2. FONCTIONNALITE DE LA MAIN HUMAINE: LA MOTRICITE

La motricité de la main:
La main est un organe important dans la mobilité de l’homme. En effet ses capacités en terme de motricité sont très grandes et variées. Dans le cas d’une perte d’une ou deux mains, la personne est alors très limitée dans ses mouvements. Nous allons tout d’abord expliquer comment le cerveau humain commande les mouvements de la main grâce aux messages nerveux moteurs, puis quelles sont les différentes capacités de mobilité de la main.

La commande nerveuse du mouvement:
Les structures cérébrales impliquées dans la motricité sont nombreuses. Certains vont même jusqu’à dire que c’est pratiquement tout le cerveau qui participe au mouvement. Le système nerveux permet le mouvement coordonné des muscles et les commande.
Le cerveau et la moelle épinière sont les centres nerveux responsables de la motricité
Les nerfs assurent la liaison anatomique entre les centres nerveux et les muscles qui sont les organes effecteurs. Les nerfs qui conduisent le message nerveux aux muscles sont appelés des nerfs moteurs.

Le cerveau élabore donc, à partir des informations sensorielles reçues, une commande adaptée au message sensitif initial.

Cette commande est transmise aux organes effecteurs, les muscles, par les nerfs moteurs et à l‘aide des neurones présents du cerveau jusqu’au muscle. Le message transmis est un message nerveux moteur ou centripète et correspond à l’influx nerveux se déplaçant grâce aux neurones.

Ainsi, le cerveau, les centres nerveux et le système nerveux permettent de mettre en relation les informations sensitives issues de l’environnement avec une réponse motrice adaptée et réalisée par les organes effecteurs.

Les neurones forment des réseaux à travers lesquels circule l'influx nerveux. Des dendrites jusqu'à l'extrémité parfois très éloignée de l'axone, c'est sous forme électrique que se propage cet influx à la surface de la membrane neuronale.
Les neurones communiquent entre eux sans se toucher, ils utilisent donc des molécules spéciales appelées neurotransmetteurs pour faire passer l'influx nerveux d'un neurone à l'autre.

Quelques neurones dans le cerveau (microscope optique x 600 )

Les neurones sont des cellules formées d'un corps cellulaire d'où se détachent des prolongements qui véhiculent les messages nerveux.

Cette transmission chimique de l'influx nerveux amène l'axone et les dendrites à développer des structures spécialisées pour faciliter le passage du message nerveux.

Les dendrites possèdent ainsi des milliers " d'épines " qui bourgeonnent à leur surface.

C'est sur ces épines que se situent les boutons terminaux des axones, sorte de renflements d'où sont excrétés les neurotransmetteurs. Ces structures constituent la synapse. La transmission du message nerveux d'un neurone à l'autre se fait au niveau des synapses.

Les neurones spécialisés dans le mouvement sont les motoneurones:

- des neurones moteurs qui conduisent la commande motrice du cerveau à la moelle épinière ou de la moelle aux muscles;

- des neurones multipolaires qui ont de courts dendrites émanant du corps cellulaire et un long axone.
Grâce à ce système, les messages nerveux arrivent donc aux muscles et le mouvement est effectué.

Exemple du circuit des messages nerveux pour les muscles du bras.

Les capacités de mobilité de la main

La main humaine est un organe complexe qui a des grandes capacités de mouvement. En effet, la main est très utile a l’homme.
De nombreux muscles participent à la mobilité et la souplesse de la main.
Les muscles extrinsèques, situés dans l’avant-bras, transmettent les mouvements, aux mains et aux doigts, par l’intermédiaire de longs tendons qui cheminent soit sur la paume (tendons fléchisseurs), soit sur le dos de la mais (tendons extenseurs).
Les muscles extrinsèques, situés aussi dans la main, transmettent les mouvements précis des doigts. Les muscles interosseux, se distinguent selon leur situation, en dorsaux (dos de la main) ou palmaires (paume), et permettent respectivement d’écarter et de rapprocher les doigts. Les muscles lombricaux, présents entre chacun des 5 doigts, participent à la flexion et à l’extension tandis que les muscles thénariens servent à la mobilisation du pouce et les muscles hypothénariens à celle de l'auriculaire.


