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# L'orientation saccadique du regard vers une cible : Etude de la contribution du cervelet médio-postérieur chez le chat en condition "tête libre"

Laurent Goffart

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Laurent Goffart. L'orientation saccadique du regard vers une cible: Etude de la contribution du cervelet médio-postérieur chez le chat en condition "tête libre". Neurosciences [q-bio.NC]. Université Claude Bernard Lyon 1, 1996. Français. NNT: . tel-04519772

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Submitted on 1 Apr 2024

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Thèse

présentée le

02 avril 1996

devant l'Université Claude BERNARD - LYON I

pour obtenir

le diplôme de Doctorat mention Neurosciences

par

Laurent GOFFART

L'orientation saccadique du regard vers une cible: Etude de la contribution du cervelet médio-postérieur chez le chat en condition "tête libre".

Jury: Pr. Wolfgang BECKER
Pr. Alain BERTHOZ
Pr. Jean-Marie COQUERY
Dr. Gabriel GAUTHIER (rapporteur)
Pr. Marc JEANNEROD
Dr. Denis PELISSON
Pr. André ROUCOUX (rapporteur)
UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LION 1

Président de l'Université M. le Professeur M. DECHAVANNE

1er Vice-Président Fédération Santé M. le Professeur J.DOURY

1er Vice-Président Fédération Sciences M. le Professeur Y. LEMOIGNE

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Je dédie ce travail à mes parents,
à mes grand-parents,
à leurs parents et leurs grand-parents,
à mon épouse,
à mes futurs enfants,
à leurs enfants et petits-enfants...
Remerciements

Je veux ici exprimer toute ma gratitude à Monsieur le Professeur Marc Jeannerod
pour la confiance qu'il m'a accordée en m'accueillant dans son laboratoire, les conseils
justes qu'il a su me donner et aussi pour avoir confié ma formation doctorale à Monsieur
le Docteur Denis Pélisson.

Je tiens en effet à exprimer toute ma gratitude et reconnaissance au Docteur Denis Pélisson pour l'immensité de ce qu'il m'a apporté pendant ces quatre inoubliables années. Sa rigueur scientifique et ses grandes qualités humaines ont guidé en permanence ma formation doctorale et ont abouti à ce travail, un travail dont je suis fier et que je veux partager avec lui.

Je veux remercier également:

Messieurs les Docteur Gabriel Gauthier et Professeur André Roucoux d'avoir
accepté la tâche d'être rapporteurs de ce travail, pour leur disponibilité et la grande valeur
de leur jugement critique.

Messieurs les Professeurs Wolfgang Becker, Alain Berthoz et Jean-Marie
Coquery de me faire l'honneur de juger ce travail. Je tiens à leur exprimer toute mon
admiration et ma reconnaissance. J'espère que tous les trois trouverons dans cette thèse
l'empreinte qu'ils ont marquée sur moi.

Monsieur le Professeur Jean-Marie Coquery pour m'avoir transmis une Question
et la Passion déchaînée de vouloir y répondre absolument. Il fait partie de Ceux qui ont
ouvert les portes de mon avenir.
Je profite de ces quelques lignes de liberté pour remercier Messieurs les Docteurs Jacques Honoré et Yves Rossetti pour leur jugement critique. Mes remerciements s'adressent également à tout le personnel de l'Unité 94 pour leur accueil, leur aide, leurs conseils et leur gentillesse.

Pour leur aide appréciable aux moments critiques, je tiens à remercier Noëlle Boyer-Zeller, Françoise Girardet, Alain Guillaume, Marie-Line Loyalle, Patrick Monjaud, Emmanuel Procyk, Claude Prablanc, Anne & Yves Rossetti, Michèle Soulier et Christian Urquizar.
# Résumé

L'orientation saccadique du regard vers une cible :
Etude de la contribution du cervelet médio-postérieur chez le chat en condition "tête libre"

Le déplacement saccadique du regard vers une cible visuelle nécessite une transformation appropriée des signaux rétiniens en signaux de commande motrice pour l'oeil et la tête. Parmi les structures nerveuses impliquées dans cette transformation, la partie caudale du noyau fastigial (NFc) constitue un territoire cérébelleux indispensable pour le contrôle de la précision des saccades oculaires. Toute lésion affectant cette région entraîne une dysmétrie saccadique. Selon certains auteurs, ce déficit serait la conséquence d'un défaut dans le contrôle de la cinématique du mouvement oculaire. Pour tester la généralisation de cette hypothèse aux déplacements du regard en condition "tête libre", nous avons inactivé pharmacologiquement cette structure et examiné les conséquences de cette perturbation sur les caractéristiques spatio-temporelles des mouvements d'orientation du regard vers une cible visuelle.

Après injection locale unilatérale de muscimol (0,3 µl, 1 µg/µl), les mouvements d'orientation ipsilatéraux sont hypermétriques tandis que les mouvements controlatéraux sont hypométriques. L'hypermétrie ipsilatérale résulte d'une erreur constante, c'est-à-dire que le regard s'oriente systématiquement vers une position qui est décalée par rapport à la position de la cible, quelles que soient la position de la cible et la position initiale du regard. Cette hypermétrie résulte d'une hypermétrie cumulée de la saccade oculaire et du déplacement de la tête. Un léger ralentissement de ces deux composantes est observé pour les plus grandes amplitudes. Une réduction de la latence caractérise également ces déplacements ipsilatéraux. En ce qui concerne les déplacements controlatéraux, l'erreur finale du regard augmente proportionnellement avec l'excentricité de la cible. A nouveau, cette hypométrie controlatérale affecte à la fois l'oeil et la tête. Par contre, elle n'est accompagnée d'aucun changement au niveau des propriétés cinématiques. Une augmentation de la latence de ces mouvements est observée. Cette modification dans le déclenchement des saccades est telle qu'une hypométrie plus grande est observée pour les mouvements de latence plus longue.

Grâce à certaines injections contrôles, nous avons par ailleurs pu montrer que les déficits observés sont spécifiques d'une inactivation de la région caudale du NF. En particulier, l'injection de muscimol 2 mm en avant entraîne une dysmétrie du regard tout à fait différente. L'hypermétrie ipsilatérale est non seulement moins importante mais elle se caractérise aussi par une erreur qui augmente avec l'excentricité de la cible. Cette dysmétrie résulte exclusivement d'une réponse hypermétrique de l'oeil, ce qui se traduit par un net changement dans la contribution de la tête au déplacement du regard. Un tel changement est observé pour les déplacements controlatéraux bien que la tête soit aussi hypométrique.

Ces résultats indiquent que la fonction du NFc ne se limite pas au seul contrôle des mouvements oculaires mais s'étend au cadre plus général de l'orientation du regard. Dans le cadre des déplacements ipsilatéraux, le NFc participerait principalement à la spécification des paramètres spatiaux du but pour l'orientation du regard et de la tête mais aussi au contrôle de leur cinématique en contribuant au freinage du mouvement. Dans le cadre des déplacements controlatéraux, le NFc influencerait les étapes de traitement au cours desquelles les processus qui conduisent à l'initiation du mouvement entrent en interaction avec ceux qui en déterminent les paramètres spatiaux. Ces fonctions sont discutées à la lumière des structures cibles du NFc. Enfin, nos résultats suggèrent une distinction anatomo-fonctionnelle au niveau du noyau fastigial. La partie caudale influencerait des étapes où le regard est codé tandis que la partie rostrale interviendrait davantage à un niveau où les signaux de commande oculaire et céphalique sont dissociés
# PLAN

## Introduction générale

### Le générateur saccadique du tronc cérébral

I. Les motoneurones oculaires

II. Les neurones prémoteurs phasiques

1. Les neurones excitateurs phasiques

2. Les neurones inhibiteurs phasiques

III. Les neurones toniques

IV. Les neurones omnipauses

V. Conclusions

## La coordination oculo-céphalique

I. Le système réticulo-spinal médian

II. Le système vestibulo-spinal médian

III. Interactions réticulo-vestibulaires

1. Les voies vestibulo-réticulaires

2. Les voies réticulo-vestibulaires

## Contrôle colliculaire des déplacements du regard

I. Rôle dans les processus préparatoires du mouvement d'orientation

1. Contribution au déclenchement des saccades

1.1. Pause des cellules de fixation (zone rostrale)

1.2. Activation des cellules d'orientation

2. Contribution aux processus de spécification spatiale du mouvement

II. Contribution au contrôle de la cinématique des déplacements du regard

1. Codage de la vitesse instantanée du regard

2. Codage de l'erreur motrice dynamique

3. Contrôle dynamique du couplage oculo-céphalique

## Contribution du cervelet médio-postérieur au contrôle de l'orientation saccadique du regard

I. Présentation générale du cervelet
1. Le cortex cérébelleux

2. Les noyaux cérébelleux profonds

## II. Contrôle des saccades oculaires

1. Etudes lésionnelles

1.1. Mouvements oculaires spontanés

1.1.1. Lésions du cortex cérébelleux

1.1.2. Lésions des structures profondes

1.2. La dysmétrie des saccades oculaires

1.2.1. Les oscillations carrées

1.2.2. Influence de la position de l'oeil dans l'orbite p 41

1.2.3. Influence de la direction de la saccade

1.3. Cinématique des saccades

1.4. Orientation du regard en condition "tête libre"

1.5. Conclusions

2. Etudes de microstimulation électrique

2.1. Microstimulation du cortex cérébelleux

2.1.1. Mouvements évoqués

2.1.2. Expériences de perturbation transitoire

2.2. Microstimulation du noyau fastigial

2.2.1. Mouvements évoqués

2.2.2. Expériences de perturbation transitoire

2.3. Conclusions

2.3.1. Mouvements évoqués

2.3.2. Expériences de perturbation transitoire

3. Etudes d'enregistrement électrophysiologique

3.1. Enregistrement du cortex cérébelleux

3.1.1. Activité sensorielle téléceptive

3.1.2. Activité proprioceptive

3.1.2.1. Proprioception extra-oculaire

3.1.2.1. Proprioception nuquale

3.1.3. Activité vestibulaire et de poursuite lente

3.1.3. Activité saccadique

3.1.3.1. Les cellules phasiques

3.1.3.2. Les cellules pauses

3.1.3.3. Les cellules phasiques-toniques
## 3.2. Enregistrement du noyau fastigial

### 3.2.1. Electrophysiologie du noyau fastigial rostral

### 3.2.2. Electrophysiologie du noyau fastigial caudal

#### 3.2.2.1. Activité visuelle

#### 3.2.2.2. Activité vestibulaire

#### 3.2.2.3. Activité saccadique

# IV Etudes anatomiques

1. Afférences du noyau fastigial caudal

2. Efférences du noyau fastigial caudal

# V. Modèles

1. Modèles d'inspiration robinsonienne

1.1. Modèle de Lance Optican

1.2. Modèle de Edward Keller

2. Le modèle neurophysiologique de Hiroharu Noda

3. Propriétés de ces modèles

# Méthodologie

## I. Techniques

1. Enregistrement des mouvements des yeux et de la tête

2. Dispositifs expérimentaux

3. Gestion de l'expérience et acquisition des données

4. Injection locale de muscimol

## II. Préparation expérimentale

1. Conditionnement des animaux et description de la tâche

2. Opération chirurgicale

2.1. Mise en place de la bobine sclérale

2.2. Mise en place d'une chambre d'enregistrement et d'un système d'immobilisation de la tête

2.3. Implantation d'électrodes de stimulation colliculaire

## III. Phase expérimentale

1. Repérage électrophysiologique

2. Enregistrements contrôles

3. Enregistrements après injection de muscimol

# IV. Analyse des données
# Résultats

## Inactivation du noyau fastigial caudal et précision spatiale des déplacements du regard

I. Observations préliminaires

II. Dysmétrie du regard

1. Description qualitative

1.1. Hypermétrie ipsilatérale

1.1.1. Effet de la position initiale horizontale du regard

1.1.2. Effet de la position initiale verticale du regard

1.1.3. Effet de l'excentricité de la cible

1.1.4. Effet de la rétroaction visuelle

1.2. Hypométrie controlatérale

1.2.1. Effets de la position initiale du regard et de la cible

1.2.2. Effet de la rétroaction visuelle

2. Analyse quantitative

2.1. Description détaillée d'une injection

2.1.1. La relation métrique horizontale

2.1.2. Déplacements ipsilatéraux du regard (A)

2.1.3. Déplacements controlatéraux du regard (B)

2.2. Généralisation aux autres injections

2.3. Saccades de correction

2.3.1. Effet de la position de la cible par rapport au corps

2.3.2. Effet de la direction de la saccade par rapport à l'axe du corps

2.3.3. En résumé

3. Conclusions

III. Contribution de l'oeil et de la tête à la dysmétrie du regard

1. Dysmétrie oculaire

2. Dysmétrie de la tête

2.1. Position initiale de l'oeil dans l'orbite

2.2. Dysmétrie de la tête et erreur crâniocentrée

3. Contribution de la tête au déplacement du regard

4. Conclusion
# Inactivation du noyau fastigial caudal et cinématique des déplacements du regard

## I. Cinématique des mouvements d'orientation du regard

1. Relation amplitude-vitesse maximale

2. Relation amplitude-durée

3. Une injection particulièrement intéressante

4. Cinématique et relation métrique des mouvements ipsilatéraux

4.1. La phase de décélération

4.2. Amplitude de décélération et dysmétrie

## II. Cinématique des saccades oculaires

1. Relation amplitude-vitesse maximale

2. Relation amplitude-durée

3. Conclusion

## III. Cinématique des déplacements de la tête

## IV. Conclusion

# Inactivation du noyau fastigial caudal et déclenchement des déplacements du regard

## I. Latence des mouvements saccadiques du regard

## II. Latence et précision spatiale

1. Mise en évidence

2. Latence et gain des réponses controlatérales

3. Latence et erreur terminale des réponses controlatérales

## III. Couplage oculo-céphalique

## IV. Conclusion

# Capacités de correction aux perturbations après inactivation du noyau fastigial caudal: Résultats préliminaires

## I. Perturbations appliquées pendant le temps de réaction

1. Positions finales du regard

2. La relation métrique horizontale

3. Effet du retard introduit par la perturbation

## II. Perturbations appliquées pendant le déplacement

1. Positions finales du regard

2. La relation métrique horizontale
### III. Conclusion

## Remarques sur quelques injections contrôles

I. Injections trop profondes

II. Injections trop superficielles

III. Injections trop latérales

IV. Injection de solution saline

V. Injections rostrales

1. Dysmétrie du regard

2. Contribution de la tête au déplacement du regard

3. Dysmétrie oculaire

4. Conclusion

## Discussion

I. Contribution du noyau fastigial caudal au contrôle de la précision spatiale des mouvements d'orientation

1. Contrôle de la précision des déplacements ipsilatéraux

2. Contrôle de la précision des déplacements contralatéraux

II. Contribution du noyau fastigial caudal au contrôle de la cinématique des mouvements d'orientation

1. Contrôle de la cinématique des déplacements contralatéraux

2. Contrôle de la cinématique des déplacements ipsilatéraux

III. Contribution du noyau fastigial caudal au déclenchement des mouvements d'orientation

1. Contribution au déclenchement des déplacements ipsilatéraux

2. Contribution au déclenchement des déplacements contralatéraux

IV. Lésion du noyau fastigial caudal et syndrome de Wallenberg

## Conclusion générale et perspectives

## Références bibliographiques
Introduction générale

Le comportement d'orientation du regard constitue une conduite adaptative fondamentale. Grâce à ce formidable processus d'échantillonnage, l'animal peut explorer activement son milieu et s'en construire des représentations internes qui servent de cadre spatial à l'expérience sensorimotrice ultérieure. Parallèlement à cette fonction cognitive, l'orientation du regard contribue également, dans le cadre de l'action présente, non seulement à la localisation des objets mais aussi à leur identification. La précision de tels mouvements apparaît ainsi comme une condition déterminante pour l'adaptation de l'organisme à son environnement.

