Ingénierie des systèmes humains GTS501 – TP9

1. Ingénierie des systèmes humains GTS501 – TP9 • Objectifs de la séance : - Quiz 4 - Exercice sur le système nerveux central (SNC) - Retour sur les synapses chimiques - Révision sur le SNC - Applications d’ingénierie

2. Synapses chimiques • Rôle : transmettre un signal électrique en le convertissant en signal chimique. Le signal est par la suite reconverti en signal électrique Vidéo

3. Synapses chimiques • Transfert de l’information à travers les synapses chimiques : • Arrivée de l’influx terminal  dépolarisation de la membrane plasmique  ouverture des canaux Ca2+ voltage-dépendants • Détecteurs Ca2+ activés  libération des neurotransmetteurs par exocytose • Neurotransmetteurs se lient aux récepteurs postsynaptiques des canaux ioniques ligands-dépendants • Les canaux ioniques s’ouvrent  Na+ passent à travers la membrane postsynaptique  modification du potentiel  potentiel d’action produit au neurone postsynaptique (si seuil d’excitation atteint)  transmission de l’influx nerveux

4. SNC • Comprend : cerveau et moelle épinière • Bien protégé par : • Os (crâne et vertèbres) • Liquidecérébrospinale (céphalo-rachidien)

5. Cerveau Bear, Connors, Paradiso

6. Cerveau • Hémisphères : • Coté gauche reçoit les sensations et contrôle les mouvements du côté droit (et inversement). • Cervelet : • Centre du contrôle moteur • Tronc cérébral : • Gère les fonctions vitales telles que la respiration, la température corporelle, etc. • Bulbe olfactif : • Responsable de l’olfaction (odorat)

7. Cerveau - Les lobes Bear, Connors, Paradiso Os du crâne : http://www.radioanatomie.com/25_os/os/profil.php

8. Cerveau - Les lobes et leursfonctions • Lobe frontal : • Associé au raisonnement, à la planification, à la locution, au mouvement et aux émotions • Lobe pariétal : • Associé au mouvement, à l’orientation, à la reconnaissance et à la perception de stimuli • Lobe temporal : • Associé à la perception et à la reconnaissance de stimuli auditif, à la mémoire et à la locution • Lobe occipital : • Associé au traitement visuel • Lobe insulaire : • Associé au comportement (agressivité, peur, plaisir, …) • Cervelet : • Associé à la régulation et coordination du mouvement, de l’équilibre et de la posture

9. Cerveau - Vue ventrale Bulbe olfactif Nerf optique Hypothalamus Mésencéphale Pont Médulle (moelle) Bear, Connors, Paradiso

10. Cerveau - Tronc cérébral Thalamus Hypothalamus Cervelet Mésencéphale Pont Moelle Bulbe rachidien

11. Cerveau - Coupe frontale (mi-thalamus) Ventricule latéral Fissure latérale (de Sylvius) Thalamus Troisième ventricule Cerveau antérieur Hypothalamus Bear, Connors, Paradiso

12. Cerveau - Cortex http://cti.itc.virginia.edu/

13. Cortex moteur et somatosensoriel Marieb, 1999

14. Cortex somatosensoriel • Homoncule :

15. Commotion cérébrale • Impact direct • Affecte : • Les transmissions neuronales • Circulation sanguine • Neurotransmetteurs • Vidéo

16. Plasticité du cortex • La neuroplasticité est la capacité du cerveau (neurone) à se réorganiser en créant de nouvelles connections tout au long de la vie Bear, Connors, Paradiso

17. Mécanisme de la plasticité • Potentialisation à long terme (PLT) : • Augmentation de l’efficacité à long terme de la transmission synaptique entre 2 neurones qui sontstimuléssimultanément • Mécanismesous-jacent de l’apprentissage et de la mémoire • L’hipocampe (rôle important dans la mémorisationd’informations et dansl’apprentissage) possèdeunecapacité de potentialisation à long termeassezélevée

18. Mécanisme de la plasticité • Potentialisation à long terme (PLT) : • Rend synapse plus efficace • Assurée par la présencedanscertaines synapses de récepteursdits NMDA • Le changementestréversible à long terme • Dépression à long terme (DLT) : • Assuréeaussi par NMDA

