

cérébraux

Pyramide

médullaire

Faisceau corticospinal

latéral

slide40
L’organisation somatotopique est préservée dans le cerveau antérieur, le mésencéphale et le bulbe rachidien

Fig 16.10

faisceau corticospinal lat ral1
Faisceau corticospinal latéral
  • 80% croisent la ligne médiane après les pyramides bulbaires
    • forment la voie pyramidale croisée
    • dans le cordon dorso-latéral de la moelle
    • les fibres qui proviennent des aires frontales motrices innervent des muscles distaux (exemple la main).
    • les fibres qui naissent dans les aires pariétales sensitives se terminent dans la corne postérieure

Fig 16.12 a

faisceau corticospinal ventral
Faisceau corticospinal ventral
  • 20% ne croisent pas la ligne médiane
    • forment la voie pyramidale directe
    • dans le cordon ventro-médian de la moelle
    • fibres se terminent sur les motoneurones de muscles axiaux et proximaux des deux côtés

Fig 16.12 b

r le des influx descendants du syst me corticospinal
Rôle des influx descendants du système corticospinal
  • Les mouvements de pointage chez le singe ont permis de déterminer les paramètres du mouvement qui sont contrôlés par le cortex moteur
les influx descendants du syst me corticospinal
Les influx descendants du système corticospinal
  • Codent certains paramètres du mouvement
    • la force
      • pour un mouvement d’une même amplitude la décharge augmente avec la force à vaincre
    • la vitesse
      • il existe une relation entre la vitesse maximale du mouvement et la décharge maximale de la cellule
    • la direction
les cellules de l aire 4 codent la force lors du mouvement
Les cellules de l’aire 4 codent la force lors du mouvement
  • L’aire 4 représente la voie de sortie des commandes motrices liées aux paramètres du mouvement, dont la force.
  • L’enregistrement unitaire des neurones de la voie pyramidale dans l’aire 4 montre que la fréquence de décharge varie en fonction de la force de la contraction musculaire
slide46
Études de A Georgopoulos aux États-Unis et de J.F Kalaska à Montréal
  • Enregistrements dans l’aire motrice primaire
  • La décharge de la cellule est clairement plus grande pour une direction donnée
    • dans ce cas-ci, 180 degrés
slide48
Différentes cellules ont une décharge préférentielle pour une direction donnée

Fréquence de décharge (Hz)

Direction du mouvement (degrés)

syst me extrapyramidal
Système extrapyramidal
  • Noyaux et boucles de feed-back qui influencent l’activité volontaire des muscles en dehors de la voie corticospinale (pyramidale)
syst me extrapyramidal1
Système extrapyramidal
  • aires corticales
    • préfrontales,
    • frontales 6 et 4,
    • pariétales 3 1 2 5 7
  • sous-corticales
    • ganglions de la base
    • du mésencéphale
      • tectum
      • noyau rouge
      • substance noire
    • cervelet
    • bulbe rachidien
      • noyaux vestibulaires
      • formation réticulée
le contr le moteur des membres et du tronc s effectue par des projections la moelle pini re

Le contrôle moteur des membres et du tronc s’effectue par des projections à la moelle épinière

Les motoneurones constituent la voie commune et finale de sortie du système nerveux pour contrôler les mouvements

projections vers la moelle pini re
Projections vers la moelle épinière

Cortex moteur

  • rubrospinale
    • issue du noyau rouge dans le mésencéphale
  • tectospinale
    • issue du tectum (collicules supérieurs) dans le mésencéphale
  • vestibulospinale
    • issue des noyaux vestibulaires
  • réticulospinale
    • issue des noyaux de la formation réticulée

Cortex

Noyaux

réticulaires

Collicules et

noyaux vestibulaires

Noyau rouge

Système

dorsolatéral

Système

ventro-médian

Moelle épinière

slide54
Les voies ventromédianes contrôlent la motricité globale (station debout, mouvements coordonnées tronc-membres, locomotion).

Les voies dorsolatérales contrôlent la motricité fine distale.