Un grand nombre de structures participe à l'implémentation neuronale de la fonction d'orientation. Parmi elles, les territoires médio-postérieurs du cervelet jouent un rôle primordial car leur lésion entraîne un déficit durable dans la précision des saccades oculaires. L'objet de notre thèse est de déterminer la contribution de ces régions cérébelleuses à l'orientation du regard lorsque celle-ci met en jeu un déplacement combiné des yeux et de la tête. Cette contribution est étudiée en examinant chez le chat, les conséquences de sa suppression sur les caractéristiques spatiales et temporelles des mouvements d'orientation du regard. Une telle perturbation fonctionnelle est réalisée par l'injection d'une substance pharmacologique inactivatrice au niveau de la région qui est à l'origine des influences cérébelleuses sur les centres prémoteurs oculaires et céphaliques. Aussi, avant de présenter les résultats que nous avons acquis par cette approche, nous rappellerons, au cours du chapitre introductif, l'ensemble des principaux mécanismes neuronaux qui assurent le déplacement saccadique des yeux et la synergie oculo-céphalique. Ces processus prémoteurs une fois définis, nous décrirons les hypothèses actuelles sur la contribution du colliculus profond au contrôle de l'orientation saccadique du regard, avant de passer en revue les données actuelles sur la neurophysiologie du cervelet.
# Le Générateur Saccadique du Tronc Cérébral

Les mouvements saccadiques oculaires sont assurés par la mise en œuvre des six muscles extra-oculaires. Ceux-ci constituent trois paires ayant chacune une direction d'action spécifique. Les déplacements horizontaux de l'axe visuel sont assurés par les muscles droits interne et externe.

Dans le cadre des déplacements saccadiques de l'œil, on distingue deux composantes dans la force qui est développée au niveau du couple de muscles agoniste-antagoniste. Une impulsion de force (composante phasique) doit d'abord être générée pour vaincre les forces visqueuses dues aux frottements qui ont lieu dans les muscles et entre le globe oculaire et les tissus tapissant la cavité orbitale. Pour maintenir l'œil dans une position finale stable, le muscle agoniste doit également développer une force (composante tonique) qui s'oppose à la force élastique passive développée par le muscle antagoniste. A partir d'une certaine amplitude, l'augmentation de l'amplitude saccadique ne résulte plus d'une augmentation de l'amplitude de l'impulsion mais plutôt d'une augmentation de sa durée (Robinson, 1964). Ce fonctionnement biomécanique relativement simple a permis de découvrir assez rapidement la nature des signaux électrophysiologiques qui sont mis en jeu au niveau des motoneurones et des neurones pré-oculomoteurs pendant la préparation et l'exécution d'une saccade.

## I. Les motoneurones oculaires

Lors des périodes de fixation, les motoneurones oculaires (MNO) qui innervent les muscles extra-oculaires manifestent une décharge spontanée soutenue dont la fréquence est corrélée avec la position de l'œil dans l'orbite. Cette décharge tonique qui augmente lorsque l'œil est dévié dans la direction d'action du muscle innervé (direction "ON"), correspond à une véritable commande motrice de position. Elle ne résulte pas des propriétés membranaires des MNO mais provient des afférences motoneuronales (Barmack, 1974). Lorsque l'œil ne bouge pas (condition statique), la fréquence de décharge des motoneurones est décrite par l'équation (Robinson, 1970):

$$F = F_0 + k.\theta \quad (1)$$

Cette équation est équivalente à:

$$F = k.(\theta - \theta_0) \text{ avec } F_0 = -k.\theta_0$$
où F est la fréquence de décharge du motoneurone, $F_0$ la fréquence de décharge lorsque les yeux sont centrés dans l'orbite, $\theta$ la position oculaire, $\theta_0$ le seuil de position oculaire à partir duquel le neurone commence à décharger, et k la sensibilité du motoneurone à la position oculaire.

Le déplacement de l'œil (condition dynamique) résulte d'une activité motoneuronale dont l'intensité est liée à la fois à la position et à la vitesse de l'œil. Lors de la saccade oculaire, une courte bouffée d'activité est produite au niveau des motoneurones qui innervent les muscles agonistes. Cette bouffée saccadique précède de 8 à 13 ms le début du mouvement (Delgado-Garcia et al., 1986a; de la Cruz et al., 1989). Cette impulsion, dont la fréquence de décharge est proportionnelle à la vitesse de la saccade, vient s'ajouter à la décharge tonique motoneuronale (signal de position) et générer au niveau musculaire, la force qui est nécessaire pour vaincre les propriétés visco-élastiques des muscles et du tissu orbitaire. Chez le singe, la fréquence maximale de décharge des motoneurones peut atteindre la fréquence impressionnante de 800 potentiels d'action par seconde (Fuchs et al., 1985). L'amplitude de la saccade est contrôlée par le nombre de potentiels d'action. En effet, la durée de l'impulsion est égale à la durée de la saccade. La décharge motoneuronale est alors décrite par l'équation (1) à laquelle est ajouté un argument proportionnel à la vitesse de l'œil ($d\theta/dt$):

$$F = F_0 + k \cdot \theta + r \cdot \frac{d\theta}{dt} \quad (2)$$

Le nouvel argument $r \cdot \frac{d\theta}{dt}$ décrit l'impulsion nécessaire pour déplacer l'œil, r correspondant à la sensibilité à la vitesse du motoneurone. Les paramètres k, r et $F_0$ sont des constantes spécifiques pour chaque motoneurone (Delgado-Garcia et al., 1986a, 1986b; de la Cruz et al., 1989; Berthoz et al., 1989).

Une saccade horizontale met en jeu la contraction des muscles droit externe ipsilatéral et droit interne controlatéral ainsi que le relâchement des muscles droit interne ipsilatéral et droit externe controlatéral. Les motoneurones du muscle droit externe sont situés au niveau du noyau *abducens*, ceux du muscle droit interne sont situés au niveau du noyau oculomoteur. Ces deux populations possèdent des caractéristiques de décharge (latence par rapport au début de la saccade, sensibilité à la position oculaire k, sensibilité à la vitesse r, seuil d'activation $\theta_0$, fréquence de décharge en position centrale $F_0$) très similaires (Delgado-Garcia et al., 1986a,b; de la Cruz et al., 1989). D'autre part, le seuil $\theta_0$ à partir duquel les motoneurones des muscles droit interne (de -10,7 à -1,8 degrés chez le chat) et externe (de -17 à 7 degrés) commencent à
décharger indique que la plupart des MNO sont actifs au cours de toutes les périodes de fixation.
La fréquence tonique de décharge associée à une position oculaire donnée est cependant
affectée par la direction de la saccade précédente: elle est plus importante lorsque la fixation
suit une saccade de direction "ON". Cette hystérésis est opposée à celle qui est observée au
niveau du muscle. En effet, le muscle développe une tension plus importante lorsqu'il est étiré
que lorsqu'il est contracté. Ainsi, l'hystérésis motoneuronale compenserait l'hystérésis
mécanique des muscles extra-oculaires (de la Cruz et al., 1989).

Ce motif de décharge phasique-tonique qui caractérise les motoneurones extra-oculaires n'est pas influencé par les afférences proprioceptives. En effet, l'activation des fibres proprioceptives par un déplacement passif du globe oculaire n'influence pas la décharge des MNO (Keller et Robinson, 1971). L'activité motoneuronale est entretenue par des afférences prémotrices distinctes fournissant séparément des signaux toniques et phasiques (Fuchs et al., 1985). Le signal de vitesse (r.dθ/dt) résulterait de l'activation de neurones phasiques tandis que le signal de position (k.θ) serait généré par une autre catégorie de neurones: les neurones toniques.

II. Les neurones prémoteurs phasiques

Les études de lésion et de stimulation électrique chez le singe ont permis de définir la
formation réticulée pontique paramédiane (FRpp) comme le territoire susceptible de contenir
ces neurones phasiques. En effet, la lésion de cette région abolit définitivement la possibilité de
réaliser des saccades ipsilatérales (Goebel et al., 1971; Henn et al., 1984). D'autre part, la
microstimulation électrique de cette région induit des mouvements oculaires conjugués
ipsilatéraux dont la vitesse dépend de la fréquence de stimulation (Cohen et Komatsuzaki,
1972). Par ailleurs, puisque l'amplitude et la vitesse des mouvements évoqués ne dépendent pas
de la position initiale de l'œil dans l'orbite, la région stimulée est probablement à l'origine du
signal phasique r.dθ/dt de l'équation (2).

Les études d'enregistrement électrophysiologique ont montré que la décharge des
neurones phasiques ne dépend que de l'amplitude de la saccade oculaire, indépendamment des
positions initiale et finale de l'œil (Fuchs et al., 1985). Ces cellules déchargent une bouffée qui
précède le changement d'activité des motoneurones d'environ 2 à 5 ms et le début des saccades
## Introduction : le générateur saccadique

ipsilatérales de quelques 8 à 15 ms (Strassman et al., 1986a,b). Lors des périodes intersaccadiques (fixation ou mouvement lent), ces neurones sont silencieux.

Il existe deux types fonctionnels de neurones phasiques qui projettent sur les neurones des noyaux *abducens*: les neurones excitateurs et les neurones inhibiteurs (Highstein et al., 1976; Hikosaka et Kawakami, 1977; Hikosaka et al., 1978; Igusa et al., 1980; Shimazu, 1983).

### 1. Les neurones excitateurs phasiques

Les neurones excitateurs phasiques (NEP) sont situés au niveau du noyau *reticularis pontis caudalis* de la formation réticulée pontique paramédiane (NRPC), immédiatement en avant du noyau *abducens*. Ils se caractérisent par une projection monosynaptique excitatrice sur les motoneurones du noyau *abducens* ipsilatéral (Igusa et al., 1980). Ils sont en partie responsables de la bouffée d'activité des motoneurones agonistes, c'est-à-dire des motoneurones *abducens* qui activent le muscle droit externe ipsilatéral, et via les neurones internucléaires du noyau *abducens* (responsables de la contraction du muscle droit interne controlatéral) des motoneurones du noyau oculomoteur (figure I-1). Totalement silencieux lors des périodes intersaccadiques, ces neurones déchargent une bouffée de potentiels d'action quelques 10 à 15 ms avant le début de la saccade ipsilatérale. Escudero et Delgado-Garcia (1988) ont occasionnellement observé, au niveau de certains NEP, une petite bouffée tardive lors des saccades controlatérales (voir aussi Kaneko et al., 1981; Van Gisbergen et al., 1981; Strassman et al., 1986a).

Par une technique d'injection intra-axonale de peroxidase de raifort (HRP), Strassman et al. (1986a) montrent que chez le singe, les NEP projettent également sur une région de la formation réticulée pontobulbaire ipsilatérale (ventrale et caudale au noyau *abducens*) où sont regroupés les neurones inhibiteurs phasiques. Des connexions massives avec les neurones du noyau *prepositus hypoglossi* (NPH) ipsilatéral et la partie médiane du noyau vestibulaire médian (NVM) ipsilatéral sont également rapportées. La limite caudale des projections s'arrête au niveau du bord caudal du NPH (Strassman et al., 1986a). Ces neurones ne projettent donc pas sur les motoneurones innervant les muscles du cou. Ces projections sur le noyau *abducens*, le NPH et le NVM ont également été mises en évidence chez le chat par les
techniques électrophysiologique (Sasaki et Shimazu, 1981) et anatomique (marquage par transport antérograde: Graybiel, 1977).

Comme pour les motoneurones, la durée de la bouffée des NEP enregistrée lors des saccades ipsilatérales est linéairement liée à la durée de la saccade (singe: Strassman et al., 1986a). De plus, chez la plupart des NEP, le nombre de potentiels d'action dans la bouffée dépend de l'amplitude de la saccade. Enfin, la fréquence de décharge instantanée est corrélée avec la vitesse instantanée de l'œil, mais avec une corrélation moins forte que celle qui lie le nombre de potentiels d'action à l'amplitude.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure I-1
L'appareil oculomoteur</figcaption></figure>

Chez le chat, Kaneko et al. (1981) trouvent que la durée de la décharge de neurones phasiques probablement excitateurs (neurones identifiés sur la base de critères uniquement anatomiques) est beaucoup moins bien corrélée avec la durée de la saccade (coefficients de corrélation compris entre 0,07 et 0,78) que ne l'est le nombre de potentiels d'action avec la taille de la saccade (coefficients de corrélation compris entre 0,26 et 0.90). D'autre part, la durée de la bouffée saccadique est en moyenne deux fois plus courte que la
durée de la saccade (pente des relations liant la durée de la bouffée à celle de la saccade moyenne=0,45 ± 0,22; gamme=0,05 à 0,92). Ainsi, certains neurones ont une décharge dont la durée est très largement inférieure à la durée de la saccade. Un recrutement plus tardif de ces neurones par rapport aux autres pourrait expliquer ce résultat. La dispersion observée au niveau des pentes témoignerait alors du recrutement progressif de la population des NEP pour la production d'une saccade: les neurones déchargeant une courte bouffée (pente faible) se manifesteraient plus tard tandis que ceux qui déchargent une bouffée plus longue (pente quasi-unitaire) s'activeraient plus tôt. L'observation d'une corrélation positive entre la durée de la bouffée d'une part et sa latence par rapport au début de la saccade d'autre part, est compatible avec cette hypothèse. Elle suggère que la durée de la bouffée est d'autant plus longue que la bouffée commence plus tôt par rapport au début de la saccade. Si les neurones enregistrés par Kaneko et al. (1981) représentent effectivement des neurones phasiques qui vont activer les motoneurones du noyau abducens, alors il apparaît que certains NEP présentent une décharge tardive lors des saccades ipsilatérales. Il serait extrêmement intéressant d'étudier la relation entre cette distribution temporelle des NEP actifs et les paramètres métriques de la saccade. Une telle étude est fondamentale car elle est susceptible de mettre en évidence chez le chat, un codage topographique de l'erreur motrice (amplitude qui reste à parcourir pour atteindre la cible) au niveau des NEP.

## 2. Les neurones inhibiteurs phasiques

L'autre catégorie de neurones phasiques est représentée par les neurones phasiques inhibiteurs (NIP). Ces neurones sont regroupés au niveau des noyaux paragigantocellularis pars dorsalis et gigantocellularis de la formation réticulée bulbaire dorso-médiane, situés ventro-caudalement par rapport au noyau abducens. Par leur action inhibitrice sur les motoneurones et les neurones internucléaires du noyau abducens controlatéral (Hikosaka et al., 1978; 1980), ces NIP participent, entre autres, aux processus qui assurent le relâchement des muscles antagonistes lors des saccades ipsilatérales. La bouffée des NIP, dont la fréquence instantanée est étroitement liée à la vitesse horizontale instantanée, précède de quelques 7,1 ± 2 ms (gamme: 4-14ms) le début des saccades ipsilatérales (Yoshida et al., 1982). Lors des périodes de fixation, les NIP sont relativement silencieux.
## Introduction : le générateur saccadique

Par l'injection intra-axonale de HRP, Yoshida et al. (1982) montrent que l'axone des NIP croise la ligne médiane avant de s'arboriser du côté controlatéral et se projeter de façon extensive au niveau du noyau *abducens*. Des collatérales d'axone se dirigent vers le NPH, le NVM et la région controlatérale des NIP. Le fait que la limite caudale des projections des NIP s'arrête au niveau du bord caudal du NPH (singe: Strassman et al., 1986b) indique que ces neurones ne projettent pas sur les motoneurones des muscles du cou.

