Topographie fonctionnelle impliquée dans la marche Functional

Article original
Topographie fonctionnelle impliquée
dans la marche
Functional topography implicated in the locomotion
JEAN-MICHEL DENIAU
Dynamique
et physiopathologie
des réseaux neuronaux,
Inserm U667,
Collège de France ;
Université Pierre et Marie
Curie, Paris
<jean-michel.deniau@college-
de-france.fr>
Tirés à part :
J.M. Deniau
Article traduit en anglais
- open access -
www.annales-de-gerontologie.com
E
Résumé. L’étude des mécanismes neurobiologiques de la locomotion a mis en lumière
l’existence, au niveau spinal, de réseaux neuronaux contenant tous les éléments néces-
saires pour organiser de manière autonome les commandes rythmiques de marche. L’acti-
vité de ces réseaux, qualifiés de générateurs de patterns centraux, est régulée par des
afférences d’origine périphérique qui adaptent le déroulement du programme de marche
et par des afférences descendantes issues de générateurs centraux qui déclenchent et
déterminent son rythme d’activité. Cet article se focalise plus particulièrement sur l’organi-
sation fonctionnelle du générateur mésencéphalique (composé des noyaux pédonculo-
pontin et cunéiforme) et les circuits de contrôle de la locomotion par les ganglions de la
base. Nous présentons les données qui conduisent à s’interroger sur le rôle spécifique du
noyau pédonculo-pontin dans le contrôle de la locomotion et apportons des observations
en faveur de l’implication des connexions reliant les ganglions de la base au colliculus
supérieur dans la locomotion dirigée vers un but. Ces données sont discutées par rapport
aux troubles de la marche observés chez les patients atteints de la maladie de Parkinson.
Mots clés: anatomie,ganglions de la base,maladie de Parkinson,marche
Abstract. The examination of the neurobiological mechanisms of the locomotion
highlighted the presence of spinal neural networks containing all elements that can endo-
genously organize periodic motor commands for locomotion. The activity of these
networks, which are termed central pattern generators, is controlled by peripheral affe-
rents adapting the gait pattern progress and by descending afferents arising from central
generators that release and determine the rhythm networks activity. This article mainly
discusses the functional organization of the mesencephalic locomotor region (composed
by pedunculopontine and cuneiform nuclei) and the motor control in basal ganglia
circuits. We present data that raise the question of the pedunculopontine nucleus specific
role in the control of locomotion. In addition, we report observations favoring the implica-
tion of interconnections between basal ganglia and superior colliculus in the target-
directed locomotion. These data are discussed in relation to gait disorders encountered in
patients with Parkinson disease. In all vertebrates, locomotion is known to be generated
by neural networks, whish are located in the spinal cord and are able to endogenously
organize rhythmic commands of muscular activity with an appropriated temporo-spatial
distribution. These neural networks, termed central pattern generators of locomotion, are
able to generate rhythmic discharges that are similar to rhythmic activities recorded
during locomotion, even when they are isolated from peripheral sensory inputs and
motor commands originating from nervous centers. This organization pattern of locomo-
tion networks has many advantages. The generator, being located at the periphery close
to effectors, allows a rapid adaptation of motor commands according to proprioceptive
and cutaneous sensory signals. Furthermore, it simplifies the locomotion control by
freeing motor centers of the brain to allow programing activity coordination of different
muscular groups.
Key words: anatomy,basal ganglia,Parkinson disease,walk
I
l est bien documenté, chez l’ensemble des verté-
brés, que la locomotion est générée par des
réseaux neuronaux situés dans la moelle épinière
et qui ont la capacité d’organiser de manière autonome
les commandes rythmiques de contraction musculaire
avec une répartition spatio-temporelle appropriée [1].