Cortex moteur

Cortex

Noyaux

réticulaires

Collicules et

noyaux vestibulaires

Noyau rouge

Système

dorsolatéral

Système

ventro-médian

Moelle épinière

slide55

Système extrapyramidal

Cortex cérébral (préfrontal 6,4,2,7, temporal)

Thalamus

Ganglions de la base

Cervelet

Substance noire

Noyaux du pont

Tectum

Collicules supérieurs

Noyau rouge

Noyaux réticulaires

Noyaux vestibulaires

Moelle épinière motoneurones

Muscles

slide56
Boucles intra-encéphaliques intervenant dans la programmation des paramètres du mouvement

Boucle impliquant:

cervelet

ganglions de la base

Motricité humaine, Rigal, p.441

modulations exerc es par le cervelet et les ganglions de la base
Modulations exercées par le cervelet et les ganglions de la base
  • meilleure adaptation de paramètres suivants reliés aux mouvements volontaires:
    • planification
    • démarrage
    • coordination
    • guidage
    • arrêt
boucle impliquant les ganglions de la base
Boucle impliquant les ganglions de la base

Aire motrice supplémentaire: sélection et planification des mouvements. Code l’intention d’exécuter un mouvement particulier sur la base d’indices externes.

Aire motrice : codage de l’exécution des mouvements. Voie directe: contrôle les motoneurones et les interneurones de la moelle et du tronc cérébral. Codage de la vitesse, l’amplitude, la direction des mouvements fins. Voie indirecte: en innervant le noyau rouge et la formation réticulaire qui projettent sur les mêmes motoneurones et interneurones..

Aire pariétale associative : fournit les indices externes servant à planifier le mouvement.

Aire frontale associative : élaboration de la stratégie motrice.

Ganglions de la base : programmation de l’initiation et de l’exécution des mouvements (filtrage des mouvements parasites). Intègre les informations corticales et réinjecte la programmation du mouvement sur les aires motrices et prémotrices via le thalamus.

Thalamus: relaie les informations sous corticales vers le aires motrices et prémotrices.

slide61

Boucle cortico- striato- pallido- thalamo- corticale

Cortex cérébral (préfrontal 6,4,2,7, temporal)

Thalamus

Noyaux de la base

striatum-pallidum

Cervelet

Substance noire

Noyaux du pont

Tectum

Collicules supérieurs

Noyau rouge

Noyaux réticulaires

Noyaux vestibulaires

Moelle épinière motoneurones

Muscles

boucle impliquant le cervelet1
Boucle impliquant le cervelet

Noyaux du pont: relai de l’information corticale vers le cervelet.

Aire motrice : Codage de l’exécution des mouvements. Voie directe: contrôle les motoneurones et les interneurones de la moelle et du tronc cérébral. Codage de la vitesse, l’amplitude, la direction des mouvements fins. Voie indirecte: en innervant le noyau rouge et la formation réticulaire qui projettent sur les mêmes motoneurones et interneurones.

Aire pariétale associative : fournit les indices externes servant à planifier le mouvement.

Aire frontale associative : élaboration de la stratégie motrice.

Cervelet : Comparaison entre mouvement prévu et mouvement réalisé. Intègre les informations corticales de la planification motrice + aires sensorielles relatant l’exécution du mouvement + afférences vestibulaires et spinales + afférences de l’olive inférieure. Minimise l’erreur motrice, à court et long terme (apprentissage moteur). Réinjecte via le thalamus l’information corrigée vers les aires motrices. Contrôle de l’équilibre via les noyaux vestibulaires, de la posture par les noyaux réticulaires et rouge.

Thalamus: relaie les informations cérébelleuses vers le aires motrices et prémotrices.

slide66

Boucle cortico-ponto-cérébello-thalamo-corticale

Cortex cérébral (préfrontal 6,4,2,7, temporal)

Thalamus

Noyaux de la base

Cervelet

Substance noire

Noyaux du pont

Tectum

Collicules supérieurs

Noyau rouge

Noyaux réticulaires

Noyaux vestibulaires

Moelle épinière motoneurones

Muscles

tapes du mouvement1
Étapes du mouvement
  • 1. Planification
  • 2. Programmation
  • 3. Exécution
  • 4. Correction

Comment les différentes structures nerveuses

interviennent-elles?

les tapes du mouvement planification
Les étapes du mouvement: Planification
  • La planification du mouvement:
  • Les cortex associatifs frontal et pariétal sont les premiers activés
    • image du but à atteindre
    • anticipation des ré-afférences
    • succession des phases
les tapes du mouvement planification1
Les étapes du mouvementPlanification
  • cortex associatif frontal associé au système limbique
      • système limbique associé à la motivation à l’action
      • satisfaction des besoins vitaux
      • apprentissage
  • cortex associatif pariétal
      • contexte spatial du mouvement
      • stratégie varie selon le rapport des positions corps-objet
neurones miroirs1
Neurones miroirs