La microstimulation électrique de la région des NIP interrompt les saccades controlatérales mais ne perturbe pas les saccades ipsilatérales (Kaneko et Fuchs, 1981). Cette interruption résulte très probablement de l'inhibition exercée par les NIP sur les motoneurones et les neurones internucléaires du noyau *abducens* controlatéral (Hikosaka et al., 1978; 1980).

La durée de la bouffée saccadique des NIP est proportionnelle à la durée de la composante horizontale de la saccade (Yoshida et al., 1982; Strassman et al., 1986b). Yoshida et al. (1982) montrent que la relation entre la durée moyenne de la bouffée (y) et la durée moyenne de la saccade (x) est décrite par l'équation $y = 1,01x + 0,4$. Toutefois, il est intéressant de noter que si les valeurs de pente de cette relation (gamme: 0,8 et 1,16) semblent suivre une distribution unimodale centrée sur une valeur moyenne de 1,01, les valeurs d'ordonnée à l'origine se regroupent selon une distribution bimodale. Les auteurs distinguent donc deux populations (A et B) de NIP selon les équations suivantes:

$y = 1,01x + 15$ pour la population A et

$y = 1,01x - 20$ pour la population B.

Autrement dit, pour $x=0$ (durée théorique nulle), les neurones de la population A déchargeraient une bouffée haute-fréquence pendant 15 ms en moyenne. Or nous avons vu que les NIP ne sont pas actifs lors des périodes de fixation (Escudero et Delgado-Garcia, 1988). Tout au plus, quelques potentiels d'action peuvent apparaître (figure 6A de Yoshida et al., 1982). Il est possible qu'une puissante activité inhibitrice vienne empêcher l'apparition de cette activité lors des périodes de fixation. L'inhibition des NIP par les neurones omnipauses (voir plus loin) pourrait jouer ce rôle. Cette classification bimodale est confortée par les caractéristiques de décharge lors des saccades controlatérales. En effet, les neurones de la population A se distinguent aussi des neurones de la population B par le fait qu'ils déchargent généralement une bouffée de potentiels d'action lors de ces saccades (Yoshida et al., 1982). Cette bouffée "controlatérale" est une bouffée tardive car elle suit le début de la saccade d'environ $12 \pm 4$ ms (maximum de 20 ms).
## Introduction : le générateur saccadique

Strassman et al. (1986b) observent également une ordonnée à l'origine dans la relation entre le nombre de potentiels d'action et l'amplitude de la saccade. Pour une saccade d'amplitude horizontale nulle, les NIP déchargent une bouffée de 10 potentiels d'action (figure 3 de Strassman et al., 1986b). Cette valeur d'ordonnée à l'origine représente l'activité neuronale observée pour les saccades de direction perpendiculaire à leur direction préférée (direction "ON"). Il est important de savoir si ces valeurs d'ordonnée à l'origine résultent d'un problème d'échantillonnage (par inclusion de saccades qui présentent une composante verticale) ou si elles caractérisent réellement leur décharge. Strassman et al. (1986a,b) constatent également que pour les deux types de neurones phasiques (excitateurs et inhibiteurs), le nombre de potentiels d'action est davantage corrélé avec l'amplitude de la saccade que la fréquence instantanée à la vitesse instantanée de l'œil. De plus, la durée de la bouffée est fortement corrélée avec la durée de la saccade pour ces deux catégories de neurones. Chez le chat, Kaneko et Fuchs (1981) trouvent des différences de décharge entre les NIP et les NEP. D'une part, par rapport à la durée de la saccade, la durée de la décharge est plus longue pour les NIP que pour les NEP. D'autre part, la corrélation entre ces deux paramètres est moins évidente pour les NEP que pour les NIP. Ces différences ne sont pas observées par Strassman et al. (1986a,b).

### III. Les neurones toniques

En ce qui concerne la sensibilité à la position oculaire des motoneurones extra-oculaires, elle résulterait d'un processus qualifié d'intégration neuronale (Robinson, 1975). Cette opération est réalisée par un réseau de neurones dont la fonction consisterait à effectuer une intégration (au sens mathématique du terme) de l'activité des neurones phasiques et/ou de l'activité issue des structures vestibulaires pour générer un signal de position oculaire. Ainsi, dans le cadre des saccades oculaires, une copie des signaux phasiques de déplacement envoyés sur les motoneurones serait adressée à cet "intégrateur" neuronal pour qu'il génère une activité tonique qui code la position oculaire. Ce signal permettrait alors aux motoneurones de maintenir un taux de décharge constant capable de maintenir l'œil dans une position excentrée dans l'orbite. De la même manière, lors du réflexe vestibulo-oculaire, la production du mouvement lent compensatoire de l'œil, opposé au déplacement de la tête, nécessite que les signaux de vitesse transmis par le système vestibulaire subissent également une telle intégration.
## Introduction : le générateur saccadique

Dans le cadre des mouvements (saccades et réflexe vestibulo-oculaire) effectués dans le plan horizontal, le noyau *prepositus hypoglossi* et le noyau vestibulaire médian jouent un rôle important dans ce processus d'intégration (Chéron et Godaux, 1987; Cannon et Robinson, 1987). Leur contribution à l'élaboration des signaux de position oculaire enregistrés au niveau des motoneurones *abducens* est maintenant bien reconnue (Escudero et al., 1992; McFarland et Fuchs, 1992). En effet, la lésion de ces deux structures adjacentes entraîne un déficit sévère dans le maintien de l'œil en position excentrée dans l'orbite (chat: Chéron et Godaux, 1987; Godaux et al., 1993; Mettens et al., 1994; singe: Cannon et Robinson, 1987): au terme de chaque saccade centrifuge, l'œil revient systématiquement vers une position horizontale appelée *position stable du regard* (Kaneko et Fuchs, 1991). Cette dérive centripète de l'œil est caractérisée par un décours temporel de forme exponentielle: sa constante de temps est de 0,6 ± 0,1 seconde après inactivation du NPH par injection locale de muscimol. Après injection au niveau de la région centrale du NVM, la constante de temps minimale obtenue est de 0,3 ± 0,1 seconde (Mettens et al., 1994). En théorie, une constante de temps de 0,16 seconde correspond à une perte totale de l'intégrateur (Goldberg, 1980, cité par Chéron et Godaux, 1987). Il est par ailleurs intéressant de constater que la position stable vers laquelle dérive l'œil n'est pas la même selon que l'injection affecte le NPH ou le NVM. Après injection de muscimol au niveau du NPH, l'œil dérive vers une position qui correspond approximativement à la position *droit-devant-dans-l'orbite* tandis que, pour une injection effectuée au niveau de la région centrale du NVM, la position stable est une position où l'œil est dévié vers le côté de l'injection. Un biais horizontal de plus de 7 degrés vers le côté injecté a pu être observé (Mettens et al., 1994).

Les neurones qui projettent sur les noyaux *abducens* sont regroupés au niveau de la partie rostrale du NPH. Ceux qui projettent sur le noyau *abducens* ipsilatéral sont excitateurs tandis que ceux qui projettent sur le noyau *abducens* contralatéral sont inhibiteurs (Escudero et al., 1992). Ces neurones ne déchargent aucune bouffée de potentiels d'action lors des saccades. Leur décharge peut être caractérisée par une équation du même type que celle qui caractérise les motoneurones en condition statique (voir équation (1)) et ainsi, être qualifiée de tonique. La sensibilité à la position oculaire des neurones excitateurs (k=8,2 ± 2,9 potentiels d'action par seconde par degré: Escudero et al., 1992) ou des neurones inhibiteurs (k=7,9 ± 2,9: Escudero et al., 1992; k=7,3 ± 2,7: Delgado-Garcia et al., 1989) est remarquablement très proche de celle qui caractérise les motoneurones *abducens* enregistrés par Delgado-Garcia et al. (1986a; k=8,7 ± 2,5, n= 40) ou Godaux et Chéron (1993; k=7,5 ± 3,2, n= 31). Escudero et al. (1992) proposent
## Introduction : le générateur saccadique

donc que la région rostrale du NPH soit à l'origine du signal de position oculaire enregistré au niveau des motoneurones *abducens* (voir paragraphe I).

En ce qui concerne la fréquence $F_0$ de décharge (lorsque l'œil est centré dans l'orbite), elle est d'environ 7,5 ± 2,1 potentiels d'action par seconde (pa/s) pour les neurones exciteurs du NPH rostral tandis que, pour les neurones inhibiteurs, elle est égale à -6,0 ± 1,5 pa/s (Escudero et al., 1992). Autrement dit, les neurones inhibiteurs sont silencieux lorsque l'œil est centré dans l'orbite. La valeur $F_0$ obtenue pour les motoneurones de l'abducens est beaucoup plus importante: de l'ordre de 22,7 ± 4 pa/s (Delgado-Garcia et al., 1986). Une telle décharge motoneuronale $F_0$ peut résulter:

i) d'une convergence des neurones du NPH sur les neurones du noyau abducens ou

ii) d'une influence en provenance d'autres structures que la seule région rostrale du NPH.

Les modifications minimes de la *position stable du regard* observées après inactivation pharmacologique du NPH (Godaux et al., 1993; Mettens et al., 1994) suggèrent plutôt que le NPH ne contribue que très faiblement à la décharge $F_0$. Parmi les afférences susceptibles de contribuer à la décharge $F_0$ des motoneurones du noyau abducens, les cellules de la région rostrale du NVM représentent une influence non négligeable. En effet, ces neurones manifestent une importante activité neuronale lorsque l'œil est centré dans l'orbite ($F_0$ de l'ordre de 40-50 pa/s: Berthoz et al., 1989; Escudero et al., 1992). Une sensibilité à la position de l'œil dans l'orbite est également constatée chez ces cellules lors des mouvements oculaires spontanés.

Le changement de *position stable du regard* observé après injection de muscimol au niveau de la région centrale du NVM (déviation vers le côté ipsilatéral) indique que cette position résulte plutôt d'un équilibre bilatéral des activités neuronales réparties au niveau des noyaux vestibulaires médians. Le biais horizontal ipsilatéral consécutif de l'injection de muscimol correspond à une augmentation de l'activité des motoneurones du noyau abducens ipsilatéral et une baisse de l'activité des motoneurones du noyau abducens controlatéral. Ceci suggère que les neurones du NVM central exercent, comme les cellules du NVM rostral (Escudero et al., 1992), une influence (directe ou indirecte) excitatrice sur les motoneurones du noyau abducens controlatéral et inhibitrice sur ceux du noyau abducens ipsilatéral. Malheureusement, leur décharge en fonction de la position oculaire n'a pas encore été étudiée chez le chat. Une étude chez le singe montre que ces neurones ont une sensibilité comparable à celle des neurones du NPH (McFarland et Fuchs, 1992).
IV. Les neurones omnipauses

Keller (1974) propose que la durée de décharge des neurones phasiques est contrôlée
par un ensemble de neurones localisés plus tard au niveau du noyau raphé interposé pontique
(RIP): les neurones omnipauses (NOP). Ces neurones se caractérisent par une pause de leur
activité lors de chaque saccade oculaire, quelqu'en soit la direction. Dans le cadre des
déplacements du regard en condition "tête libre", la durée de la pause est davantage corrélée à
la durée du déplacement du regard qu'à la durée de la saccade oculaire dans l'orbite (Paré et
Guitton, 1990).

Les études anatomiques montrent que ces neurones projettent abondamment sur les
régions où sont regroupés les neurones phasiques excitateurs et inhibiteurs (technique de
marquage antérograde: Langer et Kaneko, 1983; marquage par injection intra-axonale de HRP:
Strassman et al., 1987; Ohgaki et al., 1987). Ils exercent sur les NEP (Curthoys et al., 1984) et
les NIP (Nakao et al., 1980; Furya et Markham, 1982) une puissante inhibition lors des périodes
de fixation et des mouvements oculaires lents. Leur décharge tonique intersaccadique (50-150
potentiels d'action par seconde) cesse quelques 15 à 35 ms avant le début de la saccade oculaire
(Evinger et al., 1977; 1982; Strassman et al., 1987). Cette pause qui dure tout le long de la
saccade entraîne la désinhibition des neurones phasiques, lesquels peuvent en conséquence
assurer l'exécution de la saccade. En effet, desinhibés, les NEP et NIP peuvent respectivement,
activer les motoneurones des muscles agonistes et inhiber les motoneurones antagonistes.

Van Gisbergen et al. (1981) ont proposé que l'interruption de la décharge des neurones omnipauses constitue le signal de déclenchement de la saccade. Sans cette pause, les saccades et les phases rapides du nystagmus vestibulaire ne peuvent pas apparaître. En effet, la microstimulation électrique de la région des neurones omnipauses empêche leur apparition pendant toute la durée de la stimulation (Keller, 1977; Evinger et al., 1982). Lorsqu'elle est appliquée lors de la saccade oculaire, la microstimulation électrique du noyau raphé interposé interrompt la saccade dirigée vers une cible visuelle. Cette interruption a une latence d'environ 26,3 ± 4,6 ms (Evinger et al., 1982) et une durée proportionnelle à la durée de la stimulation (Keller, 1977). Si la durée de stimulation n'excède pas 30 ms, l'interruption saccadique est immédiatement (délai nul) suivie d'une saccade de correction précise (voir aussi Keller et
## Introduction : le générateur saccadique

Edelman, 1994). Si la durée de stimulation dépasse 30 ms, la saccade de correction n'est produite qu'après une latence de plusieurs centaines de millisecondes (résultat chez le singe: Keller, 1977).

La pause de ces neurones résulterait d'une afférence inhibitrice dont l'origine exacte n'est pas encore établie. Fuchs et al. (1985) ont proposé que les NIP soient à l'origine de cette inhibition. Or une projection des NIP sur les NOP n'a jamais été rapportée par les études de traçage axonal (Yoshida et al., 1982; Strassman et al., 1986b) ni par les études électrophysiologiques (pas d'activation antidromique des NIP lors de la stimulation du noyau *raphe pontis*: Nakao et al., 1980). Il semble donc que l'influence inhibitrice hypothétique sur les NOP ne provienne pas des neurones inhibiteurs phasiques qui projettent sur le noyau *abducens*.

Il est possible que l'origine du signal inhibiteur se trouve au niveau des noyaux sérotoninergiques raphé médian ou raphé dorsal dont des projections sur le RIP ont été rapportées (Ito et al., 1984; Langer et Kaneko, 1990). En effet, Ashikawa et al. (1991) montrent que l'activité des NOP est complètement inhibée par l'injection iontophorétique de sérotonine au niveau du RIP. Cependant, la persistance, après injection locale de méthysergide (antagoniste 5-HT), d'une activité rythmique des NOP en relation avec le nystagmus vestibulooculaire, amène les auteurs à supposer l'existence d'un autre mécanisme responsable de la pause des NOP.

La pause d'activité enregistrée au niveau des NOP peut résulter aussi du retrait de certaines afférences excitatrices. Paré et Guitton (1994) suggèrent une influence activatrice importante de la région rostrale du colliculus supérieur sur le territoire contratéral des neurones omnipauses. Nous aborderons plus en détail ce point dans le chapitre consacré aux couches profondes du colliculus.

