Neuroprothèses
Le cerveau, organe le plus important de l'Homme, est à l'origine de la perception des sensations et du mouvement. C'est donc grace a l'étude de ce dernier que les prothèses dites "Intelligentes" ont pu etre mises au point; en effet, elles sont obligatoirement reliées au cerveau, car elles peuvent effectivement bouger uniquement grace a la pensée, et peuvent faire sentir des sensations à leur porteur.
Dans cette partie concernant la biologie seront donc étudiées les zones du cerveau permettant le mouvement et la perception, mais aussi les fonctions du corps, comme la réception d'une sensation, qui sont aujourd'hui présentent sur les prothèses intelligentes.
La réception d'une information par le corps humain
La réception de l'information sensorielle se fait principalement grace aux mécano-récepteurs, neurones sensoriels qui sont sensibles aux déformations mécaniques. Ils sont divisés en deux catégories, à savoir les mécanorécepteurs dit cutanés, et les propriorécepteurs. Ils sont classés car ils répondent à des stimulations de nature et d'intensité différentes; de plus, ils ont aussi des vitesses d'adaptation, et de conduction différentes.
La vitesse d'adaptation d'un mécano-récepteur est ce qui définit les renseignements acquis par la stimulation; ceux dits a adaptation rapide permettent de traduire les variations de la stimulation par rapport au temps, tandis que récepteurs à adaptation nulle ou lente permettent de connaitre la valeur absolue de lintensité de stimulation, ainsi que sa durée.
La vitesse de conduction est la vitesse à laquelle les fibres nerveuses de chaque mécano-récepteur transmettent linflux nerveux généré par ceux-ci jusqu'au système nerveux central.
Chaque mécanorécepteur possède un champ récepteur différent ; le champ récepteur est en fait la zone anatomique qui, soumise à une stimulation, va modifier l'activité de son récepteur sensoriel. Celui-ci va transformer l'énergie de la stimulation en signal électrochimique, qui sera par la suite traité par le système nerveux.
Le premier type de récepteurs, les mécanorécepteurs cutanés, sont des récepteurs stimulés par trois actions : la pression, le toucher, la vibration.
Ils sont localisés à différentes épaisseurs de la peau avec deux types qui sont distinguées pour ces récepteurs : la peau glabre et la peau velue.
Ces deux types de peau ont des récepteurs en commun (Corpuscules de Ruffini et de Pacini, ainsi que les terminaisons libres).
La peau glabre possède en plus 2 mécanorécepteurs (les disques de Merkel, et les Corpuscules de Meissner)
La peau velue, elle, a également deux récepteurs qui lui sont propres : les plaques de toucher, et les récepteurs du follicule pileux.
Il y a également les propriorécepteurs, qui sont situés dans les muscles et les articulations. Ceux-ci sont sensibles à la position du corps, aux mouvements, et à la force.
D'autres récepteurs existent également, notamment les thermorécepteurs qui permettent de ressentir la température.
Le codage de cette information nerveuse se fait en deux étapes, qui sont la transduction et la transmission. La première est générée par un stimulus qui entraîne des modifications au niveau des membranes des récepteurs ; ces modifications se situent sur des protéines et des canaux qui s'ouvrent en laissant passer des ions, qui vont eux permettre une dépolarisation (terme qui désigne le passage transitoire du potentiel de la membrane d'une valeur négative de repos vers une valeur positive). Cette action donnera naissance à un potentiel générateur, qui va augmenter avec l'intensité de la stimulation, et une fois un seuil atteint, il déclenchera un potentiel d'action (ou influx nerveux). Il y a ensuite la transmission de cette information, qui se caractérise par la propagation de ce potentiel d'action par le système nerveux. Ce message va jusqu'à la moelle épinière. Il sera ensuite amené au cerveau par ce que l'on appelle les systèmes ascendants, des voies nerveuses transportant l'information jusqu’au cerveau.
Les neurones
Les neurones sont des cellules qui font partie du système nerveux, et qui sont donc responsables de la conduction de l'information des mécano-récepteurs vers le cerveau. En effet, elle est multi-polaire, ce qui facilite la transmission des signaux bio-éléctriques (signaux électriques dans le domaine de la biologie), plus couramment appelés influx nerveux. Ils composent donc le tissu nerveux, avec d'autres cellules dites gliales, qui les approvisionnent en nutriments et en oxygène, tout en eliminant les cellules mortes dans le tissu nerveux.
Schéma d'un neurone
Corps cellulaire : Partie principale autour du noyau du neurone, commune à la grande majorité des cellules : cytoplasme, membrane...
Dendrites : Parties du neurone qui le relient aux synapses d'un autre, et qui permettent donc la communication du courant électrique entre plusieurs neurones.
Axone : Il est également appelé fibre nerveuse. C'est le prolongement du neurone et conduit le signal électrique du corps cellulaire vers les zones synaptiques, composées des arborisations terminales et des boutons synaptiques.
Zone synaptique : Elle est composée des arborisations terminales, et des boutons synaptiques. Ces derniers envoient l'information reçue vers les dendrites du neurone suivant.
