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Une nouvelle représentation du vivant (DS0401)
Edition 2014


MOTION


Contrôle et prédiction du mouvement dans le champ terrestre gravito-inertiel

Contrôle et prédiction du mouvement dans le champ gravito-inertiel
Plusieurs forces (e.x., la gravité) agissent sur notre corps et le cerveau doit les prendre en compte pour produire des mouvements coordonnés, comme ceux que nous admirons chez les sportifs. Étonnamment, la question de savoir comment le cerveau traite ces forces pendant le contrôle des mouvements a été négligée. Nous avons construit un consortium pour déchiffrer les mécanismes neuronaux mis en œuvre par le SNC pour faire face spécifiquement à ces forces externes pour contrôler nos actions.

Contrôle et prédiction du mouvement dans le champ gravito-inertiel
Objectif général: Notre objectif est d'étudier comment les représentations internes des forces gravito-inertielles sont développées et utilisées par le cerveau pour contrôler les mouvements des bras.
Objectifs spécifiques:
(I) Il existe de plus en plus de preuves que le contrôle cortico-spinal diffère entre la contraction excentrique (le muscle s'allonge, dû à G) et la contraction concentrique (le muscle se raccourcit). Nous testons l'hypothèse que le contrôle des contractions excentrique et concentrique dépend des signaux liés à G, mais engage différemment le cortex moteur primaire et les circuits de la moelle épinière.
(Ii) Un objectif ambitieux du projet MOTION est de découvrir les mécanismes neuronaux et fonctionnels sous-jacents au contrôle vestibulaire des mouvements des bras (tests chez des sujets en bonne santé et vestibulaires défectueux).
(Iii) Grâce à la plasticité du système moteur, on peut s'adapter aux nouveaux champs G-I et montrer des mouvements précis après de courtes périodes d'exposition. Avec des expériences réalisées en micro- et en hyper-gravité, nous testons si le modèle interne nouvellement mis à jour, qui est considéré comme critique pour la planification du mouvement, peut également être utilisé par le cerveau pour contrôler les mouvements en cours.
(Iv) Le dernier objectif du projet MOTION exploite la technique de simulation mentale pour étudier les forces G-I liées aux mécanismes prédictifs. Nous utiliserons l'IRMf pour déterminer si les régions cérébrales qui sont connues pour héberger la représentation interne de G (p. Ex., L'insula) sont recrutées pendant les mouvements mentaux soumis à G. Nous testerons également si l'entraînement mental des mouvements exposés aux forces GI pourrait conduire à une adaptation sensorimotrice.

Contrôle et prédiction du mouvement dans le champ gravito-inertiel
Nous étudierons comment les forces G-I sont utilisées par le cerveau pour contrôler les mouvements du bras. En utilisant des stimulations magnétiques transcrâniennes et périphériques, nous testerons l'hypothèse que le contrôle de ces contractions dépend des signaux liés à G, mais recrute différemment le cortex moteur primaire et les circuits de la moelle épinière. MOTION étudiera les mécanismes neuronaux et fonctionnels qui sous-tendent le contrôle vestibulaire des mouvements du bras (test des sujets sains et vestibulaires défectueux). Au moyen de l'EMG et de l'EEG, nous testerons la prédiction que l'excitabilité à l'entrée vestibulaire augmente lors de la planification des mouvements soumis à la force G. Grâce à la plasticité du système moteur, on peut s'adapter aux nouveaux champs G-I. Avec les expériences effectuées en OG- et 2G, nous testerons si le modèle interne nouvellement mis à jour peut également être utilisé par le cerveau pour contrôler les mouvements en cours. Nous allons utilise des macaques comme un modèle de primate non humain pour étudier l'intégration de G dans les commandes motrices du bras. Cela sera fait en étudiant le rôle potentiel des signaux d'otolithes liés au G pour contrôler les mouvements des membres dans les macaques sains et labyrinthectomisés. Le projet MOTION exploitera également la technique de simulation mentale pour étudier les forces G-I liées aux mécanismes prédictifs. Nous utiliserons l'IRMf pour déterminer si les régions cérébrales qui sont connues pour accueillir la représentation interne de G (p. ex., L'insula) sont recrutées lors de la simulation mentale des mouvements soumis à G. Nous testerons également si l'entraînement mental des mouvements exposés aux forces GI (atteignant une cible tout en étant assis sur une plate-forme tournante) pourrait conduire à une adaptation sensorimotrice et diminuer l'effet nuisible des forces agissant sur le bras lorsque les mouvements sont réellement effectués pendant les rotations.

