Le Rôle du Cortex Moteur dans la Dynamique Motrice Striatale et l'Exécution d'Actions Compétentes et Non Compétentes
Exploration du rôle clé du cortex moteur dans le contrôle dynamique du mouvement par les ganglions de la base
Contexte et motivation de l’étude
Le cortex moteur (Motor Cortex, M1) joue un rôle crucial dans la génération et la régulation des mouvements, un sujet central en neurosciences. L’interaction entre M1 et le striatum est essentielle pour la sélection et l’exécution de mouvements dirigés. Cependant, la manière exacte dont ces fonctions coopèrent reste indéfinie. Il y a débat pour savoir si le cortex moteur est la seule source des commandes motrices ou s’il joue simplement un rôle dans la régulation des mouvements. Certaines études récentes suggèrent que les ganglions de la base pourraient être la région centrale pour la sélection et l’exécution des mouvements, plutôt que le M1. D’autres recherches montrent que des lésions du M1 n’affectent pas significativement certaines tâches motrices simples, ce qui exacerbe le débat sur la fonction de M1. Afin de clarifier le rôle précis du cortex moteur dans la génération de mouvements, l’équipe de Nicholas et Yttri (2024) a réalisé des lésions bilatérales sur le M1 de souris et enregistré l’activité du striatum ainsi que leurs performances motrices, dans le but de déterminer si le cortex moteur est crucial pour la génération et la régulation de différents types de mouvements.
Origine et publication de l’étude
L’article est rédigé par Mark A. Nicholas et Eric A. Yttri, de la Carnegie Mellon University, et a été publié le 23 octobre 2024 dans le journal Neuron (vol. 112, pages 3486–3501). Il appartient à la société Elsevier, couvrant des droits incluant l’extraction de données textuelles, l’entraînement par IA, etc.
Conception et méthodes de l’étude
L’étude utilise un modèle de souris avec lésions bilatérales du M1 pour observer les changements dans la performance motrice et l’activité du striatum. Les sujets sont des souris ayant été entraînées à deux tâches motrices (tâche à rythme auto-imposé et tâche de signalisation). La lésion du M1 est effectuée par aspiration, méthode qui interrompt non seulement les entrées du M1 vers le striatum à tous les niveaux, mais simule également des effets proches d’une dégénérescence neuronale. Par une surveillance quotidienne du comportement et de l’activité neuronale, l’équipe de recherche a enregistré avec précision les effets immédiats causés par la lésion et analysé en profondeur les trajectoires de récupération comportementales et neuronales après la lésion.
Processus expérimental
Entraînement des tâches motrices des souris : Dans un premier temps, les souris sont entraînées à accomplir des tâches en suivant un rythme auto-imposé et à répondre à un signal lumineux. Ces tâches requièrent des gestes de la souris sur un levier dans des directions spécifiques pour obtenir une récompense. En même temps, l’activité neuronale striatale est enregistrée.
Établissement du modèle de lésion : Une lésion par aspiration est appliquée aux régions M1 bilatérales pour interrompre toutes les projections du M1 vers le striatum. Après la lésion, le comportement neurologique des souris est immédiatement surveillé pour observer l’impact direct de la lésion sur le comportement et l’activité du striatum.
Collecte de données comportementales et d’activité neuronale : L’équipe de recherche enregistre quotidiennement les performances motrices des souris et l’activité neuronale striatale, en se concentrant sur les différences entre les périodes avant et après la lésion. Des méthodes d’analyse de données riches sont utilisées, incluant l’analyse de l’activité des unités striatales et le décodage dynamique des trajectoires comportementales.
