Une étude révèle un ensemble de régions cérébrales qui contrôlent des séquences complexes de mouvements

Résumé: Les aires motrices primaires et somatosensorielles primaires du cerveau sont impliquées dans le contrôle des mouvements moteurs immédiats en temps réel, tandis que l’aire prémotrice semble contrôler les mouvements séquentiels planifiés ainsi que réagir et ajuster la séquence face à des changements inattendus.

La source: Médecine Johns Hopkins

Dans une nouvelle série d’expériences impliquant des souris entraînées à effectuer une séquence de mouvements et à “changer de cap” sous l’impulsion du moment, les scientifiques de Johns Hopkins rapportent qu’ils ont identifié des zones du cerveau des animaux qui interagissent pour contrôler la capacité à effectuer des actions complexes, mouvements séquentiels, ainsi que pour aider les souris à récupérer lorsque leurs mouvements sont interrompus sans avertissement.

La recherche, disent-ils, pourrait un jour aider les scientifiques à trouver des moyens de cibler ces régions chez les personnes et de restaurer la fonction motrice causée par une blessure ou une maladie.

Les résultats des expériences menées par Johns Hopkins ont été publiés le 9 mars dans Nature.

Sur la base de mesures de l’activité cérébrale chez des rongeurs spécialement entraînés, les chercheurs ont découvert que trois zones principales du cortex ont des rôles distincts dans la façon dont les souris naviguent à travers une séquence de mouvements : le prémoteur, le moteur primaire et le somatosensoriel primaire.

Ils se trouvent tous dans les couches supérieures du cerveau des mammifères et sont disposés de manière fondamentalement similaire chez les humains.

L’équipe a conclu que les aires motrices primaires et somatosensorielles primaires sont impliquées dans le contrôle des mouvements immédiats des souris en temps réel, tandis que l’aire prémotrice semble contrôler toute une séquence planifiée de mouvements, ainsi que la façon dont les souris réagissent et sont ajustées lorsque le séquence est interrompue de manière inattendue.

Au fur et à mesure que les animaux effectuent des mouvements séquentiels, disent les chercheurs, la zone prémotrice envoie probablement des signaux électriques via des cellules nerveuses spéciales aux deux autres zones du cortex sensorimoteur, et d’autres études sont prévues pour cartographier les itinéraires de ces signaux entre les couches corticales. . .

“Qu’il s’agisse d’un athlète olympique faisant une course de ski alpin ou d’une personne effectuant une tâche quotidienne comme conduire, de nombreuses tâches impliquent des séquences de mouvements apprises qui sont répétées encore et encore”, explique Daniel O’ Connor, Ph.D., professeur agrégé. de neurosciences à l’École de médecine de l’Université Johns Hopkins. O’Connor a dirigé l’équipe d’enquête.

De tels mouvements séquentiels peuvent sembler ordinaires et simples, dit-il, mais ils impliquent une organisation et un contrôle complexes dans le cerveau, et le cerveau doit non seulement diriger chaque mouvement correctement, mais aussi les organiser en toute une série de mouvements liés.

Lorsque des événements inattendus se produisent et interrompent une séquence en cours, explique O’Connor, le cerveau doit s’adapter et diriger le corps pour reconfigurer la séquence en temps réel. L’échec de ce processus peut entraîner une catastrophe, par exemple une chute ou un accident de voiture.

Les neuroscientifiques ont longtemps étudié comment les mammifères compensent lorsqu’un seul mouvement, comme atteindre une tasse de café, est interrompu, mais la nouvelle étude a été conçue pour relever les défis de suivre ce qui se passe lorsque des séquences complexes de mouvements multiples doivent être réorganisées en temps réel. pour compenser les événements imprévus.

Dans le cas du skieur olympique, par exemple, le skieur s’attend à passer par une série planifiée de mouvements pour s’approcher et franchir des portes le long d’une descente, mais il y aura probablement des moments où un obstacle interrompt la trajectoire du skieur et force un changement. d’adresse. cours.

“Comment le cerveau des mammifères peut capter un signal sensoriel et l’utiliser presque instantanément pour passer complètement d’une séquence de mouvements en cours à une autre reste un mystère.” O’Connor a travaillé avec Duo Xu, Ph.D., un ancien étudiant diplômé du laboratoire d’O’Connor, pour concevoir une série d’expériences sur des souris afin de suivre les régions du cerveau qui traitent le signal de “changement de cap”.

Pour l’étude, les chercheurs ont d’abord créé un “cours” pour les souris qui ont été entraînées à tirer la langue et à toucher un “port”, un tube métallique. Lorsque les chercheurs ont déplacé le port, les souris ont appris à le toucher à nouveau. Au cours du parcours, lorsque le port a été déplacé vers son emplacement final, les souris qui l’ont touché avec leur langue ont reçu une récompense. Toute cette formation visait à simuler une séquence répétée et attendue de mouvements appris, comme la descente du skieur.

