Cours : le cerveau, exploration fonctionnelle : commandes et fragilités

Introduction : 

La percussion du tendon achilléen par le marteau du médecin induit un réflexe incontrôlable. Il s’agit d’une contraction inconsciente. Ce diagnostic est utilisé pour déceler des anomalies de la moelle épinière. Cependant, la plupart de nos contractions musculaires sont conscientes et volontaires. Elles nécessitent donc d’autres structures de commandes qui proviennent du cerveau et pas seulement de la moelle épinière. 

Le cerveau est la partie antérieure de l’encéphale des vertébrés. Il est composé de deux hémisphères cérébraux et possède environ 100 milliards de neurones, et d’autant plus de cellules compagnes (entre 10 à 50 fois plus)… c’est un centre nerveux décisionnel extrêmement important, mais pour autant fragile. Même si il est doué de plasticité, il est également très sensible à certaines substances exogènes… 

Photo de couverture :  d’après  https://www.sciencesource.com

Problèmes : comment est organisé le cerveau ? Comment la commande motrice s’effectue-t-elle ? Comment peut-on diagnostiquer les dysfonctionnements ? Comment préserver cet organe ?

I- Exploration et compréhension de l’organisation du cerveau

motricité volontaire

A- L’amélioration des techniques d’exploration du cerveau

C’est durant la seconde moitié du XXe siècle que des technologies vont se développer pour mieux cerner la structure et le fonctionnement du cerveau sans être invasives. Parmi les progrès techniques en imagerie  médicale, l’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) reste certainement la plus précise. 

Histoire des sciences : l’esprit sorcier et le CEA présentent les techniques d’exploration du cerveau 7’17

1- Les 3 types d’IRM (voir la fiche technique de TP pour le principe)

  • L’IRM anatomique : Exploitation des propriétés magnétiques de l’eau. Vision fine de l’anatomie cérébrale (plusieurs techniques de contrastes peuvent être utilisées pour améliorer la vision de certaines régions) 
  • L’IRM fonctionnelle : Evaluation de la surconsommation de dioxygène d’une zone du cerveau lors de l’exécution d’une tâche simple. L’IRM fonctionnelle s’étudie toujours en la superposant à l’IRM anatomique. Elle permet donc de visualiser la plus grande activité d’une zone en relation avec l’exécution d’une tâche.
  • L’IRM de diffusion : Enregistrement d’un signal sensible au déplacement des molécules d’eau. Elle permet de visualiser les différentes connexions entre les aires du cerveau lors de l’exécution d’une tâche (on visualise un connectome structurel ou anatomique).

Fiche technique : Comment maîtriser le vocabulaire de base de l’IRM

2- Exemple d’utilisation : détection d’une tumeur et des lésions occasionnées

Rappel : Une tumeur est une grosseur plus ou moins volumineuse due à une multiplication excessive de cellules normales (tumeur bénigne) ou anormales (tumeur maligne). Les tumeurs bénignes (comme par exemple les grains de beauté, les verrues…) se développent de façon localisée sans altérer les tissus voisins. Les tumeurs malignes (cancer) ont tendance à envahir les tissus voisins et à migrer dans d’autres parties du corps, produisant des métastases.

Comprendre l’image ci-dessous obtenue par IRM

Doc. 1 : Titre : ………………………………………………………………  

Conseils :

1) Commencer par donner le plan d’exploration

2) Dans le diaporama, comparer le sujet sein et le sujet 12223 : repérez ce qui est différent

3) Nommez ensuite les 2 techniques utilisées et déterminez ce qu’elles apportent

D’après © eduanatomist2

Corrigé : lien

Ainsi, l’IRM nous révèle des lésions profondes que nous n’aurions pas détectées avec d’autres techniques. Il nous permet donc de réaliser des observations fines des tissus mous du corps. La technique est d’ailleurs en cours d’amélioration par l’utilisation notamment d’aimants plus puissant. 

Remarque : Dans une image pondérée en T1, la graisse apparaît hyperintense (couleur claire) et l’eau hypointense (noir), les nuances sont liées à la présence plus ou moins grande de l’eau ou de la graisse, en T2 c’est l’inverse et en T2 FLAIR le liquide céphalorachidien seul est rebasculé en hypointense.

