Activité 2 : Rôle du cerveau et de la moelle épinière dans la motricité volontaire
Auteur S.Beaudin relecture J.Cartier
I- Le contexte pédagogique
- Le programme en vigueur depuis 2012
- Les prérequis et place de l'activité dans la progression pédagogique
- les objectifs méthodologiques
II- Ressources mises à disposition des élèves et des enseignants
- Précautions à prendre pour renommer les images
- Ressources enseignant et élève
III- Propositions de démarches et productions attendues
- Déroulement(s) possible(s) de la séquence, en fonction du niveau de la classe, et productions attendues
- Propositions d'évaluations
- Déroulement de la séquence pédagogique
IV- Bibliographie
I - Le contexte pédagogique
1. Le programme de Terminale S en vigueur depuis 2012
Thème 3: Corps humain et santé (Bulletin officiel spécial n° 8 du 13 octobre 2011)
Thème 3-B Neurone et fibre musculaire : la communication nerveuse
Thème 3-B-2 De la volonté au mouvement
Si le réflexe myotatique sert d'outil diagnostique pour identifier d'éventuelles anomalies du système neuromusculaire local, il n'est pas suffisant car certaines anomalies peuvent résulter d'anomalies touchant le système nerveux central et se traduire aussi par des dysfonctionnements musculaires. Ainsi, les mouvements volontaires sont contrôlés par le système nerveux central.
|
Connaissances |
Capacités et attitudes |
|---|---|
|
L'exploration du cortex cérébral permet de découvrir les aires motrices spécialisées à l'origine des mouvements volontaires. Les messages nerveux moteurs qui partent du cerveau cheminent par des faisceaux de neurones qui descendent dans la moelle jusqu'aux motoneurones. C'est ce qui explique les effets paralysants des lésions médullaires. Le corps cellulaire du motoneurone reçoit des informations diverses qu'il intègre sous la forme d'un message moteur unique et chaque fibre musculaire reçoit le message d'un seul motoneurone. Objectifs et mots-clés. Motoneurone, aire motrice. En se limitant à l'exploitation d'imageries cérébrales simples, il s'agit de montrer l'existence d'une commande corticale du mouvement. [Limites : Les voies nerveuses de la motricité volontaire sont hors programme.] |
Recenser, extraire et exploiter des informations, afin de caractériser les aires motrices cérébrales.
|
Commentaires :
L'activité pédagogique proposée ci-après permet de répondre aux différents objectifs méthodologiques fixés par le programme de terminale S, puisqu'elle permet à la fois :
- à l'aide du logiciel EduAnatomist de comparer des IRM cérébrales de sujets sains et pathologiques, et de superposer des IRM fonctionnelles (IRMf) à des images anatomiques afin d'identifier un certain nombre de structures cérébrales impliquées dans la motricité volontaire
- de travailler à partir de données expérimentales récentes issues du milieu médical et de la recherche.
Elle permet également d'atteindre les objectifs notionnels fixés par l'institution, à savoir la mise en évidence d'aires cérébrales spécialisées dans la réalisation des mouvements volontaires, et le rôle de la moelle épinière dans le cheminement du message nerveux du cortex jusqu'au neurone moteur (sans pour autant entrer dans le détail des voies de la motricité volontaire, comme mentionné dans les limites du programme).
2. Les prérequis et place de l'activité dans la progression pédagogique
Cette séance a été testée sur des élèves qui avaient préalablement étudié les notions suivantes du programme de terminale S :
- L’activité musculaire involontaire suite à une stimulation sensitive (choc sur le tendon qui crée son étirement) constitue une activité réflexe. Les différentes structures anatomiques mises en jeu lors de l’activité réflexe sont regroupées sous le nom d’arc réflexe. Elles comprennent toujours les cinq éléments décrits dans le schéma ci-après.
- Les terminaisons nerveuses des neurones sensitifs afférents font synapse avec les neurones moteurs efférents, dont le corps cellulaire est situé dans la corne ventrale de la moelle épinière substance grise).
