Comment les corps des animaux, y compris le nôtre, sont-ils devenus des machines à mouvement aussi perfectionnées ? La façon dont les vertébrés coordonnent l'éternel tiraillement entre réflexes involontaires et mouvements volontaires fluides est un mystère que le laboratoire de Francisco Valero-Cuevas du département de génie biomédical de l'USC Alfred E. Mann a tenté de comprendre.
Le dernier article informatique du laboratoire publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS) ajoute au leadership éclairé sur le traitement de l'information sensorielle et le contrôle des réflexes lors des mouvements volontaires ; avec des implications quant à la façon dont sa perturbation pourrait donner lieu à des troubles moteurs dans des conditions neurologiques comme les accidents vasculaires cérébraux, la paralysie cérébrale et la maladie de Parkinson.
Vous souvenez-vous du pédiatre qui vous a tapoté le genou pour voir si vous aviez une forte réaction instinctive involontaire ? Il s'agissait de tester les réflexes d'étirement de votre moelle épinière, qui résistent à l'étirement musculaire pour vous donner le tonus musculaire nécessaire pour maintenir votre corps face à la gravité, par exemple, des corrections rapides après un trébuchement. Ainsi, la manière exacte dont ces réflexes sont modulés ou inhibés pour permettre un mouvement fluide et volontaire a fait l'objet de débats depuis les travaux fondateurs de Charles Scott Sherrington dans les années 1880 (oui, les années 1880 !). Ce nouveau travail s'inscrit directement dans des débats critiques sur la manière dont l'ancienne moelle épinière et le cerveau humain relativement nouveau interagissent pour produire des mouvements fluides et sur la manière dont certaines conditions neurologiques perturbent cet équilibre délicat et produisent des mouvements lents, imprécis, saccadés, etc. dans les conditions neurologiques.
L'étude, dirigée par Grace Niyo, doctorante en génie biomédical, met en lumière un éventuel système ou circuit non découvert en jeu dans la moelle épinière qui, lorsqu'il fonctionne correctement, « module » les réflexes lors des mouvements volontaires. L'étude, dit Niyo, propose « un mécanisme théoriquement nouveau pour moduler les réflexes spinaux au même niveau de la moelle épinière que les réflexes d'étirement ».
Valero-Cuevas, professeur de génie biomédical, de génie aérospatial et mécanique, de génie électrique et informatique, d'informatique, de biokinésiologie et de physiothérapie à l'USC, est l'auteur correspondant de l'article « Une étude informatique sur la façon dont les α- à γ-motoneurone collatéral peut atténuer les réflexes d'étirement dépendants de la vitesse lors d'un mouvement volontaire.
Les réflexes sont des mécanismes sophistiqués et anciens d’échange d’informations de bas niveau qui ont co-évolué et co-adapté avec des développements ultérieurs comme le cerveau humain… comprendre leur collaboration avec le cerveau est essentiel à la compréhension des mouvements en matière de santé et de maladie.
Valero-Cuevas, professeur, Université de Californie du Sud
Valero-Cuevas déclare : « Nous bénéficions et modulons constamment les réflexes d'étirement, que nous en soyons conscients ou non lorsque nous nous levons, bougeons et agissons. »
Le laboratoire du professeur Valero-Cuevas se consacre à la compréhension du contrôle neuromusculaire chez les animaux et les robots, avec des implications pour la rééducation clinique de la mobilité humaine.
Il explique : « Bien que notre cerveau soit très sophistiqué, nous devons reconnaître la valeur et le pouvoir de l'ancienne moelle épinière, qui a permis à tous les vertébrés de prospérer pendant des millions d'années avant même que les grands cerveaux ne soient possibles. Nous aimerions comprendre comment la moelle épinière est capable de réguler des mouvements fluides, même avec un contrôle cérébral minimal, comme nous le savons chez les amphibiens et les reptiles. Cette perspective pourrait avoir des implications importantes pour la compréhension, et éventuellement le traitement, des troubles du mouvement dans les affections neurologiques qui affectent le cerveau et la moelle épinière. , ou les deux ; et également pour créer des prothèses ou des robots d'inspiration biologique qui se déplacent en douceur à l'aide de moelles épinières simulées. »
L'expérience de simulation : pour tester si et comment un circuit spinal peut permettre des mouvements volontaires en modulant ou en inhibant les perturbations de mouvement résultant des réflexes d'étirement, l'équipe, dirigée par Niyo, a créé un modèle biomécanique du bras d'un singe macaque dans le simulateur physique. logiciel appelé MuJoCo, générant plus d'un millier de mouvements d'atteinte. La règle simple du réflexe d’étirement est que les muscles étirés auront tendance à s’opposer à l’étirement, tandis que les muscles qui se raccourcissent ne présentent pas de réflexes d’étirement. Ils ont d’abord démontré que les réflexes d’étirement non modulés produisent effectivement une auto-perturbation qui perturbe les mouvements volontaires des bras. Ils ont ensuite mis en œuvre un circuit spinal simple dans lequel les mêmes neurones de la moelle épinière qui contrôlent la force musculaire (appelés motoneurones alpha) adaptent également (c'est-à-dire modulent) le réflexe d'étirement proportionnellement à leur niveau d'excitation musculaire. Autrement dit, les muscles très excités auraient de fortes réponses réflexes d’étirement s’ils étaient étirés, et vice versa. Ils ont découvert que cette règle simple – ; qu'il est physiologiquement possible étant donné les projections connues des motoneurones alpha (également appelés collatéraux) vers les circuits réflexes peut – ; par elle-même ; corriger en grande partie les auto-perturbations des réflexes d'étirement pour produire des réflexes fluides et précis. mouvements volontaires.
D'un point de vue technique moderne, on pourrait comparer cela à « l'informatique de pointe », explique Valero-Cuevas, qui repose sur l'idée selon laquelle le traitement de l'information est effectué à la source (capteurs des membres et de la moelle épinière) plutôt qu'exclusivement au centre de commande central ( le cerveau) – ; un peu comme certaines applications de votre téléphone qui prétraitent les informations à envoyer à un serveur cloud. Valero-Cuevas fait l'analogie mécanique avec ces connexions de bas niveau aux circuits réflexes, comme les « roues d'entraînement d'un vélo qui sont là pour vous permettre de vous amuser et de vous rattraper si vous faites une erreur pendant que vous apprenez à conduire votre vélo ». vélo. »
Ces circuits peuvent vous aider à produire de nouveaux mouvements volontaires avec des perturbations minimes, mais laissent ouverte la possibilité au cerveau et au cervelet d'affiner et d'apprendre également à contrôler les réflexes à mesure que votre système nerveux mûrit ou acquiert suffisamment d'expérience.
Implications : Au-delà d'une meilleure compréhension des troubles du mouvement, Niyo affirme que ces connaissances pourraient être un point de départ pour que les expérimentateurs commencent à rechercher et à tester de tels circuits rachidiens. « Ce travail pourrait également inspirer et guider de nouvelles thérapies au niveau approprié du système nerveux pour le traitement des troubles du mouvement comme les accidents vasculaires cérébraux et la paralysie cérébrale », expliquent Niyo et Valero-Cuevas.
Les co-auteurs supplémentaires de l'étude incluent Lama I. Almofeez, doctorant au département de génie biomédical de l'USC Alfred E Man et Andrew Erwin, qui au moment de l'étude était chercheur postdoctoral à la division de biokinésiologie et de physique de l'USC. Thérapie.
