Cerveau et mouvement volontaire : un organe fragile

Neurones et cellules gliales ; aires motrices, somatotopie et controlatéralité ; voie motrice, motoneurone et unités motrices ; intégration des PPSE et des PPSI, sommations spatiale et temporelle ; plasticité cérébrale et récupération après un AVC ; neurotransmetteurs, molécules exogènes et comportements addictifs.

À propos de cette page

Six problèmes à partir de documents : cartographie du cortex moteur avant une opération, trois paralysies et trois lésions, strychnine et inhibition du motoneurone, apprentissage du jonglage, nicotine, varénicline et neurones à dopamine, récupération après un accident vasculaire cérébral.

6 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je lis chaque document : ce qui est mesuré (potentiel en mV, force, surface ou volume de cortex, dopamine), l’unité, et les conditions (stimulation, lésion, substance, entraînement).
Je repère le témoin et le seul facteur qui change d’une situation à l’autre.
Je calcule : amplitude = valeur atteinte − repos, somme algébrique comparée au seuil, rapport ou pourcentage par rapport à la valeur de départ.
Je relie chaque résultat à une notion : aire motrice et somatotopie, controlatéralité, voie motrice, intégration, plasticité, agoniste ou antagoniste.
Je conclus en une phrase sur la commande du mouvement ou sur la fragilité du cerveau.

Problème 1 · Cartographier le cortex moteur avant une opération★★★Facile

Document 1 — Stimulations chez un patient éveillé. Avant l’ablation d’une tumeur cérébrale, un neurochirurgien stimule différents points du gyrus précentral de l’hémisphère droit. Chaque point est repéré par sa distance, mesurée le long du gyrus, à partir de son extrémité située sur la face interne de l’hémisphère. Aucune stimulation ne provoque de mouvement du côté droit du corps.

Distance (cm)	Mouvement déclenché
1,1	orteils gauches
2,4	cheville gauche
3,5	hanche gauche
4,9	épaule et coude gauches
de 6,1 à 7,9 (7 points testés)	doigts et pouce gauches, à chaque point
9,3	commissure gauche des lèvres

Document 2 — IRM fonctionnelle chez un volontaire sain. Situation A : il exécute une séquence rapide de mouvements des doigts de la main droite ; le gyrus précentral gauche et l’aire motrice supplémentaire (lobe frontal, en avant du gyrus précentral) sont activés. Situation B : il imagine la même séquence sans bouger ; seule l’aire motrice supplémentaire est nettement activée, le gyrus précentral restant quasi silencieux.

1. Chaque point stimulé du gyrus précentral déclenche la contraction de muscles précis : il appartient à l’aire motrice .
Une zone dont la stimulation déclenche un mouvement est une aire motrice : ici l’aire motrice primaire, dans le gyrus précentral.
2. Des points voisins commandent des régions voisines du corps, des orteils aux lèvres : cette carte ordonnée s’appelle la .
Orteils (1,1 cm), cheville (2,4), hanche (3,5), épaule et coude (4,9), doigts (6,1 à 7,9), lèvres (9,3) : c’est la somatotopie.
3. Toutes les réponses concernent le côté du corps.
Hémisphère droit → moitié gauche du corps : le faisceau pyramidal croise la ligne médiane au niveau du bulbe.
4. Les doigts occupent au moins cm de gyrus.
7,9 − 6,1 = 1,8 cm, et les 7 points testés y déclenchent tous un mouvement des doigts.
5. Orteils, cheville et hanche tiennent entre 1,1 et 3,5 cm : cette bande ne dépasse celle des seuls doigts que de cm.
3,5 − 1,1 = 2,4 cm, contre 1,8 cm pour les doigts : 2,4 − 1,8 = 0,6 cm seulement, alors que les muscles de la hanche sont bien plus massifs. La surface reflète la finesse du contrôle.
6. Situation B : seule l’aire motrice est activée ; elle prépare la séquence sans l’exécuter.
L’aire motrice supplémentaire planifie ; le gyrus précentral n’est actif que lorsque le mouvement est exécuté.
7. La tumeur est sous le point situé à 4,9 cm : retirer le cortex à cet endroit risque de paralyser l’épaule et le gauches.
Ce point commande l’épaule et le coude gauches.
8. On cartographie chaque patient plutôt que de consulter une carte standard, car les cartes motrices varient d’un individu à l’autre et se remanient : c’est la cérébrale.
Les cartes se construisent avec la pratique (plasticité) et une tumeur peut déplacer les zones fonctionnelles : la cartographie individuelle limite les séquelles.

