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motricité et plasticité cérébrale

Dossier pédagogique (démarche et ressources associées) autour de la notion de plasticité du cortex moteur.

Une mise en évidence de la plasticité du cortex moteur

Démarche pédagogique explorant une famille d'indices (comparaison des cartes motrices de plusieurs individus, modification de la carte motrice d'un individu au cours de l'apprentissage, réorganisation cérébrale à la suite d'une perte de fonction motrice) plaidant en faveur de la plasticité du cortex moteur.

Démarche pédagogique explorant une famille d'indices (comparaison des cartes motrices de plusieurs individus, modification de la carte motrice d'un individu au cours de l'apprentissage, réorganisation cérébrale à la suite d'une perte de fonction motrice) plaidant en faveur de la plasticité du cortex moteur.

 Contexte

L'activité pédagogique proposée se place au sein du thème 3B "Neurone et fibres musculaire : la communication nerveuse" du nouveau programme de Terminale (2012). Les aires motrices cérébrales  ayant été caractérisées,  on aborde la partie "Motricité et plasticité cérébrale" dans laquelle  le fil conducteur est la plasticité des zones motrices, support de la capacité du système nerveux central à récupérer après  une lésion.

La notion de plasticité cérébrale a déjà été abordée en Première S (thème 3C- De l'oeil au cerveau : quelques aspects de la vision).  Il s'agira donc ici de  démontrer que le cortex moteur, à l'instar du cortex visuel, est le siège d'une plasticité.

Pour cela, on propose aux élèves trois séries de ressources, qui peuvent être exploitées en atelier. La mutualisation des différentes ressources pourrait répondre à l'objectif : "il s'agit de montrer que cette plasticité affecte aussi le cortex moteur et l'importance de cette plasticité, tant dans l'élaboration d'un phénotype spécifique que dans certaines situations médicales".

 

Ressources mises à disposition des élèves

Logiciel EduAnatomist,   images d'IRM anatomique et fonctionnelle des sujets 13111 et 13112 (sujets qui réalisent la même tâche motrice) de la banque Neuropedafiche technique de l'utilisation d'EduAnatomist, protocole d'acquisition des images d'IRMf des deux sujets  13111 et 13112

Il s'agit d'exploiter les illustrations d'une publication scientifique de la revue Nature (vol 3: page 473, 2002).  L'article "The musician's brain as a model of neuroplasticity"(Thomas F.Münte, Eckart Altenmüllerr  et  Lutz Jäncke) contient différentes données à propos de l'évolution du cortex sensori-moteur des pianistes, ainsi que celle d'autres structures cérébrales,  en relation avec l'apprentissage de leur instrument.  

Il s'agit d'exploiter les résultats d'une publication scientifique de la revue Nature neuroscience (volume 4 no 7, pp. 691-692, juillet 2001) : "Cortical reorganization in motor cortex after graft of both hands" de Pascal Giraux, Angela Sirigu, Fabien Schneider et Jean-Michel Dubernard. L'article relate le protocole et les résultats d'une étude de l'activité du cortex moteur chez une personne amputée des deux mains ayant subi 4 ans plus tard une greffe bilatérale des mains.

Déroulement de l'activité

Une consigne globale  peut être donnée à l'élève, par exemple :

À partir de l’exploitation pertinente des ressources informatiques et documentaires proposées, argumentez en faveur de l'idée de plasticité du cortex moteur

 

Une aide à la résolution peut être fournie en proposant chaque ressource au titre d'indice :

  •  Premier indice : Comparaison des cartes motrices de deux individus
Ressources à exploiter  Pistes de travail

 Origine des images : Anton Jean-Luc, Centre d’Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire fonctionnelle, CHU la Timone, 264 Rue St Pierre, 13 385 Marseille Cedex 05, France. Centre Nationale de la Recherche Scientifique, Universités d'Aix-Marseille (U1, U2, U3) et Assistance Publique des Hôpitaux de Marseille. 

