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UE NB015- Neurosciences du Mouvement - Université Paris VI
Véronique Marchand-Pauvert - U731 INSERM/Paris 6 - Pitié Salpêtrière
Générateur spinal de la locomotion chez l’Homme?…
Chez l’animal…
* réseaux neuronaux spinaux organisés > contrôle locomoteur
* sous le contrôle des afférences périphériques et des centres suprasegmentaires
* moelle épinière isolée > génération du rythme locomoteur
Chez l’Homme
* rôle important du cortex moteur dans le contrôle des mouvements
* Marche bipède et plantigrade > pas de modèle animal
* Générateur spinal de la marche > avantage pour le contrôle moteur et
récupération locomotrice après lésion…
Grillner S. Prog Brain Res. 2002;137:97-108 - Duysens J, Van de Crommert HW. Gait Posture 1998;7(2):131-141.
Observations cliniques…
Luys 1893
après décapitation (animal et Homme) > contact cutané > mouvements
rythmiques (réflexe de flexion)
Lhermite 1919, Khun 1950
mouvements rythmiques après lésion de la moelle épinière
> après lésion incomplète (concerne la plupart des études cliniques)
> rares après lésion complète
Hanna & Franck 1995
patients en mort cérébrale > mouvements des jambes
Afférences du réflexes de flexion…
ou FRA (flexor reflex afferents)
Afférences cutanées, articulaires, nociceptives et aussi proprioceptives via les afférences du
groupe II. En résumé : toutes sauf celles du groupe I (Ia des fuseaux neuromusculaires et Ib des
organes tendineux de Golgi)
côté ipsilatéral : facilitation des fléchisseurs et inhibition des extenseurs >
flexion ipsilatérale = réflexe de flexion
côté controlatéral : inhibition des fléchisseurs et facilitation des extenseurs
> extension controlatérale = réflexe d’extension croisée
Réflexe cutanéo-musculaire : bas seuil, oligosynaptique, convergence des autres FRA
Réflexe de retrait : polysynaptique, distribution spécifique (activation de muscles extenseurs)
Contrôlés par les voies descendantes (cortico- et rubro-spinale)
Sherrington 1900’ - Eccles & Lundberg 1960… - pour réf voir Jankowska. 1992. Prog Neurobiol;38(4):335-378.
Voies réflexes alimentées par les FRA
FRA ipsilatérales (i.FRA) >
activation de deux réseaux
d’interneurones distincts >
réponse réflexe de courte
latence (C) et réponse réflexeFlex
C Li.FRA co.FRA
Les interneurones L activant les muscles fléchisseurs (Flex) inhibent les interneurones L
activant les muscles extenseurs (Ext) et réciproquement > inhibition mutuelle > alternance
de phase entre les muscles fléchisseurs et les muscles extenseurs
Flex
i.FRA
Ext
co.FRA…provenant de l’autre membre
L L
de longue latence (L) dans les muscles fléchisseurs (Flex). La chaîne d’interneurones L est
inhibée par la chaîne d’interneurones C et par les FRA controlatérales (co.FRA)
Rôle de servo-assistance au contrôle sensori-moteur
…d’un même membre
FRA et générateur spinal de la locomotion chez l’animal
Flex
i.FRA
Ext
co.FRAL L
Après injection de L-Dopa chez des chats spinaux aigus, les réponses réflexes de courte
latence disparaissent > levée d’inhibition sur les interneurones L > les réponses de longue
latence apparaissent
Reproduit pharmacologiquement le contrôle monoarminergique descendant provenant du
tronc cérébral (région mésencéphalique locomotrice ou MLR)
Flex
C Li.FRA
Contrôle descendant > activation des réseaux neuronaux impliquant les interneurones L +
rétrocontrôle afférent (FRA) > alternance de phase entre les muscles fléchisseurs et
extenseurs par le biais des réseaux de l’inhibition mutuelle > support synaptique de la notion
de ‘half centre’’ développée par Brown dans les années 1910’ > CPG locomotion…
Levée d’inhibition présynaptique sur les FRA et
renforcement de l’inhibition présynaptique sur les
afférences du groupe Ia > rétrocontrôle via les FRA
Réflexe de flexion chez des patients spino-lésés
Bussel fin 80’ - début 90’
patients présentant une lésion complète de la moelle épinière > stimulation des FRA
(stimulation de haut seuil au niveau du nerf sural) > réponses réflexes présentant les mêmes
caractéristiques que les réflexes évoqués chez le chat après injection de L-Dopa :
* Apparition de réflexes de flexion de longue latence accompagnés d’une
augmentation de l’inhibition présynaptique exercée sur les afférences du groupe Ia
* Inhibition spécifique des réflexes de flexion de longue latence controlatéraux
(pas d’inhibition des réflexes de flexion de courte latence ni de ceux transmis par les
afférences du groupe Ia - réflexe H dans les fléchisseurs)
Roby-Brami A, Bussel B. Brain. 1987;110(3):707-725 - Roby-Brami A, Bussel B.Exp Brain Res. 1990;81(3):593-601 - Roby-
Brami A, Bussel B.Exp Brain Res. 1992;90(1):201-208.