Les doigts : un cas particulier

Les doigts ne comportent pas de muscles, mais uniquement des ligaments et des tendons, provenant des muscles de la main et de l'avant-bras. Les quatre derniers doigts comportent ainsi chacun deux tendons longs, de flexion et d'extension, provenant des muscles de l'avant-bras. Le pouce est contrôlé par des tendons de muscles, extenseurs et fléchisseurs, et deux ligaments principaux (latéral interne et latéral externe).
Cette anatomie complexe (vue au début de l’exposé) permet à la main d’effectuer beaucoup de mouvements.
En effet chaque jour, la main est beaucoup sollicitée dans tous les mouvements d’une personne: attraper ou prendre un objet, tenir une poignée…
Dans le cas de la prise d’un objet, on parle de pronation:
La pronation consiste en un mouvement de l'articulation du coude et de l'articulation radio-ulnaire afin d'entraîner une rotation médiale de la main (ou rotation interne, ce qui revient à tourner la paume de la main vers le bas). On définit aussi ce mouvement d'inclinaison ulnaire (le pouce s'oriente vers l'ulna). Les muscles concernés sont le muscle rond pronateur, le muscle carré pronateur et le brachioradial.

Le mouvement inverse de la pronation s’appelle la supination: il consiste donc en une mobilisation de l'articulation du coude et de l'articulation radio-ulnaire afin d'opérer une rotation latérale de la main (ou rotation externe, ce qui revient à tourner la paume de la main vers le haut). Les muscles concernés sont le muscle supinateur, le muscle biceps bachial et le muscle brachioradial.

Un autre mouvement important pour la main humaine est le mouvement de préhension. Il permet à l’homme d’attraper un objet, de le prendre. Cela correspond à une pince. Saisir une tasse de café, par exemple, estimer sa position et la saisir nécessitent une série d'opérations complexes. L’élément essentiel du geste est la pince de précision. L'objet est pris entre la pulpe des doigts, ce qui permet sa manipulation. Ce mouvement consiste en la fermeture des doigts sur la paume de la main.

Ces trois mouvements sont les plus importants dans le fonctionnement de la main. Ils permettent à l’homme de faire des actions toutes simples de la vie quotidienne.
Nous pouvons encore trouver plusieurs utilités à la main comme le langage des signes par exemple. En effet les mains sont très importantes dans la communication entre les hommes. Nous pouvons donc, grâce au tableau suivant, montrer l’importance des mains dans la communication. La main est donc un organe complexe et très utile dans sa motricité.

3. FONCTIONNALITE DE LA MAIN HUMAINE: LA SENSIBILITE

La sensibilité est souvent définie comme un système de récepteurs, ou de cellules sensitives, capable de capter et de traduire plusieurs formes d’énergie (stimulus) et de les transmettre au système nerveux central sous forme d’influx nerveux. Ces influx nerveux sont donc les sensations. L’influx nerveux est ensuite codé sous forme de potentiels d’action et l’information est transmise à des régions spécialisées du cerveau. Selon le type de stimulation, les centres de traitement de cerveau diffèrent.

Le traitement de l’information sensitive commence par la transformation de l’énergie du stimulus en potentiels gradués puis en potentiels d’action dans les fibres nerveuses. Les récepteurs sensitifs, situés aux extrémités périphériques des neurones afférents, transforment certaines formes d’énergie en potentiels gradués qui peuvent engendrer des potentiels d’action gagnant le système nerveux central. L’énergie qui parvient à un récepteur sensitif et l’active est appelée stimulus. Le processus par lequel un stimulus est transformé pour pouvoir être analysé par le cerveau est appelé transduction de stimulus.

Schéma d’un récepteur sensitif La membrane sensitive qui répond à un stimulus se localise sur une terminaison réceptrice d’un neurone afférent. Les canaux ioniques de la membrane réceptrice initient la transduction du stimulus. Les neurones afférents acheminent l’information des tissus et organes de l’organisme vers le système nerveux central.

