+Ingénierie des systèmes

humains GTS501 – TP9

Objectifs de la séance :

- Quiz 4

- Exercice sur le système nerveux central (SNC)

- Retour sur les synapses chimiques

- Révision sur le SNC

- Applications d’ingénierie

Synapses chimiques

Rôle : transmettre un signal électrique en le convertissant en signal chimique. Le signal est par la suite reconverti en signal électrique

Vidéo

Synapses chimiques

Transfert de l’information à travers les synapses chimiques :

Arrivée de l’influx terminal dépolarisation de la membrane plasmique ouverture des canaux Ca2+

voltage-dépendants Détecteurs Ca2+ activés libération des

neurotransmetteurs par exocytose Neurotransmetteurs se lient aux récepteurs

postsynaptiques des canaux ioniques ligands-dépendants Les canaux ioniques s’ouvrent Na+ passent à travers la

membrane postsynaptique modification du potentiel potentiel d’action produit au neurone postsynaptique (si seuil d’excitation atteint) transmission de l’influx nerveux

SNC

Comprend : cerveau et moelle épinière

Bien protégé par : Os (crâne et vertèbres) Liquide cérébro spinale (céphalo-rachidien)

Cerveau

Bear, Connors, Paradiso

Cerveau Hémisphères :

Coté gauche reçoit les sensations et contrôle les mouvements du côté droit (et inversement).

Cervelet : Centre du contrôle moteur

Tronc cérébral : Gère les fonctions vitales telles que la respiration, la température

corporelle, etc.

Bulbe olfactif : Responsable de l’olfaction (odorat)

Cerveau - Les lobes

Bear, Connors, Paradiso

Os du crâne : http://www.radioanatomie.com/25_os/os/profil.php

Cerveau - Les lobes et leurs fonctions Lobe frontal :

Associé au raisonnement, à la planification, à la locution, au mouvement et aux émotions

Lobe pariétal : Associé au mouvement, à l’orientation, à la

reconnaissance et à la perception de stimuli

Lobe temporal : Associé à la perception et à la reconnaissance de

stimuli auditif, à la mémoire et à la locution

Lobe occipital : Associé au traitement visuel

Lobe insulaire : Associé au comportement (agressivité, peur, plaisir, …)

Cervelet : Associé à la régulation et coordination du mouvement,

de l’équilibre et de la posture

Cerveau - Vue ventrale

Bulbe olfactif

Nerf optique

Mésencéphale

Médulle (moelle)

Pont

Hypothalamus

Bear, Connors, Paradiso

Cerveau - Tronc cérébral

Thalamus

Hypothalamus

Cervelet

MoellePont

Mésencéphale

Bulbe rachidien

Cerveau - Coupe frontale (mi-thalamus)

Ventricule latéral

Fissure latérale (de Sylvius)

Troisième ventricule

Hypothalamus

Thalamus

Cerveau antérieur

Bear, Connors, Paradiso

http://cti.itc.virginia.edu/

Cerveau - Cortex

Cortex moteur et somatosensoriel

Marieb, 1999

Cortex somatosensoriel

Homoncule :

Commotion cérébrale

Impact direct

Affecte : Les transmissions neuronales Circulation sanguine Neurotransmetteurs

Vidéo

Plasticité du cortex

La neuroplasticité est la capacité du cerveau (neurone) à se réorganiser en créant de nouvelles connections tout au long de la vie

Bear, Connors, Paradiso

Mécanisme de la plasticité

Potentialisation à long terme (PLT) : Augmentation de l’efficacité à long terme de la transmission

synaptique entre 2 neurones qui sont stimulés simultanément Mécanisme sous-jacent de l’apprentissage et de la mémoire L’hipocampe (rôle important dans la mémorisation d’informations

et dans l’apprentissage) possède une capacité de potentialisation à long terme assez élevée