Pour étudier comment un signal inattendu peut amener le cerveau à changer de cap, les chercheurs ont demandé à des souris d’effectuer ce que les scientifiques appellent un “test de recul”. Au lieu de déplacer le port vers l’emplacement suivant de la séquence, les chercheurs ont déplacé le port vers un emplacement antérieur, de sorte que lorsque les souris étendaient leur langue, elles ne pouvaient pas trouver le port, les incitant à faire marche arrière, à trouver le port et progresser dans le cours pour obtenir le prix.

“Chaque séquence de léchage de port implique une série de mouvements complexes dont le cerveau de la souris a besoin pour organiser un plan de mouvement et ensuite effectuer correctement, mais aussi pour se réorganiser rapidement lorsqu’il découvre que le port attendu n’est pas là”, explique O’Connor. . . .

Au cours des expériences, les chercheurs ont utilisé des électrodes cérébrales pour suivre et enregistrer les signaux électriques entre les neurones du cortex sensorimoteur, qui contrôle le mouvement général. Une augmentation de l’activité électrique correspond à une augmentation de l’activité cérébrale.

L’équipe a conclu que les aires motrices primaires et somatosensorielles primaires sont impliquées dans le contrôle des mouvements immédiats des souris en temps réel, tandis que l’aire prémotrice semble contrôler toute une séquence planifiée de mouvements, ainsi que la façon dont les souris réagissent et sont ajustées lorsque le séquence est interrompue de façon inattendue. L’image est dans le domaine public

Étant donné que de nombreuses zones du cortex pouvaient être activées lorsque les souris se déplaçaient tout au long de l’expérience, les chercheurs ont utilisé des souris élevées avec des cellules cérébrales génétiquement modifiées qui, dans certaines parties du cortex, peuvent être sélectivement « désactivées » ou désactivées. Par conséquent, les scientifiques ont pu affiner l’emplacement des zones cérébrales directement impliquées dans les mouvements.

“Les résultats fournissent une nouvelle image de la façon dont une hiérarchie entre les réseaux de neurones dans le cortex sensorimoteur gère les mouvements séquentiels”, explique O’Connor. “Plus nous en apprenons sur ces réseaux de neurones en interaction, mieux nous sommes pour comprendre le dysfonctionnement sensorimoteur chez l’homme et comment le corriger.”

Voir également

Cela montre un diagramme de l'étude.

En plus de Xu et O’Connor, les scientifiques suivants de Johns Hopkins ont contribué à la recherche : Mingyuan Dong, Yuxi Chen, Angel Delgado, Natasha Hughes et Linghua Zhang.

De l’argent: La recherche a été soutenue par les National Institutes of Health (R01NS089652, 1R01NS104834-01, P30NS050274).

À propos de ce mouvement et de l’actualité de la recherche en neurosciences

Auteur: vanessa wasta
La source: Médecine Johns Hopkins
Contact: Vanessa Wasta – Médecine Johns Hopkins
Image: L’image est dans le domaine public.

recherche originale : Accès fermé.
“Traitement cortical des séquences sensorimotrices flexibles et dépendantes du contexte” par Daniel O’Connor et al. Nature


résumé

Traitement cortical de séquences sensorimotrices flexibles et contextuelles

Le cerveau génère des séquences complexes de mouvements qui peuvent être configurées de manière flexible en fonction du contexte comportemental ou de la rétroaction sensorielle en temps réel, mais la façon dont cela se produit n’est pas entièrement comprise. Ici, nous avons développé une tâche de «léchage de séquence» dans laquelle les souris dirigeaient leur langue vers une cible en mouvement à travers une série d’emplacements.

Les souris pouvaient rapidement ramifier la séquence en ligne en fonction de la rétroaction tactile. L’optogénétique et l’électrophysiologie en boucle fermée ont révélé que les régions de la langue et de la mâchoire des cortex somatosensoriel primaire (S1TJ) et moteur (M1TJ) codaient et contrôlaient la cinématique de la langue au niveau des coups de langue individuels.

En revanche, le cortex « prémoteur » (moteur antérolatéral) de la langue a codé des variables latentes, y compris l’angle de léchage prédit, l’identité de la séquence et la progression vers la récompense qui a marqué l’exécution réussie de la séquence.

Des signaux de ramification provenant de séquences non spécifiques au mouvement ont été produits dans le cortex moteur antérolatéral et M1TJ. Nos résultats révèlent un ensemble de zones corticales clés pour la génération de séquences flexibles et contextuelles.

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