Neurophysiologie de l'orientation saccadique du regard: mécanismes sous-corticaux

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1 Neurophysiologie de l'orientation saccadique du regard: mécanismes sous-corticaux Laurent Goffart, PhD Unité 534 INSERM ou (Les questions sont les bienvenues)

2 Le regard axe visuel gauche axe visuel droit Regard = direction de l axe visuel dans l espace 2 axes visuels : gauche et droit Axe visuel = ligne imaginaire fovéa - point nodal muscles ciliaires cristallin point nodal fovéa fovéa

3 L orientation du regard En fonction des circonstances, le mouvement d orientation du regard est assuré par : - un déplacement seul des yeux (la saccade oculaire) - un déplacement conjoint des yeux et de la tête - un déplacement des yeux, de la tête et du tronc Direction du regard = Déviation des yeux dans l orbite + Orientation de la tête / tronc + Orientation du tronc / espace

4 L orientation du regard Mouvement lent (poursuite) Saccade position 20 deg t < 80 ms (8/100 sec. pour capturer une cible)!!! 1 sec. temps

5 Enregistrement des mouvements oculaires Induction électro-magnétique Bobine sclérale 2 champs magnétiques : H et V

6 La saccade oculaire Trajectoire spatiale Décours temporel position horizontale (deg) position verticale (deg) position de la cible position de l'oeil Position horizontale (deg) Position verticale (deg) latence déplacement maintien Temps à partir de l'apparition de la cible (ms)

7 Les muscles extra-oculaires

8 Déplacement horizontal

9 Déplacement vers le haut

10 Déplacement vers le bas

11 Innervation motrice Saccade vers la droite : activation noyau VI droit et vers le haut : activation complexe nucléaire III-IV droit activation complexe nucléaire III-IV gauche

12 Neurophysiologie du couplage binoculaire Saccade vers la droite Relâchement des antagonistes MN MN MN MN Activation des agonistes IN IN NIP NIP NEP NEP MN = motoneurones (VI,III) IN = neurones internucléaires (VI) NIP = neurones inhibiteurs phasiques (FRb) NEP = neurones excitateurs phasiques (FRpp)

13 Intégrateur neuronal Saccade vers la droite MN MN MN MN NT IN IN NT NIP NIP NEP NEP MN : Fréq. Décharge Inst. FDI = F 0 + k. θ + r.dθ/dt NEP : FDI = r.dθ/dt NT (neurones toniques) : FDI = k.θ Intégration (NPH-NVM) (mathématique)

14 Intégrateur neuronal 10 Déviation du regard Temps 0 Déplacement angulaire très rapide Changement soudain de tension musculaire Maintien de la position atteinte Tension musculaire soutenue Commande phasique NEP dt + + MOTONEURONES MN Commande tonique NT

15 Déclenchement de la saccade MN MN MN MN NT IN NIP IN NIP NT NEP NEP NOP NOP = neurones omnipauses (Noyau raphe interpositus) Inhibition? De-activation? Signal de déplacement désiré

16 Saccades symétriques / asymétriques fovéa fovéa fovéa fovéa

17 Couplage binoculaire : saccades asymétriques > MN MN MN MN NT IN NIP IN NIP NT NEP NEP { Neurones pré-ganglionnaires du Noyau Edinger-Westphal (innervent muscles ciliaires, couplage convergence/accomodation) NPTC NPC NPTC NPC = neurones phasiques-toniques de convergence = neurones phasiques de convergence (Noyau supra-oculomoteur)

18 Du foyer rétinien à l activation motrice Rétine Neurones prémoteurs Motoneurones Muscles (Thalamus Cortex Colliculus Supérieur Olive Accessoire Médiane Noyaux du Pont Cervelet ) (NEP NIP NPTC NT ) Transformation spatio-temporelle PROCESSUS Décomposition vectorielle FONCTIONNELS{ Décomposition oculo-céphalique etc

19 Transformation spatio-temporelle De la position du stimulus à la durée du mouvement Codage topographique rétine Codage temporel motoneurones Fréquence de décharge fovéa stimulus (cible) F i Durée Temps Fréq. instantanée F i <=> Vitesse instantanée

20 Transformation spatio-temporelle Hypothèse proposée par Robinson (1975) : boucle de rétroaction négative Déplacement effectué (DE) Générateur de rétroaction Signal rétinien Déplacement désiré (DD) + - Erreur Motrice (EM) Centres Prémoteurs Motoneurones DE et DD sont des représentations internes Le mouvement s arrête quand EM = 0 c est-à-dire quand DE = DD Différence signal rétinien et DD (objet-surface, mouvement etc )