A noter que les axones sont entourés de gaines de myéline et que les membranes sont riches en lipides. A l’inverse, les corps cellulaires présentent un cytoplasme important et plus d’eau que les axones eux-mêmes. C’est exactement la différence observée entre substance blanche et grise.

B- Comprendre les aires fonctionnelles

Réflexe achilléen + Neurones

L’exploration fonctionnelle permet de cartographier le cortex. Le cortex désigne la partie superficielle du cerveau et contenant la substance grise des hémisphères cérébraux. 

Complément : Chaque hémisphère se décompose anatomiquement en quatre parties externes (en fait, rattachées aux os correspondants du crâne), appelées lobes : lobe frontal, pariétal, temporal et occipital. 

Doc. 2 : Les différents lobes du cerveau.

Une aire corticale, est une zone du cortex dédiée à une fonction précise. On distingue 3 types d’aires différentes : 

  • Les aires sensorielles (perception et interprétation des stimuli de l’environnement)
  • Les aires motrices (commande volontaire des muscles squelettiques). 
  • Les aires associatives (mise en commun d’informations sensitives, prémotrices, langage…) 

Nouvelles données : Dans la recherche septembre 2017 : la cartographie du cerveau a été réactualisée, elle compterait 180 régions au lieu des 83 répertoriées auparavant. C’est ici une  démonstration des progrès fulgurants accomplis sur l’étude du cerveau en moins d’une décennie. En connaissant plus précisément les aires cérébrales, on peut mieux soigner certaines pathologies.

Doc. 3 : Les différentes aires fonctionnelles du cerveau en fonction des Lobes.

C- Les cellules du cerveau

1- Les neurones 

Ils peuvent se classer soit par rapport à leur fonction, soit par rapport à leur morphologie. 

Par rapport à leur fonction : 

  • Si le message part d’un récepteur pour aller au système nerveux central, on parle de neurone sensitif
  • Si le message part du centre nerveux pour atteindre une cellule effectrice, on parle de motoneurone ou neurone moteur. 
  • Si le message est véhiculé par un neurone qui fait le lien entre deux neurones, on parle d’interneurones

Complément : Par rapport à leur morphologie

Si plusieurs ramification se réunissent en un dendrite et rejoigne directement un corps cellulaire, pour ensuite donné un axone de même longueur qui se ramifie, il est qualifié de bipolaire (certains neurones sensitifs)

Si le dendrite est très long et la ramification au corps cellulaire en forme de T, il est qualifié d’unipolaire (ou pseudo-unipolaire)

Si les dendrites sont courts et l’axone est long, il s’agit d’un neurone multipolaire.

Si le corps cellulaire est plus ou moins triangulaire et que la ramification dendritique est très étendue et dense, il s’agit de neurones pyramidaux (présents en grand nombre dans l’hippocampe par exemple).

Doc. 4 : Les différents types de neurones par rapport à leur morphologie.

D’après researchgate

2- Les cellules gliales

Ce sont toutes les autres cellules qui ne sont pas des neurones et qui participent à la constitution du tissus nerveux. Elles ont toutes des rôles importants dans l’entretien des neurones.

Doc. 5 : Les différents types de cellules gliales et leur rôle.

Dans le Système Nerveux Central (SNC), c’est à dire cerveau et moelle épinière, on trouve 4 grands types de cellules gliales :  

  • Les épendymocytes sont des cellules qui produisent le liquide céphalorachidien, encore appelé liquide cérébrospinal. Il a pour fonction de protéger le centre nerveux des chocs, il a aussi un rôle nutritif et évite au cerveau de s’écraser sous son poids.
  • Les astrocytes sont des cellules étoilées très ramifiées (d’où leur nom). Elles assurent l’élaboration de la barrière hémato-encéphalique et le transport de molécules particulières aux neurones. Elles participent aux processus de cicatrisation en cas de lésion et participent à la régulation de la transmission synbaptique.
  • La microglie ou les microgliocytes sont des cellules immunitaires spécifiques du SNC apparentées à des macrophages dans leur rôle.
  • Les Oligodendrocytes sont des cellules de petites tailles spécialisées dans l’élaboration de la gaine de myéline autour des axones des neurones du SNC.