Résultats

1. Nous avons trouvé une modulation de la cinématique du geste avec la direction du mouvement et, par conséquent, en fonction du torque gravitaire appliqué au bras. Ces observations montrent le rôle fondamental de la gravité pour la planification du mouvement dans l’espace tridimensionnel. Publications eLife et Journal of Neurophysilogy.
2. Nous avons trouvé une activation du cortex insulaire (cortex vestibulaire) lors des mouvements verticaux mais pas horizontaux. Ces résultats indiquent qu’une représentation interne de la gravité, dont le site neural se trouve dans le cortex insulaire, est engagée lors de l’exécution des mouvement verticaux. Publication Neuroscience.
3. L’activation du cortex insulaire est également présente lors de la simulation mentale du mouvement, i.e., lorsqu’ aucune interaction avec l’environnement n’ait lieu. Un article est en cours de rédaction.
4. Nous avons trouvé que le contrôle cortico-spinal d’une action excentrique (mouvement aidé par la gravité) est différent du contrôle d’une action excentrique (mouvement dans le sens de la gravité). Un article est en cours de rédaction.
5. Nous avons révélé l'existence de 2 réseaux corticaux capables de planifier des mouvements de bras à partir d'informations vestibulaires. Un réseau frontal, de type sensorimoteur qui transformerait relativement directement les informations vestibulaires en commandes motrices, et un réseau pariéto-frontal plus complexe qui permettrait de planifier les mouvements sur la base de représentations visuospatiales construites à partir d'informations vestibulaires.
6. Nous avons trouvé que le système vestibulaire fourni l’information nécessaire au système moteur pour l’optimisation du mouvement. Un article est en cours de rédaction.

Perspectives

Avec notre proposition, nous souhaitons étudier pour la première fois les processus corticaux associés au contrôle gravito-inertiel des mouvements de bras. L'information que nous obtiendrons sur des humains et des singes en bonne santé et détériorés (vestibulairement, proprioceptivement) est susceptible d'avoir des valeurs précieuses pour définir des stratégies thérapeutiques efficaces pour les personnes atteintes de lésions vestibulaires. Fait important, nous testerons la possibilité d'utiliser le macaque comme un modèle de primate non humain pour étudier les mouvements de bras induits par les vestibulaires.
Nos résultats sont prometteurs et des questions intéressantes s’ouvrent sur ce sujet. Les partenaires sont très heureux de leur collaboration et de leurs résultats et envisagent de collaborer à nouveau à l'avenir. Par exemple, une nouvelle proposition sur l'influence de la force de gravité sur la perception et le contrôle du mouvement a été soumise au NIH par le partenaire 3 (Angelaki) avec le partenaire 1 (Papaxanthis) comme collaborateur. Les partenaires 1 (Papaxanthis) et 2 (Blouin) envisagent de présenter prochainement de nouvelles propositions (ANR, Europe) sur l'influence des forces gravito-inertielles sur l'apprentissage et l'adaptation moteurs.

Productions scientifiques et brevets

1. Rousseau C, Papaxanthis C, Gaveau J, Pozzo T, White O. (2016) Initial information prior to movement onset influences kinematics of upward arm pointing movements. J Neurophysiol. 1;116(4):1673-1683.
2. Rousseau C, Fautrelle L, Papaxanthis C, Fadiga L, Pozzo T, White O (2016) Direction-dependent activation of the insular cortex during vertical and horizontal hand movements. Neuroscience 14;325:10-9.
3. Bock O, Schott N, Papaxanthis C (2015) Motor imagery: lessons learned in movement science might be applicable for spaceflight. Front Syst Neurosci.18;9:75.
4. Rousseau C, Fautrelle L, Papaxanthis C, Pozzo T, White O (2015) The insular cortex integrates proprioceptive information sensitive to gravity. ESMRMB. Edimburgh, UK.
5. Lebon F, Traverse E, Fadiga L, Pozzo T, Papaxanthis C (2015) The integration of gravity of implicit and explicit motor representation.Society for Neuroscience Conference. Chicago, IL, USA.
6. Blouin J, Saradjian AH, Pialasse J-P, Manson G, Mouchnino L, Simoneau M (2017) Two neural circuits to point home position after body displacement. Neural Control of Movement, Dublin
7. C. Papaxanthis La gravité Incarnée (2016). 50ème Congrès de la Société Internationale d'Otoneurologie (France). Invité par le président de la Société.
8. C. Papaxanthis Optimal integration of gravity cues (2016). Laboratoire Euromove, Montpellier (France).
9. Blouin, J (2017) Contrôle de la motricité des membres supérieurs: une fonction oubliée du système vestibulaire. GDR Vertige, Marseille (invité)