21 Décomposition vectorielle Deux commandes : horizontale et verticale Neurones prémoteurs Neurones prémoteurs gauche haut cible droite Motoneurones Motoneurones bas Muscles (DE,DI) Muscles (PO,DS,GO,DI) haut haut Déplacement horizontal de l axe visuel Déplacement vertical de l axe visuel gauche bas droite gauche bas droite

22 Décomposition vectorielle Déplacement désiré Une hypothèse : contrôleurs indépendants Dépl. horizontal désiré (DHD) Décomposition Dépl. vertical désiré (DVD) Dépl. horizontal effectué (DHE) Erreur motrice horizontale Erreur motrice verticale - Dépl. vertical effectué (DVE) Générateur de rétroaction H Centres prémoteurs H Centres prémoteurs V Générateur de rétroaction V Motoneurones H Motoneurones V

23 Décomposition oculo-céphalique Bouger les yeux avec (ou sans) la tête haut Neurones prémoteurs Neurones prémoteurs cible / regard gauche droite / tête Motoneurones Motoneurones bas Si la tête ne bouge pas Si la tête bouge Muscles extra-oculaires Muscles du cou haut haut tête gauche droite gauche droite Déplacement des yeux dans l orbite Déplacement de la tête bas bas oeil

24 Décomposition oculo-céphalique 1 comparateur : erreur motrice du regard Dépl. effectué (yeux) Générateur de rétroaction Signal Dépl. désiré du regard rétinien Erreur motrice (regard) Centres prémoteurs oculaires Centres prémoteurs céphaliques Motoneurones Motoneurones Muscles extraoculaires Muscles de la nuque Dépl. effectué (tête) Générateur de rétroaction Appareil vestibulaire Proprioception nuquale

25 Décomposition oculo-céphalique 2 Comparateurs : erreur motrice oculaire + erreur motrice céphalique Dépl. effectué (yeux) Générateur de rétroaction Déplacement désiré du regard Dépl. désiré de l oeil + Décomposition + Dépl. désiré de la tête - - Centres prémoteurs oculaires Centres prémoteurs céphaliques Motoneurones Motoneurones Muscles extraoculaires Muscles de la nuque Dépl. effectué (tête) Générateur de rétroaction Appareil vestibulaire Proprioception nuquale

26 Résumé : avant la saccade Déplacement effectué Signal rétinien Déplacement désiré - + Erreur motrice Centres prémoteurs Motoneurones NOP NEP / NIP yeux Neurones réticulo-spinaux tête Desinhibition Activation Réflexe vestibulo-oculaire ON

27 Résumé : pendant la saccade Déplacement effectué Générateur de rétroaction Signal Déplacement rétinien désiré + - Erreur motrice Centres prémoteurs Motoneurones NOP NEP / NIP yeux Neurones réticulo-spinaux tête Inhibition De-activation Réflexe vestibulo-oculaire OFF

28 Modèle théorique et substrat neuronal Déplacement effectué Générateur de rétroaction Signal rétinien Déplacement désiré - + Erreur motrice Centres prémoteurs Motoneurones Codage du signal de déplacement désiré Codage du signal d erreur motrice Codage du signal de déplacement effectué Où? Comment?

29 Signal de déplacement désiré Signal cutané Signal rétinien Déplacement désiré Déplacement effectué - + Erreur motrice Générateur de rétroaction Centres prémoteurs Motoneurones Signal auditif Commande «cognitive»

30 Le colliculus supérieur profond Structures corticales frontales et pariétales Colliculus supérieur profond Thalamus Formation réticulaire mésenphalique, pontine et bulbaire Motoneurones extra-oculaires Motoneurones cervicaux

31 Le colliculus supérieur profond rostral Saccade horizontale 2 : Saccade horizontale 10 : 2 Saccade horizontale 30 : 5 60 latéral médian Saccade oblique : théta = 40 R = 30 Saccade oblique : théta = 40 R = 30 caudal

32 Inactivation pharmacologique Injection de muscimol (agoniste Gaba-A) Pas de saccades controlatérales Pas de saccade d amplitude et de direction correspondant au vecteur représenté au niveau du site inactivé Augmentation de la latence des saccades représentées dans les territoires adjacents

33 Inactivation pharmacologique Injection de lidocaïne A 180 B 40 Direction (deg) Amplitude (deg) C Velocity (deg/s) D Duration (ms) Time (minutes) Time (minutes) D après Lee, Rohrer and Sparks (1988) Codage par population / contrôle par rétroaction

