Equilibre et posture

EQUILIBRE ET POSTURE UE Neurosciences

marion.naffrechoux@inserm.fr

Introduction

Définitions

• Équilibre : fonction sensori-motrice assurant en permanence la stabilité dynamique de la posture

• Posture : agencement et orientation dans l’espace des différents segments du corps à un instant T donné

• Equilibre postural : position du corps lorsque les orientations des segments corporels (posture) sontcombinés de manière stable

Introduction

Maintient de l’équilibre postural

Le contrôle de l’équilibre permet de gérer de multiples contraintes :

Contraintes internes

Masse corporelle

Géométrie corporelle

Contraintes externes

Gravité

Stabilité des appuis

Perturbations éventuelles

Introduction

Contrôle postural

Le contrôle de l’équilibre postural se base sur 4 composantes :

La représentation interne du corps

Schéma corporel

Les valeurs de référence à

stabiliser

Modèle interne

Les messages détecteurs

d'erreur

Systèmes de capteurs

sensoriels

Les ajustements posturaux

Réflexes, contrôle de la

posture

1 2 35

Plan du coursLa position du corps dans l’espace

EquilibreMouvementGuidage à l’inertieSchéma corporel et modèle interne (voir cours C. Brozzoli)

Les afférences sensorielles – Systèmes de capteurs

Les récepteurs visuelsLes récepteurs somesthésiquesLe système vestibulaire

Intégration sensori-motrice – Les voies vestibulaires

Voies ascendantesVoies motrices descendantes (voir cours F. Perrin)

Pathologies vestibulaires

Autour du système vestibulaire (recherche et innovation) 6

EquilibreMouvementGuidage à l’inertieSchéma corporel et modèle interne

La position du corps dans l’espace

L’équilibre

Activité physique active et permanente de positionnement antigravitaire

https://www.lesclefsdelecole.com/College/3eme/Physique-Chimie/Mouvements-et-interactions-la-Mecanique-en-3eme

• Système en équilibre : lorsque la somme des forces agissanten tout point sur un système est nulle

• Force : action mécanique exercée par un objet sur un autre,modélisable par un vecteur (F) dont l’unité est le Newton

• Centre de pression (COP = center of pressure) : projectionorthogonale du centre de gravité du corps sur le sol

• Centre de gravité (G) : point d'application de la résultantedes forces de gravité ou de pesanteur

L’équilibre

Equilibre posturalOrientations des segments

corporels (posture) combinés de manière

stable

COP dans le polygone

de sustentation

Equilibre postural

COP sort du polygone

de sustentation

Déséquilibre

Mise en mouvement du corps pour déplacer un des points d’appui

et maintenir l'équilibre

En station debout :

• Polygone de sustentation : surface contenant tousles points de contact entre le corps et le support

L’équilibre

La posture - Caractéristiques

o Posture globale = somme des postures segmentaires

o A chaque posture il existe un état d’équilibre statique

o C’est sur l’état initial que va survenir le mouvement- Equilibre postural dynamique

o Posture déterminée par les points d’appuis mis en jeu avecle support et par la dynamique (mouvements)

http://biomecanique3d.univ-lyon1.fr/webapp/website/website.html?id=1599660&pageId=1898

Le mouvement

Mouvement : déplacement d’un corps par rapport à un point fixe de l’espace et à un moment donné

Mouvement uniforme

Mouvement uniformément accéléré

Accélération : modification de la vitesse

d'un mouvement au cours du temps

Le mouvement

Les mouvements du corps humain sont contraints par l’anatomie :

Mouvement vibratoire

Oscillation d’un corps de part etd’autre de sa position d’équilibre.

Mouvement circulaire

Qui décrit un cercle.

Translation

Déplace tous les points d’un objetà la même distance, selon lamême direction et le même sens(sans rotation, ni retournement).

Rotation

Mouvement d’un segment enliaison pivot par rapport à unautre, selon un angle 𝛳.