VidéoLes cellules gliales – le blob : l’extramédia

II- La commande motrice volontaire et rôle intégrateur du motoneurone

Pathologies,t aires corticales IRM et IRMf

A- Les aires corticale du mouvement motricité volontaire e

1) La commande corticale

Grâce à l’IRMf, on peut rendre compte des aires corticales directement liées à la motricité volontaire : On parle des aires motrices primaires ou du cortex moteur primaire.

On peut observer également en amont des territoires qui sont responsables de la planification dans l’exécution des mouvements. On parle alors d’aires pré-motrices ou du cortex prémoteur.

L’aire supplémentaire coordonne et planifie les gestes complexes impliquant une séquence de mouvements ou la coordination de plusieurs membres.

L’aire associative préfrontale et dorsolatérale : le cortex préfrontal dorsolatéral reçoit des informations du cortex pariétal postérieur. Il nous permettrait d’évaluer notre environnement, en localisant les objets et en reconnaissant leur nature. Il est donc indispensable au mouvement.

Doc. 5 : Les aires corticales intervenant dans la commande volontaire du mouvement.

D’après JBoscq

Ainsi le cortex associatif permet d’analyser et de définir l’environnement à l’aide de différentes aires sensitives. Puis les mouvements sont planifiés par l’aire prémotrice (accompagnée de l’aire supplémentaire si les mouvements sont complexe et mettent en association plusieurs membres). L’aire prémotrice transmet alors à l’aire motrice pour l’exécution directe des commandes motrices. Cette dernière aire implique des neurones aux axones longs qui descendent le long de la moelle épinière, dans la corne dorsale.

Doc. 6 : Etapes dans la stimulation des aires pour un mouvement volontaire

d’après JBoscq

2) Les voies nerveuses du cerveau au muscle

Les messages nerveux moteurs qui partent du cerveau cheminent par des faisceaux de neurones et descendent dans la moelle épinière. A différents niveaux, ces neurones sont en connexion synaptique avec les motoneurones. Ces voies motrices sont croisées, de telle sorte que la commande des mouvements volontaires est controlatérale : c’est l’aire motrice de l’hémisphère cérébral droit qui commande la partie gauche du corps, et inversement.

Doc. 7 : Les aires corticales intervenant dans la commande volontaire du mouvement.

D’après JBoscq

B- Rôle intégrateur du motoneurone

Intégration du motoneurone

Le motoneurone reçoit de multiples informations d’autres neurones (sensitifs, interneurones, neurones provenant du cerveau…). De cette multitude d’informations, ne  partira qu’un seul message nerveux ou pas, vers la fibre musculaire dont il est responsable. Comment cela fonctionne ?

Doc. 8 : Synapses excitatrices (points verts) et inhibitrices (points rouges).

D’après futura-sciences

Chaque synapse partagée avec le corps cellulaire du motoneurone va jouer un rôle. Une synapse peut-être excitatrice tandis que sa voisine peut être inhibitrice. Le motoneurone intègrera la sommation de toutes ces informations, et délivrera alors ou non son message nerveux à la fibre nerveuse avec laquelle il est relié. Il est important de bien saisir qu’à un motoneurone, ne correspond qu’une seule fibre nerveuse. Selon la stimulation, la fréquence de potentiel variera.

Doc. 9 : Rôle intégrateur du motoneurone.

D’après JBoscq

III- Quand le système nerveux central dysfonctionne.

Les dysfonctionnements du système nerveux peuvent être multiples. Ce qui suit est loin d’être exhaustif, mais présente quelques causes différentes :  

A- des exemples d’accidents 

1- Rupture de colonne vertébrale

Si la colonne vertébrale permet le maintien de la moelle épinière, en revanche une fracture peut créer une section de cette dernière. Il en résulte alors une interruption de tous les faisceaux descendants du cerveau vers les muscles et ascendants inversement, ce qui entraîne une paralysie définitive de l’individu. Si les deux membres inférieurs sont paralysés, on parlera de paraplégie. Si les quatre membres sont paralysés, on parlera de tétraplégie.

2- Accident Vasculaire Cérébrale (ou AVC) : 

Un AVC, résulte d’un problème vasculaire au niveau du cerveau. En effet, le bon fonctionnement du cerveau est assuré par une étanchéité totale des vaisseaux sanguins. Cela est dû aux équilibres ioniques, mais également à celui des neurotransmetteurs, comme par exemple le glutamate.