Il existe de nombreux types de récepteurs sensitifs, dont chacun répond plus facilement à une forme d’énergie qu’à une autre. Le mode d’énergie auquel répond un récepteur dans son fonctionnement normal est appelé stimulus adapté. La plupart des récepteurs sensitifs sont extrêmement sensibles à leur forme d’énergie spécifique. Cependant, pratiquement tous les récepteurs sensitifs peuvent être activés par des formes d’énergie différentes, à condition que l’intensité du stimulus soit suffisante. Quel que soit son mode de stimulation, un récepteur ne donne naissance qu’à une seule sensation. On distingue différentes classes de récepteurs en fonction du type d’énergie auquel ils sont sensibles. Les mécanorécepteurs répondent à des stimulus comme le toucher ou l’étirement, et ils procurent des informations sensitives comme le toucher, la pression artérielle ou la tension musculaire. Les thermorécepteurs détectent à la fois le froid et le chaud. Les nocicepteurs sont des terminaisons nerveuses spécialisées qui répondent à plusieurs stimulus douloureux, comme pour les brûlures et les lésions des tissus. Dans tout récepteur sensitif, le processus de transduction fait intervenir, l’ouverture ou la fermeture des canaux ioniques du récepteur. Les ions traversent alors la membrane et engendrent un potentiel de récepteur. La conversion des potentiels de récepteurs en potentiels d’action qui véhiculent une information sensitive vers le système nerveux central est appelée codage. Ce codage débute dans les neurones récepteurs du système nerveux périphérique. Un neurone afférent unique avec toutes ses terminaisons réceptrices constitue une unité sensitive. Le plus souvent, la terminaison périphérique d’un neurone afférent se divise en de nombreuses petites branches, chacune se terminant par un récepteur. La partie du corps qui, quand elle est stimulée, engendre une activité dans un neurone afférent est appelé champ récepteur de ce neurone. Les champs récepteurs de neurones adjacents se chevauchent, donc la stimulation d’un point unique active plusieurs unités sensitives, il n’existe donc presque pas d’activation d’une unité sensitive unique. Le nombre de chevauchements des champs récepteurs dépend de la partie du corps où l’on se trouve.

Schéma d’une unité sensitive

La localisation du stimulus est la partie de l’organisme où le stimulus a été appliqué.

La perception de la localisation du stimulus dépend de la taille du champ récepteur couvert par une unité sensitive unique et du chevauchement des champs récepteurs voisins. Les neurones des voies spécifiques ne véhiculent l’information vers des aires de réception primaires spécifiques du cortex cérébral que pour un seul type de stimulus.

La sensibilité de la peau, des muscles, des os, des tendons et des articulations est appelée sensibilité somatique. Ses récepteurs spécialisés sont appelés récepteurs somatiques. Certains répondent à la stimulation mécanique de la peau, des poils et des tissus, d’autres à des modifications chimiques ou thermiques. L’activation des récepteurs somatiques engendre les sensations de toucher, de pression, de chaud, de froid, de douleur. La stimulation de mécanorécepteurs cutanés engendre des sensations de toucher-pression, comme le déplacement des poils, la pression profonde, les vibrations et le toucher superficiel par exemple. Ces mécanorécepteurs sont des terminaisons nerveuses spécialisées. Les mécanorécepteurs cutanés s’adaptent à des vitesses différentes. Près de la moitié sont à adaptation rapide (c’est-à-dire qu’ils ne déchargent qu’aux modifications de stimulus) et les autres à adaptation lente. L’activation des premiers assure les sensations de toucher, de mouvement et de vibration, et celle des derniers la sensation de pression.

Certains récepteurs ont des champs récepteurs petits et bien définis et procurent une information précise sur les contours de l’objet au contact de la peau. Ces récepteurs se concentrent à la pointe des doigts. A l’inverse, d’autres récepteurs ont des champs récepteurs étendus, avec des limites floues, pouvant couvrir parfois tout un doigt, ou une surface importante de la paume. Ces récepteurs renseignent sur l’étirement de la peau et les mouvements articulaires. On trouve deux types de thermorécepteurs dans la peau, chacun répondant à un encadrement donné de températures. Les récepteurs au chaud répondent à des températures de 30 à 43°C, alors que les récepteurs au froid sont stimulés par de petites baisses thermiques. On ne sait pas comment la chaleur ou le froid agissent sur les terminaisons des neurones afférents thermosensibles pour engendrer des potentiels d’action.

Les récepteurs des stimulus de la douleur sont appelés nocicepteurs. Ils répondent à une déformation mécanique, à une chaleur excessive et à de nombreuses substances chimiques. Contrairement aux mécanorécepteurs, les nocicépteurs sont des terminaisons nerveuses libres dépourvues de toute spécialisation.