13https://www.elsevier.com/fr-fr/connect/etudes-de-medecine/paces-ue-5-organisation-des-appareils-et-des-systemes

Guidage à l’inertie

L’environnement perçu (récepteurs visuels et tactiles)

Référentiel exocentrique

La position des membres

(récepteurs somesthésiques)

Référentiel égocentrique

La verticalité gravitaire (récepteurs vestibulaires)

Référentiel géocentrique

Le cerveau peut estimer des changements de position du corps à tout instant, dans toutes les directions del’espace, par rapport à :

Espace à trois dimensions = 6 degrés de liberté : 3 de translation + 3 de rotation

Guidage à l’inertie

Guidage inertiel

Les signaux d'erreur des capteurs sensoriels

Un référentiel stabilisé

Le maintien de l’équilibre nécessite :

Rôle privilégié de la tête : stabilisation du référentiel visuovestibulaire

Schéma corporel et modèle interne

Un modèle spatial dynamique du corps avec la perception de :

la géométrie corporelle

la masse et inertie des différents segments

la force de l’appui au sol

la verticalité par rapport à la gravité

Des informations sensorielles recueillies par des capteurs et traitées par le système de l'équilibre

Le schéma corporel comprend :

Le cerveau reconstruit une perception unique et cohérente de l’espaceLe contrôle de l’équilibre permet le maintien actif et permanent de la stabilité

Cf. Cours C. Brozzoli

Schéma corporel et modèle interne

Systèmes récepteurs/

capteurs externesEffecteurs

Systèmes récepteurs/

capteurs externesEffecteurs

- Système vestibulaire- Système visuel- Système somesthésique

MusclesIntégration SNC

Afférences sensorielles

Physiologie sensorielle objective Physiologie sensorielle subjective

Stimulus sensoriel(physique)

Interaction entre l’environnement et l’organe des

Transduction(récepteur)

Codage du stimulus en message nerveux

Excitation des fibres

Intégration(centres sous corticaux)

Décodage centripèteElaboration de réponses réflexes

et végétatives

Sensation

Eveil, conscience

Elaboration de réponses volontaires

Perception

Motivation, expérience (mémorisation)

Les récepteurs visuels

Cf. Cours F. Perrin

https://askabiologist.asu.edu/batonnets-et-cones

Elément d’orientation et de déplacement dans l’espace, connaissance anticipée de l’environnement

Les récepteurs somesthésiques

Sensibilité viscérale

Sensibilité intéroceptive

Sensibilité somatique

Sensibilité extéroceptive

(mécanorécepteurs)

Sensibilité proprioceptive

(appareil musculo-ostéo-tendineux)

Cf. Cours F. Perrin

25Renseigne sur la position et les mouvements des différents segments corporels les uns par rapport aux autres

Le système vestibulaire

ANATOMIE DU LABYRINTHE VESTIBULAIRE

28Organes otolithiques

Canaux semi-circulaires

29https://www.vestib.org/conduit.html

Neuro-épithélium sensoriel

Fibres nerveuses

Cellules de soutien

Kinocil

Stéréocils

Cellules ciliées

Ampoule du canal supérieur

Macule utriculaire Macule sacculaire

30Purves et al., 2015

Macule utriculaire Macule sacculaire

Mouvements dans le plan vertical

Mouvements dans le plan horizontal

Rotations dela tête

Accélérations angulaires Accélérations linéairesPosition statique par rapport

à la pesanteur

ANATOMIE DU LABYRINTHE VESTIBULAIRE : UTRICULE ET SACCULE

Otholites =

ANATOMIE DU LABYRINTHE VESTIBULAIRE : CANAUX SEMI-CIRCULAIRES

Saccule Utricule CSC

38Roi, Philippe et Girard, Tristan, « Le métier à tisser vertical et le système vestibulaire », La Théorie Sensorielle. I - Les Analogies Sensorielles, First Edition Design Publishing (2013) pp. 101-116 et sa bibliographie pp. 272-279. Copyright 2013 par Philippe Roi et Tristan Girard

RÉSUMÉ

• Participe à la perception d’informations sensorielles utilisées pour générer des réponses motrices permettant la

stabilisation du regard, de la tête et de la posture

• Constitué de 5 capteurs par oreille :

⁃ 2 organes otolithiques :

Utricule : réponse aux accélérations linéaires

Saccule : réponse à la position statique par rapport à la pesanteur

⁃ 3 canaux semi-circulaires (antérieur, postérieur, horizontal) : réponse aux accélérations angulaires

Macula utriculaire Macula sacculaire

RÉSUMÉ

• Se trouve dans chaque organe vestibulaire, au niveau :

⁃ des macules utriculaire et sacculaire, surmonté par une membrane otolithique (otolithes = otoconies =

cristaux de carbonates de calcium)

