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+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
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Synapses chimiques
Rôle : transmettre un signal électrique en le convertissant en signal chimique. Le signal est par la suite reconverti en signal électrique
Vidéo
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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
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SNC
Comprend : cerveau et moelle épinière
Bien protégé par : Os (crâne et vertèbres) Liquide cérébro spinale (céphalo-rachidien)
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Cerveau
Bear, Connors, Paradiso
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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)
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Cerveau - Les lobes
Bear, Connors, Paradiso
Os du crâne : http://www.radioanatomie.com/25_os/os/profil.php
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Cerveau - Les lobes et leurs fonctions 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
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Cerveau - Vue ventrale
Bulbe olfactif
Nerf optique
Mésencéphale
Médulle (moelle)
Pont
Hypothalamus
Bear, Connors, Paradiso
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Cerveau - Tronc cérébral
Thalamus
Hypothalamus
Cervelet
MoellePont
Mésencéphale
Bulbe rachidien
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Cerveau - Coupe frontale (mi-thalamus)
Ventricule latéral
Fissure latérale (de Sylvius)
Troisième ventricule
Hypothalamus
Thalamus
Cerveau antérieur
Bear, Connors, Paradiso
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http://cti.itc.virginia.edu/
Cerveau - Cortex
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Cortex moteur et somatosensoriel
Marieb, 1999
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Cortex somatosensoriel
Homoncule :
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Commotion cérébrale
Impact direct
Affecte : Les transmissions neuronales Circulation sanguine Neurotransmetteurs
Vidéo
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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
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Mécanisme de la plasticité
Potentialisation à long terme (PLT) : Augmentation de l’efficacité à long terme de la transmission
synaptique entre 2 neurones qui sont stimulés simultanément Mécanisme sous-jacent de l’apprentissage et de la mémoire L’hipocampe (rôle important dans la mémorisation d’informations
et dans l’apprentissage) possède une capacité de potentialisation à long terme assez élevée
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Mécanisme de la plasticité
Potentialisation à long terme (PLT) : Rend synapse plus efficace Assurée par la présence dans certaines synapses de
récepteurs dits NMDA Le changement est réversible à long terme
Dépression à long terme (DLT) : Assurée aussi par NMDA
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Quelques applications d’ingénierie
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Imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf)
http://www.williamoslerhc.on.ca/
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IRMfPermet de visualiser les parties du cerveau qui
s’activent lors de différentes tâches : Lorsqu’une partie du cerveau s’active, on y retrouve
un accroissement du flux de sang Cette augmentation est accompagné d’une réduction
de deoxyhémoglobine Cette réduction est visible sur une image IRMf
Une première image est prise sans stimuli et ensuite une série est prise avec le stimuli ou la tâche
L’activation liée au stimuli est la différence entre les images avec stimuli et l’image au repos
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IRMf Utilise un appareil IRM
traditionnel : Généralement avec
appareil 3T
Une image haute résolution (IRM) est prise pour situer l’anatomie
Une série d’images basse résolution (IRMf) sont prises pendant une période d’environs 1 à 2 minutes
La taille d’un voxel peut atteindre environs 1.5 mm3
http://www.firstscience.com
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Mapping du cortex
Le neurochirurgien identifie les régions du cortex avec des électrodes
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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
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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
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Deep Brain Stimulation (DBS)
Vidéos :
http://www.care4dystonia.org/videos.htm
Découverte, www.radio-canada.ca
Durée : 0:19 Durée : 0:22Durée : 0:13
De 4:50 à 6:00
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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)
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Signaux du cortex moteur
Moran & Schwartz 1999
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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
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Applications d’ingénierie
Déplacement d’un curseur à l’aide d’implants dans le cortex moteur humain (Braingate).
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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
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Signaux du cortex moteur
Ces informations permettent de reproduire le mouvement à l’aide la « pensée » :
Durée : 0:51Durée : 0:54
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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
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Questions?
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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 dictionnaire terminologique