- Le réflexe myotatique est qualifié de réflexe médullaire ou spinal car le centre intégrateur est situé dans la moelle épinière (= Mep).
- L’arc réflexe myotatique ne comportant qu’une seule synapse, on le qualifie d’arc réflexe monosynaptique.
- Les centres nerveux supérieurs de la motricité volontaire peuvent moduler l’arc réflexe spinal.
- Le message nerveux est codé en fréquence de potentiels d'actions.
Même s'il ne constitue pas un objectif de formation mentionné dans les programmes, le principe de construction d'une IRM fonctionnelle a été préalablement abordé, (télécharger l'exercice) afin que l'exploitation des calques fonctionnels ne constitue pas un obstacle aux apprentissages.
3. Les objectifs méthodologiques de cette séquence
Conformément aux programmes (Bulletin officiel spécial n° 8 du 13 octobre 2011), au cours de cette séance, l'élève met en apprentissage les capacités et attitudes suivantes:
- Pratiquer une démarche scientifique (observer, questionner, formuler une hypothèse)
- Recenser, extraire et organiser des informations
- Comprendre qu'un effet peut avoir plusieurs causes
- Exprimer et exploiter des résultats
- Percevoir le lien entre sciences et techniques
- Être capable d'attitude critique face aux ressources documentaires
- Communiquer dans un langage (graphique, numérique) scientifiquement approprié
- Manifester sens de l'observation, curiosité, esprit critique
Cette séquence pédagogique s'inscrit également dans le cadre de la validation des compétences du B2i qui disparaît à l'école et au collège à la rentrée 2016-17 mais perdure au lycée jusqu'à la rentrée 2017-18, et qui est remplacé par le cadre de référence des compétences numériques. (Plan numérique pour l'éducation lancé en mai 2015)
II - Ressources mises à disposition des élèves et des enseignants
La proposition de séquence pédagogique présentée ici, nécessite la manipulation d'images indexées dans la banque Neuropéda, qui de prime abord présentent une dénomination complexe, répondant cependant à un cahier des charges bien précis. Certains enseignants rencontrés en formation nous ont fait remonter leurs difficultés et réticences à utiliser ces données au regard de la complexité du nom des fichiers, cette dernière pouvant constituer un obstacle pour les élèves les plus faibles. Qu'à cela ne tienne, il est tout à fait possible et même souhaitable de renommer simplement ces images, afin de simplifier le travail de l'élève, en prenant soin toutefois de respecter certaines précautions.
Ci-après, la procédure à suivre pour renommer les fichiers de la banque NeuroPéda.
|
Renommer les fichiers de la banque NeuroPéda |
|
|---|---|
|
|
|
 |
L'interface du logiciel EduAnatomist ne prenant pas en charge les caractères accentués, il est donc impératif de n'utiliser aucun caractère accentué lorsqu'on renomme les images. Il suffit ensuite de déposer ces images renommées dans un dossier de travail pour lequel le chemin d'accès doit être simple et NE COMPORTER AUCUN CARACTERE ACCENTUE. |
Dans un premier temps, sélectionner simultanément les deux fichiers (.hdr et .img) qui portent le même nom et sont relatifs à la même image.
Ensuite, les renommer de manière rigoureusement identique (majuscule, espace...).
La correspondance entre les images de la banque Neuropeda, utilisées pour la conception de cette séquence pédagogique, et leur nouvelle dénomination est indiquée dans le tableau suivant :
Le numéro du sujet 13112 a volontairement été laissé, afin de sensibiliser les élèves à la nécessité de superposer un calque fonctionnel sur une image anatomique d'un même individu.
|
Logiciel, Images et Tutoriels |
Documents élèves |
|---|---|
|
- Images renommées de la banque NeuroPeda
- Diaporama orientation : les métiers de la santé |
- Le dossier médical avec les cas cliniques des patients A et B - La fiche de TP avec la mise en situation et le protocole - Le fichier de réponse numérique à compléter - L'exercice sur le principe de construction d'un calque fonctionnel (IRMf) - Document complémentaire pour aider à l'interprétation des IRM médullaires : lien entre colonne vertébrale, moelle épinière et nerfs spinaux - Document complémentaire : localisation des aires de la motricité volontaire - Document complémentaire : les lobes cérébraux |
III- Propositions de démarches et productions attendues
-
Déroulement(s) possible(s) de la séquence, en fonction du niveau de la classe, et productions attendues
La séquence pédagogique présentée ci-après correspond à une séance de TP d'une durée de deux heures.