Bussel 1988
myoclonies (< 1 Hz ; bilatérales et symétriques) de la musculature axiale et des
muscles extenseurs des jambes chez un patient tétraplégique complet. Contrôlées par les
afférences périphériques (FRA) > réduisent ou arrêtent ces contractions involontaires des
extenseurs et facilitent la contraction des muscles fléchisseurs > alternance d’activité entre
les fléchisseurs et les extenseurs sur quelques cycles (associée à une réduction des réflexes
H du soléaire et du quadriceps > renforcement inhibition pré-synaptique sur les afférences du
groupe Ia)
Lésions de la moelle épinière et mouvements locomoteurs
Bussel B, Roby-Brami A, Azouvi P, Biraben A, Yakovleff A, Held JP .Brain. 1988;111(5):1235-1245
Stimulation de la moelle épinière
Stimulation chez l’animal
chez des chats spinaux ou intacts > électrodes placées sur la partie dorsale de la
moelle épinière > activité rythmique locomotrice au niveau des pattes postérieures (et parfois
des pattes antérieures). Position optimale : segments L3-L4Avelev et al. 1997 - cf. Rossignol. Neurorehabil Neural Repair. 2002;16(2):201-206
Stimulation chez l’Homme
patients présentant une lésion spinale complète (étude également chez des patients
scoliotiques) > stimulation épidurale continue > activité électromyographique proche de celle
observée pendant la marche. Position optimale : L2-L3
Activité électromyographique accompagnée d’un renforcement de l’inhibition
présynaptique sur les afférences du groupe Ia (réduction du réflexe H) > tout comme les
réflexes de flexion de longue latence et comme il l’a été observé chez sujet sain, au cours de
la marche sur tapis roulant (Dietz et al. 1990 - Faist et al. 1996)Gerasimenko et Dimitrijevic fin 1990’
Interprétations des données après lésion spinale
Données chez patients présentant une lésion de la moelle épinière > bons
arguments en faveur de l’existence d’une organisation neuronale spinale permettant de
reproduire des mouvements rythmiques de type locomoteur
Ces réseaux présentent des caractéristiques (organisation et réponses réflexes
transmises par ces réseaux) analogues à celles décrites chez l’animal, concernant les
réseaux impliqués dans le générateur spinal de la locomotion
Questions ?…
Alternance fléchisseurs/extenseurs > ne correspond pas aux caractéristiques de la
marche humaine. Ces réseaux sont-ils utilisés chez les sujets sains, au cours d’une marche
bipède?
Chez les patients incomplets > réseaux spinaux difficiles à activer > les résultats
ne permettent pas de déterminer si les centres supérieurs sont requis pour interagir avec les
générateurs spinaux pour marcher ou si la locomotion est seulement contrôlée par les
centres supérieurs
Chez les primates après lésion spinale > activation d’un CPG inversement
proportionnelle aux connections cortico-motoneuronales…
Vestigial ou fonctionnel???
Arguments cliniques supplémentaires
Marche du nouveau né : réflexes archaïques observés chez le nourrisson > coordination proche
de la marche adulte > maturation à partir de cette marche primitive. Ces mouvements
coordonnés ont pu être observés in-utéro
Mouvements des jambes pendant le sommeil : stéréotypés, périodiques (sommeil léger) et
répétitifs d’une ou des deux jambes (flexion cheville, hanche et genou et extension des orteils).