  • Présenter en parallèle des images légendées permettant de comparer, chez les deux sujets, l'emplacement des zones corticales impliquées dans la réponse motrice de la main  

-->Compétence B2i lycée : item L.2.3 : "J'utilise les documents ou des logiciels dans le respect des droits d'auteurs et de propriété" et item L.3.1 : "Je sais créer et modifier un document numérique composite transportable et publiable".

 

 

voir l'exploitation de cet indice...

 

  • Deuxième indice  : De l'influence de l'apprentissage

Les illustrations proposées sont extraites de l'article : "The musician's brain as a model of neuroplasticity" (Nature, Volume 3, juin 2002). Leur utilisation est autorisée à condition de ne pas modifier les figures et de mentionner les références utilisées.

Chaleureux remerciements à Valérie GAVEAU (CRNL-INSERM-CRNS-Univ.Lyon1) pour ses conseils et pour la communication de l'article intégral.

 Un exemple d'énoncé proposé aux élèves :

Dans une publication scientifique éditée dans la revue Nature, les auteurs relatent  :"At the behavioural level, it is reflected by reports from professional pianists that their fingers move more-or-less automatically when they are listening to piano music".

A l'aide des figures empruntées à cette publication, faites la preuve de l'influence de l'apprentissage de la musique sur les structures cérébrales impliquées dans la motricité.

 

Documents : illustrations extraites de la publication

Soutien pédagogique

Sensorimotor integration in musicians

Il s'agit d'enregistrements selon la technique d'électroencéphalograhie. L'électro-encéphalographie consiste en l'enregistrement de l'activité électrique du cerveau par des capteurs posés sur la tête. Cette technique permet la mesure de "potentiels évoqués".

Les données sont ici traduites  sous la forme d'un modèle topographique d'activité cérébrale dans deux situations  stimulantes différentes  (images de gauche  : les sujets écoutent un court  morceau de piano ; images de droite : les sujets pianotent sur un clavier muet !). Les mesures sont faites chez des personnes "naïves" ne connaissant pas la  musique ("Start"),   chez des personnes soumises  à un entrainement plus ou moins long, et enfin chez des pianistes professionnels ayant au moins vingt ans d'expérience.

Les valeurs numériques (exemple : 0.83) indiquent la mesure de la similarité entre les deux cartes.

Structural changes in the brains of musicians

La figure 2 est une représentation synthétique d'observations faites à propos des structures et  de la taille  du cerveau de musiciens, en particulier ceux ayant appris à jouer du piano avant l'âge de sept ans.

Lexique :

  • Planum temporale : gyrus (= circonvolution) du lobe temporal du cortex cérébral. Le planum temporale correspond à du cortex auditif associatif (implication dans  dans des opérations complexes  de traitement de l'information), il est à la jonction entre le cortex temporal et le cortex pariétal.
  • Corps calleux : commissure transversale du cerveau, formée d'un faisceau d'axones interconnectant les deux hémisphères cérébraux. Le corps calleux assure  le transfert d'informations entre les deux hémisphères et leur coordination.

 

 voir l'exploitation de cet indice ...

 

  • Troisième indice : Réorganisation cérébrale à la suite d'une perte de fonction motrice et réversibilité

Les illustrations proposées sont extraites directement ou construites d'après l'article : "Cortical reorganization in motor cortex after graft of both hands" (Nature neuroscience, volume 4 no 7, pp. 691-692, juillet 2001). Leur utilisation est autorisée à condition de ne pas modifier les figures et de mentionner les références utilisées.

Chaleureux remerciements à Valérie GAVEAU (CRNL-INSERM-CRNS-Univ.Lyon1) pour ses conseils et pour la communication de l'article intégral.

 Un exemple d'énoncé proposé aux élèves :

Un homme a subi en 1996 la section accidentelle de ses deux mains. 4 ans plus tard, il est opéré et on lui greffe deux mains.