Un dossier médical, inspiré de ce qui se pratique dans le milieu hospitalier, contenant deux cas médicaux A et B est distribué aux élèves ainsi qu'un texte introductif de mise en situation
- Le patient A présente une hémiplégie droite liée à un accident vasculaire cérébral (=AVC) dont on visualisera la lésion cérébrale dans le cortex moteur gauche. Son IRM anatomique médullaire ne présente pas d'anomalie. La paralysie est survenue brutalement.
- La patiente B souffre d'une paralysie liée à une tumeur de la moelle épinière en T7, qui comprime cette dernière ce qui explique la paralysie "progressive". Son IRM cérébrale est en revanche normale.
L'analyse des données médicales du patient A permet à l'élève de découvrir que :
- Les messages nerveux impliqués dans la réalisation de mouvements volontaires partent du cerveau, cheminent par des faisceaux de neurones qui descendent dans la moelle épinière pour faire synapse avec les neurones moteurs situés dans cette dernière.
- Il existe dans le cortex cérébral des aires motrices spécialisées à l'origine des mouvements volontaires.
La comparaison des données des patients A et B permet d'illustrer le rôle majeur de la moelle épinière dans la motricité volontaire. En effet la patiente B, atteint d'une lésion médullaire avec une intégrité des aires corticales motrices, permet d'illustrer le rôle paralysant de cette dernière.
Cette séquence a été testée sur des classes d'un niveau très faible, dont les élèves ont besoin de temps d'apprentissages et de manipulation plus longs que la moyenne pour réussir : c'est pourquoi , dans ce contexte, seul le cas du patient A est étudié en classe. Le cas de la patiente B peut être traité par les élèves les plus rapides ou être donné en devoir maison en guise d'approfondissement.
On attend des élèves qu'ils rédigent une production sous la forme d'un document numérique qui peut être évalué en fin de séance.
Lorsque le contexte classe est plus favorable, la séance peut se dérouler de la manière suivante :
-
Propositions d'évaluations
- Le document numérique produit comportant les réponses à la partie 1 (recherche de l'origine possible de la paralysie) et à la partie 2 (travail sur les IRMf) du TP.
- Partie 2 du TP : l'étape 1 sur la conception d'une stratégie de résolution peut alors être réalisée à l'écrit en temps limité (moins de 15 minutes) et évaluée, afin de préparer aux exigences de l'évaluation des capacités expérimentales.
-
Déroulement de la séquence pédagogique
Premier temps : Mise en place de la situation ludo-éducative (durée environ 10 minutes)
La première phase de cette séance à pour objectif de mettre en place les conditions ludiques de cette situation d'apprentissage qui correspond à une tâche complexe.
Elle est réalisée de manière orale et collective afin de créer un vécu commun à la classe particulièrement motivant, et d'inciter les élèves à s'engager dans la situation d'apprentissage, pour produire du sens et acquérir des connaissances scientifiques.
A cette occasion la salle de cours se transforme en hôpital et chaque élève va devoir entrer dans la peau d'un futur médecin.
L'enseignant commence par planter le décor par la lecture ou l'exposé du texte introductif ci après et les cas des patients A et B sont exposés.
Cette première phase permet également à l'enseignant de travailler sur la reformulation de la consigne pour les classes les plus faibles, sur la démarche expérimentale, mais également de faire émerger les prérequis.
