Générateur central de motifs

Les générateurs centraux de motifs peuvent remplir de nombreuses fonctions chez les animaux vertébrés. Les GPC peuvent jouer des rôles dans le mouvement, la respiration, la génération de rythmes et d’autres fonctions oscillatoires. Les sections ci-dessous se concentrent sur des exemples spécifiques de la locomotion et de la génération de rythmes, deux fonctions clés des CPG.

LocomotionEdit

Dès 1911, il a été reconnu, par les expériences de Thomas Graham Brown, que le modèle de base du pas peut être produit par la moelle épinière sans avoir besoin de commandes descendantes du cortex.

La première preuve moderne du générateur central de motifs a été produite en isolant le système nerveux du criquet et en montrant qu’il pouvait produire une sortie rythmique en isolation ressemblant à celle du criquet en vol. Ce phénomène a été découvert par Wilson en 1961. Depuis lors, des preuves de la présence de générateurs de motifs centraux chez les vertébrés sont apparues, à commencer par les travaux menés sur le chat dans les années 1960 par Elzbieta Jankowska à Göteborg, qui a fourni les premières preuves de l’existence d’un CPG de la moelle épinière. Cette section aborde le rôle du générateur central de motifs dans la locomotion pour la lamproie et les humains.

La lamproie a été utilisée comme modèle pour les CPG des vertébrés car, bien que son système nerveux ait une organisation de vertébré, elle partage de nombreuses caractéristiques positives avec les invertébrés. Lorsqu’elle est retirée de la lamproie, la moelle épinière intacte peut survivre pendant des jours in vitro. Elle possède également très peu de neurones et peut être facilement stimulée pour produire un mouvement de nage fictif indiquant un générateur central de motifs. Dès 1983, Ayers, Carpenter, Currie et Kinch ont proposé l’existence d’un CPG responsable de la plupart des mouvements ondulatoires de la lamproie, y compris la nage en avant et en arrière, l’enfouissement dans la boue et la reptation sur une surface solide, qui, sans être surprenant, ne correspond pas à l’activité de l’animal intact, fournit néanmoins la sortie locomotrice de base. On a constaté que les différents mouvements étaient modifiés par des neuromodulateurs, notamment la sérotonine dans une étude de Harris-Warrick et Cohen en 1985 et la tachykinine dans une étude de Parker et al. en 1998. Le modèle de CPG de la lamproie pour la locomotion a été important pour l’étude des CPG. Bien que Sten Grillner affirme que le réseau locomoteur est caractérisé, une affirmation qui a apparemment été acceptée sans critique par les spécialistes du réseau locomoteur de la moelle épinière, il manque en fait de nombreux détails et Grillner ne peut pas fournir les preuves qu’il utilise pour étayer ses affirmations (Parker 2006). Un schéma général du CPG de la lamproie est maintenant utilisé dans la création de CPG artificiels. Par exemple, Ijspeert et Kodjabachian ont utilisé le modèle d’Ekeberg pour la lamproie afin de créer des CPG artificiels et de simuler des mouvements de natation dans un substrat semblable à celui de la lamproie à l’aide de contrôleurs basés sur un codage SGOCE. Il s’agit essentiellement des premiers pas vers l’utilisation des CPG pour coder la locomotion dans les robots. Le modèle vertébré de CPG a également été développé à l’aide du formalisme de Hodgkin-Huxley, de ses variantes et d’approches de systèmes de contrôle. Par exemple, Yakovenko et ses collègues ont développé un modèle mathématique simple qui décrit les principes de base proposés par T.G. Brown avec des unités d’intégration à seuil organisées avec des connexions mutuellement inhibitrices. Ce modèle est suffisant pour décrire des propriétés complexes du comportement, telles que les différents régimes de la locomotion à dominance d’extenseurs et de fléchisseurs observés lors de la stimulation électrique de la région locomotrice mésencéphalique (MLR), la locomotion fictive induite par la MLR.

