Synthèse et compléments en Neuro - Anatomie fonctionnelle

SYNTHESE EN NEURO - ANATOMIE FONCTIONNELLE

Ce texte comporte trois parties :
– Approche de la cybernétique
– Applications en Neuro - physiologie et en Neuroanatomie fonctionnelle
– Applications en Rééducation fonctionnelle

A- Approche de la cybernétique

I - Généralités

a) - le sens du mot : du grec "kubernêsis", action de gouverner un vaisseau ; ou barrer, en compensant les déviations et les dérives pour rester sur la route programmée.

b) - Le créateur de cette discipline est Norbert Wiener. Le livre fondateur (1948) avait pour titre
" La cybernétique ou le contrôle et la communication, chez l’animal et la machine ". Il s’agit de la démonstration du fonctionnement des structures complexes et inter - dépendantes. C’est une science nouvelle.

c) - son domaine :

1. Les sciences physiques

*Physique fondamentale (l’atome)
*Physique appliquée (les machines mécaniques et thermo - dynamiques)
*Chimie (les molécules et les réactions chimiques)

Electricité et l’électro - mécanique

Electronique

Informatique

2. Les sciences de la nature

Biologie générale

Biologie végétale

Biologie animale, et principalement :
le Système nerveux et le système neuro - musculaire (Bio -cybernétique) ainsi que les régulations hormonales .

3. Peut s’appliquer aux sciences humaines (?)

d) - Les buts de la cybernétique appliquée

Centraliser des informations et les organiser par INTEGRATION, pour les redistribuer sous une forme différente, adaptée aux situations extérieures (Ex. rôle de la substance grise dans le cerveau, le tronc cérébral, et la moelle épinière), et en contrôler la programmation. Il s’agit donc d’un traitement de l’information. De ce fait, il y a une forte analogie avec l’informatique.

En bref : Réception (sensitive ou sensorielle), Intégration, Programmation motrice, Contrôle du fonctionnement moteur par boucle de rétro - action.
Ex. Une base de données rassemble de multiples informations, dans un ordre aléatoire, mais peut les ré - organiser à volonté : tri selon les dates, les origines, les destinations, les thèmes etc...
La cybernétique étudie l’organisation fonctionnelle des systèmes complexes, en vue d’obtenir la meilleure performance possible.

II - Notion de SYSTEME

Un système est formé par un ENSEMBLE de structures élémentaires qui établissent des relations entre elles (Ex. une montre est un système, un groupe de neurones aussi, ex : les noyaux gris centraux). Ce sont des structures inter - connectées et intra - organisées. La variation d’un seul élément entraîne, si elle n’est pas compensée, la modification fonctionnelle de tout le système.

Le rôle d’un système est de lancer des séries d’actions physiques mécaniques, électriques ou chimiques (ex. les neuro - transmetteurs). Ces actions s’enclenchent les unes les autres, et traitent des informations qui s’organisent et s’enchaînent les unes aux autres.

En Biologie, les systèmes sont, en permanence, en équilibre instable et oscillant (Ex. déséquilibres neuro - végétatifs).

L’action cybernétique peut aboutir à une variation programmée par le système, ou à une correction de variation aléatoire, assurant la stabilité relative et fluctuante du système (Ex. l’homéostasie)

B - Applications en Neurophysiologie

Exemple de système organisé : Le Système nerveux central

L’exemple de démonstration choisi ici est la Fonction Motrice, dont le résultat le plus apparent est le MOUVEMENT. Il s’agit donc de l’organisation du système NEURO - MUSCULAIRE. (SN Central + SN Périphérique + Muscle + Articulation + Segment osseux).

a) - Historique :

L’organisation neurologique du mouvement est connue, dans ses grandes lignes, depuis le début du XXème siècle, grâce aux travaux de Sherrington. Cette organisation est hiérarchisée :
– à la base du système, se trouve la moelle épinière dans laquelle se déroule l’activité réflexe
– au dessus, le cervelet, dont les voies transitent par le tronc cérébral, assure l’organisation de l’activité motrice et la coordination musculaire nécessaire au mouvement.
– enfin, au sommet, se trouve le cerveau. Les noyaux gris centraux du cerveau paléencéphale) sont responsables des activités motrices automatiques. Le cortex du cerveau (néencéphale) est l’initiateur du mouvement volontaire.

Cette hiérarchie fonctionnelle générale n’a pas été remise en cause par les découvertes ultérieures, mais la connaissance du fonctionnement des systèmes moteurs s’est approfondie.

