Dans une étude récente publiée dans le Nature Journal, les chercheurs ont effectué une cartographie fonctionnelle de précision (PFM) et une imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) pour cartographier l’organisation fonctionnelle du cortex moteur (M1) du cerveau humain.
Étude: Un réseau d’action somato-cognitif alterne avec des régions effectrices dans le cortex moteur. Crédit d’image : r.classen/Shutterstock.com
Sommaire
Arrière-plan
Le cortex moteur humain a été initialement décrit comme un homoncule continuellement présent. En revanche, les études sur les primates non humains (PNH) ont divisé M1 en régions antérieure et postérieure, le corps étant représenté dans les régions effectrices antérieure et motrice dans la partie postérieure.
Le mouvement volontaire est régulé par le réseau cingulo-operculaire (CON). Des études animales ont démontré que le cortex moteur antérieur se projette dans des organes internes impliqués dans l’éveil sympathique, indiquant que CON, avec M1, peut non seulement médier des actions abstraites, mais aussi coordonner des mouvements.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont présenté un système double qui fusionne l’action et le contrôle du corps dans un circuit commun et se caractérise par un réseau d’action somato-cognitif (SCAN) alternant avec les régions effectrices M1.
L’équipe a effectué une PFM haute résolution (2,40 mm) avec des valeurs de connectivité fonctionnelle à l’état de repos (RSFC) de 172,0 à 1 813,0 minutes par participant (tâche : 353,0 minutes par individu) et a utilisé des informations de diffusion pour cartographier les réseaux fonctionnels du cerveau.
Pour vérifier les résultats de l’étude, des données ont été obtenues à partir de trois grandes études d’IRMf, à savoir l’étude Adolescent Brain Cognitive Development (ABCD), l’étude United Kingdom Biobank (UKB) et l’étude Human Connectome Project (HCP), et la présente étude les résultats ont été comparés.
Au total, les ensembles de données comprenaient des données provenant de près de 50 000 personnes. En outre, les résultats ont été placés dans des contextes inter-espèces (macaques contre humains), cliniques (AVC post-partum) et développementaux (périodes néonatale, infantile, de l’enfance et de l’âge adulte), en utilisant des informations de cartographie fonctionnelle de précision (PFM).
L’équipe a utilisé une batterie de tâches d’IRM fonctionnelles motrices et d’action pour enregistrer des somatotopies effectrices de forme concentrique, délimitées par les régions inter-effectrices (IER) associées aux CON. Les synchronisations relatives des signaux IRM de la fonction à l’état de repos pour les régions M1 ont été comparées.
Des données d’IRM fonctionnelles ont été obtenues auprès de deux participants fortement échantillonnés (64,0 courses, 244,0 minutes par individu) lors de l’exécution bloquée de 25 mouvements et d’une nouvelle tâche associée à un événement avec des phases distinctes pour la planification et l’exécution des mouvements main-pied (12,0 courses, 132,0 minutes par personne).
Pour les tests formels de l’arrangement concentrique, des courbes gaussiennes à pic unique et double ont été ajustées aux profils d’activation de tâche le long de l’axe dorsomédian à ventrolatéral M1.
Des données d’IRM fonctionnelles liées à la tâche ont également été obtenues pendant que les individus émettaient à plusieurs reprises des sons « ee » pour isoler le mouvement laryngé tout en minimisant le mouvement et la respiration de la langue et de la mâchoire. Les stimulations motrices ont été réanalysées à l’aide des données d’une précédente étude à grande échelle en les cartographiant sur le cortex.
Résultats
Des régions avec une connectivité, une structure et une fonction distinctes interrompent l’homoncule classique, alternant avec des zones spécifiques à l’effecteur (main, bouche et pied). Le schéma de neuroimagerie attendu comprenait trois zones définies par la RSFC dans chaque hémisphère cérébral, avec une connectivité limitée au cortex moteur homotopique controlatéral et au cortex somatosensoriel primaire adjacent.