Les connexions entre les CPG qui contrôlent chaque membre gèrent la coordination interlimbe et donc les allures chez les animaux quadrupèdes et peut-être aussi bipèdes. La coordination gauche-droite est médiée par les interneurones commissuraux et la coordination avant-arrière ainsi que la coordination diagonale est médiée par les interneurones propiospinaux à longue projection. L’équilibre entre l’alternance gauche-droite (médiée par les classes de neurones V0d et V0v génétiquement identifiées) et les interneurones commissuraux favorisant la synchronisation gauche (potentiellement médiés par les neurones V3) détermine si la marche et le trot (allures alternées) ou le galop et le bond (allures synchrones) sont exprimés. Cet équilibre change avec l’augmentation de la vitesse, potentiellement en raison de la modulation par la commande supraspinale de la MLR et médiée par la formation réticulaire, et entraîne des transitions de la démarche en fonction de la vitesse, caractéristiques des animaux quadrupèdes. La transition de la marche au trot se produit potentiellement en raison de la diminution plus forte de la durée des phases d’extension que de flexion avec l’augmentation de la vitesse locomotrice et pourrait être médiée par l’inhibition diagonale descendante à travers les neurones propriospinaux longs V0d, ce qui conduit à un chevauchement progressivement croissant entre les membres diagonaux jusqu’à la synchronisation diagonale (trot). Les neurones propriospinaux commissuraux et longs sont une cible probable des entrées afférentes supraspinales et somatosensorielles pour ajuster la coordination entre les membres et la démarche à différentes conditions environnementales et comportementales.

Les générateurs de motifs centraux contribuent également à la locomotion chez l’homme. En 1994, Calancie, et al. ont décrit le « premier exemple bien défini d’un générateur de rythme central pour la marche chez l’homme adulte. » Le sujet était un homme de 37 ans qui avait subi une blessure à la moelle épinière cervicale 17 ans auparavant. Après une paralysie totale initiale sous le cou, le sujet a fini par retrouver un certain mouvement des bras et des doigts et un mouvement limité des membres inférieurs. Il n’avait pas récupéré suffisamment pour supporter son propre poids. Après 17 ans, le sujet a constaté qu’en position couchée sur le dos et en étendant les hanches, ses membres inférieurs effectuaient des mouvements de type pas à pas tant qu’il restait couché. Les mouvements (i) impliquaient une flexion et une extension alternées des hanches, des genoux et des chevilles ; (ii) étaient fluides et rythmiques ; (iii) étaient suffisamment puissants pour que le sujet devienne rapidement mal à l’aise en raison d’une « tension » musculaire excessive et d’une température corporelle élevée ; et (iv) ne pouvaient être arrêtés par un effort volontaire. » Après une étude approfondie du sujet, les expérimentateurs ont conclu que « ces données représentent la preuve la plus claire à ce jour de l’existence d’un tel réseau chez l’homme. » Quatre ans plus tard, en 1998, Dimitrijevic et al. ont montré que les réseaux lombaires humains générateurs de motifs peuvent être activés par une stimulation des afférences sensorielles de grand diamètre des racines postérieures. Lorsqu’une stimulation électrique tonique est appliquée à ces fibres chez des personnes atteintes de lésions complètes de la moelle épinière (c’est-à-dire des personnes chez qui la moelle épinière est fonctionnellement isolée du cerveau), des mouvements rythmiques de type locomoteur des membres inférieurs peuvent être déclenchés. Ces mesures ont été effectuées en position couchée, minimisant ainsi le retour périphérique. Des études ultérieures ont montré que ces centres locomoteurs lombaires peuvent former une grande variété de mouvements rythmiques en combinant et en distribuant des motifs stéréotypés aux nombreux muscles des membres inférieurs. Un traitement médicamenteux activant le CPG, appelé Spinalon, actif au niveau central après administration orale, a également montré qu’il pouvait réactiver partiellement les neurones locomoteurs spinaux chez des patients souffrant d’une lésion complète ou incomplète de la moelle épinière. En effet, une étude en double aveugle, randomisée, contrôlée par placebo, menée sur quarante-cinq volontaires souffrant de lésions chroniques de l’AIS A/B (entre 3 mois et 30 ans après le traumatisme), allongés en position couchée pour des raisons de sécurité, a révélé que le Spinalon, en dessous de la dose maximale tolérée (la MTD était de 500/125/50 mg/kg de L-DOPA/carbidopa/buspirone), était bien toléré. Des preuves préliminaires d’efficacité ont également été trouvées en utilisant des enregistrements vidéo et électromyographiques puisque les doses inférieures à la MTD pouvaient induire de manière aiguë des mouvements de jambes de type locomoteur rythmique dans les groupes sous Spinalon, mais pas dans ceux sous placebo (amidon de maïs).