Giacomo Rizzolatti, Université de Parme

neurones miroirs2
Neurones miroirs

Giacomo Rizzolatti, Université de Parme

les tapes du mouvement programmation
Les étapes du mouvementProgrammation
  • Deuxième étape dans la préparation du mouvement
  • Correspond au « Comment Faire »
  • Jeu de circuits intra-encéphalique qui se termineront dans le cortex moteur qui est une des sources des voies corticospinales.
slide76

Boucle cortico-ponto-cérébello-thalamo-corticale

  • constitue un des nombreux circuits susceptible de programmer le mouvement.
  • parties latérales du cervelet contribuent à la programmation des mouvements distaux
  • la partie médiane contribue aux ajustements posturaux
slide77

Boucle cortico-ponto-cérébello-thalamo-corticale

  • projections cérébelleuses (par le thalamus) nombreuses à l’aire 4
  • cellules cérébelleuses ont une décharge semblable à celle des cellules de l’aire 4
slide78

Boucle cortico- striato- pallido- thalamo- corticale

  • Les aires pariétales et frontales projettent au noyaux gris de la base.
  • le noyaux gris de la base jouent un rôle important dans l’établissement des comportements moteurs simples (putamen) et complexes (noyau caudé).
  • Rôle dans la mémorisation et le choix de stratégies.
slide79

Boucle cortico- striato- pallido- thalamo- corticale

  • les noyaux gris de la base sont impliqués dans la programmation des paramètres du mouvement
    • force
    • direction
    • amplitude
les tapes du mouvement programmation en r sum
Les étapes du mouvementProgrammation (en résumé)
  • Jeu de circuits intra-encéphalique qui se termineront dans le cortex moteur qui est une des sources des voies corticospinales.
  • On observe à travers ces boucles une organisation en série.
  • L’activation simultanée de plus d’une boucle suggère aussi une programmation en parallèle.
  • Les évidences récentes indiquent que la programmation implique probablement plusieurs autres boucles intra-corticales.
les tapes du mouvement ex cution
Les étapes du mouvementExécution
  • Les données arrivent aux aires 6 et 4 du cortex moteur frontal et sont transformées en influx nerveux moteurs qui se rendent à la moelle épinière par les voies corticospinales.
  • L’activation des neurones corticospinaux se produit 150 à 200 ms avant le début du mouvement.
  • Une fois l’exécution d ’un mouvement rapide lancée, il ne sera plus possible de le modifier en cours de route (exemples: tennis, baseball)
slide83

Les étapes du mouvement Correction

  • Le mouvement lent: correction en cours de route
  • Le cervelet
    • reçoit une copie de la commande motrice envoyée aux muscles
    • reçoit une information de feed-back de la périphérie

Décision

Valeur à atteindre

Écart

Programmation de l’action

Comparateur

Effecteur

ACTION

Feed-back

Valeur atteinte

slide84

Les étapes du mouvement Correction

Décision

  • Le mouvement balistique:
  • le mouvement est pré-programmé
  • L ’efficacité tient à la mémorisation
    • du feed-back (retour du mouvement)
    • de la décharge corrolaire (retour du programme)
  • Intégration de ces informations pour référence future (apprentissage)

Valeur à atteindre

Programmation de l’action

Effecteur

ACTION

Valeur atteinte

les tapes du mouvement apprentissage
Les étapes du mouvementapprentissage

Décision

  • Intégration des informations pour référence future
  • Le cervelet peut aussi jouer ce rôle:
    • du feed-back (retour du mouvement)
    • de la décharge corollaire (retour du programme)
    • l ’écart est mémorisé pour référence future
  • On croit que le cervelet joue un rôle majeur dans l ’apprentissage moteur

Valeur à atteindre

Programmation de l’action

Écart

Effecteur

Comparateur

ACTION

Feed-back

Valeur atteinte

tapes du mouvement2
Étapes du mouvement
  • 1. Planification
      • aires corticales associatives
  • 2. Programmation
      • les boucles intra-encéphaliques
  • 3. Exécution
      • aires motrices corticales
  • 4. Correction
      • cervelet
correction des mouvements
Correction des mouvements
  • il existe un délai minimal à l'intérieur duquel ces informations doivent être traitées pour permettre à la réponse d'être temporellement adaptée à la situation.