Ces mouvements ne sont pas spécifiques d’une pathologie (lésions spinales, hyperekplexie >
liés à une levée d’inhibition) et peuvent apparaître chez des sujets sains après 30 ans
Vibrations : sujets sains avec une jambe suspendue > vibration d’un muscle > mouvements
cycliques du genou + hanche des deux jambes, activité électromyographique rythmique au
niveau des muscles de la hanche. Mouvements produits # marche avant ou arrière. Idem en
bloquant les articulations. Mouvements facilités par stimulation cutanée au niveau de la plante
des pieds # contact avec le sol
Afférences proprioceptives (vibration) > initiation + maintien activité locomotrice. Pas
suffisantes pour assurer le maintien postural et la propulsion en avant
Suggère rythme locomoteur de base puisse être généré involontairement chez l’Homme…
E
M
I
L
Prémotoneurone excitateur
Motoneurone
Interneurone inhibiteur croisé
Interneurone inhibiteur latéral
Thalamus
RéticuloSpinal
Récepteurs à l’étirement musculaire
excitateur ou inhibiteur
Région mésencéphaliquelocomotrice
Structures suprasegmentaires
noyaux gris
tronc cérébral
> Déclenchement et contrôle
Structures segmentaires
réseaux neuronaux croisés
> rythme locomoteur généré grâce aux propriétés des neurones et de celles du réseau
Afférences périphériques
> rythme locomoteur
Générateur spinal de la locomotion chez les vertébrés
Lamproie
Cf. Grillner S. Prog Brain Res. 2002;137:97-108
Existence d’un GSL lombaire
système propriospinal lombaire
= ?
GSL chez le chat
Segments L3 et L4 pour évoquer une
rythmicité locomotrice (Cf. Rossignol 2002)
Segments L3 et L4 = interneurones
propriospinaux (Cf. Jankowska 1992) Propriospinal
Motoneurones
Interneurones inhibiteurs
AFFÉRENCES PÉRIPHÉRIQUES
VOIES DESCENDANTES : Cortico, rubro, vestibulo et tectospinale
Générateur spinal de la locomotion chez les vertébrés
Chat
Interneurone
propriospinal
Quadriceps
Tibialis anterior (TA)
Etude descriptive
> Synergie entre TA et Quadriceps au
cours du mouvement
Approche électrophysiologique de la marche chez l’Homme sain
Réflexe impliquant des interneurones propriospinaux
Simonetta-Moreau M et al. J Physiol. 1999; 517(1): 287-300 - Marchand-Pauvert V et al. J Physiol 2002; 542(3): 963-976
Motoneurone
Contrôle descendant et interaction avec les neurones spinaux
Ib
Quadriceps
Tibialis anterior (TA)
Cortex moteur primaire (M1)Interneurone propriospinal
Activation de la voie propriospinale au cours de la marche
Tapis roulant
EMG du quadriceps
EMG du TA
Capteur talon-sol
Stimulation du nerf fibulaire déclenchée en
moyenne 30 ms après le contact talon-sol
QUADRICEPS
TIBIALIS ANTERIOR
Phase d’appui Phase oscillante (PO)PO
100 ms
0 50 ms
EMG contrôle
EMG conditionné
25 30 35 25 30 35ms
Voie réflexe propriospinale au cours de la marche hyper-active
Rôle du cortex moteur?…
Marchand-Pauvert V, Nielsen JB. J Physiol. 2002;53852):647-657
Contrôle corticospinal sur les interneurones propriospinaux au
cours de la marche
J
JJJ
J
J
JJJJ
70
85
100
115
130
-12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3
Con
ditio
ned
relfe
x (%
con
trol)
TMS - CPN interval (ms)
Interneurone propriospinal
Quadriceps
Tibialis anterior (TA)
Motoneurone
??
Stim. nerf périphérique seule : réponse réflexe ‘test’
+ Stim. corticale (M1) : réponse réflexe ‘conditionnée’
Modification de l’intervalle entre les deux stimulations de manière
à optimiser la rencontre de la volée corticospinale et de la volée
périphérique au niveau des neurones de la moelle épinière
Interaction excitatrice ou inhibitrice?
standingwalking
Rôle du cortex moteur et des circuits sous-corticaux ?…
Voie réflexe propriospinale : hyper-excitabilité au cours de la marche n’est pas liée à une
augmentation d’un contrôle corticospinal excitateur sur cette voie
Contrôle inhibiteur descendant : quand cette voie n’est pas pertinente dans certaines
conditions de marche
Origine de l’hyperexcitabilité de la voie réflexe propriospinale ? : structures du tronc
cérébrale et/ou propriétés de réseau
Rôle du cortex moteur au cours de la locomotion ? : dépend de la musculature cible >
contrôle corticospinal excitateur au cours de la marche sur les muscles de la cheville mais
apparemment pas sur la musculature proximale