Les travaux récents ont introduit des notions pluri - disciplinaires, adoptées par la neuro - physiologie. Elles concernent la cybernétique (organisation des voies neurologiques en boucles de rétro - action - feedback et feedforward - aboutissant à des organes comparateurs), ainsi que l’informatique (notion de programmes moteurs pré-établis ou engrammes (noyaux moteurs pluri - segmentaires de la moelle épinière) lancés par des instructions à type de macro-commande (Ex ; mouvement d’enroulement global du membre supérieur).

On voit que les voies neurologiques ne sont pas rectilignes. Elles comportent des relais synaptiques, assurant transmission et orientation des influx. A part les axones des grandes cellules pyramidales de Betz de l’aire 4 ( voie directe cortico-spinale), les autres voies motrices sont disposées en boucles rétrogrades remontant vers leur source ( boucles de rétro - action - feed-back ) ou atteignant des noyaux plus lointains situés en aval du trajet (boucles de feed - forward).

b) - Les boucles en général : Fonctions simples d’un système

En cas de perturbation des performances du système, un organe comparateur capable d’intégration (ex : noyau rouge ou noyau olivaire) envoie un signal rétrograde compensateur (feed-back) permettant une correction différentielle du signal d’entrée dans le système. Le signal d’entrée est ainsi modifié, de façon à compenser la perturbation intercurrente. Finalement, le signal de sortie, compensé, est conforme aux paramètres du signal d’entrée.

C - APPLICATIONS EN NEURO - ANATOMIE FONCTIONNELLE

1) Les conditions physiques du mouvement :

L’activité motrice du sujet, ou mouvement, se déroule dans le milieu extérieur. Le milieu extérieur est soumis à des forces permanentes ou aléatoires, mais tout mouvement nécessite d’abord un appui.

– a) - L’appui :
Pour le tronc et les membres inférieurs, il s’agit d’un appui au sol. Pour les membres supérieurs, il s’agit d’un appui à plusieurs niveaux : appui proximal sur le tronc, appui inter - segmentaire par les articulations intermédiaires et distales. Ex : le membre supérieur en mouvement est maintenu et disposé dans l’espace, malgré son propre poids.

– b) - La gravitation :
Force naturelle, permanente et incontournable. Toute la musculature, axiale ou dans les membres, lutte en permanence contre la gravitation. C’est le rôle de la musculature posturale. L’information provient de l’appui plantaire sur le sol et de la notion de poids du corps (extéroceptivité, baresthésie, proprioceptivité consciente (récepteurs articulaires) et inconsciente (fuseaux neuro - musculaires). Le traitement de l’information et la commande neurologique centrale se situent dans le paléencéphale du cerveau et le paléo -cervelet (Système paléo - moteur).

– c) - Les forces aléatoires proviennent de l’environnement.
Ce sont des poussées ou des déplacements par inertie (ascenseurs, autobus, projections accidentelles...etc...). Ces forces sont verticales ou horizontales (sagittales, transversales ou rotatoires) et mettent en jeu le maintien de l’équilibre par déplacement du centre de gravité hors du polygone de sustentation. L’information provient de l’appareil vestibulaire et le traitement central se fait dans l’archéo - cervelet (Système archéo - moteur).

– d) - Sur l’appui fondamental, complété par les appuis inter - segmentaires, le déplacement volontaire et balistique du membre est conduit par les muscles à longue portée (muscles poly- articulaires). C’est le mouvement apparent (Système néo- moteur).

– e) - A l’extrémité du membre, mobile ou stabilisé, les petits muscles distaux sont capables de mouvements sélectifs de précision (Faisceau pyramidal).
On voit que le mouvement normal nécessite toutes les étapes motrices décrites ci - dessus.

2) Le faisceau pyramidal : Structure et Fonctions

a - Concept morphologique

L’anatomie de la morphologie interne du cerveau décrit l’origine des axones pyramidaux, étalée sur toute la hauteur de l’aire 4, formant un large éventail dans le centre ovale de la substance blanche cérébrale. Après torsion, l’ensemble des axones moteurs se regroupe, formant alors un faisceau compact qui s’engage dans le bras postérieur de la capsule interne. Le faisceau, traversant la base du cerveau, s’engage dans le mésencéphale, occupant une large part des pédoncules cérébraux. Le faisceau est dissocié dans le pont, puis regroupé dans les pyramides de la moelle allongée. Au quart inférieur de la moelle allongée le faisceau se divise en faisceau pyramidal croisé et faisceau pyramidal direct. C’est le site de la décussation pyramidale.
Du point de vue morphologique, le terme de « faisceau pyramidal » est justifié.

b - Concept neuro - physiologique et fonctionnel :

L’étude cytologique de l’aire 4 (aire motrice primaire), montre qu’elle contient les grandes cellules pyramidales de Betz, dont les axones constituent la voie cortico-spinale directe.
Mais l’aire 4 contient en plus grande quantité, des petites cellules pyramidales, comme les aires motrices associatives (6, 5, 7,21, 22). Les axones moteurs de ces petites cellules motrices descendent dans le faisceau pyramidal. Certains atteignent la corne ventrale de la substance grise dans la moelle épinière. D’autres constituent la voie cortico - réticulo - spinale inhibitrice. Les axones restants, les plus nombreux, participent à la formation des grandes boucles de régulation motrice, à destinée cérébelleuse. Ces voies en boucles retournent au cortex moteur, dont les fibres efférentes descendent dans l’épaisseur du faisceau pyramidal.