Partenaires

Baylor College of Medicine Department of Psychology and Electrical and Computer Engineering

CNRS DR12_LNC Centre National de la Recherche Scientifique Délégation Provence et Corse_Laboratoire de Neurosciences Cognitives

Université de Bourgogne CAPS (Cognition, Action et Plasticité Sensorimotrice), UMR INSERM 1093

Aide de l'ANR 229 560 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2014 - 36 mois

Résumé de soumission

Notre corps est en permanence exposé à la gravité terrestre (G). La façon dont le SNC traite -et se représente- les forces gravito-inertielles (G-I) constitue une question fondamentale dans le domaine du contrôle moteur et des neurosciences cognitives. En effet, les commandes motrices doivent être ajustées aux forces qui agissent sur le corps afin de produire des mouvements coordonnés des membres supérieurs et de préserver l'autonomie motrice. Étonnamment, la majorité des études ont ignoré deux aspects importants des mouvements de bras: i) ils sont soumis aux contraintes gravitaires et ii) ils sont fréquemment produits avec des déplacements du corps qui créent des forces additionnelles sur le bras (e.g. Coriolis). Ceci constitue une sévère limitation pour comprendre les mécanismes de planification et de contrôle du mouvement. C'est à partir de ce constat, et sur la base des théories actuelles qui postulent que les commandes motrices sont construites à partir d'un modèle interne de l'environnement et de la dynamique de la tâche, que nous avons construit le projet MOTION. Notre consortium, composé de deux partenaires français et d'un partenaire américain (subvention NIH acquise), a comme objectif de déterminer comment les représentations internes des forces G-I sont construites et utilisées par le SNC pour contrôler les mouvements de bras. Des preuves grandissantes suggèrent que le contrôle corticospinal des contractions excentriques (allongement du muscle par G) et concentriques (raccourcissement du muscle) diffère. En utilisant des stimulations magnétiques transcrâniennes et électriques périphériques, nous testerons l'hypothèse que ces deux types de contractions sont contrôlés à partir de signaux reliés à G mais qu'ils recrutent différemment le cortex moteur et les circuits spinaux. Pour construire un modèle interne des forces G-I, le SNC utiliserait des informations vestibulaires. Un objectif du projet MOTION est de découvrir les mécanismes neuronaux du contrôle vestibulaire des mouvements de bras (en testant des individus sains et vestibulo-lésés). Des enregistrements EEG et EMG permettront de tester l'hypothèse que la sensibilité du SNC aux entrées vestibulaires augmente lors de la planification de mouvements (e.g. verticaux) fortement affectés par G. La plasticité du SNC permet de nous adapter et de produire des mouvements précis lorsque nous sommes exposés à de nouveaux champs G-I. Nous testerons lors d'expériences en micro- et hyper-gravité, si le modèle interne fraîchement adapté aux nouvelles contraintes G-I permet de planifier les commandes motrices et contrôler le mouvement en cours d'exécution avec la même précision. Nous évaluerons la possibilité d'utiliser des macaques comme modèle de primate non-humain pour étudier l'intégration de G dans les commandes motrices. A cette fin, nous conduirons les premières investigations du rôle potentiel des informations gravitaires otolithiques pour contrôler les mouvements chez le macaque. Enfin, nous exploiterons la technique de simulation mentale pour étudier les mécanismes prédictifs liés aux forces G-I dans le contrôle du mouvement. Nous utiliserons l'IRMf pour déterminer si les régions contribuant à la construction d'une représentation interne de G (e.g. l'insula) sont recrutées lors de simulations mentales de mouvements soumis à G. Nous déterminerons également si la pratique mentale de tels mouvements (e.g. l'atteinte manuelle d'une cible lorsque soumis à des rotations) peut conduire à une adaptation sensorimotrice permettant de diminuer l'effet perturbateur des forces G-I lorsque l'action motrice est réellement réalisée. Finalement, nous donnerons une haute priorité à la formation d'étudiant(e)s et à la diffusion et l'exploitation des résultats. Des stages au sein des instituts français associés permettront aux étudiant(e)s et postdoctorant(e)s d'acquérir les concepts théoriques et techniques liés aux aspects cognitifs et moteurs développés dans le projet MOTION.



 

Programme ANR : Une nouvelle représentation du vivant (DS0401) 2014

Référence projet : ANR-14-CE30-0007

Coordinateur du projet :
Monsieur Charalambos PAPAXANTHIS (CAPS (Cognition, Action et Plasticité Sensorimotrice), UMR INSERM 1093)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.