Cela explique aussi que le système nerveux central possède ses propres cellules immunitaires : les microgliocytes (ou microglie).

D’autre part, le cerveau est un gros consommateur d’énergie. Il faut donc en permanence du Sucre et de l’oxygène, en plus de tous les autres nutriments. Il existe donc deux possibilités d’AVC dont la prise en charge est différente :

  • les infarctus cérébraux (= thrombose ou embolie cérébrale) : Les vaisseaux sanguins sont obstrués. Le dioxygène et les nutriments n’arrivent plus au niveau de l’aire cérébrale alimentée par ce vaisseau sanguin, ce qui entraîne une mort des neurones concernés.
  • les hémorragies cérébrales ou méningées (= rupture d’anévrisme) : il s’agit d’un épanchement sanguin car il y a la rupture de paroi d’artères cérébrales (ou barrière hémato-encéphalique). La pression sanguine augmente très rapidement au niveau de l’hémorragie, entraînant la mort des neurones.

Doc. 10 : Rupture d’anévrisme ou hémorragie cérébrale.

D’après radiopaedia.org

B- Les tumeurs

Une tumeur est formée par des cellules qui se multiplient de façon anarchique formant un amas de plus en plus gros. Cet amas prend non seulement de la place, mais génère aussi des toxines importantes. Il en résulte alors une impossibilité de fonctionner à l’endroit de la tumeur et parfois des dysfonctionnements dans les régions voisines à cause de la pression exercée par la tumeur et à ses toxines libérées.

Les symptômes que présentent les patients atteint de tumeur cérébrale sont très variés et dépendent de la localisation de la tumeur et de l’aire qu’elle affecte. Cela peut aller de troubles du langage ou de la vue à des problèmes moteur ou des pertes d’équilibre.

Doc. 11 : Tumeur.

C- La sclérose an plaques, une maladie neuro-dégénérative.

La sclérose en plaques (ou SEP) est une maladie auto-immune ciblant les cellules du SNC fabriquant la gaine de myéline. On parle de maladie démyélinisante (ce n’est pas la seule). Elle touche principalement des zones de la substance blanche ciblées par des lymphocytes activés ayant franchi la barrière hémato-encéphalique.

La conséquence est une mauvaise conduction voire un bloquage du message nerveux le long de l’axone, entraînant des troubles variés. Le message nerveux ne peut plus aller de noeud de Ranvier en noeud de Ranvier. Souvent, ce sont des zones de la substance blanche au contact du liquide céphalorachidien qui sont touchées.

Les symptômes que présentent les patients atteint de SEP sont variés et dépendent comme la tumeur de la localisation des zones démyélinisées  (cerveau ou moelle épinière). Cela peut aller de troubles sensitifs, de la vue à des problèmes moteur et/ou des pertes d’équilibre.

Doc. 12 : La sclérose en plaque, une maladie démyélinisante.

D’après INSERM

D- La prise de substances exogènes

La prise de substances exogènes peut interagir plus ou moins puissamment avec certains mécanismes moléculaires du système nerveux.

Beaucoup de substances interagissent avec les synapses. On distingue principalement deux types de substances suivant leur interaction : 

  • Les agonistes : (exemples : muscarine, nicotine…) Ils peuvent soit empêcher la dégradation de l’acétylcholine, soit mimer son effet.
  • Les antagonistes : (exemple : curare) Ils vont à l’encontre de la transmission nerveuse. Dans le cas du curare, ce dernier se fixe sur les récepteurs cholynergiques et empêche la transmission de l’information nerveuse.

Doc.13 : Curare, antagoniste de l’acétylcholine

Enfin, si ces substances peuvent agir localement sur la transmission nerveuse, d’autres peuvent agir en amont sur les voies volontaires. Dans ce cas, elles interfèrent avec le cerveau.

Animation : 

L’alcool, la nicotine ou les drogues sont des substances pouvant provoquer de l’addiction. C’est la répétition de la prise de ces substances tout en connaissant les dangers de leurs effets négatifs que l’on appelle l’addiction.