Schéma de différents récepteurs cutanés

A – Corpsule tactile (toucher léger)

B – Corpsule tactile (toucher)

C – Terminaisons nerveuses libres (douleur)

D- Corpsule lamellée (pression profonde)

E – Corpsule de Ruffin (chaleur)

Après leur entrée dans le système nerveux central, les fibres nerveuses afférentes provenant des récepteurs somatiques font synapse sur des neurones qui gagnent essentiellement le cortex somatosensitif via le tronc cérébral et le Thalamus. Ces voies sont organisées différemment dans la moelle épinière et dans l’encéphale. La voie autérolatérale fait sa première synapse entre le neurone récepteur sensitif et un deuxième neurone localisé dans la substance grise de la moelle. Ce deuxième neurone traverse la colonne autérolatérale de la moelle vers le thalamus où il fait synapse avec des neurones qui se projettent dans le cortex. La voie autérolatérale traite l’information douloureuse et thermique. La deuxième grande voie est la voie de la colonne dorsale. Les neurones récepteurs sensitifs se projettent vers le tronc cérébral où a lieu la première synapse. Comme dans l’autre voie, la deuxième synapse a lieu dans le thalamus d’où des projections sont émises vers le cortex somatosensitif. Les voies traversent la ligne médiane. Les neurones afférents passent de leur point d’entrée dans le système nerveux central vers le coté opposé soit dans la moelle épinière (système autérolatéral), soit dans le tronc cérébral (système de la colonne dorsale). Ainsi, la moitié gauche du corps est représentée sur l’hémisphère droit du cerveau et inversement.

Schéma des différentes voies nerveuses du système somatosensitif

Emplacement de cortex somatosensitif au niveau de cerveau

Localisation des voies nerveuses de la main dans le cortex somatosensitif

4. LA PROTHESE ET SES FONCTIONNALITES

 LA PROTHÈSE:

Une prothèse est une pièce artificielle remplaçant un organe ou un membre disparu, dans le cas du remplacement d’un membre tel que le bras ou la main, on parle de prothèses «externes» ou d’exo-prothèses. Il existe différents types de prothèses de la main: les prothèses électriques, les prothèses mécaniques et les prothèses purement esthétiques. Dans ce blog, nous nous concentrerons sur les prothèses électriques car ce sont les plus performantes. Les prothèses électriques peuvent aussi être réparties en deux groupes distincts: les prothèses myoélectriques et les prothèses neuronales aussi appelées prothèses bioniques qui sont encore au stade de développement.

LA PROTHÈSE MYOÉLECTRIQUE:

Myoélectrique est formé du grec «myo» qui veut dire muscle et de «électrique». Cette prothèse est souvent utilisée suite à des amputations de l’avant-bras. En effet, suite à une amputation, il reste toujours des parties de muscles originales dans le moignon. Chaque contraction de ces muscles est accompagnée par une petite tension électrique due aux messages nerveux à caractère électrique. Avec la prothèse myoélectrique, cette tension (entre 10 et 40 micro V) est récupérée par deux électrodes en métal posés sur la surface de la peau du moignon (généralement un au-dessus et un en-dessous de l’avant-bras),

 ÉLECTRODE

puis transformée en commande pour la main. Dans les modèles les moins développés 4 mouvements sont possibles; une contraction rapide d'un muscle permettra d'ouvrir la pince dite sensible (formée du pouce, de l'index et du majeur) tandis qu'une contraction lente permettra un mouvement de supination de la main,  la contraction rapide de l'autre muscle fermera la pince et une contraction lente du même muscle permettra un mouvement de pronation de la main.  Dans un modèle plus développé un microprocesseur envoie à son tour les informations soit à des moteurs placés dans la main qui en actionnant les articulations permettent le mouvement,

 

 

 

soit, dans le cas d’une main hydraulique, à une valve qui répartit ensuite l’eau dans les différentes chambres situées aux articulations pour donner un mouvement à celles-ci.

L’énergie nécessaire pour ces mouvements est fournie par une pile. En fonction de la prothèse myoélectrique utilisée, l’ampleur de l’activité musculaire a des conséquences sur la vitesse de fermeture et d'ouverture de la prothèse, en effet plus l’activité est grande, plus la vitesse de la prothèse est grande. Sur d’autres modèles, la vitesse est constante. Pour les bras myoélectriques, le mouvement du bras n’est pas toujours en accord avec ce que veut faire le porteur, par exemple il se peut que la commande : tourner le poignet pour une main humaine, provoque l’ouverture de la main pour le bras robotique. Ces prothèses sont fabriquées en majeure partie avec des plastiques résistants ou de la fibre de carbone, ceci permet une prothèse de poids acceptable. Comme la prothèse myoélectrique a des composantes électriques il faut la protéger des liquides et autres choses ayant la possibilité de nuire à son bon fonctionnement. Pour cela, il est recouvert d’un gant protecteur flexible fabriqué en plastique imperméable (silicone,latex). Ce gant permet non seulement de protéger la main artificielle, mais lui donne aussi une certaine adhérence nécessaire pour attraper les objets sans qu’ils glissent des mains, il peut aussi servir à donner un aspect plus esthétique à la prothèse. Par exemple avec le gant cosmétique de la société TOUCH BIONICS, on peine à faire la différence entre la prothèse et la vraie main.