Contrôle neuro-mécanique de la locomotion chez les mammifèresEdit

Si les durées des cycles de pas et les activations musculaires étaient fixes, il ne serait pas possible de changer la vitesse du corps et de s’adapter à un terrain variable. Il a été suggéré que le CPG locomoteur des mammifères comprend une « minuterie » (peut-être sous la forme d’oscillateurs couplés) qui génère des cycles de pas de durées variables, et une « couche de formation de motifs », qui sélectionne et classe l’activation des pools moteurs.L’augmentation de la commande neuronale de la région locomotrice du mésencéphale (MLR) au CPG spinal augmente la fréquence du cycle de pas (la cadence). Les durées des phases de balancement et d’appui covarient dans une relation assez fixe, les phases d’appui changeant plus que les phases de balancement.

L’entrée sensorielle des membres peut tronquer ou prolonger les durées des phases individuelles dans un processus apparenté au contrôle d’état fini (dans lequel les règles « si-alors » déterminent quand les transitions d’état se produisent). Par exemple, si un membre qui se balance vers l’avant atteint la fin de la phase de balancement en moins de temps que la durée de la phase de flexion générée par le CPG, l’entrée sensorielle fera en sorte que la minuterie du CPG mette fin à la phase de balancement et commence la phase de posture. De plus, lorsque la vitesse du corps augmente, la couche de formation de motifs augmente l’activation musculaire de manière non linéaire afin de fournir des forces de charge et de poussée accrues. Il a été postulé que dans les mouvements bien prédits, les durées des phases et les forces musculaires générées par le CPG correspondent étroitement à celles requises par les événements biomécaniques en évolution, ce qui minimise les corrections sensorielles nécessaires. Le terme  »accord neuro-mécanique » a été inventé pour décrire ce processus

La figure 1 fournit un schéma simplifié qui résume ces mécanismes proposés. Une commande spécifiant la vélocité corporelle désirée descend des centres supérieurs vers le MLR, qui pilote le CPG locomoteur spinal. La minuterie du CPG produit la cadence et les durées de phase appropriées et la couche de formation des motifs module les sorties motoneuronales. Les muscles activés résistent à l’étirement grâce à leurs propres propriétés biomécaniques intrinsèques, fournissant une forme rapide de contrôle de la longueur et de la vitesse. Les réflexes médiés par l’organe tendineux de Golgi et d’autres afférences fournissent une compensation supplémentaire de la charge, mais le rôle principal de l’entrée sensorielle peut être d’ajuster ou de neutraliser le CPG lors des transitions entre la posture et le mouvement.

Comme décrit dans Neuromodulation, le CPG locomoteur humain est très adaptable et peut répondre à l’entrée sensorielle. Il reçoit des entrées du tronc cérébral ainsi que de l’environnement pour maintenir le réseau régulé. Des études plus récentes ont non seulement confirmé la présence du CPG pour la locomotion humaine, mais aussi sa robustesse et son adaptabilité. Par exemple, Choi et Bastian ont montré que les réseaux responsables de la marche humaine sont adaptables sur des échelles de temps courtes et longues. Ils ont montré une adaptation à différents modèles de marche et à différents contextes de marche. Ils ont également montré que différents schémas moteurs peuvent s’adapter indépendamment. Les adultes pouvaient même marcher sur des tapis roulants en suivant une direction différente pour chaque jambe. Cette étude a montré que des réseaux indépendants contrôlent la marche avant et arrière et que les réseaux contrôlant chaque jambe peuvent s’adapter indépendamment et être entraînés à marcher indépendamment. Ainsi, les humains possèdent également un générateur central de motifs pour la locomotion qui est capable non seulement de générer des motifs rythmiques mais aussi de s’adapter de façon remarquable et d’être utile dans une grande variété de situations.