Problème 2 · Trois paralysies, trois lésions★★★Moyen

Document 1 — Patient A. Après un accident de moto, il présente une section complète de la moelle épinière au milieu du dos, bien en dessous du niveau d’où partent les nerfs des membres supérieurs. Il ne peut plus bouger volontairement ses jambes, mais il écrit et mange sans difficulté.

Document 2 — Patient B. Une blessure a détruit la seule moitié droite de sa moelle épinière, au milieu du dos. Sa jambe droite est paralysée ; il commande normalement sa jambe gauche et ses deux bras.

Document 3 — Patient C. Un AVC a détruit la zone de la jambe de l’aire motrice primaire gauche. Sa jambe droite est paralysée ; frappé sous la rotule, sa jambe droite se tend pourtant par réflexe.

Document 4 — La voie motrice (rappel du cours) : aire motrice primaire → faisceau pyramidal, qui croise la ligne médiane au niveau du bulbe → substance blanche de la moelle → motoneurones → fibres musculaires.

1. Patient A : la commande volontaire est perdue là où les motoneurones se trouvent la lésion.
Les axones du faisceau pyramidal sont coupés : seuls les motoneurones situés sous la lésion, ceux des jambes, ne reçoivent plus la commande ; ceux des bras, plus haut, la reçoivent encore.
2. Patient A : privés de commande volontaire, les motoneurones des jambes sont pourtant .
La section coupe les axones descendants, pas les motoneurones : ils sont intacts, mais ne reçoivent plus d’ordre volontaire.
3. Patient A : nombre d’hémisphères dont les axones descendants sont coupés par la section :
Une section complète coupe les deux moitiés de la moelle, donc les axones venus des 2 hémisphères. Chez B, une seule moitié est atteinte : une seule jambe est paralysée.
4. Patient B : les axones lésés, qui commandaient sa jambe droite, venaient de l’hémisphère .
Piège : la jambe droite est commandée par l’hémisphère gauche ; ses axones ont croisé au bulbe et descendent ensuite dans la moitié droite de la moelle.
5. Patient C : le réflexe conservé montre que la moelle, les motoneurones et les de la jambe droite fonctionnent.
Le réflexe passe par la moelle sans le cortex : moelle, motoneurones et muscles sont intacts ; seule la commande corticale manque.

Problème 3 · Glycine, strychnine et convulsions★★★Moyen

Document 1 — Enregistrements. Le motoneurone M commande un muscle extenseur de la jambe. Il reçoit les terminaisons d’une fibre excitatrice E et d’un interneurone I qui libère de la glycine. Potentiel de repos de M : −67 mV ; seuil : −54 mV. Les potentiels postsynaptiques simultanés ou rapprochés s’additionnent.

Stimulation	Potentiel extrême de M (mV)	Potentiels d’action sur l’axone de M
E seule	−58,2	non
I seul	−71,9	non
E et I simultanées	−63,1	non
E deux fois à 1,5 ms d’intervalle	−49,4	oui

Document 2 — La strychnine. Ce poison d’origine végétale se fixe sur les récepteurs à la glycine du motoneurone sans les activer et empêche la glycine de s’y fixer. Une intoxication provoque des contractions musculaires violentes et incontrôlées (convulsions), déclenchées par la moindre stimulation.

