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Cerveau et mouvement volontaire
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Introduction :
Si certains mouvements sont involontaires, comme le réflexe myotatique, les autres émanent d’une décision d’agir sur son environnement. Il s’agit des mouvements volontaires. L’exécution de ces mouvements mobilise le cerveau qui va superviser la prise de décision ainsi que tous les systèmes nécessaires pour contrôler les muscles. Il peut cependant arriver que des lésions ou des pathologies impactent son bon fonctionnement.
En quoi le cerveau est-il le chef d’orchestre de nos mouvements ? Quelle est sa capacité de récupération après un traumatisme ?
Dans un premier temps, nous étudierons la structure anatomique du cerveau et les zones responsables du mouvement volontaire. Nous nous pencherons ensuite sur différentes lésions ou troubles susceptibles de perturber son fonctionnement. Pour finir, nous verrons que le cerveau est un organe doué d’une grande capacité de récupération grâce à ce qu’on nomme la plasticité cérébrale.
Cerveau et organisation anatomique
Cytologie du système nerveux
Le système nerveux est divisé en deux catégories :
Tout le système nerveux est constitué des neurones et de cellules de soutien, les cellules gliales.
Un neurone est une cellule excitable qui permet la conduction de messages électriques le long de ses fibres nerveuses.
Les cellules gliales se trouvent entre les neurones : elles permettent ainsi d’assurer la cohésion du tissu nerveux, son soutien et sa nutrition. Au niveau du système nerveux central, ces cellules représentent du tissu nerveux. Elles jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement des neurones.
Il existe plusieurs types de cellules gliales :
Les cellules de Schwann, par exemple, facilitent la conduction des potentiels d’action le long des nerfs en les entourant de leur membrane.
Cortex cérébral et aires motrices
Le cerveau contrôle toutes les fonctions du corps et est donc un organe complexe ; il est capital de l’étudier pour en comprendre le fonctionnement.
Une des techniques utilisées pour le sonder repose sur le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN).
En médecine, on parle d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) : on superpose une image du cerveau du patient à des indicateurs de l’activité cérébrale.
On utilise notamment la variation du taux de dioxygène dans le sang, marqueur de l’augmentation du métabolisme cellulaire.
IRMf :
IRMF signifie « Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ». Il s’agit d’une méthode permettant de visualiser l'activité cérébrale grâce à la variation du taux de dioxygène sanguin dans les différentes aires du cerveau.
Si l’on demande à un patient de fléchir trois fois l’index de sa main droite, nous pouvons observer les résultats suivants sur l’IRMf :
Nous pouvons donc voir que seules certaines aires cérébrales sont activées par la réalisation d’un mouvement volontaire : les aires corticales motrices.
Ici, c’est l’aire corticale motrice gauche qui est stimulée : la partie du corps mobilisée (ici droite) et la zone cérébrale activée sont toujours inversées.
Les aires motrices reçoivent des informations en continu sur l’état du système musculaire grâce aux aires de la perception. Cela permet d’ajuster les contractions. Le cervelet est une autre région du cerveau mettant en œuvre ce contrôle. Il compare la commande venant des aires motrices avec le résultat et modifie cette commande si un ajustement est nécessaire.
Le cervelet participe également à la programmation du mouvement volontaire, au contrôle de la posture et de l’équilibre, ainsi qu’aux mouvements combinés de la tête et des yeux.
Les commandes motrices sont ensuite dirigées vers la moelle épinière par les nerfs rachidiens, puis envoyées aux muscles.
Un muscle est toujours innervé par un unique motoneurone, mais un motoneurone peut innerver plusieurs muscles. Si un neurone contrôle peu de faisceaux musculaires, le mouvement sera précis. À l’inverse, si un neurone contrôle beaucoup de faisceaux musculaires, le mouvement pourra développer plus de puissance.
Il est possible d’associer un point du cortex à un muscle. On peut figurer une projection de ces innervations sur le cortex (on parle d’organisation somatotopique appelée aussi « homonculus »).
Dans ce type de représentation, plus un muscle est représenté, plus ses innervations sont importantes, plus ses mouvements peuvent être précis.
Sommation spatiotemporelle
Le message nerveux est d’abord codé au niveau des récepteurs sensoriels. Lorsqu’un stimulus est détecté, le potentiel de membrane du neurone sensitif varie. L’information codée sous forme de variation dans la polarisation de la membrane est convertie en potentiels d’action. Le train de potentiels d’action est alors transmis par les fibres nerveuses aux centres nerveux afin qu’il y soit traité.