Par injection intra-cellulaire de HRP au niveau de neurones omnipauses identifiés, Ohgaki et al. (1987) ont pu mettre en évidence une projection de ceux-ci sur le noyau *gigantocellularis*. De même, Strassman et al. (1987) suggèrent qu'en plus d'une projection sur les NIP et NEP, les NOP projettent également sur les neurones réticulo-spinaux contrôlant les déplacements du regard (voir aussi Markham et al., 1992).
V. Conclusions

Sur la base des propriétés électrophysiologiques des neurones présentés ci-dessus,
Robinson (1975) a développé un modèle du contrôle de la saccade oculaire qui a
considérablement contribué au progrès de nos connaissances théoriques et neurophysiologiques
des mécanismes de l'orientation saccadique de l'œil. Ce modèle (figure I-2) peut être décrit
rapidement de la façon suivante.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure I-2</figcaption></figure>

Lorsque la décision d'exécuter une saccade est prise, la décharge tonique des neurones
omnipauses est inhibée de façon brève par un signal de déclenchement. Les cellules phasiques
ainsi desinhibées tombent alors sous l'influence d'un signal spécifiant les paramètres spatiaux
de la saccade: l'erreur motrice. L'erreur motrice est une représentation interne de l'écart entre la
position instantanée de l'œil et la position désirée. Une influence inhibitrice des neurones
phasiques inhibiteurs sur les neurones omnipauses maintient ces derniers silencieux tout au long
de la saccade. De cette manière, les neurones phasiques excitateurs peuvent activer les
motoneurones jusqu'à ce que l'erreur motrice devienne nulle. La décharge des neurones
phasiques est en effet contrôlée par le jeu d'une boucle de rétroaction qui vient corriger le signal
d'erreur motrice à mesure que l'axe visuel se rapproche de la cible. Lorsque le signal interne de
position oculaire (probablement fourni par les neurones toniques du NPH) est égal au signal de
position désirée, l'erreur motrice s'annule. Les neurones phasiques cessent alors de décharger,
libérant ainsi les NOP de l'inhibition à laquelle ils étaient soumis. La réactivation des neurones
omnipauses peut alors à nouveau inhiber les neurones phasiques et empêcher la production
intempestive de saccades jusqu'au prochain signal de déclenchement.

De récentes expériences remettent sérieusement en question la nature de la contribution
des neurones omnipauses au contrôle des saccades oculaires. La lésion pharmacologique (par
injection locale d'acide iboténique) de ce noyau ne modifie ni la précision des saccades
(Kaneko, 1992) ni leur latence (Kaneko, communication personnelle, 1995). Ces résultats sont
d'une importance fondamentale car ils montrent que la réactivation des OPN n'est pas nécessaire
pour arrêter la saccade.
# La Coordination Oculo-Céphalique

En milieu naturel, l'orientation du regard vers un stimulus attractif met souvent en jeu un déplacement combiné des yeux et de la tête, avec éventuellement une réorientation de l'axe du corps. Chez le chat, le recrutement des muscles de la nuque lors des déplacements horizontaux de la tête présente certaines singularités. Si certains muscles sont systématiquement recrutés lors des déplacements horizontaux de la tête, soit de façon phasique (muscles *splenius*, *obliquus capitis inferior*, *levator scapulae* et *complexus*) soit de façon tonique (*biventer cervicis*), il en est d'autres (*semispinalis cervicis*, *longissimus*, *levator scapulae*, *scalenus anterior* et *obliquus capitis superior*) dont l'activation dépend de la position de la tête par rapport au tronc (Thompson et al., 1994). Au niveau neurophysiologique, les centres prémoteurs qui participent au contrôle de la synergie oculo-céphalique dans l'orientation horizontale peuvent être regroupés en deux systèmes distincts: le système réticulo-spinal médian et le système vestibulo-spinal médian (Wilson et Peterson, 1988).

## I. Le système réticulo-spinal médian

Les études anatomiques, d'enregistrement électrophysiologique, de lésion et de microstimulation électrique s'accordent toutes pour impliquer le système réticulo-spinal médian dans le contrôle neuronal des mouvements d'orientation des yeux, de la tête et de l'axe du corps vers des stimuli dans l'espace extra-corporel. Les principales voies réticulo-spinales impliquées dans cette coordination prennent naissance d'une part, au niveau de la région regroupant la partie rostro-dorsale du noyau *reticularis gigantocellularis* (NRGC) et le noyau *reticularis pontis caudalis* (NRPC) et d'autre part, au niveau de la partie dorsale du noyau *gigantocellularis* (Peterson et al., 1975b).

De nombreux neurones de la partie dorsale du NRGC et du NRPC (zone 1: Peterson et al., 1975b) contactent non seulement les motoneurones de la moelle cervicale mais aussi ceux de la moelle lombaire (Peterson et al., 1975b). Cette projection très diffuse est une projection ipsilatérale excitatrice. La stimulation électrique de cette région provoque une excitation monosynaptique au niveau des motoneurones innervant les muscles du cou, du dos et des quatre membres (Wilson et Yoshida, 1969b; Peterson, 1977; Peterson et al., 1978). Ce motif de projection réticulo-spinale est compatible avec la présence au niveau de cette zone de neurones qui déchargent lors des mouvements axiaux (Siegel et Tomaszewski, 1983). D'autres neurones produisent une décharge de potentiels d'action avant le déplacement rapide de la tête du côté ipsilatéral. Ce rôle dans la production des déplacements ipsilatéraux de la tête est confirmé par
## Introduction: la coordination oculo-céphalique

les expériences de microstimulation électrique et de lésion. En effet, la microstimulation électrique de cette région provoque un déplacement ipsilatéral de la tête après une latence d'environ 10 à 15 ms (voir figure 4 de Drew et Rossignol, 1990a). La latence minimale d'activation électromyographique est comprise entre 6,6 et 8,8 ms pour les muscles du cou et entre 15,9 et 17,2 ms pour les muscles des membres inférieurs (Drew et Rossignol, 1990b).

La lésion combinée chez le chat, du NRPC et du NRGC par injection locale d'acide kaïnique, abolit quasi-complètement les déplacements ipsilatéraux de la tête (Isa et Sasaki, 1988). Les quelques déplacements ipsilatéraux qui subsistent ont une vitesse extrêmement lente (<100 deg/s en moyenne). Les mouvements saccadiques oculaires ipsilatéraux au site lésé sont absents. Par contre, les déplacements saccadiques controlatéraux et les mouvements verticaux des yeux et de la tête ne semblent pas perturbés. De plus, les mouvements lents compensatoires des réflexes vestibulo-oculaire et vestibulo-nuqual sont épargnés. Dans une autre étude chez le chat, Suzuki et al. (1989) observent, après injection locale d'acide iboténique dans la partie rostrale du NRGC, du NRPO et du NRPC, une déviation tonique de la tête vers le côté ipsilatéral. Cette déviation angulaire ipsilatérale qui est de l'ordre de 120-150° disparaît au bout de 4-16 heures (phase aiguë I). Elle est souvent accompagnée d'une rotation de l'animal sur lui-même dans la même direction que la déviation de la tête. Cette première phase est suivie d'une autre phase (phase II) au cours de laquelle la déviation tonique de la tête et la direction de la rotation du corps deviennent cette fois controlatérales. Ces symptômes s'atténuent progressivement pour disparaître au bout de 48 heures après l'injection (moment à partir duquel Isa et Sasaki ont réalisé leur observation). Lors de la phase chronique qui suit, Suzuki et al. constatent également une incapacité à effectuer des mouvements rapides de la tête vers le côté lésé: l'animal est incapable de tourner volontairement la tête au-delà du plan sagittal corporel.

Pour Suzuki et al. (1989), la déviation ipsilatérale de la tête qui résulte d'une activation tonique de la musculature ipsilatérale serait la conséquence d'une excitation des cellules réticulaires par l'acide iboténique tandis que l'évolution vers une déviation tonique controlatérale témoignierait de la mort de ces cellules et d'une désinhibition des neurones réticulo-spinaux controlatéraux. Les auteurs basent leur argumentation sur l'existence de connexions inhibitrices entre les formations réticulées droite et gauche. Une telle connexion monosynaptique inhibitrice est rapportée par McCarley et al. (1987) mais elle est extrêmement limitée.

Une étude anatomo-fonctionnelle par enregistrement et marquage intra-axonal chez le chat éveillé (Grantyn et Berthoz, 1987a) a permis d'identifier des neurones situés au
## Introduction: la coordination oculo-céphalique

niveau de la zone 1, qui possèdent des caractéristiques de décharge et de connectivité compatibles avec une implication dans les mouvements synergiques ipsilatéraux des yeux et de la tête. Ces neurones réticulo-spinaux oculo-nuquaux (NRSON) génèrent en condition "tête fixe", une bouffée de potentiels d'action lors des saccades oculaires ipsilatérales (direction "ON") en relation avec une activité électromyographique ipsilatérale des muscles du cou (figure 1D de Grantyn et Berthoz, 1987). L'activité des NRSON précède la saccade oculaire dans la direction "ON" d'environ 105 ms (gamme: 66-132 ms). Lorsque l'oeil est dévié controlatéralement et que les muscles ipsilatéraux de la nuque sont relâchés, les neurones sont silencieux. En effet, l'activité apparaît lorsque la saccade conduit les yeux au-delà de la position craniotopique sagittale mais pas lorsque la saccade est effectuée dans l'hémi-orbite controlatéral. Ce motif très singulier de décharge neuronale suggère que ces neurones n'interviennent pas simplement dans le recrutement des unités oculomotrices agonistes. Une telle décharge est compatible avec un rôle dans le recrutement des unités motrices nuquales pour les mouvements centrifuges. Ces neurones établissent leur plus grand nombre de boutons synaptiques avec les neurones du noyau abducens (Grantyn et al., 1987), suggérant de ce fait une participation également dans les mécanismes oculomoteurs.

Le seuil à partir duquel commencent à décharger les neurones suggère l'existence d'une représentation interne de cette entité physique qu'est le *"droit-devant-dans-l'orbite"*. Aussi, il serait extrêmement intéressant d'étudier l'activité de ces mêmes NRSON dans des conditions où la tête est déviée par rapport à l'axe du corps. Ceci permettrait d'établir si cette référence interne est réellement une référence céphalique ou une référence axiale corporelle du type *"droit-devant-le-corps"*. Certaines données électrophysiologiques sont en effet compatibles avec une relation entre la décharge de certains neurones réticulo-spinaux et la direction de l'axe du corps (Siegel et Tomaszewski, 1983). La déviation tonique extrême de la tête et la rotation du corps observés après lésion unilatérale (Suzuki et al., 1989) suggéreraient une perte de cette référence. Il est cependant intéressant de constater le rétablissement d'une posture normale de la tête (*"droit-devant-le-corps"*) quelques 48 heures après la lésion (Isa et Sasaki, 1988; Suzuki et al., 1989). Si cette référence est déterminée par une sorte d'équilibre pondéré entre l'activité respective des parties gauche et droite du cerveau, l'existence de ce rétablissement post-lésionnel suggère un processus compensatoire de "rééquilibrage" rappelant les processus permettant la récupération fonctionnelle après lésion vestibulaire unilatérale (Precht et Dieringer, 1985). Il n'est pas connu si ce rééquilibrage résulte des propriétés d'auto-organisation du système nerveux ou s'il est régulé par un réseau particulier de structures neuronales.
## Introduction: la coordination oculo-céphalique

Il est possible que la sensibilité des NRSON à la position de l'oeil dans l'orbite résulte d'afférences en provenance du NPH. En effet, nous avons vu que les neurones du NPH se caractérisent d'une part par une décharge tonique parfaitement corrélée avec la position de l'oeil lorsque celui-ci est dévié ipsilatéralement dans l'orbite et d'autre part, par une quasi-absence de décharge lorsque les yeux sont déviés dans la direction controlatérale (Escudero et al., 1992). Ainsi, la décharge des neurones du NPH pourrait être responsable du silence des NRSON lorsque l'oeil est dévié controlatéralement. Cette hypothèse suppose alors une projection controlatérale inhibitrice des neurones du NPH sur les NRSON.

Enfin, il est intéressant de constater que cette sensibilité à la position oculaire n'apparaît pas au niveau des neurones tecto-réticulo-spinaux (Grantyn et Berthoz, 1985, Grantyn, 1989) ni au niveau des neurones corticaux qui contactent les neurones réticulo-spinaux (Alstermark et al., 1985). Par ailleurs, les structures corticales et colliculaires se caractérisent d'une part, par une sensibilité visuelle essentiellement limitée à l'hémi-champ visuel controlatéral et d'autre part, par une activité motrice qui précède les saccades controlatérales. Les neurones réticulo-spinaux reçoivent également une influence en provenance du noyau fastigial (Eccles et al., 1975) où la sensibilité visuelle couvre probablement l'ensemble du champ visuel (Donaldson et Hawthorne, 1979) et les bouffées saccadiques accompagnent toutes les saccades quelle que soit leur direction (Gruart et Delgado-Garcia, 1994).

L'autre voie réticulospinale prend naissance au niveau de la partie dorsale du NRGC (zone 4: Peterson et al., 1975b). Celle-ci contient un grand nombre de cellules qui projettent principalement sur la moelle cervicale. Celles-ci reçoivent pour la plupart une projection monosynaptique du colliculus supérieur controlatéral. Leur axone qui descend vers la moelle cervicale, présente de multiples collatérales qui se projettent sur divers territoires neuronaux ipsilatéraux impliqués dans le contrôle des mouvements des yeux (noyau abducens, NPH rostral, NVM rostral), des pavillons auditifs (noyau facial) et de la tête (NRGC, moelle cervicale).

## II. Le système vestibulo-spinal médian

Le faisceau vestibulo-spinal médian (MVST) constitue la voie majeure par laquelle les afférences issues des canaux semi-circulaires horizontaux peuvent influencer la musculature axiale. Les neurones à l'origine de cette voie trisynaptique qui relie le labyrinthe aux motoneurones des muscles du cou (Wilson et Yoshida, 1969a; 1969b) sont des neurones vestibulaires secondaires regroupés au niveau du noyau vestibulaire médian (NVM). Activés par les afférences vestibulaires ipsilatérales, la décharge de ces neurones augmente lors de la
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rotation ipsilatérale de la tête et diminue lors de la rotation controlatérale (réponse de type I; Wilson et Maeda, 1974, Isu et Yokota, 1983). La projection du MVST sur les motoneurones de la moelle cervicale controlatérale est une projection excitatrice (Wilson et Yoshida, 1969; Wilson et Maeda, 1974). Une projection monosynaptique inhibitrice du NVM sur les motoneurones ipsilatéraux de la nuque a également été mise en évidence (Wilson et Yoshida, 1969; Wilson et Maeda, 1974, Rapoport et al., 1977b). Le fait que la stimulation du canal horizontal évoque un mouvement de la tête dirigé vers le côté controlatéral (Suzuki et Cohen, 1964) est compatible avec une telle organisation et témoigne du rôle du MVST dans la stabilisation de la tête lorsque le corps est en mouvement.

Certains neurones du MVST, essentiellement regroupés au niveau de la région rostrale du NVM, émettent une collatérale probablement excitatrice (Baker et al., 1969; Hikosaka et al., 1980) vers le noyau abducens controlatéral (McCrea et al., 1980; Isu et Yokota, 1983). Cette double connexion des neurones vestibulaires secondaires exciteurs (que nous désignerons désormais par NVON.E: Neurones Vestibulo-Oculo-Nuquaux Exciteurs) avec les motoneurones oculaires et céphaliques suggère une implication dans les processus de coordination oculo-céphalique. Cette projection oculo-nuquale controlatérale n'est cependant pas une propriété générale de l'ensemble des neurones exciteurs de type I du NVM rostral. Certains neurones ont une projection exclusivement spinale tandis que d'autres ont une projection exclusivement oculomotrice (Isu et Yokota, 1983). Nous les désignerons respectivement neurones vestibulo-nuquaux exciteurs (NVN.E) et neurones vestibulo-oculaires exciteurs (NVO.E). De la même façon, nous désignerons par NVN.I les neurones issus du NVM qui ont une projection ipsilatérale inhibitrice sur les motoneurones de la nuque.