Afin de rendre le contexte d'apprentissage plus réaliste et motivant, la mise en place de cette séquence peut être scénarisée grâce à :
- l'utilisation d'accessoires pour favoriser l'identification de l'élève au médecin (blouse, stéthoscope, remplacement du traditionnel "Nom" de l'élève en haut de la feuille réponse par la mention Dr ...élément qui a été mis en place spontanément par les élèves qui se sont volontiers prêtés au jeu).
- l'utilisation sur les documents de logos hospitaliers (Il vous est proposé ici le logo modifié du Princeton-Plainsboro Teaching Hospital, hôpital universitaire fictif servant de cadre à la série américaine Dr House).
Cette phase de mise en situation donne également à l'enseignant l'occasion d'exposer les règles de fonctionnement pendant la séance à savoir :
- les modalités de communication entre les élèves dont il est intéressant qu'ils puissent confronter leur "diagnostic" c'est à dire leur production, et s'aider à condition que le niveau sonore demeure faible
- les modalités de communication élève - enseignant
- les éléments qui sont évalués
- la gestion du temps
- ...
Enfin, cette étape permet d'évoquer succinctement les thématiques d'éducation à la santé et à la citoyenneté, et de parler d'orientation avec la présentation des métiers préhospitaliers (SAMU, SMUR..) et de la médecine d'urgence.
Deuxième temps : Investigation pour déterminer la cause probable de la paralysie du patient A prétexte à la mise en place d'une rupture cognitive (durée environ 40 minutes)
Cette deuxième étape de la démarche place l'élève en situation d'autonomie, dans une démarche d'investigation et lui permet de se familiariser avec l'utilisation du logiciel EduAnatomist.
| La cause probable de la paralysie du patient A |
|---|
  |
|
On cherche à déterminer la cause de la paralysie du patient A. Une paralysie peut avoir de nombreuses causes (traumatisme, tumeur, empoisonnement, …) mais elle résulte nécessairement d’une altération d’un ou plusieurs des organes suivants mis en jeu dans la motricité :
- soit du cerveau (=centre nerveux supérieur)
- soit de la moelle épinière (dont on sait qu'elle est le siège de la localisation des corps cellulaires des neurones moteurs) - soit des nerfs - soit des muscles D'ou la nécessité d'aller explorer ces différents organes ce qui légitime l'utilisation des images d'IRM médullaires et cérébrales fournies dans le dossier médical.
 On attend de l'élève qu'il soit capable :- d'utiliser les fonctionnalités du logiciel EduAnatomist
En IRM, la technique d'acquisition influence le contraste de l'image. Classiquement ,les images anatomiques sont réalisée en T1, cependant compte tenu de la pathologie du patient et des éléments recherchés par le corps médical, nous ne disposons pas d'images en T1 pour le patient A. (Pour plus de détails lire l'article sur le sujet 12212 ). Le LCR désigne le liquide céphalo-rachidien que l'on rencontre au niveau cérébral dans les ventricules cérébraux et entre la boite crânienne et la substance grise du cerveau.
Analyse des résultats : On constate que les tâches noires entourées dans l’hémisphère gauche du patient A (image ci-dessus) n’apparaissent pas sur l’IRM cérébrale d’un individu sain.
|
Remarque : Nous ne disposons actuellement d'aucune données relatives à des dysfonctionnements nerveux ou musculaires responsables de paralysies.
Analyse de l’IRM médullaire (doc 2) : 
A ce stade de la démarche rien ne permet d'affirmer avec certitude que la lésion observée dans l'hémisphère gauche, sur l'IRM anatomique du patient A est responsable de la paralysie.
En effet, cette lésion pourrait bien être antérieure à l'apparition de la paralysie, qui pourrait avoir une tout autre cause (lésion au niveau d'un nerf ou des muscles : deux hypothèses compatibles avec les prérequis sur fonctionnement de l'arc réflexe).
Il n'est pas non plus déraisonnable de penser que la résolution de l'IRM n'est pas suffisante pour permettre de déceler une lésion cérébrale ou médullaire de très petite taille.