L'influx nerveux avance à une vitesse d'environ 100 mètres par seconde le long des fibres, cependant il est ensuite ralenti par le franchissement des synapses, ce qui explique que le temps mis par un message nerveux pour aller d'un point à un autre dépend du nombre de synapses à traverser plus que de la distance.
Le cortex somato-sensoriel
Les informations qui proviennent de la surface de l'organisme, dont les stimulations détectées par les mécano-récepteurs puis transmises par le système nerveux, aboutissent dans une zone du cerveau appelée cortex somato-sensoriel (du grec "soma", qui signifie corps). Celui-ci est situé dans chaque lobe pariétal du cerveau. Cette partie du cerveau est le lieu du traitement initial et de la perception des signaux sensoriels, mais également des entrées proprioceptives, la proprioception étant la perception de chaque position du corps. Chaque zone de l'aire somesthésique primaire reçoit des messages somesthésiques (ensemble des informations provenant de la surface de l'organisme) et proprioceptifs d'une région particulière du corps.
Dans l'homonculus sensoriel (du latin homunculus, diminutif d'homo qui signifie Homme), nous pouvons voir la répartition (de façon proportionnelle) de la surface attribuée à chaque membre du corps dans le cortex somato-sensoriel.
A l'aide de l'Homonculus Sensitif, nous pouvons voir que les zones de l'organisme les plus présentes au sein du cortex somato-sensoriel sont les différentes zones du visage, ainsi que les mains. Ces zones sont donc probablement plus sensibles à diverses sensations.
Homonculus Sensitif
Le cortex sensitif reçoit les informations grace a des neurones relais, qui permettent donc la réception d'informations sensitives par le cerveau.
De plus, le cortex de chaque hémisphère du cerveau reçoit les informations provenant de l'autre moitié du corps (par exemple, le cortex sensoriel situé dans l'hémisphère gauche du cerveau, réceptionnera les sensations de la main droite), car la plupart des voies sensitives ascendantes dans la moelle épinière vers le cerveau se croisent; une lésion au coté droit du cortex sensitif entrainera donc un probleme au niveau des sensations du cote gauche du corps.
Les sensations telles que le toucher, la pression ou encore la chaleur seront déja détectées au niveau du thalamus, cependant c'est grace au cortex sensoriel que le cerveau aura des informations précises par rapport a la sensation. Par exemple, c'est grace au cortex sensoriel que nous avons la possibilité d'évaluer le pods, le matériau ou encore la forme d'un objet tenu dans la main.
Le cortex moteur
Le cortex moteur est la partie du cerveau qui nous permet de gérer nos différents mouvements. Il est divisé en tquatre parties, à savoir le cortex moteur primaire, le cortex moteur secondaire, l'aire motrice supplémentaire, et du cortex pariétal postérieur.
Correspond a la région anatomique à l'aire 4 du gyrus précentral (ensemble de replis sinueux du cortex cérébral, à la surface du cerveau, qui est situé à la face latérale du lobe frontal du cerveau.).
L'aire 6, situé juste rostralement par rapport à la précédente, est responsable de
mouvements plus complexes. Elle est divisée en deux régions, l'air prémotrice (ou
APM) , et l'aire motrice supplémentaire (AMS). La première à pour rôle de guider
les mouvements des muscles qui sont les plus proches de l'axe du corps. La seconde
est responsable de mouvements plus complexes, mais également de la coordination
des mouvements impliquant les deux mains.
Les expériences de stimulation corticale de Penfield ont permis de dresser la
cartographie du cortex moteur, qui à été appelée homoncule moteur.
Nous pouvons constater, selon ce
schéma dont les zones sont
proportionnelles à celles du cortex
moteur, que les zones les plus grosses
du corps n'occupent pas la plupart de
la place au niveau du cerveau, au
contraire ; cela s'explique par la
complexité des mouvements qu'une
partie du corps peut effectuer ; par
exemple, les doigts y occupent autant
de place que le poignet, les épaules,
le tronc et les hanches réunis.
Homoncule moteur
L'aire motrice supplémentaire, elle, sert à préparer un mouvement en fonction des stimuli externes (sensations) ou internes (mémoire) reçus par le cortex moteur. Le cortex pariétal postérieur réçoit des informations somato-sensorielles, et visuelles qui lui permettent d'évaluer le contexte auquel est du le mouvement.
Les informations diffusées par le cortex moteur vers le reste du corps se font également via le système nerveux, à l'instar des informations sensorielles.
Le cortex moteur et le cortex sensoriel doivent donc communiquer avec les neuroprothèses: en effet, le cortex sensoriel devra réceptionner des informations venues des neuroprothèses, qui devront avoir un système semblable aux mécano-récepteurs, et le cortex moteur devra envoyer des informations vers ces neuro-prothèses afin qu'elles obéissent aux commandes de l'utilisateur. Il faut donc un système semblable au système nerveux dans les neuroprothèses, qui de plus soit connecté au reste de l'organisme du porteur.