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Le maître du rythme en biologie : comment le CPG détermine-t-il notre démarche et notre respiration ?
En biologie, les générateurs de motifs centraux (CPG) sont des circuits neuronaux capables de produire un transport rythmique de manière autonome, sans avoir besoin d'une entrée rythmique externe. Ils déterminent des comportements tels que notre démarche, notre respiration, notre nage et même notre mastication, jouant un rôle central dans le mouvement des organismes vivants. Le fonctionnement du CPG démontre non seulement l’adaptabilité biologique, mais fournit également à notre corps des moyens de s’adapter à des environnements changeants.
Les CPG se caractérisent par leur capacité à s'auto-organiser et à s'adapter de manière flexible en réponse à des stimuli externes.
Caractéristiques des neurones CPG
Les neurones CPG possèdent diverses propriétés membranaires intrinsèques, qui leur permettent de remplir différentes fonctions. Certains neurones subissent des explosions de potentiels d'action en l'absence de stimulation externe, tandis que d'autres présentent un rebond post-inhibiteur une fois l'inhibition supprimée. De plus, la fréquence d’activation des neurones CPG sous dépolarisation stable s’adaptera également, c’est-à-dire que la fréquence diminuera progressivement avec le temps.
Génération de rythme
Dans les réseaux CPG, il existe deux principaux types de mécanismes de génération de rythme : la génération de rythme pilotée par une horloge (pacemaker) et l'inhibition interactive (inhibition réciproque). Dans un réseau « piloté par une horloge », certains neurones agissent comme des oscillateurs centraux (stimulateurs cardiaques), poussant d'autres neurones non saturés à exécuter des schémas rythmiques. Dans un réseau « d'inhibition interactive », deux groupes de neurones s'inhibent mutuellement, formant des oscillateurs demi-centraux. Lorsque ces neurones sont connectés les uns aux autres, ils peuvent produire des schémas d'activité alternés.
Même isolés, ces neurones peuvent produire une sortie rythmique qui fournit une base physiologique à leurs demandes.
L'impact de la neuromodulation
La neuromodulation est essentielle au fonctionnement du CPG. Les organismes doivent adapter leur comportement aux changements de l'environnement interne et externe. L'ajustement du CPG peut modifier sa combinaison fonctionnelle et produire différents modes de sortie. Lorsque l’apport neuromodulateur est perdu, la génération de certains schémas de mouvement peut être complètement perdue. Par exemple, l’application de divers neuromodulateurs peut évoquer différents schémas de mouvement, ce qui démontre encore le rôle essentiel de la neuromodulation dans le mouvement adaptatif.
Le rôle du feedback sensoriel
Bien que le rythme et le modèle théorique prédéfinis du CPG soient générés de manière centralisée, le CPG peut également être ajusté en fonction du retour sensoriel. Cette information peut affecter l'ajustement global de la démarche. Par exemple, lors de la marche, s'il y a une pierre dans un pied, même si la sensation n'est présente que dans une certaine phase, cela affectera quand même l'ensemble de la démarche.
Les modifications des entrées sensorielles peuvent cibler différentes phases du modèle et conduire à l'apparition de phénomènes d'inversion des réflexes.
Fonctions multiples de CPG
Le CPG joue un rôle important dans de multiples fonctions, notamment dans le mouvement, la respiration et d'autres fonctions oscillatoires. Par exemple, dès 1911, des scientifiques ont découvert que la moelle épinière pouvait produire des schémas de démarche sans commandes du cerveau. Cette découverte a ensuite gagné un large soutien dans les habitudes de nage de divers organismes, notamment les vertébrés et certains invertébrés, tels que les requins.
Conclusion
Il ressort de ces études que le fonctionnement du CPG reflète non seulement la structure interne des organismes et le fonctionnement précis du système nerveux, mais implique également que la neuromodulation et le retour sensoriel introduisent l'adaptabilité comportementale des organismes. Avec les progrès de la science, comprendre comment les CPG affectent nos mouvements et notre respiration reste un sujet brûlant dans la recherche actuelle, ce qui nous amène à nous demander : comment les recherches futures changeront-elles notre compréhension et notre application des rythmes biologiques ?