⁃ de l’ampoule des canaux semi-circulaires, sur la crête ampullaire, surmonté par une cupule

• Composé de cellules de soutien et de mécanorécepteurs vestibulaires : les cellules ciliées

Le neuro-épithélium sensorielFibres nerveuses

Cellules de soutien

Kinocil

Stéréocils

Cellules ciliées

RÉSUMÉ

• Possèdent :

⁃ Au pôle basal : terminaisons nerveuses

⁃ Au pôle apical : cils implantés

• Polarité des cellules ciliées :

⁃ dans les 2 organes otolithiques : la striola forme un axe de symétrie et divise les cellules ciliées en deux

populations aux polarités opposées dans les macules sacculaire et utriculaire

⁃ dans les 3 canaux semi-circulaires : les cellules ciliées de l'ampoule sont toutes polarisées dans la même

direction

utricule

saccule

ampoule

Les cellules ciliées

FONCTIONNEMENT DES CELLULES CILIEES VESTIBULAIRES

2 types de cellules ciliées : différences morphologiques et physiologiques

FONCTIONNEMENT DES CELLULES CILIEES VESTIBULAIRES

afférence efférence

Type I = CCV piriformes Type II = CCV cylindriques

D’après https://www.vestib.org/histologie.html

Signal MECANIQUEMouvement de tête

Signal biologiqueELECTRIQUE

nDéplacement de l’endolymphe

Inclinaison des cils

Ouverture des canaux K+> Entrée d’ions K+

Modification de la polarisation de la cellule ciliée vestibulaire

Libération du NT dans la fente synaptique

Augmentation du potentiel d’action au niveau de la fibre afférente vestibulaire

TRANSDUCTION EN MESSAGE NERVEUX

Ouverture des canaux Ca2+ > Entrée d’ions Ca2+

http://www.cochlea.eu/cellules-ciliees

TRANSDUCTION EN MESSAGE NERVEUX

Fibre afférente

Fibre efférente

De Waele et al., 2011 http://www.dralami.edu/anatomie/Vestibulor/Vestibulo.htm

ROLES DU SYSTEME VESTIBULAIRE

Transforme les forces associées aux mouvements et à la position de la tête par rapport à la gravité en un signal biologique

Sert de signal mécanique

Assure la transduction

Synthèse

Le contrôle de l’équilibre est une fonction multisensorielle :