En bref, la structure du faisceau pyramidal est hétérogène :
– Il existe 35000 grandes cellules pyramidales de Betz, dans l’aire 4, c’est à dire 2 à 3% des axones moteurs contenus dans le faisceau pyramidal.
– Environ 60% des axones moteurs du faisceau proviennent des petites cellules pyramidales de l’aire 4.
– Environ 40%, proviennent des aires motrices associatives (6, 5, 7, 21, 22)
– Un autre contingent de fibres correspond aux connexions cortico - striatales (Circuit cortico - strié principal).

Dans ces conditions, le faisceau pyramidal peut être appelé « Voie Pyramidale ».

Elle est la grande voie de la motricité volontaire et elle assure l’asservissement (au sens cybernétique), des structures motrices sous-jacentes, nécessaires à l’exécution du mouvement normal.

3) Nouvelle approche des fonctions musculaires :

Les fonctions musculaires peuvent être étudiées selon 3 niveaux conceptuels :

– a) - fonctions analytiques. Elles découlent de l’anatomie morphologique. La fonction d’un muscle est déduite de sa position sur le squelette, du niveau de ses insertions proximales et distales, de sa direction et de son trajet. Sa contraction et le raccourcissement qui en résulte, mobilisent des segments squelettiques. C’est une fonction bio - mécanique de base, soumise aux lois physiques des leviers. C’est une fonction linéaire simple. Elle est enseignée dans les premières années des études anatomiques et il n’est pas possible de l’ignorer.

– b) - fonctions synthétiques. Dans les faits réels de la fonction motrice, un muscle ne fonctionne jamais seul. Même dans le cas d’un mouvement distal sélectif très précis, il existe un concours de muscles voisins, intermédiaires et proximaux assurant en amont, le support et le déplacement des segments de membre. Il a été montré plus haut que les groupes musculaires recrutés dans l’exécution du mouvement fonctionnaient en chaînes musculaires cinétiques ouvertes ou fermées (muscles poly - articulaires) et en couples agonistes/antagonistes (muscles mono - articulaires) assurant la posture.

– c) - fonctions déduites de l’équipement histo - enzymatique des fibres musculaires. (Techniques histo- chimiques).

Depuis les travaux de Burke et Engel, nous savons qu’il existe au moins deux types de fibres musculaires : les fibres de type I ou S ( pour slow = lent) et des fibres de type II ou F ( pour fast = rapide). Cette distinction est basée sur l’analyse histo - chimique des fibres et révèle l’importance de leur équipement en enzymes glycolytiques ( ATPase et enzymes oxydatives). Les fibres I correspondent aux anciennes appellations de muscles rouges ou muscles lents, par référence à leur temps de contraction. Les fibres II correspondent aux anciennes appellations de muscles blancs ou muscles rapides. A l’intérieur du groupe II, il a été ultérieurement décrit deux sous-groupes : le groupe II A ou FR (pour résistant à la fatigue) et le groupe II B ou FF (pour rapide et fatigable). Ces deux derniers groupes sont départagés par leur contenu en enzymes glycolytiques et par leur temps de contraction.

La corrélation entre l’équipement histo - chimique de la fibre et sa fonction a été étudiée par Granit et ses collaborateurs ( 1956/1957 ) de la façon suivante :
– Les fibres I ou S sont à fonction tonique
– Les fibres II A ou FR sont à fonction posturale
– les fibres II B ou FF sont à fonction phasique

Chaque muscle squelettique contient deux ou trois catégories de fibres, en proportion variable, dispersées dans le corps musculaire. La structure et la fonction d’un muscle ne sont pas homogènes. Dans cette perspective, la fonction principale d’un muscle est conditionnée par la prépondérance d’une ou deux populations de fibres musculaires dans l’ensemble de ses fibres.
On peut regretter de ne pas disposer actuellement des données histo - chimiques pour tous les muscles de l’anatomie humaine.