Dans tous les cas, un fait nouveau et inexpliqué émerge pour l'élève :
Comment expliquer qu'une lésion corticale située dans un hémisphère cérébral (en l'occurrence ici le gauche) se manifeste par une paralysie située du coté opposé?
En effet, on observe que la paralysie du patient A touche la région du corps située du côté opposé à celui de l’hémisphère lésé, ce qui suggère que la commande motrice du mouvement est controlatérale (c'est à dire du côté opposé).
Cette hypothèse sera vérifiée si, et seulement si, on arrive à montrer que chez un sujet sain l'hémisphère gauche (affecté par une lésion chez le patient A) est responsable des mouvements volontaires de la partie droite du corps et inversement.
Cette découverte légitime donc la nécessité de poursuivre de nouvelles investigations, en particulier la réalisation d'IRM fonctionnelles, ce qui fait l'objet de la deuxième partie du TP.
Troisième temps : Mise en évidence d'un contrôle controlatéral du mouvement volontaire (durée environ 45 minutes, correction comprise)
En préambule, soit lors des séances précédentes, soit sous la forme d'un devoir maison, les élèves ont réalisé l'exercice sur la construction des IRM fonctionnelles.
| Étape 1 : Comprendre ou Concevoir une stratégie pour résoudre une situation problème (durée maximale : 10 minutes) |
|---|
|
Consigne : On cherche à identifier la région cérébrale activée lors du mouvement de la main droite et lors du mouvement de la main gauche. On attend de l'élève qu'il conçoive une stratégie réaliste et cohérente avec la recherche à mener et les ressources, en précisant :- ce qu'il cherche
- ce qu'il fait - comment il le fait - ce qu'il attend On attend ici une démarche et non pas une recette exacte.
|
| Étape 3 : Présenter les résultats pour les communiquer |
|---|
|
On attend de l'élève : - qu'il ait correctement identifié l'aire cérébrale significativement la plus activée lors de la réalisation du mouvement de la main droite et gauche dans les trois plans de coupe
- que la communication prépare à comparer l’emplacement de la lésion cérébrale du patient A avec l'emplacement de la (des) zone(s) cérébrale(s) active(s) lors de la réalisation d’un mouvement de la main droite.
Si aucun résultat n’est obtenu, malgré les aides apportées (que ce soit par l'enseignant ou pas les autres élèves) fournir un document de secours pour permettre à l'élève de répondre au problème posé (étape 4). Il peut être intéressant de fournir le document numérique pour permettre au candidat de modifier la mise en page, et réaliser des annotations.
Titre : IRM fonctionnelle montrant l’aire cérébrale significativement active lorsqu'un individu sain bouge sa main droite
Titre : IRM fonctionnelle montrant l’aire cérébrale significativement active lorsqu'un individu sain bouge sa main gauche |
|
Étape 4 : Exploiter les résultats obtenus pour répondre au problème posé |
|---|
|
Consigne : A partir des résultats obtenus, déterminer la région cérébrale activée lors du mouvement de la main droite et lors du mouvement de la main gauche. (Utiliser éventuellement les schémas sur l'anatomie du cerveau).
Chez un individu sain, on constate que :
On constate également que l’aire motrice impliquée dans le mouvement de la main droite chez le sujet 13112 est approximativement localisée au même niveau* que la lésion cérébrale dont est victime le patient A qui présente une hémiplégie droite persistante, dans l'hémisphère gauche en avant de la scissure de Rolando (aire 4 de Brodmann). [*] En réalité les lésions cérébrales visibles sur l’IRM cérébrale du patient A se trouvent légèrement au-dessous des aires de la motricité volontaire visualisées chez le sujet sain. Il s’agit en fait de lésions diffuses dont une partie n’apparaît pas sur l’IRM mais qui sont bien responsables de la paralysie. Ceci peut constituer un obstacle à la compréhension de l'élève qu'il faudra alors aider. En supposant que le cerveau du patient A fonctionne de la même façon que celui de l’individu sain ET en supposant que les aires motrices des autres muscles de la partie droite du corps soient situées à proximité de l’aire motrice de la main droite (ce qui est le cas), on en déduit que l’hémiplégie droite du patient A résulte des lésions observées sur l’IRM cérébrale.