Les études d'enregistrement électrophysiologique montrent que les NVO.E ont une activité tonique relativement importante (gamme: 20-105 pa/s) lorsque l'oeil est centré dans l'orbite (Berthoz et al., 1989). Si une projection spinale de ces neurones est mise en évidence, cette activité tonique pourrait activer les motoneurones controlatéraux de la nuque (Berthoz, 1989) et contribuer ainsi au tonus postural de la tête. En ce qui concerne l'origine de cette activité, il est très probable qu'elle soit entretenue par l'activité régulière des afférences vestibulaires primaires de type R (R pour régulier, Boyle et al., 1992). D'autre part, Anastasopoulos et Mergner (1982) ont mis en évidence, chez le chat, au niveau de certains neurones vestibulaires, une sensibilité à la position de la tête par rapport au tronc. Une telle sensibilité suggère un entretien de l'activité tonique des neurones vestibulaires par certaines afférences proprioceptives.
### III. Interactions réticulo-vestibulaires

#### 1. Les voies vestibulo-réticulaires

Les neurones de la formation réticulée médiane reçoivent une influence excitatrice et inhibitrice disynaptique en provenance des labyrinthes ipsi- et controlatéraux, respectivement (expérience de stimulation du nerf vestibulaire: Peterson et al., 1975a). D'autre part, près de la moitié des neurones réticulo-spinaux enregistrés reçoivent une excitation vestibulaire bilatérale. Cette organisation des projections vestibulo-réticulaires contraste avec l'organisation réciproque des projections vestibulo-oculomotrices. Les caractéristiques de réponse de ces neurones à la stimulation du nerf vestibulaire (latence, amplitude, seuil) ne semblent pas être altérées par la cérébellectomie (Peterson et al., 1975a, p 342). Ceci suggère une action probablement via les noyaux vestibulaires. Peterson et Abzug (1975) montrent en effet une connexion monosynaptique controlatérale entre les noyaux vestibulaires (et notamment du NVM) et les neurones du NRGC rostral. Cette connexion peut être inhibitrice ou excitatrice. Or il est intéressant de noter que la plupart des neurones vestibulaires qui projettent sur la formation réticulaire controlatérale ne répondent pas à la stimulation du nerf vestibulaire ipsilatéral (ou alors répondent avec une latence compatible avec un trajet polysynaptique des influx). Ce résultat suggère donc que la réponse vestibulaire disynaptique de l'échantillon de neurones réticulaires enregistrés par Peterson et al. (1975a) ne met pas en jeu des neurones vestibulaires secondaires du NVM controlatéral (dans le cadre du système vestibulaire horizontal). La question se pose alors de savoir si cette connexion vestibulaire sur les neurones réticulo-spinaux du NRGC participe effectivement au réflexe vestibulo-nuqual de stabilisation de la tête.

Un peu plus tard, Peterson et al. (1980) montrent que la majeure partie des neurones réticulo-spinaux du NRGC n'est pas sensible à une application sinusoïdale de courants polarisants au niveau des ampoules vestibulaires. Seules certaines cellules, regroupées au niveau de la partie rostrale du NRPC et ventralement par rapport au noyau abducens, répondent à une telle stimulation avec un retard de phase. Ce type d'activation suggère une implication des neurones de cette région péri-abducens avec les neurones vestibulo-spinaux dans le réflexe vestibulo-nuqual de stabilisation de la tête (Peterson et al., 1980).

#### 2. Les voies réticulo-vestibulaires

Les neurones réticulo-spinaux oculo-nuquaux (NRSON) émettent des projections collatérales sur le NVM rostral. Il est très probable que cette projection se fasse sur des interneurones de type II (Grantyn et Berthoz, 1987). En effet, une projection sur les neurones
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vestibulaires secondaires inhibiteurs (inhibiteurs du noyau abducens) serait difficile à concilier avec l'importante ramification collatérale (excitatrice) des neurones réticulo-spinaux au niveau de ce même noyau. Pour les mêmes raisons, une projection sur les neurones vestibulaires secondaires excitateurs (excitateurs du noyau abducens controlatéral) est tout aussi improbable dans la mesure où elle impliquerait une activation oculomotrice antagoniste au mouvement. Par contre, une activation des neurones de type II contribuerait à l'inhibition des neurones vestibulaires de type I et donc à l'inhibition du réflexe vestibulo-oculaire lors des déplacements du regard (Grantyn et al., 1987). Parallèlement, l'activation des neurones de type II du NVM rostral par les neurones excitateurs phasiques (eux-mêmes probablement excités par les NRSON) participerait à l'inhibition du réflexe vestibulo-oculaire lors du déplacement saccadique du regard (Berthoz et al., 1989).

Par ailleurs, une telle connexion réticulo-vestibulaire pourrait aussi contribuer à faciliter le mouvement en cours de la tête, en facilitant le recrutement des unités motrices nuquales agonistes et en participant à l'inhibition des unités antagonistes (figure I-3). Une connexion des neurones de type II sur les NVN.I et les NVN.E ipsilatéraux nécessite cependant d'être démontrée. Par le biais de cette connexion hypothétique, l'inhibition des NVN.I désinhiberait les motoneurones cervicaux ipsilatéraux potentialisant de cette façon l'influence excitatrice des neurones réticulo-spinaux. D'autre part, l'inhibition des NVN.E désactiverait les neurones de type II controlatéraux, désinhibant par conséquent les NVN.I et NVN.E controlatéraux. Désinhibés, les NVN.I inhiberaient les motoneurones cervicaux controlatéraux (unités antagonistes) tandis que les NVN.E faciliteraient les motoneurones cervicaux ipsilatéraux (unités agonistes).

Selon la même logique, l'arrêt de cette activation réticulo-vestibulaire participe probablement au réenclenchement des réflexes vestibulo-oculaire et vestibulo-nuqual. Le réenclenchement de ces réflexes pourrait alors contribuer à l'arrêt du déplacement du regard et de la tête. L'activité des neurones de type II cesserait du fait de l'arrêt de l'excitation apportée par les NEP ipsilatéraux et/ou de l'activation tardive des NIP controlatéraux. L'arrêt de la décharge des neurones de type II désinhiberait alors les neurones vestibulaires secondaires. Désinhibés, les neurones vestibulaires secondaires tomberaient à nouveau sous l'influence excitatrice des afférences vestibulaires ipsilatérales (via les neurones vestibulaires primaires) et seraient du coup responsables de la contre-rotation de l'oeil dans l'orbite et donc de l'arrêt du regard. L'activation des NVON.E et NVN.E exciterait les motoneurones nuquaux controlatéraux et serait responsable de la bouffée antagoniste probablement impliquée dans le freinage du mouvement (Hannaford et Stark, 1985; Roucoux et Crommelinck, 1988; Roucoux
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et al., 1989). Quant à l'activation des NVN.I, elle inhiberait les motoneurones nuquaux ipsilatéraux, contribuant ainsi à l'arrêt de l'activation agoniste.

L'inactivation des neurones de type II contribue donc à arrêter le mouvement d'orientation du regard. Cette inactivation résulterait très probablement de deux processus parallèles que nous qualifierons respectivement de processus continu et de processus discret. Le premier processus mettrait en jeu le retrait progressif de l'excitation en provenance des NEP et des NRSON, tandis que le second se caractériserait par une inhibition active en provenance des NIP controlatéraux.

Le retrait de l'excitation des NEP et des NRSON peut résulter d'une part d'une réduction de l'activation colliculaire et corticale et d'autre part, d'une inhibition par les NIP controlatéraux (bouffée tardive) et par les neurones omnipauses qui ultimement inactivent l'ensemble des neurones phasiques. La bouffée tardive des NIP lors des saccades controlatérales pourrait participer directement à l'inhibition des neurones de type II controlatéraux. Cependant, l'origine de cette excitation tardive des NIP n'est pas encore établie. Certains auteurs ont proposé que cette bouffée résulterait d'une activation en provenance du noyau fastigial caudal du cervelet.

Avant d'exposer les données de la littérature qui traitent du rôle possible du cervelet dans l'orientation du regard, une présentation préalable de la contribution du colliculus supérieur nous paraît nécessaire. En effet, cette structure occupe dans le domaine de la neurophysiologie des mécanismes oculomoteurs une place qui, de nos jours, est considérable.
<caption>Figure I-3</caption>

Interactions réticulo-vestibulaires

<figure><img src="image_5.png" /></figure>
Contrôle colliculaire des déplacements du regard

Le rôle du colliculus supérieur dans les processus mis en jeu lors du comportement d'orientation est aujourd'hui largement admis (Sparks 1986; Sparks et Mays, 1990; Guitton, 1991). Cependant, en dépit des nombreux travaux effectués sur son sujet, la place qu'on lui accorde pour le contrôle de l'orientation de l'axe visuel reste controversée.

Composé de 7 couches cellulaires, le colliculus supérieur (CS) est classiquement subdivisé en deux parties fonctionnellement distinctes: les couches superficielles et les couches profondes. Alors que les couches superficielles ont une fonction essentiellement visuelle, les couches profondes sont davantage impliquées dans les fonctions motrices du comportement d'orientation.

Les couches superficielles reçoivent des projections topographiquement organisées en provenance de la rétine et du cortex visuel (Feldon et al., 1970). L'organisation rétinotopique est retrouvée au niveau de la réponse électrophysiologique des cellules à la stimulation visuelle. Cette réponse se manifeste en effet lorsque la stimulation visuelle est appliquée dans une zone limitée du champ visuel contralatéral qui définit le champ récepteur visuel de la cellule. L'étude de la position du champ récepteur dans le champ visuel a permis d'établir une organisation topographique: les cellules des territoires colliculaires rostraux ont un champ récepteur visuel fovéal et péri-fovéal tandis que les cellules des territoires caudaux ont un champ récepteur plutôt périphérique. De même, les stimulations du champ visuel supérieur activent la région médiane tandis que les stimulations du champ visuel inférieur excitent les cellules de la zone latérale du CS.

Cette organisation rétinotopique de la sensibilité visuelle des couches superficielles du CS est retrouvée au niveau des couches profondes. Mais les cellules des couches profondes se différencient des précédentes sur plusieurs points:

i) elles ont un champ récepteur visuel beaucoup plus large (Gordon, 1973),

ii) elles possèdent une sensibilité plurimodale (visuelle, auditive et somesthésique: Stein et Meredith, 1993),
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iii) elles sont à l'origine d'un faisceau de fibres (faisceau prédorsal) qui viennent contacter les territoires controlatéraux de la formation réticulée et de la moelle cervicale, impliqués dans les mouvements saccadiques du regard (Olivier et al., 1991),

iv) une bouffée de potentiels d'action est produite lors des mouvements saccadiques du regard,

v) la microstimulation électrique évoque, avec un seuil de stimulation relativement bas, un mouvement des yeux et/ou de la tête.

Les études d'enregistrement unitaire ont permis de mettre en évidence, au niveau des couches intermédiaires et profondes du CS, une représentation topographique des paramètres spatiaux (amplitude et direction) des saccades oculaires (Sparks, 1986; Sparks et Mays, 1990; Guitton, 1991). En effet, la décharge des neurones du CS profond est associée à la production de saccades ayant une taille et une direction relativement spécifique. La position finale des saccades délimite une zone du champ visuel appelée champ de mouvement. A mesure que l'amplitude du mouvement augmente, la population des neurones recrutés se situe davantage au niveau des régions caudales, tandis que la localisation médio-latérale du foyer d'activité changerait avec la direction de la saccade. Cette organisation topographique mise en évidence au niveau de la décharge présaccadique des neurones est corroborée par les études de microstimulation électrique.

Celles-ci ont en effet montré que la stimulation des couches profondes provoque après une très courte latence (25-30 ms), et pour une intensité de courant relativement faible (seuil de 8-25 µA), des mouvements rapides controlatéraux de l'oeil (Roucoux et Crommelinck, 1976; Guitton et al., 1980; McIlwain, 1986), de la tête (Roucoux et al., 1980; Harris, 1980; Paré et al., 1994) et des pavillons auditifs (Stein et Clamann, 1981). Le comportement évoqué rappelle fortement la réaction d'orientation (Syka et Radil-Weiss, 1971). Les propriétés spatiales des saccades oculaires évoquées par de telles microstimulations électriques dépendent du territoire stimulé. Appliquée au niveau de la région médiane, la stimulation évoque, chez le chat en condition "tête libre", un mouvement du regard qui est dirigé vers le haut tandis que lorsqu'elle est appliquée au niveau de la région latérale, le mouvement est dirigé vers le bas. En ce qui concerne l'amplitude vectorielle du mouvement, elle augmente avec la position caudale du site de stimulation. Ainsi, l'organisation topographique des saccades du regard évoquées par microstimulation électrique colliculaire chez l'animal en condition "tête libre" définit une carte motrice dont la structure est rétinotopique (Roucoux et al., 1980; Paré et al., 1994).

De récents travaux effectués chez le chat en condition "tête libre", ont permis de regrouper les neurones tecto-réticulo-spinaux en deux populations fonctionnelles distinctes: les
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neurones de fixation et les neurones d'orientation (Munoz et Guitton, 1991; Munoz et al., 1991a). Situés au niveau de la région rostrale du CS, les neurones de fixation marquent une pause lors des saccades ipsilatérales. En revanche, les cellules d'orientation occupent le reste du CS et déchargent une bouffée de potentiels d'action lors des saccades controlatérales.

Cette distinction nous permet d'introduire deux contributions possibles du CS profond au contrôle de l'orientation du regard, avec d'une part une participation aux processus préparatoires du mouvement (déclenchement, spécification des paramètres spatiaux du mouvement) et d'autre part un rôle dans le contrôle de l'exécution même du mouvement.

### I. Rôle dans les processus préparatoires du mouvement d'orientation

#### 1. Contribution au déclenchement des saccades

Un certain nombre d'évènements électrophysiologiques est associé au déclenchement des saccades vers une cible visuelle. Au niveau de la région colliculaire rostrale, les neurones de fixation marquent une pause lors des saccades ipsilatérales tandis que les cellules d'orientation déchargent une très forte bouffée d'activité avant la saccade controlatérale.

##### 1.1. Pause des cellules de fixation (zone rostrale)

Les neurones tecto-réticulo-spinaux de la zone colliculaire rostrale déchargent de façon soutenue pendant la fixation oculaire (Munoz et Guitton, 1991; Munoz et Wurtz, 1993a). Chez le chat, leur activité est diminuée lors des saccades ipsilatérales tandis qu'elle semble ne pas changer lors des saccades controlatérales (Munoz et al., 1991a; voir aussi Straschill et Schick, 1977). Lorsque cette pause est supprimée par une microstimulation électrique du territoire rostral, la saccade ipsilatérale est retardée, et n'apparaît qu'au bout d'une centaine de millisecondes après la fin du train de stimulation (Paré et Guitton, 1994). La même microstimulation n'a aucune répercussion sur le déclenchement des saccades controlatérales, seule l'amplitude de la saccade principale est réduite. L'influence sur le déclenchement des saccades ipsilatérales résulterait de l'excitation des neurones omnipauses du noyau raphé interposé controlatéral, lesquels inhiberaient l'activation des neurones phasiques (Paré et Guitton, 1994).