Mécanisme de la plasticité

Potentialisation à long terme (PLT) : Rend synapse plus efficace Assurée par la présence dans certaines synapses de

récepteurs dits NMDA Le changement est réversible à long terme

Dépression à long terme (DLT) : Assurée aussi par NMDA

Quelques applications d’ingénierie

Imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf)

http://www.williamoslerhc.on.ca/

IRMfPermet de visualiser les parties du cerveau qui

s’activent lors de différentes tâches : Lorsqu’une partie du cerveau s’active, on y retrouve

un accroissement du flux de sang Cette augmentation est accompagné d’une réduction

de deoxyhémoglobine Cette réduction est visible sur une image IRMf

Une première image est prise sans stimuli et ensuite une série est prise avec le stimuli ou la tâche

L’activation liée au stimuli est la différence entre les images avec stimuli et l’image au repos

IRMf Utilise un appareil IRM

traditionnel : Généralement avec

appareil 3T

Une image haute résolution (IRM) est prise pour situer l’anatomie

Une série d’images basse résolution (IRMf) sont prises pendant une période d’environs 1 à 2 minutes

La taille d’un voxel peut atteindre environs 1.5 mm3

http://www.firstscience.com

Mapping du cortex

Le neurochirurgien identifie les régions du cortex avec des électrodes

Deep Brain Stimulation (DBS)

Stimulation électrique des structures profondes du cerveau dans le but de pallier à un déficit moteur ou psychologique

www.mja.com.au

Deep Brain Stimulation (DBS)

Utiliser pour réduire les épisodes de tremblement chez les patients souffrant de parkinson

Possible par la stimulation des noyaux subthalamiques en bloquant l’activité des cellules défectrices

www.liebermanparkinsonclinic.com http://www.anc.ed.ac.uk/~anaru/research/images/sth-sn.gif

Deep Brain Stimulation (DBS)

Vidéos :

http://www.care4dystonia.org/videos.htm

Découverte, www.radio-canada.ca

Durée : 0:19 Durée : 0:22Durée : 0:13

De 4:50 à 6:00

Signaux du cortex moteur

À l’aide d’électrodes placés dans le cortex moteur, mesures d’activité des neurones

À l’aide d’une tâche pré-définie, correlation entre le déchargement des neurones, le mouvement et l’activité EMG

Capable de prédire la direction et l’intensité du mouvement à l’aide de l’activité neuronale; (Moran et Schwartz 1999)

Signaux du cortex moteur

Moran & Schwartz 1999

Applications d’ingénierie

Exemple d’utilisation d’implants dans les BCI : Electrode implantée dans le cortex moteur d’un singe

(dans la région du bras) Singe contrôle curseur à l’aide d’un bras aptique Récompensé lorsqu’il atteint la cible

Black et al. 2003

Applications d’ingénierie

Déplacement d’un curseur à l’aide d’implants dans le cortex moteur humain (Braingate).

Applications d’ingénierie

Prothèses neuronales : Même technologie que

pour l’interface informatique

Mouvements du bras du singe répliqués par le bras robotisé

Pourra servir à contrôler des prothèses et éventuellement des membres par FES

http://brownalumnimagazine.com

Signaux du cortex moteur

Ces informations permettent de reproduire le mouvement à l’aide la « pensée » :

Durée : 0:51Durée : 0:54

Applications d’ingénierie Ratbots :

Rats télécommandés Implant stimule 3 régions :

Moustache gauche Moustache droite Centre du plaisir (“feelgood”)

Dressés à suivre les stimulations des moustaches à l’aide de récompenses sous forme de plaisir.

www.nature.com

Questions?

Bibliographie

Fimbel, Éric. Notes de cours SYS861, A04

Bear, Connors, Paradiso. Neuroscience, Exploring the brain.

Wolpert, Ghahramani. Computational principles of mouvement neuroscience. Nature, 3, 1212-1217 (2000).

http://www.fmri.org

Moran, D.W., Schwartz, A.B., Motor Cortical representation of speed and direction during reaching., J. Neurophysiol. 82: 2676–2692, 1999.

http://books.google.ca/books?id=xq_xw2ph9SEC&printsec=frontcover&dq=plasticit%C3%A9&hl=fr#PPA71,M1

Grand dictionnaire terminologique