 LAQUELLE EST UNE PROTHÈSE?

PROTHÈSE MYOÉLECTRIQUE

LA PROTHESE BIONIQUE/NEURONALE:

Les prothèses neuronales sont encore au stade de développement pour le moment, mais ils annoncent de réels progrès dans le monde prothétique. Ils se rapprochent un peu des mains myoélectriques mais sont beaucoup plus performants. Lorsque un membre est amputé, les nerfs qui le commandaient restent actifs, l’amputé a même l’impression de sentir sa main disparue, on parle de « bras fantôme ». Lorsque l’amputé fait réagir ces nerfs, le « bras fantôme » se met en action. Pour commander la prothèse neuronale, ces nerfs du membre amputé sont réimplantés sur d’autres muscles du corps (ex : partie supérieure du bras, pectoraux etc.…). Lorsque l’amputé bouge son « bras fantôme » les muscles sur lesquels ont été réimplantés les nerfs s’activent, comme pour la prothèse myoélectrique, l’activité électrique de ces muscles est recueillie par des électrodes (multiples) reliés à un ordinateur situé dans la main qui transforme ces messages électriques en mouvement de la prothèse grâce à des moteurs. Cependant il faut bien  régler ce microprocesseur pour qu’il envoie le bon signal au bon moteur. Les signaux musculaires associés à un mouvement sont identifiés et mis dans la mémoire de l’ordinateur, celle-ci est programmée pour mettre en route les moteurs correspondants aux différents signaux.

 

 

 

 

LIEN ENTRE CORPS ET PROTHÈSE:

Dans le cas d’une prothèse myoélectrique, la main artificielle est attachée au bras grâce à une emboîture dans laquelle rentre le moignon,

 chaque emboîture de prothèse est fabriqué sur mesure pour l'amputée, tout d'abord un négative du moignon est prise en plâtre, puis grâce a celle-ci un positive en plâtre sera fabriqué sur laquelle l'emboîture sera modélisé. L'emboîture et souvent prolongé jusqu'au coude pour que la prothèse tienne mieux sur le bras (s'accroche aux os du coude).

EMBOÎTURE SE PROLONGEANT AU COUDE

 POSITIVE EN PLÂTRE

  Pour une prothèse bionique, la prothèse est attachée au corps grâce à un harnais moulé reposant sur les épaules du porteur.(photo ci-dessous)

  FONCTIONNALITÉS DE LA PROTHÈSE:

MOBILITÉ :

La main humaine permet 22 degrés de liberté, pour le moment les prothèses les plus performantes sur le marché en permettent 7. La plus part des prothèses myo électriques à ce jour ne permettent que 4 mouvements de la main, ouverture et fermeture de la pince sensible, pronation de la main et supination de la main.  Ceci étant, certains prothèses myo-

électriques plus performantes permettent de faire plusieurs mouvement utiles dans la vie de tous les jours. (schéma)

SENSIBILITE:


Pour le moment, aucune prothèse sur le marché ne permet de renvoyer des informations au cerveau, en d’autres mots, d’avoir de la sensibilité, là aussi, les prothèses au stade de développement promettent de nettes améliorations. Par exemple sur un futur modèle de prothèse des renflements de l'extrémité des doigts permettront de détecter la pression, les vibrations et la température. Ces données seront ensuite transmises par radio aux électrodes, puis renvoyées par les nerfs vers le cerveau (voir photographie). Dans un autre modèle de prothèse des coussinets placés à l'extrémité des doigts seront reliés à des sortes de petits bâtonnets implantés dans le moignon. La fréquence de vibration des bâtonnets indiquera si la surface touchée est rêche ou lisse. La prothèse LUKEARM de la société DARPA aura un boîtier fixé sur la ceinture de l'amputé relié à la main. La fréquence de vibrations de ce boîtier permettra de connaître la force de la poigne.