1. Amplitude du potentiel postsynaptique provoqué par E : mV
−58,2 − (−67) = +8,8 mV : PPSE, synapse excitatrice.
2. Amplitude du potentiel postsynaptique provoqué par I : mV
−71,9 − (−67) = −4,9 mV : PPSI ; la glycine est un neurotransmetteur inhibiteur.
3. Somme algébrique des deux amplitudes : mV, qui redonne exactement la mesure « E et I simultanées » ajoutée au repos.
8,8 + (−4,9) = 3,9 mV ; −67 + 3,9 = −63,1 mV, la valeur mesurée : c’est une sommation spatiale.
4. E stimulée deux fois à 1,5 ms d’intervalle, et I en même temps que la seconde stimulation : potentiel atteint mV
Il faut 13 mV. 8,8 + 8,8 − 4,9 = 12,7 mV ; −67 + 12,7 = −54,3 mV, sous le seuil : M reste silencieux, I l’a freiné.
5. La strychnine agit sur les récepteurs à la glycine comme un .
Elle occupe le récepteur sans l’activer et bloque la glycine : antagoniste.
6. Même protocole en présence de strychnine (I ne produit plus de PPSI) : potentiel atteint mV
8,8 + 8,8 + 0 = 17,6 mV ; −67 + 17,6 = −49,4 mV, au-dessus du seuil : M décharge alors qu’il restait silencieux.
7. Les convulsions viennent donc de la perte de l’ exercée sur les motoneurones.
Privés de leur inhibition, les motoneurones déchargent à la moindre excitation, et des muscles antagonistes se contractent ensemble.

Problème 4 · Apprendre à jongler★★★Moyen

Document — Volume de substance grise d’une zone du cortex qui traite la perception visuelle des objets en mouvement, mesuré par IRM chez des adultes qui apprennent à jongler avec trois balles pendant 3 mois puis arrêtent tout entraînement, et chez des témoins non entraînés (données simplifiées d’après Draganski et coll., 2004).

Groupe	Au départ	Après 3 mois d’entraînement	3 mois après l’arrêt
jongleurs (cm³)	7,82	8,09	7,95
témoins (cm³)	7,77	7,76	7,78

1. Variation relative du volume chez les jongleurs pendant l’entraînement : + % (à 0,1 % près).
(8,09 − 7,82) ÷ 7,82 = 0,27 ÷ 7,82 ≈ 0,0345, soit +3,5 %.
2. Variation relative pendant les 3 mois qui suivent l’arrêt : % (à 0,1 % près).
(7,95 − 8,09) ÷ 8,09 = −0,14 ÷ 8,09 ≈ −0,0173, soit −1,7 % : on divise par la valeur au début de la période, 8,09.
3. Variation maximale du volume des témoins d’une mesure à l’autre : cm³
De 7,76 à 7,78 : 0,02 cm³, soit moins de 0,3 % : la hausse des jongleurs n’est due ni à la mesure ni au temps écoulé.
4. À la fin, le volume des jongleurs dépasse encore sa valeur de départ de cm³.
7,95 − 7,82 = 0,13 cm³ : la régression n’est que partielle.
5. Un apprentissage qui modifie une région du cortex illustre la cérébrale.
Une activité motrice nouvelle, répétée, remanie les réseaux : plasticité.
6. Chez l’adulte, la hausse de volume traduit surtout de nouvelles et des dendrites plus ramifiées, pas de nouveaux neurones.
La production de neurones adultes dans le cortex est très limitée : remaniement des synapses. Les connexions peu utilisées s’éliminent ensuite en partie : un geste s’entretient.

Problème 5 · Nicotine, varénicline et neurones à dopamine★★★Difficile

Document 1 — Fréquence de décharge de neurones à dopamine de l’aire tegmentale ventrale (ATV), enregistrés sur des tranches de cerveau de rat (valeurs simplifiées). La mécamylamine est un antagoniste des récepteurs nicotiniques ; la varénicline est un médicament d’aide à l’arrêt du tabac.

Condition	Fréquence (Hz)
sans substance	4,0
nicotine	6,2
mécamylamine, puis nicotine	4,1
varénicline seule	5,0
varénicline, puis nicotine	5,1

Document 2 — Visualisation moléculaire. L’acétylcholine et la nicotine portent chacune un atome d’azote chargé positivement ; dans le récepteur nicotinique, cet azote se loge à la même place, au même site de fixation.

Document 3 — La varénicline se fixe sur ce même site des récepteurs nicotiniques des neurones à dopamine de l’ATV.