19. Quelques applications d’ingénierie

20. Imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) http://www.williamoslerhc.on.ca/

21. IRMf • Permet de visualiser les parties du cerveau qui s’activentlors de différentestâches : • Lorsqu’unepartie du cerveaus’active, on y retrouve un accroissement du flux de sang • Cette augmentation estaccompagnéd’uneréduction de deoxyhémoglobine • Cetteréductionest visible surune image IRMf • Une première image estprise sans stimuli et ensuiteunesérieestprise avec le stimuli ou la tâche • L’activationliée au stimuli est la différence entre les images avec stimuli et l’image au repos

22. IRMf • Utilise un appareil IRM traditionnel : • Généralement avec appareil 3T • Une image haute résolution (IRM) est prise pour situerl’anatomie • Uneséried’imagesbasserésolution (IRMf) sont prises pendant unepérioded’environs 1 à 2 minutes • La taille d’un voxelpeutatteindre environs 1.5 mm3 http://www.firstscience.com

23. Mapping du cortex • Le neurochirurgien identifie les régions du cortex avec des électrodes

24. Deep Brain Stimulation (DBS) • Stimulation électrique des structures profondes du cerveau dans le but de pallier à un déficit moteur ou psychologique www.mja.com.au

25. Deep Brain Stimulation (DBS) • Utiliser pour réduire les épisodes de tremblement chez les patients souffrant de parkinson • Possible par la stimulation des noyaux subthalamiques en bloquant l’activité des cellules défectrices www.liebermanparkinsonclinic.com http://www.anc.ed.ac.uk/~anaru/research/images/sth-sn.gif

26. Deep Brain Stimulation (DBS) • Vidéos : Durée : 0:19 Durée : 0:22 http://www.care4dystonia.org/videos.htm Durée : 0:13 De 4:50 à 6:00 Découverte, www.radio-canada.ca

27. Signaux du cortex moteur • À l’aide d’électrodes placés dans le cortex moteur, mesures d’activité des neurones • À l’aide d’une tâche pré-définie, correlation entre le déchargement des neurones, le mouvement et l’activité EMG • Capable de prédire la direction et l’intensité du mouvement à l’aide de l’activité neuronale; (Moran et Schwartz 1999)

28. Signaux du cortex moteur Moran & Schwartz 1999

29. Applications d’ingénierie • Exemple d’utilisation d’implants dans les BCI : • Electrode implantée dans le cortex moteur d’un singe (dans la région du bras) • Singe contrôle curseur à l’aide d’un bras aptique • Récompensé lorsqu’il atteint la cible Black et al. 2003

30. Applications d’ingénierie • Déplacement d’un curseur à l’aide d’implants dans le cortex moteur humain (Braingate).

31. Applications d’ingénierie • Prothèses neuronales : • Même technologie que pour l’interface informatique • Mouvements du bras du singe répliqués par le bras robotisé • Pourra servir à contrôler des prothèses et éventuellement des membres par FES http://brownalumnimagazine.com

32. Signaux du cortex moteur • Ces informations permettent de reproduire le mouvement à l’aide la « pensée » : Durée : 0:54 Durée : 0:51

33. Applications d’ingénierie • Ratbots : • Rats télécommandés • Implant stimule 3 régions : • Moustache gauche • Moustache droite • Centre du plaisir (“feelgood”) • Dressés à suivre les stimulations des moustaches à l’aide de récompenses sous forme de plaisir. www.nature.com

34. Questions?

35. Bibliographie • Fimbel, Éric. Notes de cours SYS861, A04 • Bear, Connors, Paradiso. Neuroscience, Exploring the brain. • Wolpert, Ghahramani. Computational principles of mouvement neuroscience. Nature, 3, 1212-1217 (2000). • http://www.fmri.org • Moran, D.W., Schwartz, A.B., Motor Cortical representation of speed and direction during reaching., J. Neurophysiol. 82: 2676–2692, 1999. • http://books.google.ca/books?id=xq_xw2ph9SEC&printsec=frontcover&dq=plasticit%C3%A9&hl=fr#PPA71,M1 • Grand dictionnaireterminologique