Les bases neurales du contrôle moteur : étude des réseaux moteurs négatifs par cartographie cérébrale cortico-sous-corticale

Neural basis of motor control : study of the negative motor network with cortico-sub-cortical brain mapping

• Auteur / Autrice : Fabien Rech
• Direction : Hugues Duffau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 13/11/2018
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences de Montpellier
• Jury : Président / Présidente : François Rivier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hugues Duffau, François Rivier, Sophie Colnat, Emmanuel Mandonnet, Luc Taillandier, Guillaume Herbet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Colnat, Emmanuel Mandonnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Connectivité fonctionnelle

Plasticité neuronale

Activité motrice

Cartographie cérébrale

Mots clés libres

Cartographie cérébrale

Motricité

Connectivité

Plasticité

Brain mapping

Motricity

Connectivity

Plasticity

Résumé

La vision classique et hiérarchique de l’organisation du système moteur est remise en question par la découverte d’autres structures que le cortex moteur primaire capables d’influer en parallèle sur la sortie motrice, dans le cadre d’un modèle hodotopique. L’objectif de ce travail a été d’étudier les réseaux de contrôle du mouvement à l’aide de stimulations électriques directes cérébrales lors de chirurgies en condition éveillée pratiquées pour l’exérèse de tumeurs cérébrales. Cette méthode permet la préservation de la fonction motrice tout en apportant de nombreuses informations sur l’organisation du système moteur en général. Le contrôle moteur a été étudié au travers du phénomène moteur négatif, qui consiste en un arrêt du mouvement sans perte de tonus ou de conscience lors d’électrostimulations. Décrit initialement au niveau cortical, nos travaux ont montré qu’il était possible d’identifier ce phénomène dans la substance blanche de façon bilatérale et que les fibres supportant ces réponses motrices négatives sont organisées d’une manière somatotopique, à l’instar de la voie pyramidale. Nous avons pu mettre en évidence une voie modulatrice motrice bilatérale capable d’inhiber les mouvements des deux membres supérieurs lors d’une stimulation sous-corticale unilatérale. Nous avons montré qu’une lésion des sites générant des réponses motrices négatives conduisait à un syndrome de l’aire motrice supplémentaire et à des troubles définitifs des mouvements fins et de la coordination bimanuelle. Ces résultats expliquent les troubles observés lors de chirurgies des régions prémotrices réalisées sans cartographie motrice active, c’est-à-dire cherchant uniquement à identifier les structures motrices primaires. Ils valident la nécessité de pratiquer une cartographie motrice en condition éveillée et ce quelle que soit la dominance hémisphérique. Ces résultats à l’échelle sous-corticale nous ont conduit à définir le concept de réseau moteur négatif et son implication dans les réseaux de contrôle moteur. Le preuve de l’existence de tels réseaux nous a permis d’explorer le niveau cortical et de mettre en évidence une organisation systématique des aires motrices négatives, proposant ainsi une autre vision que celles d’une répartition aléatoire ou somatotopique. Cette organisation en plusieurs aires effecteurs-dépendantes et redondantes a permis de confirmer par les stimulations électriques directes la ségrégation du gyrus précentral en plusieurs gradient rostro-caudal et dorso-ventral. L’ensemble de ces éléments nous a permis d’émettre plusieurs hypothèses concernant le rôle de ces réseaux. Nous supposons qu’il s’agit de plusieurs réseaux interconnectés fonctionnant à l’aide de mécanismes inhibiteurs internes, dont le rôle va de la modulation du flux moteur dans le cadre de processus décisionnels compétitifs intégrés aux aires négatives à l’inhibition vraie d’un comportement moteur dans le cadre de circuits entre le cortex et les noyaux gris centraux. La carte probabiliste réalisée permettra de planifier les chirurgies cérébrales mais aussi de servir de zone d’intérêt pour les nouvelles thérapies par stimulations et la recherche en neurosciences.

The classical and hierarchical view of the motor system has been challenged since the discovery of other structures able to modulate the motor output in the framework of a hodotopic model. The aim of this work was to study the motor control network thanks to direct electrostimulations performed during awake surgery for brain tumors. This method has shown its effectiveness to preserve motor functions while giving new highlights about the organization of the motor system. In our work, motor control has been studied through the negative motor phenomenon, which consists in a complete arrest of movement without loss of tonus or consciousness during electrostimulations. Initially described at a cortical level, our work demonstrated the possibility to elicit negative motor phenomenon in both hemispheres at a subcortical level. Moreover, we identified a bilateral modulatory motor pathway able to inhibit both upper limbs during unilateral subcortical stimulations. We also shown that fibers driving negative motor responses are organized in a somatotopic manner, like the pyramidal pathway. Resection of these fibers lead to a supplementary motor area syndrome with permanent deficit in fine motor skills and bimanual coordination. These results explain the neurological deficits which might occur after surgery in premotor areas when no active brain mapping is performed, that is, when only primary motor structures are sought. They emphasize the necessity to perform a motor mapping during awake surgery whatever the side and hemispheric dominance. These subcortical results led us to define the concept of negative motor networks and their involvement in motor control networks. Evidences of this network allowed us to explore the cortical level and to report a well-defined organization of the negative motor area, different from the random or somatotopic distributions previously described. This effector-dependent and redundant organization in several areas defined by direct electrostimulations has been helpful to confirm the rostro-caudal and dorso-ventral segregation of the precentral gyrus. Consequently, it was possible to propose several hypothesis about the role of these networks. We presume that they are constituted by several large-scale interconnected networks, based on internal inhibitor mechanisms, whose role goes from modulation of the motor output in a competitive model of decision-making integrated in the negative motor area to real inhibition of motor behaviors thanks to cortico-basal ganglia circuitry. The probabilistic map created with these works will be helpful to plan surgery but could also provide regions of interest for brain stimulations therapies as well as neuroscientific research.