1. Hausse relative de la fréquence de décharge due à la nicotine : + %
(6,2 − 4,0) ÷ 4,0 = 2,2 ÷ 4,0 = 0,55, soit +55 %.
2. Après la mécamylamine, la nicotine n’augmente plus la fréquence que de %.
(4,1 − 4,0) ÷ 4,0 = 0,1 ÷ 4,0 = 0,025, soit 2,5 % : bloquer les récepteurs nicotiniques supprime presque tout l’effet.
3. D’après les documents 1 et 2, la nicotine est un des récepteurs nicotiniques.
Elle se fixe au site de l’acétylcholine et active le récepteur, puisque son effet disparaît quand un antagoniste bloque ce récepteur : agoniste. Des décharges plus fréquentes libèrent plus de dopamine dans le noyau accumbens.
4. Hausse relative de la fréquence due à la varénicline seule : + %
(5,0 − 4,0) ÷ 4,0 = 1,0 ÷ 4,0 = 0,25, soit +25 %.
5. La hausse de fréquence due à la varénicline vaut % de celle due à la nicotine (à l’unité).
Hausses en Hz : 1,0 contre 2,2 ; 1,0 ÷ 2,2 ≈ 0,455, soit environ 45 %. Piège : comparer les pourcentages 25 et 55 donne le même rapport, mais pas 5,0 ÷ 6,2.
6. Après la varénicline, la nicotine n’ajoute presque plus rien, car son site de fixation est déjà par la varénicline.
Les deux molécules se disputent le même site (document 3) : déjà occupé par la varénicline, il n’est presque plus accessible à la nicotine. La varénicline active le récepteur, mais moins que la nicotine (agoniste partiel) : elle stimule un peu le circuit de la récompense, ce qui atténue le manque, et empêche la nicotine d’agir pleinement, ce qui réduit l’effet d’une cigarette.

Problème 6 · Récupérer après un accident vasculaire cérébral★★★Difficile

Document 1 — M. R., 58 ans, a été victime d’un AVC. L’IRM montre une lésion limitée à la partie latérale du gyrus précentral de l’hémisphère droit ; le patient marche normalement. On mesure au dynamomètre la force maximale de préhension de chaque main.

Mesure	Main gauche (kg)	Main droite (kg)
3 jours après l’AVC	9	37
6 mois après, avec rééducation	26	37

Document 2 — IRMf à 6 mois. Quand M. R. bouge les doigts gauches, des zones situées autour de la lésion s’activent, alors qu’elles ne participaient pas à ce mouvement avant l’AVC.

Document 3 — Chez le singe (Nudo et coll., 1996). Après une petite lésion de la zone de la main du cortex moteur, la zone de la main encore intacte, voisine de la lésion, se réduit si l’animal n’est pas rééduqué ; une rééducation de l’usage de la main empêche cette perte, la représentation de la main s’étendant parfois sur les zones du coude et de l’épaule, et l’habileté de la main revient.

1. La partie latérale du gyrus précentral lésée correspond, dans la somatotopie, surtout à la zone de la .
La zone de la main est latérale ; la jambe, près de la face interne, est épargnée : M. R. marche.
2. Trois jours après l’AVC, la main gauche a perdu % de sa force, la main droite servant de référence (à 1 % près).
(37 − 9) ÷ 37 = 28 ÷ 37 ≈ 0,757, soit environ 76 %.
3. Six mois après, la main gauche développe % de la force de la main droite (à 1 % près).
26 ÷ 37 ≈ 0,703, soit environ 70 %.
4. Part de la force perdue que la main gauche a récupérée en 6 mois : % (à 1 % près).
Force perdue : 37 − 9 = 28 kg ; force regagnée : 26 − 9 = 17 kg ; 17 ÷ 28 ≈ 0,607, soit environ 61 %. Piège : 17 ÷ 9 compare au niveau atteint après l’AVC, pas à ce qui avait été perdu.
5. Les zones voisines de la lésion qui s’activent à 6 mois ont pris le relais : c’est la cérébrale.
Les neurones détruits ne sont pas remplacés ; des réseaux voisins remanient leurs connexions : plasticité.
6. Ces résultats justifient une rééducation et répétée.
La récupération est d’autant meilleure que la rééducation est précoce et répétée.

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