Si plusieurs stimuli ont lieu en même temps ou au même endroit, l’information peut être sommée, dans le temps ou dans l’espace afin d’apporter une réponse plus adaptée.
Sommation temporelle :
On parle de sommation temporelle lorsque plusieurs stimuli agissent au même endroit dans un laps de temps court.
Sommation spatiale :
On parle de sommation spatiale lorsque deux stimuli agissent sur des points proches en même temps.
La sommation permet de réduire la quantité de potentiels d'action grâce à une addition des messages provenant des récepteurs sensoriels.
Nous pouvons voir sur ce schéma que trois stimuli agissant sur la même zone, tout en étant rapprochés dans le temps, peuvent s’additionner pour ne former qu’un seul potentiel d’action plus important.
Sur la seconde partie du schéma, nous pouvons voir que deux stimuli agissant sur deux zones proches et en même temps peuvent également s’ajouter l’un à l’autre. Le potentiel d’action correspond à une somme des deux stimuli.
Atteintes cérébrales
Un exemple d’infection nerveuse : la méningite
Le système nerveux peut être perturbé par différents événements, comme une infection par exemple. C’est le cas lors d’une méningite qui correspond à une inflammation de l’enveloppe protégeant le cerveau (enveloppe appelée les « méninges »). Cette inflammation est due à une infection par un pathogène.
Il ne faut pas confondre les méningites d’origine virale, souvent bénignes, avec les méningites d’origine bactérienne qui peuvent être mortelles. Les bactéries impliquées sont appelées les méningocoques ; elles se transmettent par contact étroit et prolongé.
Les symptômes de la méningite à méningocoques sont liés à l’infection (de la fièvre et de violents maux de tête), ainsi qu’à l’atteinte des méninges (une raideur de la nuque, une léthargie et des troubles de la conscience pouvant aller jusqu’au coma).
Le diagnostic est confirmé par l’examen du liquide céphalo-rachidien (prélevé lors d’une ponction lombaire) et du sang, à la recherche de bactéries.
Le liquide céphalo-rachidien est un liquide présent dans tout le système nerveux central. On le retrouve autour du cerveau mais également dans la moelle épinière. La présence des méningocoques dans ce fluide (qui est habituellement stérile) implique donc une infection généralisée du système nerveux, ce qui peut entraîner des conséquences graves, allant jusqu’au décès des patients.
Les conséquences d’une méningite mettent en évidence le fait qu’une inflammation cérébrale entraîne des perturbations au niveau de l’entièreté du système nerveux. En effet, ce dysfonctionnement conduit à des inflammations chroniques graves dans tout l’organisme ainsi que des lésions au niveau des nerfs et des œdèmes crâniens (troubles de la vue, de l’audition ou des mouvements faciaux) causant des atteintes neurologiques graves.
Les traitements sont souvent à base d’antibiotiques et des vaccins existent.
Maladies neurodégénératives
Certaines maladies entraînent une dégénérescence lente et progressive du système nerveux, des neurones notamment. Des fonctions sont alors perturbées ou perdues. Les conséquences peuvent aller de la perte d’autonomie au décès du patient. On parle de maladies neurodégénératives. Les plus connues sont la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson.
Lésions et dysfonctionnements
Il peut arriver, lors d’un accident violent par exemple, que le système nerveux soit endommagé. Les messages nerveux ne sont alors plus transmis ou traités correctement.
Dans ces cas de paralysie, les réflexes peuvent néanmoins être toujours fonctionnels.
Les hommes et les femmes partagent des symptômes communs lors d’un AVC, mais les femmes en présentent davantage.
Les femmes peuvent présenter davantage de signes avant-coureurs d’un AVC : ils sont souvent plus modérés et donc moins facilement identifiés.
Un AVC peut, à sa suite, générer plusieurs séquelles liées à la région du cerveau n’ayant pas pu être irriguée. Il peut s’agir d’une hémiplégie (paralysie d’une moitié droite ou gauche du corps) ou d’autres problèmes moteurs ; mais aussi de troubles du langage, de la compréhension et de la mémoire.
L’AVC est très visible en IRM avec une masse sombre témoin de l’hémorragie ; la connaissance des aires cérébrales et de leur fonction permet de comprendre quelles fonctions seront atteintes par l’AVC.
