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. KATZrose.katz@chups.jussieu.frrose.katz@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

QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)

sont requis pour visionner cette image.

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