RespirationEdit

Un modèle à trois phases est la vision classique du CPG respiratoire. Les phases du CPG respiratoire sont caractérisées par l’activité rythmique de : (1) du nerf phrénique pendant l’inspiration ; (2) des branches du nerf laryngé récurrent qui innervent le muscle thyroaryténoïde pendant la dernière phase de l’expiration ; (3) des branches du nerf intercostal interne qui innervent le muscle triangularis sterni pendant la deuxième phase de l’expiration. La rythmicité de ces nerfs est classiquement considérée comme provenant d’un seul générateur de rythme. Dans ce modèle, le phasage est produit par une inhibition synaptique réciproque entre des groupes d’interneurones séquentiellement actifs.

Néanmoins, un modèle alternatif a été proposé renforcé par certaines données expérimentales. Selon ce modèle, le rythme respiratoire est généré par deux générateurs de rythme couplés anatomiquement distincts, l’un dans le complexe pré-Boetzinger et l’autre dans le noyau rétrotrapézoïde / groupe respiratoire parafacial. Une étude plus approfondie a permis de confirmer l’hypothèse selon laquelle l’un des réseaux est responsable du rythme d’inspiration et l’autre du rythme d’expiration. Par conséquent, l’inspiration et l’expiration sont des fonctions distinctes et l’une n’induit pas l’autre, comme le veut la croyance commune, mais l’une des deux domine le comportement en générant un rythme plus rapide.

DéglutitionEdit

La déglutition implique la contraction coordonnée de plus de 25 paires de muscles dans l’oropharynx, le larynx et l’œsophage, qui sont actifs pendant une phase oropharyngée, suivie du péristaltisme œsophagien primaire. La déglutition dépend d’un CPG situé dans le bulbe rachidien, qui implique plusieurs noyaux moteurs du tronc cérébral et deux groupes principaux d’interneurones : un groupe dorsal de déglutition (DSG) dans le noyau tractus solitarii et un groupe ventral de déglutition (VSG) situé dans la médulla ventrolatérale au-dessus du noyau ambigu. Les neurones du DSG sont responsables de la génération du schéma de déglutition, tandis que ceux du VSG distribuent les commandes aux différents pools motoneuronaux. Comme dans les autres CPG, le fonctionnement du réseau central peut être modulé par des entrées périphériques et centrales, de sorte que le schéma de déglutition est adapté à la taille du bolus.

Au sein de ce réseau, les connexions inhibitrices centrales jouent un rôle majeur, produisant une inhibition rostrocaudale parallèle à l’anatomie rostrocaudale du tractus de déglutition. Ainsi, lorsque les neurones contrôlant les parties proximales du tractus sont actifs, ceux qui commandent les parties plus distales sont inhibés. Outre le type de connexion entre les neurones, les propriétés intrinsèques des neurones, en particulier celles des neurones du SNT, contribuent probablement aussi à la formation et à la synchronisation du schéma de déglutition.

Le CPG de la déglutition est un CPG flexible. Cela signifie qu’au moins certains des neurones de la déglutition peuvent être des neurones multifonctionnels et appartenir à des pools de neurones communs à plusieurs CPG. Un tel CPG est le CPG respiratoire, qui a été observé en interaction avec le CPG de déglutition.