Pour chaque sens, organisation similaire composée d’opérations successives

Mouvement de la tête

Stimulivisuels

Stimuliproprioceptifs

Cellules ciliées

vestibulaires

Cônes et

bâtonnets

Récepteurs

somesthésiques

Perception du mouvement céphalique

Perception visuelle

Proprioception

Intégration sensori-motrice

Schéma bilan

CerveletTC

pyramidale

spino-cerebelleux

Muscles effecteurs

Cortex

Cortex spécialiséCortex moteur I

Muscles axiaux

Muscles supérieurs et inférieurs

Oculomoteur

vestibulospinale

réticulospinale

rubrospinale

tectospinale

Systèmes sensoriels

proprioceptif

visuel

vestibulo-cérébelleusevestibulaire

vestibulocorticale

Schéma bilan

CerveletTC

pyramidale

spino-cerebelleux

Muscles effecteurs

Cortex

Muscles axiaux

Oculomoteur

vestibulospinale

réticulospinale

rubrospinale

tectospinale

proprioceptif

visuel

vestibulocorticale

Voies ascendantes

VOIE VESTIBULO-CORTICALE

Nerf vestibulaire

Ganglion vestibulaire

Noyau supérieur

Noyau médial

Noyau inférieur

Noyau latéral

Perception consciente

Voies ascendantes

REFLEXE VESTIBULO-OCULAIRE

Coordination tête et yeux

Schéma bilan

CerveletTC

pyramidale

spino-cerebelleux

Muscles effecteurs

Cortex

Muscles axiaux

Oculomoteur

vestibulospinale

réticulospinale

rubrospinale

tectospinale

proprioceptif

visuel

vestibulocorticale

Voies ascendantes

Cortex

VOIES VESTIBULO- ET SPINO-CEREBELLEUSE

Coordination tête et corps

Schéma bilan

CerveletTC

pyramidale

spino-cerebelleux

Muscles effecteurs

Cortex

Muscles axiaux

Oculomoteur

vestibulospinale

réticulospinale

rubrospinale

tectospinale

proprioceptif

visuel

vestibulocorticale

Faisceau cortico-spinal

Voies motrices descendantes

Cf. Cours F. Perrin

VOIE PYRAMIDALE

Schéma bilan

CerveletTC

pyramidale

spino-cerebelleux

Muscles effecteurs

Cortex

Muscles axiaux

Oculomoteur

proprioceptif

visuel

vestibulocorticale

vestibulospinale

réticulospinale

rubrospinale

tectospinale

VOIES EXTRA-PYRAMIDALES

Coordination tête et corps

Faisceaux vestibulospinaux

Muscles axiaux

POSTURE

Vestibule

VOIES EXTRA-PYRAMIDALES

Cf. Cours F. Perrin

Faisceaux vestibulospinaux

Muscles axiaux

POSTURE

Faisceau réticulospinal

Muscles axiaux

POSTURE

Faisceau rubrospinal

Muscles proximaux, membres supérieurs

TONUS, COORDINATION DES MEMBRES

Faisceau tectospinal

Nuque, yeux

OCULOMOTRICITE

Schéma bilan

CerveletTC

visuel

vestibulaire

proprioceptif

pyramidale

spino-cerebelleux

Muscles effecteurs

Cortex

vestibulospinale

réticulospinale

rubrospinale

tectospinale

Muscles axiaux

Oculomoteur

vestibulocorticale

vestibulo-cérébelleuse

Contrôle postural

Mouvement =

Déséquilibre

Equilibre

Contrôle postural prédictif • Ajustements posturaux anticipés• Correction en amont de la perturbation

posturale ou de façon concomitante

Mouvement =

Déséquilibre

Equilibre

Contrôle postural réactif • Correction en réponse aux

afférences sensorielles (systèmescapteurs – détecteurs d’erreur)rendant compte du contexte del’action et des perturbationsposturales observées

Réaction compensatoire

Contrôle postural

Système monté en parallèle

Système hiérarchisé

Système doué de compensation centrale

Système non conscient

Atteintes des voies vestibulaires et symptômes associés

Atteintes vestibulaires

Voie vestibulo-corticale Voie vestibulo-oculaire Voie vestibulo-spinale Voie vestibulo-végétative

Vertiges et

troubles de la

verticalité

Nystagmus

(mouvements

involontaires

des globes

oculaires)

Déplacements

inadaptés et

(troubles

posturaux)

Nausées et

vomissements

Exemple d’application clinique

Nystagmus physiologique

Canal horizontal droit

Canal horizontal gauche

Rotation de la tête

Mouvement oculaire lent

Mouvement oculaire rapide

Nystagmus pathologique

Décharge augmentée Décharge diminuée Décharge de base Pas de décharge

Exemple d’application clinique

Nystagmus spontané

Autour du système vestibulaire

Mal des transports

Boarding Ring

Le mal de l’espace, origine ?

Hypothèses :

• Informations contradictoires entre ce que le corps et le regardperçoivent→ Conflit sensoriel

• Système vestibulaire perturbé par l’absence de verticalité → Troublesposturaux, impossibilité de détecter l’inclinaison de la tête pour lesorganes otolithiques.

• Masses liquidiennes remontent vers le haut du corps au lieu dedescendre vers les pieds→ Hypertension intracrânienne

Recherche clinique : déficit vestibulaire

Implant :• Capteur de mouvements, fixé sur le crâne du

patient

• Transformation des signaux mécaniques(mouvement) en impulsions électriques (messagenerveux)

• Electrodes qui relient la partie externe de laprothèse au nerf vestibulaire

Limite actuelle : Opération très délicate > risque de déficit auditif en touchant la cochlée

Pourquoi une personne ivre titube-t-elle ?

Ethanol

Diffusion par le sang jusqu’au cerveau

Perturbation du message chimique au niveau des synapses

Problèmes de coordination, de langage, de perception, de jugements…

Diffusion par le sang jusqu’à l’oreille interne

Modification de la viscosité et des propriétés physiques de la cupule

Mise en mouvement inappropriée des cils

Système vestibulaire envoie des messages de déséquilibre au cerveau

Mise en mouvement du corps pour corriger le « déséquilibre » 76

Equilibre et posture

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