Ces réseaux de neurones, désignés sous le terme de
générateur spinal de marche, sont capables, même
lorsqu’ils sont isolés des entrées sensorielles périphé-
riques et des commandes motrices issues des centres
Ann Gérontol 2009 ; 2 (1) : 35-44
doi: 10.1684/age.2009.0020
Ann Gérontol, vol. 2, n° 1, janvier 2009 35
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nerveux, de générer des décharges rythmiques qui
ressemblent aux activités rythmiques enregistrées
durant la locomotion. Ce mode d’organisation des
réseaux moteurs de la marche présente de nombreux
avantages. Situé en périphérie, à proximité des effec-
teurs, le générateur permet d’assurer une adaptation
rapide des commandes motrices en fonction des
signaux sensoriels proprioceptifs et cutanés. De plus, il
simplifie le contrôle de la marche en affranchissant les
centres moteurs encéphaliques de programmer la coor-
dination de l’activité des différents groupes musculaires.
Dans son livre Comment je vois le monde [2], Albert
Einstein, qui livre ses réflexions philosophiques, écrit
que « ceux qui aiment marcher en rangs sur une
musique, ce ne peut être que par erreur qu’ils ont
reçu un cerveau, une moelle épinière leur suffirait
amplement ». En fait, le générateur spinal ne peut à
lui seul assurer un comportement de marche.
La marche nécessite une station érigée impliquant
des régulations de tonus musculaire et d’équilibration,
ainsi que des commandes directionnelles et de vitesse
en fonction des contraintes environnementales et du
but de l’action. Dans cet exposé, après avoir rappelé
les différents niveaux de contrôle impliqués dans la
régulation de la marche, les connaissances sur la régu-
lation par le système des ganglions de la base seront
présentées.
Niveaux de contrôle
de la locomotion
Les niveaux de contrôle moteur impliqués dans la
régulation de la marche sont illustrés sur la figure 1.
Cortex cérébral
Système limbique
Ganglions
de la base
Sélection de l'action en fonction
du contexte environnemental,
besoins, bénéfices attendus
Commande
Guidage directionnel
et intégration posturale
Rétroactions
sensorielles
Centres locomoteurs di et
mésencéphaliques
Cuneatus-PPN
Réticulée ponto-bulbaire
Générateur
spinal
Tectum
Système
vestibulaire
Contractions alternées
flexion-extension
Contractions alternées
droite-gauche
Mouvements
C
E
R
V
E
L
E
T
Figure 1. Schéma illustrant les principaux niveaux de contrôle moteur de la marche.
PPN : Noyau pédonculo-pontin.
Figure 1. Schematic diagram showing the principal motor control levels of locomotion.
J.-M. Deniau
36 Ann Gérontol, vol. 2, n° 1, janvier 2009
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Partant du générateur spinal où sont générées les
séquences rythmiques de contractions musculaires,
on trouve, au niveau du tronc cérébral, les réseaux réti-
culaires et du système vestibulaire assurant l’intégra-
tion des régulations posturales et d’équilibration dans
les commandes motrices. Au sein du tronc cérébral, le
tectum participe au guidage directionnel de l’action
[3, 4]. Le colliculus supérieur en particulier assure
l’orientation du regard vers des régions ou des événe-
ments d’intérêt de l’environnement, et il a été égale-
ment démontré qu’il possède deux réseaux de sortie
distincts susceptibles de déclencher des comporte-
ments d’approche ou de fuite [5]. À différents niveaux
du tegmentum pontique, mésencéphalique, de la
région sous-thalamique et du cervelet, plusieurs sites
de déclenchement et de régulation de l’activité locomo-
trice ont été mis en évidence [6-9]. L’identité précise
des populations neuronales constituant ces centres
locomoteurs et les circuits par lesquels ils influencent
les réseaux effecteurs de la marche restent toutefois à
préciser. Enfin, au niveau le plus élevé de la hiérarchie
de commandes, les ganglions de la base et le cortex
cérébral assurent la sélection de l’action en fonction
du contexte comportemental et des bénéfices attendus
de l’action [10-14]. Chacun de ces niveaux interagit
avec le cervelet classiquement impliqué dans les
commandes paramétriques du mouvement.