34 Signal d erreur motrice Déplacement effectué Générateur de rétroaction Signal rétinien Déplacement désiré - + Erreur motrice Centres prémoteurs Motoneurones Nombre de signaux? (regard, œil, tête, H,V ) Signal(aux) dynamique(s)

35 Hypothèse de la «moving hill» rostral Déplacement désiré : 30 médian Erreur motrice latéral Erreur motrice = 0 Arrêt de la saccade 30 à t = caudal

36 Hypothèse de la «spreading wave» rostral Déplacement désiré : 30 médian Erreur motrice latéral 30 à t = Activation des neurones de fixation Arrêt de la saccade Problèmes : - non reproductible (3 labos) - inactivation région rostrale caudal

37 Codage de l erreur motrice Conclusion : origine extra-colliculaire, 2 hypothèses H1 : codage par les neurones prémoteurs de la Formation Réticulée? - input colliculaire : signal déplacement désiré - origine du signal de déplacement effectué? H2 : codage au niveau du cervelet médio-postérieur? - voie colliculo-ponto-cérébelleuse : signal de déplacement désiré? - voies réticulo-cérébelleuses : signal de déplacement effectué

38 Signal de déplacement effectué Déplacement effectué Générateur de rétroaction Signal rétinien Déplacement désiré - + Erreur motrice Centres prémoteurs Motoneurones Nombre de signaux? (regard, œil, tête, H,V ) Signal(aux) dynamique(s)

39 Le cervelet médio-postérieur Déplacement effectué par l oeil Déplacement effectué par la tête - proprioception extra-oculaire - proprioception nuquale - copie d efférence - copie d efférence - afférences vestibulaires Lobules VIc-VII Noyau Fastigial caudal Centres prémoteurs du Tronc cérébral

40 Le cervelet médio-postérieur Lobules VIc-VII Noyau Fastigial caudal Centres extra-cérébelleux (corticaux et sous-corticaux) Rétine Motoneurones

41 Signal de déplacement effectué Perturbation DE Gain Offset Générateur de rétroaction Signal rétinien Déplacement désiré (DD) - + Erreur motrice Centres Prémoteurs Motoneurones Un dysfonctionnement dans le codage du DE => dysmétrie DE sous-estime le déplacement réel=> hypermétrie DE sur-estime le déplacement réel => hypométrie

42 Inactivation pharmacologique du NFc (singe tête fixe, NFc gauche, muscimol) 20 Cible (100ms) Réponses contrôles Réponses perturbées Hypométrie de la composante horizontale des saccades controlatérales - Hypermétrie de la composante horizontale des saccades ipsilatérales

43 Inactivation pharmacologique du NFc Pas de résolution temporelle Injection dans le NFc gauche 25 Ipsi Contra Position de l'oeil (deg) Cible Inactivation par le muscimol Position verticale Temps Position horizontale Perturbation?

44 Inhibition transitoire de l activité du NFc Postulat : La microstimulation électrique de la portion dorsocaudale du Noyau Fastigial inhibe les neurones du NFc en activant les axones des cellules de Purkinje du vermis (Noda et al., 1988). Cellules de Purkinje STIM Lobules VIc-VII (vermis) { Cellules nucléaires Noyau Fastigial caudal

45 Inhibition transitoire de l activité du NFc Recherche de la période critique 30 Position de l'oeil (deg) Cible Déviation verticale Temps Déviation horizontale -10 délai microstimulation

46 Perturbation par microstimulation à basse fréquence Singe tête fixe, NFc gauche, 200 ms à 100 Hz (première saccade seulement) Cible (100ms) Essais contrôles Essais perturbés Hypermétrie de la composante horizontale des saccades ipsilatérales - Hypométrie de la composante horizontale des saccades controlatérales

47 Période critique de la perturbation Avant le départ de la saccade Pendant toute la saccade Tardivement Cible (100 ms) Position verticale (deg) Vitesse verticale (deg/s) 100 Hz pendant 100 ms 100 Hz pendant 100 ms Position horizontale (deg) Vitesse horizontale deg/s)

48 Conclusion Rôle probable du cervelet médio-postérieur dans le codage du déplacement effectué - connectivité - dysmétrie lors de son dysfonctionnement - période critique : pendant la saccade problème : caractère horizontal de la dysmétrie, codage du DE vertical? Codage du déplacement désiré par le foyer d activité colliculaire Codage de l erreur motrice au niveau de la formation réticulée pontine paramédiane