Si cette pause est le fait d'une influence inhibitrice issue d'afférences de type Gaba-ergique, l'injection locale de bicuculline (antagoniste Gaba-ergique) au niveau du CS rostral devrait apporter des éléments d'information sur son rôle éventuel dans le déclenchement
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saccadique. Mais il n'existe à notre connaissance aucune étude d'injection pharmacologique qui ait abordé ce problème chez le chat.

Chez le singe, les cellules colliculaires rostrales marquent une pause lors des saccades ipsilatérales et aussi lors des saccades controlatérales (Munoz et Wurtz, 1993a). La microstimulation électrique de la région rostrale retarde, comme chez le chat, le déclenchement des saccades ipsilatérales. Les saccades controlatérales sont également retardées mais dans une moindre mesure. Les expériences d'injection locale de bicuculline montrent que la désinhibition de ce territoire rostral entraîne, comme la microstimulation électrique, une augmentation de latence des saccades visuelles ipsilatérales de 20° d'amplitude (Munoz et Wurtz, 1993b). Néanmoins, cette observation n'est pas généralisable à toutes les saccades ipsilatérales, car la latence des saccades de petite amplitude (5°) n'est pas affectée. Quant aux saccades controlatérales, elles sont toutes retardées, quelle que soit leur amplitude.

Ces expériences (microstimulation, injection de bicuculline) suggèrent donc que l'inhibition du territoire colliculaire rostral est importante pour le déclenchement des saccades, en particulier celles dirigées ipsilatéralement. On pourrait penser que cette inhibition met en jeu les connexions intertectales décrites chez le chat (Edwards, 1977; Magalhaes-Castro et al., 1978; Maeda et al., 1979; Mascetti et Arriagada, 1981; Grantyn et Grantyn, 1982; Behan, 1985) et le singe (Harting, 1977). En effet, les connexions monosynaptiques inhibitrices mises en évidence par certains auteurs auraient pu jouer ce rôle (Maeda et al., 1979; Mascetti et Arriagada, 1981). Cette hypothèse prédit une modification de latence après injection unilatérale de muscimol similaire à celle observée après injection de bicuculline de l'autre côté. Mais les données obtenues chez le singe indiquent que ce n'est pas le cas (Munoz et Wurtz, 1992, 1993b). Au contraire, une réduction de latence est observée pour toutes les saccades, quelle que soit leur direction. Ce résultat suggère une influence antagoniste de la zone colliculaire rostrale au déclenchement saccadique.

Munoz et Wurtz (1993b) proposent un modèle dans lequel les cellules de fixation de la zone rostrale entretiennent des connexions réciproques inhibitrices avec les cellules d'orientation du territoire caudal ipsilatéral et des connexions réciproques excitatrices avec la zone rostrale du CS controlatéral. Ces connexions intertectales excitatrices ne sont pas à notre connaissance rapportées par d'autres études. Dans ce modèle, le déclenchement d'une saccade nécessite l'inactivation des cellules de fixation de la zone rostrale colliculaire. Cette inactivation serait contrôlée par les cellules d'orientation de la zone caudale, probablement par l'intermédiaire d'un interneurone inhibiteur. L'activation de ces cellules d'orientation exciterait
## Introduction: le colliculus supérieur

conjointement les centres prémoteurs oculo-céphaliques du tronc cérébral controlatéral. Ce modèle n'est pas compatible avec les données électrophysiologiques obtenues chez le chat (voir plus haut: Munoz et al., 1991a; Straschill et Schick, 1977), dans la mesure où il prédit une pause d'activité aussi forte -sinon plus- dans la partie rostrale du CS ipsilatéral que dans celle du CS controlatéral par rapport à la direction du mouvement.

### 1.2. Activation des cellules d'orientation

La contribution du CS profond aux processus de déclenchement des saccades du regard est suggérée par des résultats obtenus essentiellement chez le singe. D'une part, il existe au niveau des couches profondes du CS, une catégorie de cellules qui déchargent une bouffée de potentiels d'action étroitement couplée au début d'une saccade oculaire (Sparks, 1978). Cette bouffée précède le mouvement de quelques 20 ms. Ce délai correspond approximativement à la latence des saccades évoquées par microstimulation électrique colliculaire (Robinson, 1972; Sparks, 1986). D'autre part, la perturbation pharmacologique du territoire colliculaire central modifie la latence des saccades visuelles. L'injection locale de muscimol ou de lidocaïne augmente la latence des saccades visuelles (Hikosaka et Wurtz, 1985a; 1986). Par contre, l'injection de bicuculline a plutôt tendance à diminuer la latence des saccades dont les caractéristiques de direction et d'amplitude sont représentées au niveau du site d'injection. Cette influence inhibitrice semble être contrôlée par les projections nigrotectales entre autres. En effet, l'injection de muscimol au niveau de la substance noire *pars reticulata* provoque au niveau du déclenchement saccadique le même déficit que celui observé après désinhibition colliculaire (Hikosaka et Wurtz, 1985a,b).

Chez le chat, les neurones identifiés comme tecto-réticulo-spinaux émettent une décharge de potentiels d'action qui peut précéder le début de la saccade de 60 à 200 ms (Grantyn et Berthoz, 1985; voir aussi Munoz et Guitton, 1991). Peck (1987) trouve une très faible quantité (21/234) de neurones colliculaires (non identifiés) dont la décharge saccadique est couplée au début de la saccade, avec des latences moyennes comprises entre 14 et 26 ms. La lésion colliculaire unilatérale a tendance à produire une négligence vis-à-vis des stimuli présentés dans l'hémi-champ visuel controlatéral. Il est néanmoins difficile d'établir si ce déficit résulte d'un déficit perceptif ou s'il résulte d'une véritable perturbation des mécanismes de déclenchement saccadique. Des délais très variables entre la production de la bouffée saccadique et le début du mouvement sont mentionnés dans plusieurs études électrophysiologiques (Harris, 1980; Peck et al., 1980; Straschill et Schick, 1977).

### 2. Contribution aux processus de spécification spatiale du mouvement
## Introduction: le colliculus supérieur

Un rôle essentiel des neurones des couches profondes du CS dans la spécification des paramètres spatiaux du mouvement du regard est également suggéré par les études électrophysiologiques. La direction et l'amplitude du mouvement saccadique seraient déterminées par la position du foyer d'activité préparatoire sur la carte motrice colliculaire. En effet, un codage topographique de l'erreur motrice du regard pendant la phase préparatoire du mouvement a été mis en évidence au niveau de la couche des neurones tecto-réticulo-spinaux (chat "tête libre": Munoz et Guitton, 1985, 1991; singe "tête fixe": Mays et Sparks, 1980a, Sparks et Porter, 1983). Si une saccade intermédiaire éloigne le regard de son but, la population neuronale qui est active change. La nouvelle population regroupe alors les neurones situés sur ce territoire colliculaire où serait enregistrée une réponse visuelle dans les mêmes conditions d'excentricité de cible.

Le processus de recrutement est donc un processus dynamique car il est susceptible d'être remis à jour par des signaux informant du déplacement des yeux et de la tête. Cette correction qui est faite alors que la cible n'est plus visible, se fait par l'intermédiaire de boucles de rétroaction internes. On ignore cependant si les signaux qui sont responsables de ce recodage topographique de l'erreur motrice sont des signaux informant des déplacements du regard ou des signaux distincts exprimant respectivement le déplacement oculaire dans l'orbite et le déplacement de la tête par rapport au tronc. Pour Munoz et al. (1991a,b), la représentation interne de l'erreur motrice du regard "glisserait" sur la carte motrice colliculaire en relation avec chaque saccade, jusqu'à ce que le regard fixe la cible. Cette hypothèse, qui suggère alors un rôle du colliculus supérieur également dans le contrôle de la cinématique des déplacements du regard est présentée plus loin (paragraphe II.2.).

Cette idée d'une contribution fondamentale du CS profond à la spécification des paramètres spatiaux du mouvement ne rend cependant pas compte des effets de sa perturbation pharmacologique. En effet, l'inactivation pharmacologique du CS profond par injection locale de muscimol (zone centrale: Hikosaka et Wurtz, 1985a, zone rostrale: Munoz et Wurtz, 1993b) ou de lidocaïne (Hikosaka et Wurtz, 1986; Lee et al., 1988) n'affecte que très peu la précision saccadique.

## II. Contribution au contrôle de la cinématique des déplacements du regard

### 1. Codage de la vitesse instantanée du regard

L'enregistrement électrophysiologique des neurones tecto-réticulo-spinaux chez le chat en condition "tête fixe" montre une corrélation entre l'activité phasique de ces cellules et la
## Introduction: le colliculus supérieur

vitesse tangentielle des saccades (Berthoz et al., 1986). Cette implication colliculaire dans la phase dynamique du déplacement du regard est confirmée plus tard par Munoz et al. (1991a) chez le chat en condition "tête libre". En effet, lorsqu'une réapparition brusque de la cible visuelle conduit à la réaccélération d'une saccade "prédictive" du regard, une augmentation conjointe de la fréquence de décharge des neurones tecto-réticulo-spinaux est observée (Munoz et al., 1991a). La latence entre cette augmentation de décharge neuronale et la réaccélération de l'oeil (9 ± 1 ms) est comparable à la latence de réaccélération de l'oeil consécutivement à une microstimulation intrasaccadique colliculaire (11 ± 4 ms). D'autre part, la vitesse des mouvements provoqués par stimulation électrique du CS augmente en fonction de la fréquence de stimulation (Munoz et al., 1991a; Paré et al., 1994). Ces résultats suggèrent fortement un codage de la vitesse instantanée des saccades par la fréquence instantanée de décharge des neurones tecto-réticulo-spinaux.

Les expériences de perturbation pharmacologique sont également en faveur de cette hypothèse d'un contrôle colliculaire de la vitesse des saccades. En effet, chez le singe, après injection de muscimol au niveau de la zone centrale du CS profond, les saccades controlatérales sont légèrement hypométriques et ont une vitesse considérablement réduite (Hikosaka et Wurtz, 1985a). De même, après injection de lidocaïne au niveau du CS rostral, Lee et al. (1988) notent quant à eux une réduction de la vitesse des saccades représentées au niveau du site inactivé et une augmentation conjointe de leur durée, de telle sorte que les caractéristiques métriques ne sont que très peu modifiées. Lorsque le muscimol est injecté au niveau du territoire des cellules de fixation (Munoz et Wurtz, 1993b), les saccades controlatérales sont orthométriques en dépit d'une forte augmentation de leur vitesse (associée à une diminution de la durée).

Dans le cadre d'un contrôle de l'amplitude des saccades par le jeu d'une boucle de rétroaction (Robinson, 1975; Jürgens et Becker, 1981), la préservation de la précision saccadique après inactivation pharmacologique du territoire colliculaire rostral suggère que le signal de référence qui spécifie le but saccadique (déplacement désiré ou position désirée) n'est pas affecté par l'inactivation des cellules colliculaires rostrales. D'autre part, les changements au niveau de la vitesse et de la durée des saccades indiquent que cette région contribue aux processus d'élaboration de la bouffée saccadique. Enfin, le maintien de la précision spatiale en dépit des modifications de cinématique d'une part, et les variations réciproques de la vitesse et de la durée d'autre part, suggèrent que la boucle interne de rétroaction n'est pas affectée par l'inactivation du CS rostral.
## Introduction: le colliculus supérieur

En ce qui concerne l'hypométrie observée après inactivation du territoire central, deux hypothèses sont proposées. Pour la première, ce sont les processus de spécification du but qui sont affectés (altération du signal de référence). Selon cette hypothèse, la réduction de vitesse n'est pas liée à l'hypométrie et le CS central serait fonctionnellement situé à un endroit où les propriétés spatiales (métriques) et temporelles (cinématiques) de la saccade restent indépendantes, c'est-à-dire à l'extérieur de la boucle de rétroaction (probablement en amont). Le CS spécifierait alors les dimensions spatiales de la saccade (Glimcher et Sparks, 1993). Pour la seconde hypothèse, la réduction de vitesse est liée à l'hypométrie. Le CS central est alors situé à un niveau où les propriétés métriques et cinématiques de la saccade sont liées, c'est-à-dire à l'intérieur de la boucle de rétroaction. L'hypométrie résulterait alors d'un mauvais codage de l'erreur motrice dynamique (Wurtz et Optican, 1994). Deux cas sont alors possibles: soit le CS central est le comparateur, soit le CS est également situé dans la voie de rétroaction.

## 2. Codage de l'erreur motrice dynamique

Munoz et al. (1991a,b) proposent l'existence d'un codage topographique de l'erreur motrice instantanée au niveau des neurones tecto-réticulo-spinaux. En analysant les décharges phasiques émises par ces neurones lors des saccades du regard, ils mettent d'abord en évidence que le champ de mouvement des neurones tecto-réticulo-spinaux diffère du champ d'erreur motrice du regard. En effet, si le second est relativement délimité dans le champ visuel controlatéral, le premier est ouvert sur son extrémité périphérique: les neurones déchargent également pour des saccades de plus grande amplitude que les saccades optimales. L'instant où chacune de ces cellules manifeste son maximum de décharge phasique se produit d'autant plus tard que l'amplitude du mouvement est grande. Enfin, une forte corrélation est trouvée entre l'erreur motrice résiduelle atteinte par le regard en mouvement lorsque ce maximum est atteint et l'erreur motrice statique pour laquelle le neurone présente une décharge maximale lors des périodes de fixation. Ainsi, l'erreur motrice serait codée de façon dynamique au niveau des neurones tecto-réticulo-spinaux (Munoz et al., 1991a,b). Au cours du déplacement du regard vers la cible, l'écart instantané qui existe entre la position du regard et la position de la cible serait représenté par la position du pic d'activité sur la carte motrice colliculaire. Ainsi, l'activité initialement située au niveau de la zone colliculaire caudale qui code pour l'erreur motrice produite par l'apparition d'une cible périphérique, se propagerait au cours du rapprochement du regard vers la cible, en direction de la zone rostrale qui code pour de plus petites erreurs motrices pour enfin atteindre le territoire des cellules de fixation. La diminution de l'activité des neurones d'orientation entraînerait une désactivation des neurones phasiques de la formation réticulée et, conjointement, l'activation des cellules de fixation réactiverait les neurones omnipauses.
## Introduction: le colliculus supérieur

Un aspect intéressant de cette hypothèse est que la zone colliculaire rostrale code pour l'erreur motrice nulle et que la réactivation des cellules de fixation qui s'y trouvent est responsable de l'arrêt du mouvement par le biais des cellules omnipauses (Munoz et Wurtz, 1993b). Cependant, l'absence de dysmétrie après inactivation du territoire colliculaire rostral chez le singe (Munoz et Wurtz, 1993b) est difficile à concilier avec cette hypothèse. De plus, la lésion de la région des neurones omnipauses n'entraîne pas davantage de dysmétrie (Kaneko, 1992). Autrement dit, il semble que la réactivation des cellules de fixation et des cellules omnipauses ne soient pas une condition nécessaire pour arrêter la saccade et en assurer ainsi sa précision.

### 3. Contrôle dynamique du couplage oculo-céphalique

L'hypothèse qu'une réactivation des cellules colliculaires de fixation est responsable de l'arrêt des saccades est invalidée par les expériences d'inactivation pharmacologique. La question reste donc de comprendre la signification fonctionnelle du déplacement caudo-rostral d'activité enregistré au niveau du CS profond lors des déplacements du regard.

