1 NEUROSCIENCES DU SPORT ET DE LA PERFORMANCE Dimitri BAYLE / [email protected] Organisation de l’EC 2 24 heures CM Biomécanique de la performance, 10h, N.Termoz Neurosciences de la performance, 10h, D.Bayle (6h) et S.Martin (4h) 4h, Giovanni de Marco 3 Le cerveau, un muscle comme un autre? - Au même titre que d’autres organes (cœur, système respiratoire, muscles…) le cerveau à un rôle important dans la performance - Quelles sont les caractéristiques d’un cerveau favorisant la performance? Comment observer, quantifier le cerveau? - Peut-on entrainer/modifier le cerveau pour améliorer la performance sportive? (spoiler: la réponse est oui) 4 Le cerveau, un muscle comme un autre? 5 Plan – Neurosciences de la performance I Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 II Le cerveau des experts : Méthodes d’observation du cerveau, caractéristiques chez l’expert III Comment le cerveau se modifie? : La plasticité cérébrale IV Application 1 : Neurodoping, stimulation externe du cerveau et performance. V Application 2: Neurofeedback, entrainement par observation de l’activité cérébrale et performance VI Application 3: Imagerie mentale et performance (S.Martin) I - Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 6 Le neurone Dendrites Bouton synaptique Noyaux Corps Cellulaire (soma) Gaine de myeline Terminaison axonale Axone Nœud de Ranvier -100 milliards de neurones présents dans le cerveau humain x 10 000 connexions I - Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 7 Le neurone I - Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 8 Arrivée du PA Vésicule (neurotransmetteur) Libération Fente synaptique Cellule postsynaptique Dépolarisation ou Hyperpolarisation 8 I - Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 9 Le neurone Si la somme des potentiels post synaptique atteint le seuil de stimulation : PA I - Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 Neurotransmetteurs: Dopamine : Excitateur. Système dopaminergique Voie Nigro-striatale: Neurone de substance noire du tronc projettent dans le striatum (nx caudé + putamen) 80% des neurones dopaminergiques I - Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 11 Cerveau: substance blanche, substance grise Substance blanche I - Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 12 Cerveau: substance blanche, substance grise Substance grise I - Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 13 Cerveau: cortex: 4 lobes (ou cortex) - Couche de neurones située sous la surface du cerveau Extrémité des afférences sensorielles I - Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 14 La chaine motrice I - Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 15 Le faisceau pyramidal Du cortex moteur primaire (M1) à la musculature: Voie pyramidale ou cortico-spinale Décussation des voies pyramidales et contrôle « croisé » de la musculature (1 seul relais synaptique, mn alfa) Cette voie correspond à l’ensemble des fibres nerveuses descendant du cerveau jusqu'à différents étages de la moelle épinière et destinées à conduire les ordres moteurs, dont le rôle est de mobiliser les muscles du squelette. I - Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 16 Des voies extra pyramidales • Responsable de l’activité motrice plus générale • Issus de différents centres moteurs du cerveau, du tronc cérébral, et relayés par le cordon ventral de la ME • Il en existe de plusieurs types: Voies archéo-motrices, Voies paléo-motrices, Voies néo-motrices I - Prérequis : Rappels neurophysio L1/L2 17 18 19 20 II -Le cerveau des experts 21 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique 1/Aimant : produit une onde magnétique RF. 2/ Onde radio : résonnance des atomes H 3/ Arrêt de l’onde radio: les atomes d’H émettent à leur tour un champ RF capté par une antenne II -Le cerveau des experts 22 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique T1 - Angiographie … T2 Diffusion II -Le cerveau des experts 23 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Mesures volumétriques (T1) Former professional, now symptomatic American Football Players (n=71) show ▪ Reduced amygdala volume ▪ Reduced cingulate gyrus volume ▪ Hippocampal volume correlated with impaired memory function ▪ Volume of cingulate gyrus correlated with severity of depressive symptoms II -Le cerveau des experts 24 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Mesure de l’épaisseur corticale (T1) II -Le cerveau des experts 25 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Mesure de l’épaisseur corticale • 24 joueurs professionnels • Imagerie IRM T1 + tests neurospychologiques (mémoire) • Pas de différence d’épaisseur corticale avec les contrôles Wojtowicz, 2018 • Mais, volume cérébrale, volume de l’hippocampe et des amygdales inférieur. Cette baisse de volume est corrélée avec… la consommation d’alcool II -Le cerveau des experts 26 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Mesure de l’épaisseur corticale Wei, 2011 II -Le cerveau des experts 27 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Imagerie de diffusion et mesure de la matière blanche II -Le cerveau des experts 28 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Imagerie de diffusion et mesure de la matière blanche T2 Diffusion II -Le cerveau des experts 29 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Imagerie de diffusion et mesure de la matière blanche Coefficient de diffusion apparent ->mobilité de l’eau Diffusion restreinte dans la matière blanche II -Le cerveau des experts 30 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Imagerie de diffusion et mesure de la matière blanche II -Le cerveau des experts 31 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Imagerie de diffusion et mesure de la matière blanche Aspects fonctionnels Thiebaut de Schotten et al. 2011 II -Le cerveau des experts 32 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Imagerie