Maladie de Parkinson
et psycho-stimulants
L’implication des ganglions de la base dans le
contrôle de la locomotion est bien documentée.
Dans la maladie de Parkinson, pathologie cardinale
des ganglions de la base qui résulte d’une dégénéres-
cence des neurones dopaminergiques de la substance
noire, les patients présentent des troubles moteurs
caractéristiques touchant, entre autres, la marche [15].
Ainsi, l’amplitude de leurs pas, comme ceux de leurs
autres mouvements, est réduite. Dans certaines
circonstances, les patients se montrent incapables d’ini-
tier un pas, les pieds collés au sol, dans un état qualifié
de freezing, ou piétinent sur place (festination), lors-
qu’un obstacle les oblige à changer de direction [16-19].
Par ailleurs, de nombreuses études expérimentales
liées à l’analyse des mécanismes d’addiction aux
psycho-stimulants ont clairement établi l’implication
du striatum ventral, et en particulier du cœur du
noyau accumbens (accumbens core), dans les effets
locomoteurs induits par ces drogues [20-24]. Le fait
que la transmission dopaminergique du striatum
ventral soit impliquée dans l’induction d’effets locomo-
teurs ne doit toutefois pas être mis en relation directe
avec les troubles de la marche chez le parkinsonien.
Comme l’illustre la figure 2, le striatum ventral, dont
Cortex
sens/moteur
Cortex
limbique/préfrontal
Hippocampe
Amygdale
Infralimbic Cx
Te c t u m
Mes/Pt teg
Amygdale
SNC/VTA, PPN, Raphé, LC
Septum, amygdale, Hypothal
lat, Preoptarea, BNST, PB area.
Thal
Striatum dm
NAcc: core
VPl
STN
SNR / GPi
Striatum dl
GPe
SNR / GPi
STN
NAcc: shell
VPm
Hb
Pt teg
123
Thal
Figure 2. Diagramme simplifié de l’organisation fonctionnelle
du système des ganglions de la base. Les flèches noires
représentent des projections GABAergiques, les flèches
grises des projections glutamatergiques et les flèches grises
avec points des projections cholinergiques. Les chiffres 1, 2
et 3, dans le cadre de gauche, indiquent respectivement la
voie trans-striatale directe, trans-striatale indirecte et hyper-
directe.
BNST : noyau du lit de la strie terminale ; Cortex Sens : cortex
sensoriel ; GPe : segment externe du globus pallidus ; GPi :
segment interne du globus pallidus ; Hb : habnula ; Hypothal
lat: hypothalamus latéral ; LC : locus cœruleus ; Mes/Pt teg ;
tegmentum mésencéphalique et pontique ; Nacc : noyau
accumbens ; PB area : aire parabrachiale ; PPN : noyau
pédonculo-pontin ; Preopt area : aire préoptique ; Pt teg :
tegmentum pontique ; SNC/VTA : substantia nigra compacte/
aire tegmentale ventrale ; STN : noyau subthalamique ; SNR :
substance noire réticulée ; Striatum dl : striatum dorso-latéral ;
Striatum dm : striatum dorso-médian ; Thal : thalamus ; VPl :
pallidum ventral latéral ; VPm : pallidum ventral médian.
Figure 2. Simplified diagram of the functional organization of
basal ganglia system. Black arrows indicate GABAergic
projections, gray arrows the glutamatergic projections and
dotted gray arrows cholinergic projections. Numbers 1, 2
and 3 in the left box correspond respectively to the direct
trans-striatal pathway, indirect trans-striatal pathway and
hyperdirect.
BNST: bed nucleus of stria terminalis; Cortex Sens: sensory
cortex; GPe: external segment of globus pallidus; GPi: internal
segment of globus pallidus; Hb: habnula; Hypothal lat: lateral
hypothalamus; LC locus: coeruleus; Mes/Pt teg: mesence-
phalic and pontine tegmentum; NAcc: nucleus accumbens;
PB area: parabrachial area; PPN: pedunculopontine nucleus;
Preopt area: preoptic area; Pt teg: pontine tegmentum; SNC/
VTA: substantia nigra compacta/ventral tegmental area; STN:
subthalamic nucleus; SNR: substantia nigra pars reticularata;
Striatum dm: dorsomedian striatum: Thal: thalamus: VPl:
ventral posterolateral thalamic nucleus; VPm: ventral poste-
rior medial thalamic nucleus.