Il est possible que cette modulation spatiale et temporelle du maximum d'activité des neurones tecto-réticulo-spinaux reflète les contributions relatives de l'oeil (codée de façon prépondérante au niveau du territoire rostral) et de la tête (codée plutôt caudalement) à la vitesse des déplacements du regard.

Cette hypothèse se base essentiellement sur les expériences de microstimulation électrique des couches profondes du CS chez le chat. En effet, ces expériences ont permis de distinguer, au niveau du CS profond, différentes zones susceptibles de jouer des rôles distincts dans les processus de coordination oculo-céphalique. Roucoux et al. (1980) distinguent trois zones colliculaires: la zone rostrale, la zone intermédiaire et la zone postérieure.

Au niveau de la zone rostrale, les mouvements évoqués par stimulation électrique ont tous une direction controlatérale au site stimulé. L'amplitude du déplacement du regard augmente avec la durée de stimulation jusqu'à une valeur au-delà de laquelle une seconde saccade est produite. Un déplacement controlatéral de la tête (ou chez l'animal "tête fixe" une activation controlatérale du muscle *biventer cervicis*, est évoqué dès lors que la position de l'oeil dépasse la position centrale *droit-devant-dans-l'orbite* du côté controlatéral (Guitton et al., 1980; Roucoux et al., 1980). Cette activation nuquale, dépendante de la position de l'oeil dans l'orbite, met probablement en jeu les neurones réticulo-spinaux (Grantyn et Berthoz, 1985). Nous avons en effet vu que la décharge saccadique des neurones réticulo-spinaux n'apparaît
## Introduction: le colliculus supérieur

qu'à partir du moment où l'oeil dépasse également cette position *droit-devant-dans-l'orbite*. Chez le singe, l'activité électromyographique nuquale évoquée par stimulation colliculaire ne commence à apparaître qu'à partir d'une excentricité de l'oeil dans l'orbite de l'ordre de 20-30° (Stryker et Schiller, 1975). Enfin, Roucoux et al. (1980) constatent que l'amplitude du mouvement du regard est la même, que la stimulation rostrale soit appliquée chez l'animal en condition "tête fixe" ou "tête libre" (voir aussi Paré et al., 1994). Ce résultat extrêmement important suggère que le CS rostral est impliqué dans le contrôle des déplacements du regard plutôt que dans le contrôle exclusif des déplacements du globe oculaire. D'autre part, il suppose une addition linéaire du signal vestibulaire qui est induit par le déplacement de la tête avec le signal de commande oculaire. Roucoux et al. (1980) montrent d'ailleurs que pour ces saccades évoquées par stimulation du CS rostral, le gain du réflexe vestibulo-oculaire est unitaire.

Les mouvements évoqués par microstimulation électrique de la zone intermédiaire se différencient de ceux évoqués par stimulation rostrale dans la mesure où, chez le chat en condition "tête fixe", ils semblent tous dirigés vers une même position dans l'orbite (Guitton et al. 1980; McIlwain, 1986; Paré et al., 1994). Lorsque l'oeil est initialement dans cette position vers laquelle toutes les saccades convergent, la stimulation ne déclenche aucun mouvement, même lorsque la stimulation est maintenue pendant 400 ms. Pour des positions oculaires davantage excentrées par rapport à cette position "craniotopique", c'est une saccade oculaire ipsilatérale qui est produite. Mais sa latence est considérablement augmentée (80-100 ms). Une activité électromyographique est également induite par cette stimulation, mais cette fois-ci, elle ne dépend pas de la position de l'oeil dans l'orbite. En condition "tête libre", les mouvements des yeux et de la tête sont synchrones (latence de l'ordre de 25-30 ms). L'amplitude du mouvement du regard est quasi-exclusivement déterminée par le déplacement de la tête, lequel augmente avec la durée de stimulation jusqu'à une valeur plateau. En ce qui concerne l'oeil, une saccade l'emmène dans une position dans l'orbite similaire à celle qui est définie en condition "tête fixe". Puis l'oeil reste dans cette position pendant tout le reste du déplacement de la tête (Paré et al., 1994). Cette phase de stabilité de l'oeil dans l'orbite au cours du déplacement rapide de la tête suggère une inhibition complète du réflexe vestibulo-oculaire. Roucoux et al. (1980) montrent d'ailleurs que la vitesse de l'oeil est la même que la tête soit fixe ou accompagne le mouvement. Ainsi, contrairement aux mouvements évoqués par stimulation du CS rostral, les mouvements évoqués par stimulation de cette zone intermédiaire se caractérisent par un gain du réflexe vestibulo-oculaire nul.

Lorsque la stimulation est appliquée au niveau de la limite caudale du CS, les saccades évoquées sont toutes dirigées vers le centre du champ oculomoteur (*droit-devant-dans-l'orbite*);
## Introduction: le colliculus supérieur

leurs latences sont cependant beaucoup plus variables et plus longues que celles des saccades évoquées au niveau rostral et intermédiaire (81 ± 31 ms). Tout comme les mouvements oculaires dirigés vers un "but" évoqués après stimulation de la zone intermédiaire chez l'animal en condition "tête fixe", les mouvements de la tête évoqués par la stimulation convergent tous vers une même position finale. Leur latence est cependant très longue et variable (100-150 ms).

Cette nouvelle hypothèse d'un codage dynamique du couplage oculo-céphalique est compatible avec la corrélation entre l'erreur motrice instantanée du regard et le gain du réflexe vestibulo-oculaire suggérée d'abord chez l'homme par Pélisson et al. (1988) et ensuite chez le singe par Tomlinson (1990). Dans cette perspective, le colliculus profond est situé à l'intérieur de la boucle de rétroaction du modèle de Robinson (Robinson, 1975; Laurutis et Robinson, 1986), en aval du comparateur. Aussi, la répartition dynamique de l'activité colliculaire observée par Munoz et al. (1991a,b) ne coderait pas l'erreur motrice en tant que signal contrôlant directement la précision spatiale du regard mais l'erreur motrice en tant que signal contrôlant le gain du réflexe vestibulo-oculaire. L'invasion de l'activité au niveau de la zone rostrale avant la fin du mouvement du regard commanderait le réenclenchement du réflexe vestibulo-oculaire. Une des prédictions de cette hypothèse est que, contrairement à la condition "tête fixe" où la précision des saccades reste préservée (Munoz et Wurtz, 1993b), l'injection de muscimol au niveau de la zone colliculaire rostrale entraîne une hypermétrie des déplacements du regard en condition "tête libre".
# Contribution du cervelet médio-postérieur au contrôle de l'orientation saccadique du regard

## I. Présentation générale du cervelet

Le cervelet est un organe volumineux situé sur la face postérieure du tronc cérébral auquel il est relié par trois paires de gros faisceaux de fibres: les pédoncules cérébelleux supérieurs, moyens et inférieurs. Du point de vue macroscopique, le cervelet est constitué d'un manteau cortical et de noyaux profonds.

### 1. Le cortex cérébelleux

Le cortex cérébelleux est classiquement divisé en trois couches: la couche moléculaire, la couche ganglionnaire et la couche granulaire. La couche granulaire est constituée d'un nombre considérable de cellules excitatrices de petite taille: les grains et d'un groupe de cellules inhibitrices: les cellules de Golgi. Les axones des cellules granulaires se dirigent vers la surface du cortex pour donner naissance à un réseau de fibres parallèles qui s'étendent sur une longueur relativement importante de la couche moléculaire (jusqu'à 6 millimètres). Ces fibres parallèles vont établir des contacts synaptiques excitateurs sur l'arborisation dendritique des cellules de Purkinje situées dans la couche ganglionnaire, des cellules étoilées externes et des cellules en corbeille (enfouies dans la couche moléculaire). Les axones des cellules étoilées externes et des cellules en corbeille établissent une synapse inhibitrice avec les cellules de Purkinje. Les axones issus des cellules de Purkinje se terminent dans leur immense majorité au sein des noyaux cérébelleux profonds; un petit contingent présente un trajet extracérébelleux et atteint le noyau vestibulaire latéral (ou noyau de Deiters). Dans les deux cas, les cellules de Purkinje établissent un contact inhibiteur et utilisent comme neurotransmetteur l'acide gamma-amino butyrique (Gaba). Le système des cellules de Purkinje constitue ainsi l'unique sortie du traitement neuronal effectué au niveau du cortex cérébelleux.

Les afférences cérébelleuses sont regroupées en deux grands systèmes: le système des fibres moussues et celui des fibres grimpantes. Les afférences moussues représentent une voie à conduction rapide par laquelle une activité à haute fréquence en provenance de multiples structures cérébrales vient dépolariser les grains et les cellules de Golgi de la couche granulaire. Les fibres grimpantes en provenance des cellules de l'olive inférieure viennent établir plusieurs
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

centaines de contacts synaptiques avec les cellules de Purkinje. Cependant, contrairement à l'extrême divergence des projections moussues, chaque fibre grimpante ne contacte qu'une seule cellule de Purkinje.

## 2. Les noyaux cérébelleux profonds

Chez le chat, environ deux tiers des contacts synaptiques établis au niveau des cellules nucléaires proviennent des axones des cellules de Purkinje (Palkovits et al., 1977). Ces projections cortico-nucléaires sont caractérisées par un facteur de divergence d'environ 35 (c'est-à-dire qu'une cellule de Purkinje peut potentiellement contacter 35 cellules nucléaires) et un facteur de convergence de 860 (une cellule nucléaire est contactée par environ 860 cellules de Purkinje). L'activité des cellules des noyaux profonds est également influencée par l'excitation apportée par les collatérales des fibres grimpantes et celles de quelques fibres moussues (Llinas et Walton, 1990). Ce potentiel activateur présent au niveau des cellules nucléaires est sous le contrôle d'une puissante inhibition monosynaptique en provenance des cellules de Purkinje (Ito et al., 1970).

Les études *in vitro* (Jahnsen, 1986; Mouginot et Gähwiller, 1995) et *in vivo* (Gardner et Fuchs, 1975; Helmchen et al., 1994; Gruart et Delgado-Garcia, 1994) indiquent que les cellules nucléaires ont une activité spontanée relativement importante. Cette activité spontanée ne résulte pas seulement de l'excitation afférente, elle est également entretenue par des propriétés cellulaires intrinsèques. En effet, lorsque toute influence synaptique extrinsèque est retirée par blocage pharmacologique des récepteurs aux acides aminés excitateurs et des récepteurs Gaba-A, ces neurones manifestent une activité spontanée de type "pacemaker" (Mouginot et Gähwiller, 1995).

Les noyaux cérébelleux constituent le point de départ d'une masse importante de fibres efférentes à destination de multiples territoires du tronc cérébral et du thalamus. A l'exception des projections inhibitrices sur l'olive inférieure, toutes les autres efférences des noyaux cérébelleux sont excitatrices.

## II. Contrôle des saccades oculaires

Les différentes approches de la neurophysiologie ont permis d'identifier plus sélectivement les territoires cérébelleux impliqués dans le contrôle des saccades oculaires. Les études de lésion, de microstimulation électrique, d'enregistrement électrophysiologique et de traçage anatomique convergent toutes pour désigner les lobules VIc et VII du vermis
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

cérébelleux et la partie caudale du noyau fastigial (NFc) comme les territoires cérébelleux impliqués dans la fonction saccadique (figure I-4).

La suite de notre exposé est découpée en quatre parties. Au cours de la première partie, nous aborderons l'apport des études lésionnelles à la compréhension du rôle de ces régions dans le contrôle des mouvements oculaires. Dans la deuxième partie, les résultats des expériences de microstimulation électrique seront présentés. Les données électrophysiologiques et anatomiques seront traitées dans les troisième et quatrième parties, respectivement. Enfin, notre exposé se terminera par la présentation de quelques-uns des modèles théoriques qui ont été proposés pour rendre compte de la contribution du cervelet médio-postérieur au contrôle des mouvements d'orientation du regard.

### 1. Etudes lésionnelles

Compte tenu de l'absence de techniques aussi sophistiquées que celles dont on dispose aujourd'hui pour enregistrer les mouvements oculaires, l'apport des premières études lésionnelles est relativement modeste. Le premier résultat fut de mettre en évidence que le cervelet n'est pas nécessaire pour la production des saccades oculaires. En effet, les études expérimentales chez le singe ayant subi une cérébellectomie complète, montrent que l'animal est toujours capable d'effectuer des saccades dans toutes les directions (Westheimer et Blair, 1974; Burde et al., 1975), qu'elles soient spontanées ou dirigées vers un but.

#### 1.1. Mouvements oculaires spontanés

##### 1.1.1. Lésions du cortex cérébelleux

Après lésion unilatérale des lobules VI et VII chez le singe, Aschoff et Cohen (1971) n'observent pas de nystagmus spontané mais constatent plutôt une tendance marquée de l'animal à regarder spontanément vers l'hémi-champ visuel controlatéral à la lésion. Ce symptôme n'apparaît pas lorsque la lésion du territoire vermien est effectuée de façon symétrique. D'autre part, les saccades controlatérales sont beaucoup plus amples que les saccades ipsilatérales. Sato et Noda (1992a) ont utilisé des techniques pharmacologiques pour éviter les écueils qui sont associés aux techniques d'ablation tels que l'atteinte secondaire rétrograde des noyaux fastigiaux et la plasticité fonctionnelle. En bloquant la transmission cortico-nucléaire par l'injection locale au niveau du NFc d'un antagoniste Gaba-ergique (Bicuculline), ils ont pu étudier les effets d'une décortication cérébelleuse aiguë sur la précision des saccades oculaires. Une telle perturbation réversible n'entraîne pas de nystagmus oculaire
<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure I-4</figcaption></figure>
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

(Sato et Noda, 1992a). Comme dans le cas des lésions corticales, ces auteurs observent une tendance des mouvements oculaires spontanés à être dirigés vers le côté controlatéral au côté injecté.

### 1.1.2. Lésions des structures profondes

Un nystagmus spontané dans l'obscurité est observé par Vilis et Hore (1981b) après refroidissement du noyau fastigial. Les phases lentes essentiellement horizontales sont dirigées vers le côté inactivé. Ce nystagmus résulte très probablement d'une diffusion de l'inactivation jusqu'aux régions vestibulo-cérébelleuses situées ventralement (nodulus et uvula). En effet, l'inactivation pharmacologique du noyau fastigial par injection locale de muscimol (agoniste Gaba-ergique) n'entraîne pas de nystagmus oculaire ni dans la lumière ni dans l'obscurité (Kurzan et al., 1993; Robinson et al., 1993; Ohtsuka et al., 1994).

La production de saccades oculaires est épargnée lorsque les territoires cérébelleux médio-postérieurs sont lésés. L'importance fonctionnelle de cette région dans le contrôle des saccades oculaires devient par contre évidente au vu de la dysmétrie des mouvements dirigés vers une cible après lésion.

## 1.2. La dysmétrie des saccades oculaires

La dysmétrie saccadique est un des symptômes caractéristiques observés lors des lésions du vermis postérieur (homme: Bötzel et al., 1993; singe: Aschoff et Cohen, 1971; Ritchie, 1976; Optican et Robinson, 1980). La dysmétrie signifie que l'amplitude des saccades ne correspond pas à l'amplitude normalement requise. En fonction de l'étendue des lésions, le mouvement est soit trop grand (hypermétrie) soit trop court (hypométrie). Lorsque la lésion affecte le noyau fastigial, les saccades sont hypermétriques tandis que lorsqu'elle affecte le vermis postérieur, on observe plutôt une hypométrie saccadique (Gaymard et al., 1994; Vahedi et al., 1995).