de diffusion et mesure de la matière blanche Matière blanche et lésions Koerte et al. JAMA 2012 Figure source: Spiotta et al. 2012 II -Le cerveau des experts 33 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Imagerie de diffusion et mesure de la matière blanche Effet de l’expertise Bengtsson et al 2005 II -Le cerveau des experts 34 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Imagerie de diffusion et mesure de la matière blanche Effet de l’expertise Hanggi, 2010 II -Le cerveau des experts 35 Observer et quantifier le cerveau : IRM anatomique ➢ Imagerie de diffusion et mesure de la matière blanche Effet de l’expertise Hanggi, 2010 II -Le cerveau des experts 36 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle IRMa étude structurelle du cerveau fMRI étude fonctionnelle du cerveau II -Le cerveau des experts 37 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle mesure le signal BOLD qui reflète le taux d'oxygénation du sang dans le cerveau. (Blood-oxygen-level dependent) l'afflux de sang oxygéné (oxyhémoglobine) augmente dans les régions qui consomment de l'énergie. Pas les mêmes propriétés magnétiques que le sang dé-oxygéné (désoxyhémoglobine). II -Le cerveau des experts 38 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle II -Le cerveau des experts 39 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle Problème lié à la soustraction: Alternance entre une phase de contrôle (OFF) et une phase de tâche (ON) Activité d’un voxel au cours de l’expérience : II -Le cerveau des experts 40 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle Effet de l’expertise II -Le cerveau des experts 41 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle Effet de l’expertise Pilote : moins d’activation et meilleure connectivité entre les aires cérébrales II -Le cerveau des experts 42 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle Effet de l’expertise Zhang, 2019 II -Le cerveau des experts 43 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle Effet de l’expertise Zhang, 2019 II -Le cerveau des experts 44 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle Effet de l’expertise (Yang, 2015) II -Le cerveau des experts 45 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle Effet de l’expertise (Yang, 2015) II -Le cerveau des experts 46 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle Effet de l’expertise (Yang, 2015) II -Le cerveau des experts 47 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle Exemple: Perception de l’effort Fontes, 2013 II -Le cerveau des experts 48 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle Exemple : Perception de l’effort Fontes, 2013 II -Le cerveau des experts 49 Observer et quantifier le cerveau : IRM fonctionnelle Exemple: Perception de l’effort Posterior cingulate cortex: integration d’info sensorielle, motrice, emotionelle / mindwandering / conscience Fontes, 2013 II -Le cerveau des experts 50 Observer et quantifier le cerveau La NIRS (near infraRed spectroscopy) II -Le cerveau des experts 51 Observer et quantifier le cerveau La NIRS (near infraRed spectroscopy) Carius, 2020 II -Le cerveau des experts 52 Observer et quantifier le cerveau La NIRS (near infraRed spectroscopy) Carius, 2020 II -Le cerveau des experts 53 Observer et quantifier le cerveau La NIRS (near infraRed spectroscopy) Carius, 2020 III –Plasticité cérébrale 54 Les modifications observées sur la structure (IRMa) ou le fonctionnement (IRMf) des cerveaux experts sont le résultat d’un long processus de neuroplasticité. Par quels mécanismes physiologiques le cerveau développe une expertise menant à la performance? Comment se met en place la neuroplasticité pour augmenter la performance, sur le long terme mais aussi sur le cours terme, lors de l’apprentissage moteur. III –Plasticité cérébrale 55 Permet le maintient de fonctions (cognitives, sensorielles, motrices…) malgré la destruction de réseaux neuronaux III –Plasticité cérébrale 56 Permet l’optimisation de la performance, motrice ou non. Permet des modifications de comportements a plus court terme (apprentissages moteurs, cognitifs) Ex : suite à AVC, Héminégligence Mise en évidence simple: test de bissection de ligne III –Plasticité cérébrale 57 Permet l’optimisation de la performance, motrice ou non (cf chapitre II). Permet des modifications de comportements a plus court terme (apprentissages moteurs, cognitifs) Ex : suite à AVC, Héminégligence Rossetti et al. III –Plasticité cérébrale 58 Permet l’optimisation de la performance, motrice ou non (cf chapitre II). Permet des modifications de comportements a plus court terme (apprentissages moteurs, cognitifs)….. … qui peuvent perdurer sur le long terme III –Plasticité cérébrale 59 ❑ Définition Processus dynamique et permanent qui permet au cerveau de s’organiser ou se réorganiser pendant l’ontogenèse, l’apprentissage ou à la suite de dommages du système périphérique ou central. Intervient pendant l’acquisition ou la réacquisition des habiletés motrices, à la suite de la réalisation répétée de mouvements complexes ou de leur simulation mentale. Ces changements sont souvent considérés comme lents, progressifs et durables mais ils peuvent également apparaitre sur des échelles temporelles très courtes (inférieures à la demi-heure). III –Plasticité cérébrale 60 ❑ Définition Au plan structurel, « la plasticité cérébrale est marquée par un processus de remodelage de l’organisation neurono-synaptique, dans le but d’optimiser le fonctionnement de réseaux du système nerveux central » (Duffau, 2006). Au plan fonctionnel, « la plasticité est une propriété intrinsèque du cerveau humain qui représente l’invention de l’évolution pour permettre au système nerveux d’échapper aux restrictions de son propre génome et ainsi s’adapter à la pression de l’environnement, des changements physiologiques, et de l’expérience ». (Pascual-Leone et al. 2005).