Topographie fonctionnelle impliquée dans la marche
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l’innervation dopaminergique semble assez bien
préservée dans la maladie de Parkinson, et le striatum
dorsal, principalement touché dans la maladie, consti-
tuent des entités fonctionnelles distinctes jouant sur
des registres respectivement cognitifs et moteurs du
comportement.
Principe d’organisation du système
des ganglions de la base
Une représentation schématique des connexions
intrinsèques et extrinsèques des ganglions de la base
est donnée sur la figure 2.L’organisation des relations
réciproques entre le cortex cérébral et les ganglions de
la base, ainsi que la ségrégation partielle des informa-
tions corticales dans ces circuits, permet de subdiviser
les ganglions de la base en trois secteurs fonctionnels
[25-27] :
–sensorimoteur ;
–associatif ;
–limbique.
Secteurs sensorimoteur et associatif
Le secteur sensorimoteur traite des informations
issues des aires corticales correspondantes, et est
impliqué dans l’organisation des mouvements et
l’apprentissage procédural.
Le secteur associatif traite des informations issues
du cortex préfrontal et des aires associées. Il est
impliqué dans l’organisation du comportement. Chez
un rongeur qui ne possède pas d’aire corticale équiva-
lente aux aires préfrontales dorso-latérales des
primates, le cortex préfrontal se limite aux aires
médianes et orbitaires en relation avec le système
limbique. Ces aires sont désignées par le terme
limbique/préfrontal sur la figure 2.
Les circuits sensorimoteur et associatif possèdent
une logique d’organisation tout à fait similaire [28-30].
Les informations corticales accèdent au système des
ganglions de la base par le striatum et le noyau subtha-
lamique, et sont finalement intégrées dans les struc-
tures de sortie du système, la substance noire réticulée
et le segment interne du globus pallidus. Les connec-
tions entre les structures d’entrée et les structures de
sortie du système suggèrent l’existence de trois princi-
pales voies de traitement de l’information [30-32] :
–une voie trans-striatale directe ;
–une voie trans-striatale indirecte ;
–une voie trans-subthalamique dite hyperdirecte.
•Voie trans-striatale directe
La voie trans-striatale directe représente le cœur du
système des ganglions de la base. Constituée d’un
double maillon GABAergique inhibiteur, cette voie
active les réseaux cibles des ganglions de la base par
un puissant mécanisme de désinhibition [33]. Dans les
conditions de repos, les neurones de projection du
striatum sont spontanément peu actifs, tandis que
ceux des structures de sortie déchargent de manière
tonique à haute fréquence. Par l’inhibition tonique
qu’elles exercent sur leurs cibles, les structures de
sortie du système filtrent en permanence le transfert
d’information. Lorsque l’activité corticale atteint un
niveau de cohérence suffisant, la convergence des
entrées glutamatergiques corticales sur les neurones
striataux provoque leur décharge et, par voie de consé-
quence, libère les réseaux cibles des ganglions de la
base de l’inhibition tonique à laquelle ils étaient soumis.
•Voies hyperdirecte et trans-striatale indirecte
Contrairement à la voie trans-striatale, les voies qui
passent par le noyau subthalamique (voies hyperdi-
recte et trans-striatale indirecte) exercent une influence
excitatrice sur les structures de sortie des ganglions de
la base. Seule structure glutamatergique du système
des ganglions de la base, le noyau subthalamique,
activé par les voies hyperdirecte et striatale indirecte,
renforce l’inhibition tonique que les structures de
sortie exercent sur leurs cibles [30, 32].