|
Remarques : les lésions cérébrales observées sont le résultat d’un accident vasculaire cérébral (AVC). Le cas clinique et des images complémentaires sont disponibles sur le site Acces en cliquant sur le
Quatrième temps : Education à la santé et orientation (durée environ 10 minutes)
En fin de séance, il est intéressant de ménager un temps de discussion avec la classe sur la cause de la lésion constatée chez le patient A. Cette activité s'inscrit dans cadre du parcours éducatif de santé de l'élève, puisqu'elle va lui permettre d'acquérir des informations relatives à la santé et de développer des compétences lui permettant de faire des choix éclairés.
Pour amorcer la discussion, revenir sur le dossier médical du patient A dans la partie "facteur de risque et mode de vie" : l’âge du patient (62 ans) son tabagisme, son hypertension, son hypercholestérolémie et sa sédentarité constituent des facteurs de risque d’AVC.
Ci après, une proposition de diaporama permettant d'illustrer les différentes causes des accidents vasculaires cérébraux (=AVC), les symptômes permettant leur identification et la conduite à tenir en cas de confrontation à cette situation.
Cette séance s'intègre également dans le cadre du parcours avenir, puisqu'elle permet de présenter les études de médecine, voie d'orientation très sélective mais fortement plébiscitée par les élèves qui en ont souvent une représentation erronée, ainsi que certains métiers paramédicaux. (lien vers le diaporama)
Cinquième temps : Analyse de la paralysie de la patiente B
A faire en classe ou sous forme de devoir maison pour les classes les plus faibles
| La cause probable de la paralysie de la patiente B |
|---|
|
|
|
On constate que l'IRM cérébrale du patient B ne montre pas de différence notable avec celui d’un individu sain. On en déduit que sa paralysie n’est pas d’origine cérébrale (ou alors qu’elle résulte de lésions microscopiques invisibles sur l’IRM).
On constate que la masse blanchâtre entourée sur l’IRM médullaire de la patiente B (image ci-dessus) n’apparaît pas sur l’IRM médullaire d’un individu sain. Cette masse blanchâtre comprime la moelle épinière au niveau de la vertèbre T7 et interrompt le trajet de la moelle épinière. Or on sait que les neurones moteurs qui commandent les muscles sont situés dans la moelle épinière (prérequis). Ceci permet donc d'expliquer qu’une lésion de la moelle épinière entraîne une paralysie. Ainsi une compression de la moelle épinière, d'origine tumorale, peut :
La comparaison des données des patients A et B permet d'illustrer le rôle majeur de la moelle épinière dans la motricité volontaire. En effet le patient B, qui présente une IRM anatomique cérébrale normale, dont les aires corticales de la motricité volontaires sont intactes, souffre d'une lésion médullaire, permet d'illustrer le rôle paralysant de ces dernières. |
Bibliographie
Liste des principaux ouvrages et sites internet consultés et utilisés pour la réalisation de ce dossier.
Les ouvrages
- Ouvrages universitaires
- Elaine N. Marieb. "Anatomie et physiologie humaines". Pearson Education, 9e édition décembre 2014 , Collection : Classroom In The Book. 1300 p. ISBN 2761369327
- Lauralee Sherwood. "Physiologie humaine". De Boeck Superieur, juin 2015, Collection : Sciences Medicales. 674 p. ISBN 2804189961
Ressources multimédia
- Textes institutionnels
- connaissances et capacités exigibles pour le brevet informatique et internet (B2i)
- Sites internet
- Articles de périodiques en ligne
Document mis à disposition selon les termes de la
Licence Creative Commons Attribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Partage dans les mêmes conditions 4.0 International
Auteur : SBeaudin relu par JCartier