L’addiction se fonde sur l’augmentation du taux de dopamine qui est un neurotransmetteur du système de récompense ou renforcement. Les personnes ayant un fort taux de dopamine auraient davantage tendance à poursuivre des conduites dites « à risque » ou à rechercher ces situations (dont l’usage de stupéfiants, les jeux de hasard ou les paris).

Doc.14 : Les circuits de la récompense.

D’après J.Boscq

Les régions du cerveau essentielles pour le contrôle de la motivation et du renforcement émotionnelle sont l’aire tegmentale ventrale et le noyau accumbens.  Lors d’une sensation plaisante,  l’aire tegmentale ventrale est activée. Celle-ci libère de la dopamine vers le noyau accumbens, le septum, l’amygdale et le cortex préfrontal. C’est ce qu’on appelle le circuit de récompense.

Toutes les drogues ne provoquent pas de la même manière une augmentation du taux de dopamine dans le cerveau. Certaines augmentent la sécrétion du neurotransmetteur, soit en bloquant le neurone inhibiteur en amont, soit en stimulant un neurone excitateur en amont, soit en bloquant le recyclage du neurotransmetteur directement au niveau du neurone dopaminergique…

Doc.15 : Interaction des drogues avec le circuit de la récompense.

D’après J.Boscq

IV- La plasticité cérébrale. 

La plasticité cérébrale : C’est la capacité du cerveau à rétablir ou à remodeler ses connexions en fonction de l’environnement et des expériences vécues.

Lorsqu’un accident se produit (AVC, lésion…), on s’aperçoit que certains patients arrivent à récupérer partiellement leur capacité motrice. Tout dépend bien-sûr de l’importance de la lésion initiale. La bonne rééducation sera alors primordiale pour que les progrès puissent s’observer. A l’IRM, il apparait qu’une réorganisation s’effectue autour de la zone touchée.Parfois la réorganisation se fait au détriment d’autres aires et est de toute manière liée à la création de nouvelles synapses (ou synaptogenèse). La synaptogenèse n’intervient que lors de stimulations apprenantes et de tests alternatifs et répétés.

Doc.16 : Plasticité neuronale.

D’après J.Boscq

Cela signifie qu’une nouvelle interface synaptique est créée, avec une activation de gènes permettant la synthèse de toutes les protéines nécessaires à la membrane plasmique de l’élément présynaptique.

Doc.17 : variabilité de la récupération après un AVC plus ou moins grave

modifié d’après semanticscholar.org

Dans tous les cas, la plasticité cérébrale est variable selon les individus et prend du temps. 

A noter que les processus de mémorisation, sont aussi liés à la plasticité de notre cerveau, comme par exemple celle de l’Hippocampe. A une synapse créée (dont le mécanisme est la « potentialisation à long terme »), une mémorisation solide et durable est réalisée. De la même façon, la perte de mémoire durable d’une notion autrefois ancrée est liée à la perte d’une synapse.

Dans le cas d’une sclérose en plaques, une rémyélinisation des axones, même partielle, peut permettre au patient à retrouver certaines de ses fonctions. Dans ce cas particulier, on parle aussi de plasticité cérébrale

La plasticité cérébrale varie bien en fonction de l’âge et des zones considérées, mais peut aussi être pondérée par les apprentissages et les stimulations du cortex. Cela signifie donc que nous avons un patrimoine nerveux et que chacun de nous doit veiller à le préserver, voire à le stimuler pour en étendre ses capacités.

Doc.18 : Processus de récupération après un AVC entraînant une faiblesse du bras droit.

D’après JBoscq

Conclusion : 

Le réflexe myotatique apparait bien simple au regard des commandes volontaires du mouvement. Les investigations par les études de cas cliniques ou par l’IRMf ont permis de mieux cerner les territoires nerveux supérieurs de ces commandes et leurs relais jusqu’aux fibres nerveuses. 

Les accidents ne sont pas toujours définitifs, et l’apprentissage permet de réorganiser les réseaux neuronaux. Cela s’appelle la plasticité cérébrale. Cette plasticité varie selon les âges et les territoires. Cependant, même si cette variabilité existe, il est important de garder à l’esprit que notre capital nerveux doit être préservé par de multiples stimulations.

La recherche est encore extrêmement active dans l’exploration fonctionnelle du cerveau car bien des mécanismes restent encore à décoder au niveau fonctionnel.