Générateurs de rythmesModifié

Les générateurs centraux de motifs peuvent également jouer un rôle dans la génération de rythmes pour d’autres fonctions chez les vertébrés. Par exemple, le système vibratoire du rat utilise un CPG non conventionnel pour les mouvements de fouet. « Comme d’autres CPG, le générateur de sifflement peut fonctionner sans entrée corticale ou rétroaction sensorielle. Cependant, contrairement à d’autres CPG, les motoneurones des vibrisses participent activement à la rythmogenèse en convertissant les entrées sérotoninergiques toniques en sorties motrices structurées responsables du mouvement des vibrisses. » La respiration est une autre fonction non locomotive des générateurs de motifs centraux. Par exemple, les larves d’amphibiens effectuent les échanges gazeux en grande partie par la ventilation rythmique des branchies. Une étude a montré que la ventilation des poumons dans le tronc cérébral du têtard peut être pilotée par un mécanisme de type pacemaker, tandis que le CPG respiratoire s’adapte chez la grenouille-taureau adulte au fur et à mesure de sa maturation. Ainsi, les CPG détiennent un large éventail de fonctions chez l’animal vertébré et sont largement adaptables et variables en fonction de l’âge, de l’environnement et du comportement.

Mécanisme des générateurs rythmiques : rebond post-inhibitoireEdit

La rythmicité des CPG peut également résulter de propriétés cellulaires dépendantes du temps telles que l’adaptation, l’excitation retardée et le rebond post-inhibitoire (PIR). Le rebond post-inhibitoire est une propriété intrinsèque qui déclenche une activité électrique rythmique en dépolarisant la membrane une fois que le stimulus hyperpolarisant a disparu. « Il peut être produit par plusieurs mécanismes, dont le courant cationique activé par l’hyperpolarisation (Ih) ou la désinactivation des courants entrants activés par la dépolarisation ». Une fois que l’inhibition a cessé, cette période de PIR peut être expliquée comme le moment où l’excitabilité neuronale augmente. C’est la propriété de nombreux neurones du SNC qui se traduit parfois par des « rafales » de potentiel d’action suivant immédiatement une entrée synaptique inhibitrice » Pour cette raison, il a été suggéré que le PIR peut contribuer au maintien de l’activité oscillatoire dans les réseaux neuronaux qui sont caractérisés par des connexions inhibitrices mutuelles, comme ceux impliqués dans les comportements locomoteurs. En outre, le PIR est souvent inclus comme élément dans les modèles computationnels des réseaux neuronaux qui impliquent une inhibition mutuelle » Par exemple, le « PIR dans les neurones récepteurs d’étirement des écrevisses est causé par la récupération de l’adaptation au cours de l’hyperpolarisation inhibitrice. Une des caractéristiques de ce système est que le PIR ne se produit que si l’hyperpolarisation est imposée sur un fond d’excitation, causée dans ce cas par l’étirement. Les chercheurs ont également découvert que le PIR peut être déclenché dans le récepteur d’étirement par des impulsions de courant hyperpolarisant. Il s’agissait d’une découverte importante, car elle montrait que le PIR est une propriété intrinsèque du neurone postsynaptique, liée à la modification du potentiel de membrane associée à l’inhibition, mais indépendante des récepteurs de l’émetteur ou des propriétés présynaptiques. Cette dernière conclusion a résisté à l’épreuve du temps, faisant de la PIR une propriété robuste des neurones du SNC dans une grande variété de contextes » Cette propriété cellulaire peut être facilement observée dans le circuit neuronal de la lamproie. Le mouvement de nage est produit par l’alternance de l’activité neuronale entre le côté gauche et le côté droit du corps, ce qui le fait plier d’avant en arrière tout en créant des mouvements oscillants. Alors que la lamproie se penche vers la gauche, il y a une inhibition réciproque du côté droit, ce qui entraîne une relaxation due à une hyperpolarisation. Immédiatement après ce stimulus hyperpolarisant, les interneurones utilisent le rebond post-inhibition pour initier l’activité du côté droit. La dépolarisation de la membrane entraîne sa contraction tandis que l’inhibition réciproque est maintenant appliquée au côté gauche.

Fonctions chez les invertébrésModifié

Comme décrit précédemment, les CPG peuvent également fonctionner de diverses manières chez les animaux invertébrés. Chez le mollusque Tritonia, un CPG module le retrait réflexe, la nage de fuite et la reptation. Les CPG sont également utilisés pour le vol chez les criquets et pour les systèmes de respiration chez d’autres insectes. Les générateurs centraux de motifs jouent un rôle important chez tous les animaux et font preuve d’une étonnante variabilité et adaptabilité dans presque tous les cas.