Utilisez les résultats de l'étude d'imagerie fonctionnelle corticale afin de montrer que le cortex moteur est capable de se réorganiser et de retrouver son organisation initiale d'avant l'accident.

 

Présentation du cas

Après la section des deux mains, l'utilisation de l'IRMf a montré une réorganisation corticale chez le patient : il est fréquent que la représentation corticale des muscles non affectés se dilate de telle sorte que la région du moignon (l'avant-bras) envahisse les parties du cortex moteur auparavant dédiées aux mains.

Chez la patient, les mouvements de la main activent la partie la plus latérale de la région de la main dans l'aire M1 ( cortex moteur primaire), près de la zone affectée au visage.

En 2000, soit 4 ans après l'amputation, une greffe bilatérale des mains a été pratiquée à Lyon.

 

Protocole de l'obtention des images :

4 examens avec IRMf ont été réalisés : le premier, 6 mois avant l'opération, les suivants, 2, 4 et 6 mois après la greffe. A chaque fois, le sujet a réalisé 4 tâches :

- flexion et extension des 4 derniers doigts de la main droite

- flexion et extension du coude droit

- flexion et extension des 4 derniers doigts de la main gauche

- flexion et extension du coude gauche.

Avant la greffe, les tâches concernant les doigts étaient réalisées en suivant la contraction des muscles de l'avant-bras dédiés au mouvement des doigts.

Le résultat a été présenté sous la forme de carte corticale contenant la zone du cortex moteur primaire activée, et en plaçant le centre de gravité de la zone activée.

doc1b_bis.jpg

Position du centre de gravité de la zone corticale activée lors du mouvement de la main droite et de la main gauche par rapport à l'homoncule moteur de Penfield (rond vert)

doc2b_bis.jpg

Position du centre de gravité de la zone corticale activée lors du mouvement du coude droit et du coude gauche par rapport à l'homoncule moteur de Penfield (rond vert)

 

 

Documents à exploiter

doc1a.jpg

Carte d'activation dans l'aire M1 obtenue lors de mouvements de la main : vue coronale reconstruite des aires droite et gauche dans le système de coordonnées de Talairach

En rouge : avant l'opération ; en bleu : 6 mois après la greffe ; en vert : les chevauchements des deux couleurs

doc2a.jpg

Carte d'activation dans l'aire M1 obtenue lors de mouvements du coude : vue coronale reconstruite des aires droite et gauche dans le système de coordonnées de Talairach

En rouge : avant l'opération ; en bleu : 6 mois après la greffe ; en vert : les chevauchements des deux couleurs

doc1b.jpg

Déplacement dans l'espace du centre de gravité des activations au cours des différentes sessions d'enregistrement pour les mouvements de la main (avant l'opération, 2 mois, 4 mois et 6 mois après la greffe)  ; le centre de gravité a été positionné en affectant à chaque voxel la valeur de son activation

doc2b.jpg

Déplacement dans l'espace du centre de gravité des activations au cours des différentes sessions d'enregistrement pour les mouvements du coude (avant l'opération, 2 mois, 4 mois et 6 mois après la greffe)  ; le centre de gravité a été positionné en affectant à chaque voxel la valeur de son activation

table1.jpg

Position du centre de gravité des activations dans l'aire M1 pour les mouvements des mains et des coudes avant l'opération, 2 mois, 4 mois et 6 mois après la greffe (coordonnées dans le système de Talairach)

 

 

Stratégie de résolution : 

  • comparer l'évolution au cours du temps des zones activées par le mouvement des mains pour montrer la plasticité cérébrale en utilisant la carte corticale et la position du centre de gravité
  • comparer la migration des zones activées par le mouvement des mains et le mouvement des coudes puisque le coude avant l'opération est commandé par une zone normalement affectée aux mains
  • comparer la carte motrice finale à la référence de l'homoncule moteur de Penfield pour montrer le retour à une organisation initiale d'avant l'amputation.

 

 voir une exploitation des données