Rôle du cerveau et de la moelle épinière dans la motricité volontaire (2020)

Deux parties du programme sont préalablement traitées avant la mise en oeuvre de cette séquence pédagogique 

Thème III : Corps humain et santé

Thème III-A Comportements, mouvement et système nerveux

Thème III-A1 Les réflexes

Thème III : Corps humain et santé

Thème III-B Produire le mouvement : contraction musculaire et apport d’énergie

• 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 (la synapse neuromusculaire n'étant pas comptabilisée)
• 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 25/07/2019), 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 référence des compétences numériques qui est entré en vigueur à la rentrée 2019 en lycée. (Plan numérique pour l'éducation lancé en mai 2015). 

1. Précautions à prendre pour renommer les images

 

Il est intéressant de sensibiliser les élèves à la nécessité de superposer un calque fonctionnel sur une image anatomique d'un même individu, dans le cas contraire, l'IRMf peut ne pas superposer parfaitement à l'IRM anatomique.

2. Ressources enseignant et élève

1.  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 qui se déroule de la manière suivante :.

- Partie 1 du TP : étude des dossiers médicaux de trois patients  A, B et C  pour mettre en évidence la pluralité des origines des paralysies et poser le problème du contrôle controlatéral dans la motricité volontaire. Plusieurs configurations sont possibles selon le niveau de la classe. Ci-après, différentes organisations, de la plus exigeante à la plus simple : 

- chaque élève traite les trois dossiers médicaux

- chaque élève traite deux cas : un cas de paralysie médullaire et un cas de paralysie cérébrale. La mise en commun de toutes les productions permet d'aborder les dossiers médicaux des trois patients A, B et C (organisation mosaïque)

- chaque élève traite un cas et la mise en commun de toutes les productions permet d'aborder les dossiers médicaux des trois patients A, B et C (organisation mosaïque)

- chaque élève traite un seul cas mais la mise en commun de toutes les productions permet d'aborder uniquement les dossiers médicaux des patients A et C

- pour 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, seul le cas du patient A est étudié en classe. Le dossier médical du patient C peut être traité par les élèves les plus rapides ou être donné en devoir maison en guise d'approfondissement.
 

Trois dossiers médicaux A, B et C, inspirés de ce qui se pratique dans le milieu hospitalier, sont distribués aux élèves (voir ci-dessus les différentes organisations possibles) 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 hémiplégie gauche liée à un accident vasculaire cérébral (=AVC) dont on visualisera la lésion cérébrale dans le cortex moteur droit. Son IRM anatomique médullaire ne présente pas d'anomalie. 
• La patiente C souffre d'une paraplégie liée à une compression médullaire d'origine tumorale. Son IRM anatomique cérébrale ne présente pas d'anomalie. 

L'analyse des données médicales des patients 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 ou B avec le patient C permet d'illustrer le rôle majeur de la moelle épinière dans la motricité volontaire. En effet la patiente C, atteinte d'une lésion médullaire, avec une intégrité des aires corticales motrices, permet d'illustrer le rôle paralysant de cette dernière en cas de lésion.

On attend des élèves qu'ils rédigent une production sous la forme d'un document numérique et d'une restitution orale qui peut être évaluée en fin de séance.
 

2. 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.
• La présentation orale d'un cas clinique et l'explication de sa paralysie, dans la perspective de la préparation au grand oral
• 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. 

3. 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 médicaux des différents des patients 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.

Il est intéressant de commencer la mise en commun des travaux d'élèves par l'analyse de la lésion médullaire, puis ensuite de traiter les paralysies liées à des AVC qui vont permettre de faire le lien avec la deuxième partie du TP. Cette phase de présentation des cas cliniques peut être l'occasion de la préparation au grand oral, en demandant à trois élèves d'exposer leurs résultats à l'ensemble de la classe.

La cause probable de la paralysie du patient C
Démarche :  On cherche à déterminer la cause de la paralysie du patient C. 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.   Remarque : Nous ne disposons actuellement d'aucune données relatives à des dysfonctionnements nerveux ou musculaires responsables de paralysies.  Éléments de réponse attendus :  Analyse de l’IRM cérébrale (doc 2) :  On constate, sur l’IRM cérébrale du patient C, que son cerveau 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).  Analyse de l’IRM médullaire (doc 3 et 4):   On attend de l'élève qu'il soit capable : - d'utiliser les fonctionnalités du logiciel EuAnat2 - réglage du contraste de l'image - se repérer dans les différents plans de coupe - d'explorer le cerveau à la recherche de lésion(s) possible(s) responsable(s) de l'hémiplégie droite. - de comparer l'IRM de l'individu sain avec celui du patient C  Remarque : la méconnaissance de l'organisation de la moelle épinière (notion non exigible dans les programmes) légitime l'utilisation d'un document de référence. Analyse des résultats et conclusion :  On constate que la masse grisâtre entourée en jaune sur l’IRM médullaire de la patiente C (image ci-dessus) n’apparaît pas sur l’IRM médullaire d’un individu sain. Cette masse grisâtre comprime la moelle épinière au niveau des vertèbres T2-T3 (non exigible : savoir compter les vertèbres, mais en revanche il faut dire en partie haute de la moelle épinière). De plus une biopsie (doc 5) révèle que cette masse grisâtre correspond à une tumeur. Or on sait qu’une compression de la moelle épinière peut : - empêcher le passage des messages nerveux moteurs allant du cerveau aux muscles des jambes ce qui expliquerait la paraplégie de la patiente - empêcher le passage des messages nerveux sensoriels allant de la partie inférieure du corps au cerveau ce qui expliquerait la perte de sensibilité de la patiente On en déduit que la compression médullaire à un niveau élevé du rachis est responsable de la paralysie des deux membres inférieurs et de la partie basse du tronc ainsi que de la perte de sensibilité.