Fonctionnellement, l’action de ces deux voies trans-
subthalamiques s’oppose à l’influence désinhibitrice
de la voie striatale directe. Par cet effet, les voies
trans-subthalamiques réaliseraient des effets de
contraste permettant [34] :
–de focaliser l’influence désinhibitrice du striatum
sur une population précise de neurones des structures
cibles des ganglions de la base (mise en forme
spatiale) ;
–de réaliser un calibrage temporel de la désinhibi-
tion striatale.
Dans les circuits sensorimoteurs, ces mécanismes de
calibrage spatial et temporel permettraient d’élaborer un
mouvement cohérent en inhibant les programmes
moteurs concurrentiels et incompatibles, ainsi qu’en
régulant la durée des mouvements. Dans le réseau asso-
ciatif, ces mêmes mécanismes permettraient de donner
un ordre de priorité pour l’accès des informations aux
ressources cognitives et de limiter la durée durant
laquelle ces informations sont utilisées pour organiser
le comportement. Comme illustré sur les figures 3 et 4,
ces mécanismes de sélection motrice et comportemen-
tale reposent sur une topographie fonctionnelle précise
J.-M. Deniau
38 Ann Gérontol, vol. 2, n° 1, janvier 2009
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du réseau neuronal des ganglions de la base. Celle-ci a
été particulièrement bien documentée dans les voies
striato-nigro-colliculaires [27, 35-37].
Secteur limbique
Quant au secteur limbique, il traite des informations
issues de structures corticale et sous-corticale apparte-
nant au système limbique, et participe aux aspects
émotionnels et motivationnels du comportement.
Le circuit limbique possède des traits d’organisa-
tion apparentée à ceux des deux autres circuits, mais
des différences majeures l’en distinguent. Concernant
les traits de parenté, ce circuit possède une voie
trans-striatale directe qui implique, en structure
AUDITIF
PERI-RHINAL
ORBITAIRE
SNC
PRELIMBIQUE
ORBITAIRE med
latéral
MEMBRES
CINGULAIRE ant
VISUEL
Dorsal
Ant
Médial
ORO-FACIAL
Figure 3. Représentation des aires corticales sensorimotrices et préfrontales dans la substance noire réticulée chez le rat. L’orga-
nisation topographique des projections cortico-striatales et striato-nigrales préserve une certaine ségrégation entre les informa-
tions issues de secteurs fonctionnels distincts du cortex cérébral. La représentation du corps et de l’espace visuel et auditif
occupe une série de lames semi-circulaires localisées dans la région latérale de la structure et centrées autour de la représenta-
tion du museau. La représentation du museau, qui se situe en dehors du champ visuel de l’animal, est située dorsalement, à
l’opposé de la zone de projection des afférences visuelles. La représentation des aires préfrontales occupe une position plus
médiane. Elle respecte la position relative des aires correspondantes sur le cortex cérébral dans l’axe médio-latéral. Dans l’axe
dorso-ventral, leur position est inversée, la représentation des aires dorsales occupe une position ventrale et, réciproquement,
la représentation des aires ventrales occupe une position dorsale. Adapté d’après Deniau et al., [58].
Figure 3. Representation of sensorimotor and prefrontal cortical areas in the rat’s substantia nigra pars reticulata. The topogra-
phic organization of the corticostriatal and striatonigral projections allows basal ganglia to segregate information originating
from functionally different cortical areas. The representation of the body and the visual and auditory space occupies a series of
semicircular lamellae located in the lateral region of the structure and centered on the representation of the muzzle. The repre-
sentation of the muzzle, which is situated out of the animal visual field, is more dorsally located at the opposite of the projection
zone of the visual afferents. The representation of prefrontal areas occupies a more median position. In the mediolateral axe, it
respects the relative position of the corresponding areas on the cerebral cortex. In the dorsolateral axe, their position is
inversed: the representation of the dorsal areas occupies a ventral position while the representation of the ventral areas occu-
pies a dorsal position. Adapted from Deniau et al. [58].
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