Résultats de l’étude
Diminution significative de la performance motrice : Dans les jours suivant la lésion du M1, les souris présentent de sévères troubles moteurs, se traduisant par une forte diminution de la capacité d’exécution des tâches de geste. Au cours de la première semaine post-lésion, le nombre de gestes réussis chute dramatiquement, passant d’une moyenne de 9,0 gestes par minute à 0,23. Bien que les performances comportementales s’améliorent progressivement environ 10 jours après la lésion, elles ne retrouvent pas le niveau antérieur et les trajectoires de mouvement restent significativement déformées et irrégulières.
Perte d’activité neuronale striatale : La lésion entraîne une disparition directe de l’activité des neurones du striatum liés au mouvement (SPNs et FSIs). Avant la lésion, 82 % des SPNs montrent une activité liée au mouvement, mais ce taux chute dramatiquement à moins de 10 % le deuxième jour après la lésion. De plus, les caractéristiques de modulation des SPNs pour l’amplitude du mouvement sont effacées par la lésion, et même si le comportement se rétablit progressivement, l’activité neuronale ne reprend pas les caractéristiques dynamiques du mouvement antérieures à la lésion.
Phénomène de congélation de la démarche spontanée : Dans une expérience de labyrinthe en T non entraînée, les souris parviennent à effectuer des mouvements de base, mais présentent une forte “congélation de la marche” lorsqu’elles doivent changer de direction à une intersection. Les souris marquent de longues pauses à l’intersection (jusqu’à 68,89 secondes), affichant une démarche continue plutôt qu’une pause active ou un comportement de toilettage, ce qui est similaire aux symptômes cliniques de “congélation de la marche” (FOG).
Perte de la capacité de décodage dynamique du striatum : Grâce à des expériences de décodage, les chercheurs ont découvert qu’avant la lésion du M1, l’activité striatale pouvait prédire avec une fiabilité la position instantanée de la poignée par la souris (avec une erreur quadratique moyenne de 0,018), mais cette capacité de décodage est complètement perdue après la lésion du M1, indiquant que le striatum seul est incapable de générer des commandes motrices.
Impact insignifiant des lésions sur le cortex non ciblé : Comme groupe témoin, les chercheurs ont également effectué des lésions similaires sur le cortex pariétal (PPC) de souris. Les résultats montrent que les lésions du PPC n’ont pas d’effet significatif sur la performance comportementale et l’activité neuronale striatale, soutenant l’idée que le M1 joue un rôle central dans la génération du mouvement.
Conclusion
Cette étude montre que le M1 joue un rôle irremplaçable dans le choix et la génération de mouvements intentionnels, comme le démontre les déficits moteurs et la perte dynamique striatale résultant de lésions du M1. Bien que le comportement se rétablisse progressivement 10 jours après la lésion, cette récupération provient de mécanismes de compensation par d’autres régions cérébrales, sans retrouver la dynamique neuronale d’origine. La fonction de régulation du mouvement du striatum dépend des instructions motrices fournies par le M1 et n’est pas auto-générée. En l’absence de participation du M1, l’activité solitaire du striatum est insuffisante pour maintenir la pleine performance des mouvements intentionnels. En outre, le rôle du M1 dans la régulation de la démarche est similaire à la base neuronale des symptômes de FOG humains, offrant ainsi des cibles potentielles pour la stimulation neuronale en clinique.
Signification scientifique et valeur applicative de l’étude
Grâce à une conception expérimentale minutieuse et à une collecte de données denses, cette étude révèle en profondeur le rôle central du cortex moteur dans la génération et la régulation dynamique des mouvements, notamment dans son influence dominante sur l’activité striatale. Les résultats apportent une nouvelle perspective pour comprendre la hiérarchie entre le cortex moteur et les ganglions de la base dans le contrôle du mouvement, et fournissent des preuves directes des mécanismes neuronaux expliquant des troubles moteurs comme la congélation de la marche, avec une importance clinique essentielle. De plus, cette étude est la première à montrer en détail les changements dynamiques du striatum après une lésion du cortex moteur, offrant de nouvelles directions pour la recherche future sur les mécanismes de compensation en cas de troubles moteurs.