L’hypothèse proposée ici, est que chacun des systèmes moteurs centraux : archéo - moteur (Tonus et équilibre), paléomoteur (motricité automatique posturale), néomoteur (direction du mouvement) , exposés plus haut, est responsable de la mise en oeuvre d’une population particulière d’unités motrices, concernant des fibres musculaires de même fonction, réparties dans des muscles différents.

Ceci modifie le concept de muscle, en tant qu’organe fonctionnel individuel, mais explique qu’un muscle puisse avoir plusieurs fonctions et qu’il puisse travailler en synergie dans des chaînes musculaires, recrutant des populations de fibres musculaires de même fonction, dans des muscles voisins mais différents. Ainsi, dans la flexion volontaire du coude, ce sont les fibres musculaires de même type qui sont stimulées conjointement dans le m.biceps et le m. brachio - radial (m. long supinateur). Au niveau central, les voies motrices responsables sont celles du système néo-moteur.

Les fibres I ou S (toniques) dépendent des systèmes myotatique et archéo-moteur, les fibres II A ou FR (posturales), du système paléo-moteur, et les fibres II B ou FF (phasiques), du sytème néo-moteur.

Puisque chaque muscle contient en quantité variable les trois populations de fibres, on comprend mieux ainsi leur parfaite adaptation tonico - posturale, aux variations constantes de la balistique du mouvement, ainsi que le concept de chaînes musculaires.

En bref, l’unité musculaire fonctionnelle de base n’est pas le muscle en tant qu’organe isolé, mais l’unité motrice, en raison de ses caractères enzymatiques.

D - APPLICATIONS EN REEDUCATION FONCTIONNELLE

La méthodologie en kinésithérapie décrit :

1-la kinésith. passive analytique, indispensable pour effectuer des bilans

2-La kinésithérapie active analytique :
– libre
– aidée par pouliethérapie
– avec effort contre-résistance (manuelle, ou avec ressorts, ou avec poids).

Deux concepts sont ici importants : ce sont : ACTIVE et EFFORT

2-La kinésithérapie active globale.

Aux membres elle peut être ipsilatérale (côté des lésions) libre ou avec effort contre - résistance.
Elle correspond aux gestes réels de la vie courante et utilise les chaînes musculaires cinétiques (muscles poly-articulaires) ainsi que les groupements musculaires antagonistes (muscles mono - articulaires). Le support neuro - anatomique des chaînes cinétiques sont les noyaux moteurs pluri - segmentaires, dans les renflements médullaires.

4 - Rééducation neuro- musculaire proprioceptive
Il s’agit de la proprioceptivité inconsciente ou sensibilité musculaire à l’étirement, impliquant les fuseaux neuro - musculaires

Les techniques de rééducation neuro - musculaires proprioceptives ( re - programmation neuro - motrice ) ( Bobath, Kabat Rood ) entrent dans ce cadre là. Elles utilisent, à la fois, la notion de diffusion de l’influx nerveux par débordement d’énergie (nécessité de l’effort) pour obtenir l’inhibition des contractures centrales et la contraction de groupes musculaires à distance.
Ex : Le membre supérieur de l’hémiplégique, au stade de la spasticité : Le déficit fonctionnel a deux causes : la perte du mouvement volontaire et la contracture centrale des muscles paralysés. La préoccupation principale est la levée de la spasticité dans l’espoir ultérieur d’une récupération neuro - motrice ( totale ou partielle ).

5 - La kinésithérapie active globale contro - latérale ( côté opposé à la lésion) avec effort contre résistance dans le membre sain.

Selon KABAT, le moyen le plus sûr de recruter le plus grand nombre d’unités motrices dans un ou plusieurs muscles à distance, est l’application de la résistance au mouvement volontaire. Les unités motrices responsables de l’effort contre résistance sont les unités motrices tonico - posturales et non les unité motrices phasiques.

Dans l’effort important, il existe un débordement proportionné des influx tonico - posturaux dans des muscles voisins, et mêmes contro - latéraux. Les connections synaptiques entre les interneurones de la lame VII dans la moelle épinière, permettent la diffusion contro - latérale avec inhibition des mêmes muscles dans le membre spastique. En effet, dans le mouvement global normal, la posture contro - latérale est alternée avec celle du membre actif avec action inhibitrice dans les mêmes muscles du côté opposé ( Exemples sportifs : les membres sup. dans le crawl, lancer du poids ou de javelot ou balancement automatique et alterné des membres sup. dans la marche).

L’hypothèse faites ici est que le débordement d’influx toniques par effort important, dans le membre sain, exerce une inhibition contro - latérale sur la contracture centrale du membre spastique.

Les données fondamentales de cette hypothèse, sont décrites dans le cours de Neuroanatomie fonctionnelle. Il appartient aux praticiens de rééducation fonctionnelle de faire la synthèse des données fondamentales et des techniques thérapeutiques