Les régions correspondaient à des activités évoquées par des tâches pendant les mouvements de la langue, des mains et des pieds. Trois régions avec de fortes connexions fonctionnelles ipsilatérales et controlatérales étaient entrelacées entre les zones spécifiques à l’effecteur. Cela a généré une chaîne interdigitée s’étendant du cortex moteur primaire (gyrus précentral) qui n’avait pas été identifiée auparavant.
Le motif a été détecté chez tous les adultes fortement échantillonnés et était reproductible au niveau intra-individuel. Les trois ensembles de données de l’étude ont vérifié l’interdigitation des régions effectrices liées au contrôle d’action et motrices.
De plus, les IER fonctionnellement connectés présentaient une épaisseur corticale inférieure mais une anisotropie fractionnelle et une teneur en myéline intracorticale supérieures à celles des régions du pied.
Les IER ont montré une connectivité fonctionnelle robuste au CON, qui est essentielle pour l’action et le contrôle physiologique, l’excitation sympathique, la douleur et l’obtention d’un contrôle cognitif orienté vers un objectif. L’IRMf de précision macaque et pédiatrique a indiqué des homologues inter-espèces et des précurseurs du système IER développemental.
Les IER ont été détectés chez un nourrisson âgé de 11,0 mois et étaient comparables à ceux observés chez les enfants âgés de neuf ans. Le modèle a pu être identifié même chez les personnes ayant subi un AVC post-partum bilatéral grave.
De plus, la batterie de tâches d’IRMf motrice et d’action a montré des somatotopies effectrices disposées de manière concentrique séparées par les IER liés aux CON. Les IER étaient fortement liés à l’aire motrice supplémentaire (SMA) et à la zone cingulaire caudale du cortex cingulaire antérieur dorsal (dACC) et étaient liés à l’insula et à la face antérieure du cortex préfrontal.
Dans le striatum, les IER ont montré une liaison robuste avec le putamen dorsolatéral. La connectivité de l’IER thalamique a été particulièrement observée avec le noyau centromédian et les noyaux postéro-médial, intermédiaire et postéro-inférieur sur la face ventrale.
Les IER étaient également solidement liés aux zones cérébelleuses environnantes et au fond d’œil du sillon central, la zone de Brodmann (BA) 3a, impliquée dans la proprioception.
De plus, les IER étaient liés à l’insula moyenne, qui est impliquée dans le traitement des signaux intéroceptifs et de la douleur ; le vermis latéral Crus II; les lobules cérébelleux V, VIIb et VIIIa ; et le putamen dorsolatéral, qui est essentiel pour les fonctions motrices.
Les résultats ont indiqué que l’activité delta à haute fréquence pourrait se produire plus tôt dans CON que dans M1 et que les IER M1 pourraient partiellement permettre l’exécution de plans d’action. La topographie des mouvements préférés, les courbes d’ajustement à double pic et la double représentation laryngée ont soutenu l’organisation concentrique distale-proximale (à l’exception des mouvements de la main chez le deuxième participant), confirmée par une nouvelle analyse des résultats électrophysiologiques publiés précédemment.
Enfin, les IER n’étaient pas spécifiques au mouvement et étaient co-activés lors de la planification des actions (coordination des mains et des pieds) et des mouvements corporels axiaux (y compris ceux des sourcils).
Conclusion
L’étude suggère qu’un système de planification d’action pour tout le corps perce M1, le réseau d’action samato-cognatif.
Dans M1, deux systèmes parallèles s’entremêlent, formant un modèle intégré-isolé de régions spécifiques à l’effecteur critiques pour le contrôle de la motricité fine, lié au SCAN, critique pour l’intégration des objectifs, des mouvements corporels et de la physiologie.
Le SCAN permet également d’anticiper les changements respiratoires, cardiovasculaires et posturaux. Le double réseau intègre l’esprit et le corps, aligné avec les systèmes sensoriels.