La cause probable de la paralysie du patient B
Démarche :  On cherche à déterminer la cause de la paralysie du patient B. 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.   Remarque : Nous ne disposons actuellement d'aucune données relatives à des dysfonctionnements nerveux ou musculaires responsables de paralysies.  Éléments de réponse attendus :  Analyse de l’IRM médullaire (doc 2) :  On sait que les neurones moteurs qui commandent les muscles sont situés dans la moelle épinière (prérequis). Il est donc possible qu’une lésion de la moelle épinière entraîne une paralysie. On constate, sur l’IRM médullaire du patient B, que sa moelle épinière ne montre pas de différence notable avec celle d’un individu sain (il n'y a pas d'interruption de la moelle épinière). On en déduit que la paralysie du patient A n’est pas d’origine médullaire (ou alors qu’elle résulte de lésions microscopiques invisibles sur l’IRM).  Remarque : la méconnaissance de l'organisation de la moelle épinière (notion non exigible dans les programmes) légitime l'utilisation d'un document de référence.  Analyse de l’IRM cérébrale (doc 3 et 4):   On attend de l'élève qu'il soit capable : - d'utiliser les fonctionnalités du logiciel EduAnat2 - réglage du contraste de l'image - se repérer dans les différents plans de coupe - d'explorer le cerveau à la recherche de lésion(s) possible(s) responsable(s) de l'hémiplégie gauche. - de comparer l'IRM de l'individu sain avec celui du patient B Analyse des résultats :  On constate une masse blanche dans l’hémisphère droit du patient B (entourée en rouge das l'image ci-dessus) qui n’apparait pas sur l’IRM cérébrale d’un individu sain. On en déduit qu'il s'agit d'une lésion. On peut donc raisonnablement supposer que la lésion cérébrale (coté droit) constatée sur l’IRM constitue la cause de l’hémiplégie gauche du patient B. D’autre part, la paralysie du patient B 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. (Faire le lien avec le dossier médical A) Cette hypothèse sera vérifiée si, et seulement si, la partie de l’hémisphère droit affectée par les lésions est responsable des mouvements volontaires de la partie gauche du corps.

La cause probable de la paralysie du patient A
Démarche :  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.   Remarque : Nous ne disposons actuellement d'aucune données relatives à des dysfonctionnements nerveux ou musculaires responsables de paralysies.  Éléments de réponse attendus :  Analyse de l’IRM médullaire (doc 2) : On sait que les neurones moteurs qui commandent les muscles sont situés dans la moelle épinière (prérequis). Il est donc possible qu’une lésion de la moelle épinière entraîne une paralysie. On constate, sur l’IRM médullaire du patient A, que sa moelle épinière ne montre pas de différence notable avec celle d’un individu sain (il n'y a pas d'interruption de la moelle épinière). On en déduit que la paralysie du patient A n’est pas d’origine médullaire (ou alors qu’elle résulte de lésions microscopiques invisibles sur l’IRM).  Remarque : la méconnaissance de l'organisation de la moelle épinière (notion non exigible dans les programmes) légitime l'utilisation d'un document de référence.  Analyse de l’IRM cérébrale (doc 3 et 4):   On attend de l'élève qu'il soit capable : - d'utiliser les fonctionnalités du logiciel EduAnat2 - réglage du contraste de l'image - se repérer dans les différents plans de coupe - d'explorer le cerveau à la recherche de lésion(s) possible(s) responsable(s) de l'hémiplégie droite. - de comparer l'IRM de l'individu sain avec celui du patient A    Remarques concernant l'acquisition des données. 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. On en déduit que ces tâches correspondent à des lésions. On peut donc raisonnablement supposer que les lésions cérébrales constatées sur l’IRM (tâches entourées) constituent la cause de l’hémiplégie droite du patient A.

 Remarque : Le raisonnement ci-après est valable pour le patient B (lésion à droite, paralysie à gauche)

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)

• Textes institutionnels

- Parcours éducatif santé

- Créé par la loi n° 2013-595 du 8 juillet 2013 d'orientation et de programmation pour la refondation de l'école de la République

- Réaffirmé par la loi n° 2016-41 du 26 janvier 2016 de modernisation de notre système de santé

- La mise en œuvre du parcours éducatif de santé (PES) est détaillée dans la circulaire n° 2016-008 du 28 janvier 2016. 

Loi n°2013-595  du 8 juillet 2013 pour la programmation et la refondation de l'école de la République

Arrêté du 1er juillet 2015  relatif au parcours Avenir  (BOEN n°28 du 9-7-2015)

Disponible sur http://eductice.ens-lyon.fr/EducTice/recherche/jeux/jeux-et-apprentissage

(consulté le 01 Février 2017)