Il est cependant possible de récupérer d’un AVC, à différents degrés, grâce à des soins et de la rééducation. La plasticité cérébrale permet notamment à des parties saines du cerveau de prendre en charge les fonctions de zones touchées, en réorganisant des connexions neuronales.
Toutes ces lésions peuvent entraîner des conséquences allant de la perte d’autonomie au décès du patient. Le cerveau est cependant doué d’une plasticité qui peut lui permettre de récupérer certaines fonctions.
Plasticité cérébrale et thérapies
Capacité de récupération
Dans le cas d’un AVC, la zone atteinte est souvent définitivement endommagée. Il est néanmoins possible de récupérer partiellement ou totalement les fonctions perdues grâce à une prise en charge médicale et de la rééducation.
En effet, les neurones sont capables de créer de nouvelles synapses pour rétablir les fonctions de la zone endommagée. Cette zone reste lésée, mais d’autres régions du cerveau sont réquisitionnées pour prendre en charge les fonctions perdues. On parle de plasticité cérébrale.
D’autres mécanismes permettent au cerveau de récupérer après un traumatisme. Les cellules de Schwann sont, par exemple, capables de stimuler la croissance des fibres nerveuses qu’elles entourent et ainsi leur permettre de rétablir leurs connexions après une lésion.
La découverte des cellules souches offre également des possibilités thérapeutiques, pour le moment toujours en cours de recherche. Les neurones sont en effet des cellules qui se renouvellent très peu une fois la croissance achevée, mais le travail des chercheur·se·s laisse à penser qu’il sera un jour possible de rétablir la division de ces cellules après une lésion importante ou en cas de maladie neurodégénérative.
Capacité d’apprentissage
La plasticité cérébrale ne rentre pas uniquement en jeu lors de lésions. Il s’agit d’un mécanisme utilisé dès la mise en place du cerveau, pendant le développement embryonnaire. Au cours du développement de l’embryon, les synapses se forment et se détruisent continuellement pour s’adapter aux changements liés au développement.
Ainsi, c’est la plasticité cérébrale qui permet la fonction d’apprentissage. Certaines connexions sont perdues, renforcées ou remaniées pour optimiser la transduction du signal. C’est au niveau de l’hippocampe que cette plasticité liée à l’apprentissage est la plus importante.
En s’entraînant à une nouvelle tâche, les connexions neuronales vont être améliorées pour que la transduction des informations liées à cet exercice se fasse de manière plus rapide et plus fluide. Cette optimisation n’est cependant pas permanente. Si l’entraînement est stoppé sur le long terme et si la tâche n’est plus exécutée, les connexions seront perdues pour favoriser une autre activité.
On sait ainsi que le réseau neuronal se modifie en continu. L’étude du fonctionnement et de l’organisation du système nerveux permet d’utiliser ou d’assister cette plasticité naturelle de l’organisme.
Des recherches toujours en cours
Plusieurs approches thérapeutiques sont aujourd’hui à l’étude pour pallier les maladies neurodégénératives.
La thérapie cellulaire consiste à greffer des neurones sains pour remplacer les neurones lésés. Pour ce faire, les chercheur·se·s utilisent des cellules souches. Cependant, la technique est encore à améliorer, car son efficacité n’est pas encore optimale.
La thérapie génique est une autre piste en cours d’étude. Dans le cas de la maladie de Parkinson, par exemple, il serait possible de réintroduire une version du gène de la dopamine permettant sa production en continu pour pallier sa disparition. Les résultats sont encourageants à l’heure actuelle. Cette approche n’empêche cependant pas la dégénérescence neuronale.
Conclusion :
Le cerveau est le centre de commande de l’organisme. Dans le cadre du système moteur, il traite les informations issues des récepteurs sensoriels et orchestre les réponses de manière précise grâce à son organisation en différentes aires spécialisées. Des lésions et maladies peuvent conduire à une perturbation ou une destruction du tissu neuronal, ayant pour conséquences une perte d’autonomie, une paralysie ou le décès du patient. Il existe néanmoins un mécanisme lié à l’apprentissage, la plasticité cérébrale, qui permet au cerveau de récupérer pleinement ou en partie ses fonctions après un endommagement en réattribuant des fonctions perdues à de nouvelles zones cérébrales.