#### 1.2.1. Les oscillations carrées

L'hypermétrie saccadique des patients cérébelleux est souvent accompagnée d'une série de saccades oculaires de part et d'autre de la position de la cible. Ces oscillations carrées ("square oscillations") consistent en une succession de saccades de correction hypermétriques. Curieusement, les oscillations n'apparaissent pas lorsque les saccades sont effectuées dans l'obscurité. En revanche, elles apparaissent lorsque le sujet doit
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

fixer du regard une cible visuelle (Selhorst et al., 1976b; Kase et al., 1985, Gaymard et al., 1994) ou une cible mémorisée (Ohtsuka et al., 1988a). Ritchie (1976) a clairement mis en évidence, chez le singe ayant subi une ablation complète des lobules V, VI et VII, que cette succession de saccades de correction n'est pas pré-programmée sur la base de signaux relatifs à la saccade principale mais constitue un ensemble de saccades en réponse à la présence d'une cible. En effet, il démontre non seulement que l'extinction momentanée de la cible visuelle interrompt l'oscillation, mais aussi que sa réapparition entraîne une reprise des oscillations. Ces mouvements oculaires peuvent être considérés comme de véritables saccades. Du point de vue de leur caractéristiques cinématiques (relation amplitude-vitesse maximale) et de leur latence (de l'ordre de 150 ms), ces oscillations carrées sont identiques aux saccades de correction observées chez le sujet normal (voir aussi Zee et Robinson, 1978).

Enfin, la pratique répétée de saccades vers une même cible ne s'accompagne d'aucun changement dans la précision des saccades (Ritchie, 1976).

### 1.2.2. Influence de la position de l'oeil dans l'orbite

Les travaux de Ritchie (1976) sont à l'origine d'une conception selon laquelle le cervelet interviendrait dans l'ajustement des commandes prémotrices de telle sorte que soient prises en compte les propriétés mécaniques du globe oculaire dans l'orbite. Chez le singe ayant subi une ablation complète des lobules V, VI et VII du vermis et des deux noyaux fastigiaux, l'amplitude de la dysmétrie des saccades oculaires dépend de la position initiale de l'oeil dans l'orbite (Ritchie, 1976). Pour une même excentricité de cible, les saccades centripètes sont fortement hypermétriques tandis que les saccades centrifuges sont orthométriques ou légèrement hypométriques.

L'influence de la position initiale de l'oeil dans l'orbite sur l'amplitude de la dysmétrie a également été examinée, soit après refroidissement unilatéral du noyau fastigial (Vilis et Hore, 1981a), soit après injection unilatérale de muscimol dans la même structure (Robinson et al., 1993). Cette influence n'est alors retrouvée qu'au niveau des saccades ipsilatérales, avec une dysmétrie plus importante pour les saccades centripètes. Par contre, dans une étude récente, Ohtsuka et al. (1994) ont testé spécifiquement cette question par une injection de muscimol au niveau de la partie caudale du noyau fastigial, et n'ont pas retrouvé de différence dans la dysmétrie des saccades centrifuges par rapport aux saccades centripètes.

Lors d'une injection bilatérale, Robinson et al. (1993) observent une hypermétrie bilatérale, avec une plus grande dysmétrie des saccades centripètes par rapport aux saccades centrifuges. De même, chez le singe totalement cérébellectomisé, Optican et Robinson (1980) observent une hypermétrie bilatérale, plus importante pour les saccades centripètes. Par
contre, après lésion électrolytique bilatérale des noyaux fastigiaux et interposés, Goldberg et al. (1993) observent une hypermétrie des saccades centripètes qui dépend de la position initiale de l'oeil et une hypométrie des saccades centrifuges.

Pour Ritchie (1976), la dysmétrie saccadique consécutive aux lésions cérébelleuses ne résulte pas d'un déficit dans la transformation des messages rétiniens mais plutôt d'une perturbation dans le traitement des messages de position de l'oeil dans l'orbite. A cause de cette perturbation, le système saccadique ne parviendrait plus à compenser les propriétés non-linéaires des forces élastiques de rappel qui sont générées par les muscles extra-oculaires (Robinson, 1964; Collins, 1971).

### 1.2.3. Influence de la direction de la saccade

Après injection unilatérale de bicuculline, les saccades dirigées vers le côté injecté (saccades ipsilatérales) deviennent fortement hypométriques tandis que les saccades dirigées vers le côté opposé (saccades controlatérales) sont légèrement hypermétriques (Sato et Noda, 1992a). L'hypermétrie controlatérale n'est cependant pas systématiquement observée: elle n'est apparue qu'au cours de 6 expériences parmi 11.

Cette influence de la direction de la saccade est retrouvée après inactivation pharmacologique de la partie caudale du NF. Après injection de muscimol dans le NFc, les saccades oculaires ipsilatérales sont hypermétriques tandis que les saccades controlatérales sont hypométriques (Robinson et al., 1993; Ohtsuka et al., 1994). D'autre part, Robinson et al. constatent que les saccades verticales sont incurvées vers le côté ipsilatéral au côté injecté (figure I-5). Cette courbure résulterait, selon les auteurs, d'un déséquilibre entre l'activité des deux NFc pendant la production des saccades verticales. En effet, en condition normale, les neurones déchargent de façon à peu près identique lors des saccades verticales (Robinson et al., 1993). L'inactivation unilatérale entraînerait ainsi un déséquilibre entre les deux NFc qui se répercuterait au niveau des générateurs saccadiques, en faveur du générateur ipsilatéral. Si l'absence de courbure au niveau de la saccade verticale nécessite un équilibre entre les deux NFc, l'inactivation unilatérale doit abolir complètement la production des saccades strictement verticales. Or une autre étude montre clairement que le singe qui a subi une injection unilatérale de muscimol est tout à fait capable de produire des saccades verticales parfaitement rectilignes (Ohtsuka et al., 1994: figure I-6). Enfin, un biais positionnel lors de la fixation d'une cible est également observé (Robinson et al., 1993; Ohtsuka et al., 1994). Ce décalage constant est ipsilatéral au site d'injection. Pour Robinson et al. (1993), cette composante oculaire tonique est relativement faible et résulterait d'une diffusion du muscimol vers les régions rostrales du NF, pour lesquelles des projections sur le NPH (intégrateur
<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure I-5</figcaption></figure>

Saccades oculaires centrifuges (en haut) et centripêtes (en bas) effectuées avant (à gauche) et après (à droite) injection de muscimol dans le noyau fastigial gauche chez le singe en condition "tête fixe". La cible visuelle est représentée par un losange.

(Figure extraite de Robinson et al., 1993).
<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure I-6</figcaption></figure>

Saccades oculaires centrifuges (en haut) et centripêtes (en bas) effectuées avant (à gauche) et après (à droite) injection de muscimol dans le noyau fastigial gauche chez le singe en condition "tête fixe". La cible visuelle, représentée par un petit cercle est présentée à l'animal de façon transitoire (75 ms).
*(Figure extraite de Ohtsuka et al., 1994).*
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

horizontal) ont été établies. Pour Ohtsuka et al. (1994), ce biais résulterait de l'inactivation de certaines cellules du NFc dont l'activité tonique est corrélée avec la position de l'oeil et dont la direction préférée est controlatérale. Ces cellules n'ont pas été retrouvées par Fuchs et al. (1993).

### 1.3. Cinématique des saccades

En plus des modifications dans les caractéristiques métriques des saccades, Robinson et al. (1993) observent des changements au niveau des caractéristiques cinématiques des saccades: la vitesse et la durée des saccades deviennent beaucoup plus variables, avec une tendance à ce que la vitesse diminue pour une amplitude donnée. Ce résultat n'a pas été décrit dans le cas des lésions irréversibles. En effet, Selhorst et al. (1976a) et Zee et al. (1976b) n'observent pas chez les patients cérébelleux de changement dans la relation entre l'amplitude des saccades oculaires et leur vitesse maximale. De même, après lésion des lobules VI et VII chez le singe (Aschoff et Cohen, 1971) ou après lésion bilatérale des noyaux fastigiaux et interposés (Goldberg et al., 1993), ces relations sont similaires à celles qui sont observées avant la lésion.

### 1.4. Orientation du regard en condition "tête libre"

Un changement au niveau du gain du réflexe vestibulo-oculaire est décrit dans quelques études cliniques (Zee et al., 1976b; Baloh et al., 1975; 1979). En revanche, une étude plus récente de Vahedi et al. (1995) ne trouve aucune modification du gain du réflexe vestibulo-oculaire chez des patients présentant une atteinte du vermis cérébelleux. De même, l'injection de muscimol au niveau du NFc du singe ne modifie ni le gain ni la symétrie du réflexe vestibulo-oculaire (Kurzan et al., 1993).

Ritchie (1976) note que la dysmétrie des saccades du regard effectuées sans contribution de la tête (condition "tête fixe") n'est pas différente de celle qui est observée lorsque la tête accompagne le déplacement du regard (condition "tête libre"). Il semble néanmoins que cette dysmétrie résulte exclusivement d'un problème oculomoteur puisque les mouvements de la tête ne sont pas affectés par les lésions cérébelleuses. En dépit de ce changement des contributions relatives de l'oeil et de la tête au déplacement du regard, Ritchie ne discute pas à propos d'une participation éventuelle du cervelet dans les mécanismes assurant la coordination oculo-céphalique.

Shimizu et al. (1981b) ont examiné chez 9 patients souffrant d'ataxie cérébelleuse, l'influence du mouvement de la tête sur la dysmétrie du regard. Ils trouvent que la
fréquence et l'amplitude de la dysmétrie ne changent pas entre les conditions "tête fixe" et "tête libre". De plus, au cours d'une autre étude effectuée sur un nombre plus important de patients atteints d'ataxie cérébelleuse, Shimizu et al. (1981a) remarquent que chez les patients hypermétriques, l'amplitude moyenne de la dysmétrie ne change pas entre les conditions "tête fixe" et "tête libre". Par contre, chez les patients hypométriques, l'amplitude moyenne de la dysmétrie change chez 8 patients sur 15 lorsque la tête peut se déplacer (réduction de l'hypométrie pour 4 sujets). Enfin, le gain du réflexe vestibulo-oculaire, calculé pour chacun de ces sujets, n'est corrélé ni avec l'amplitude de la dysmétrie ni au changement de l'hypométrie observé en condition "tête libre".

## 1.5. Conclusions

La lésion des lobules VI et VII (vermis oculomoteur) et de la partie caudale du noyau fastigial entraîne une dysmétrie des saccades oculaires. Après décortication fonctionnelle du NFc par injection locale de bicuculline, on observe une hypométrie des saccades ipsilatérales avec parfois une hypermétrie des saccades controlatérales (Sato et Noda, 1992a). En revanche, lorsque le NFc est inactivé par injection locale de muscimol (Robinson et al., 1993; Ohtsuka et al., 1994), les saccades ipsilatérales sont hypermétriques et les saccades controlatérales hypométriques. Cette dysmétrie est accompagnée d'un autre déficit tout à fait intéressant. L'animal ne semble plus capable de regarder correctement le point de fixation, il dirige systématiquement son regard vers une position qui est décalée vers le côté inactivé par l'injection de muscimol. Une telle fixation décalée, cette fois du côté controlatéral à l'injection, est aussi observée lorsque la bicuculline est utilisée. Il n'existe aucune indication sur une éventuelle relation entre ce biais positionnel et la dysmétrie. Enfin, lorsque l'inactivation est bilatérale, une hypermétrie bilatérale est observée et le biais positionnel subsiste (Robinson et al., 1993). La même observation est faite après cérébellectomie totale (Optican et Robinson, 1980).

Ces observations étant faites chez le singe en condition "tête fixe", la question se pose de savoir si la dysmétrie saccadique relève d'une perturbation sélective des mouvements oculaires ou plutôt d'un trouble de l'orientation du regard. La même étude chez l'animal en condition "tête libre" permettrait de répondre à cette question. Les données bibliographiques dont on dispose à l'heure actuelle sont peu concluantes. En effet, une étude chez le singe, suggèrerait un déficit plutôt au niveau oculomoteur (Ritchie, 1976) tandis que les résultats d'une autre étude chez l'homme serait davantage en faveur d'un déficit au niveau du regard (Shimizu et al., 1981a).
## 2. Etudes de microstimulation électrique

### 2.1. Microstimulation du cortex cérébelleux

#### 2.1.1. Mouvements évoqués

Chez le chat anesthésié (préparation encéphale isolé, section de la moelle en avant du segment C2), la microstimulation électrique des lobules V-VII déplace l'oeil vers une même position finale (Ohtsuka et al., 1987). Pour un site de stimulation donné, les mouvements induits peuvent être aussi bien saccadiques que lents. Lorsque cette position finale est atteinte, aucun mouvement ne peut être produit par la stimulation. L'oeil revient à sa position initiale quand la stimulation s'arrête. Lorsque la stimulation est appliquée simultanément au niveau de deux sites différents, les mouvements convergent vers une autre position finale. Cette nouvelle position finale est approximativement égale à la position qui est atteinte par la somme vectorielle des mouvements évoqués par la stimulation de chacun des deux sites à partir de la position primaire de l'œil dans l'orbite.

Chez le chat éveillé, la microstimulation électrique des lobules V-VII du vermis cérébelleux évoque un mouvement conjugué des deux yeux vers le côté stimulé (Cohen et al., 1965) après une latence d'environ 25 ms (Gauthier et Stark, 1979). Dès l'arrêt de la stimulation, un déplacement des yeux est effectué dans l'autre direction (rebond). D'autre part, le mouvement horizontal de l'œil produit par la stimulation unilatérale peut être bloqué par la stimulation du point homotopique contrôlé (Gauthier et Stark, 1979). Aucune information n'est donnée quant à un éventuel effet de position initiale de l'œil.

Chez le singe, les saccades évoquées par microstimulation électrique des lobules V-VII ont une latence qui est comprise entre 30 et 50 ms pour des stimulations liminaires et qui diminue jusqu'à 25 ms pour des intensités de courant triples du seuil (Ron et Robinson, 1973). Pour la plupart des sites de stimulation, l'amplitude de la saccade dépend de l'intensité de la stimulation. Les composantes horizontale et verticale des saccades augmentent proportionnellement avec l'intensité du courant. Ce type de réponse graduée se distingue des saccades "tout ou rien" évoquées par la stimulation du colliculus supérieur ou du champ oculomoteur frontal. L'amplitude et la direction des saccades évoquées dépendent également de la position initiale de l'oeil. Cette interaction est elle-même sensible à l'ambiance visuelle: l'influence de la position de l'oeil diminue dans l'obscurité totale. D'autre part, la direction des mouvements dépend du lobule stimulé: la stimulation du lobule V évoque plutôt des saccades
Introduction: *le cervelet médio-postérieur*

vers le haut, celle du lobule VII vers le bas tandis que la stimulation du lobule VI produit essentiellement des saccades horizontales ipsilatérales.

Les expériences de microstimulation électrique entreprises par l'équipe de Noda ont permis de localiser chez le singe, un territoire cérébelleux dont la microstimulation avec des courants de beaucoup plus faible intensité évoquait des saccades (Noda et Fujikado, 1987a). En effet, lorsque la stimulation est confinée au niveau de la couche granulaire du vermis oculomoteur, dans une zone où une activité neuronale prononcée est observée en relation avec la production de saccades spontanées ou dirigées, des saccades oculaires peuvent être évoquées avec des courants inférieurs à 10 µA (seuil minimal obtenu: 2-3 µA). Les réponses obtenues par stimulation de cette région lors de périodes de fixation, sont des mouvements oculaires conjugués dont la composante horizontale est dirigée vers le côté stimulé. L'amplitude vectorielle des saccades évoquées augmente proportionnellement avec la durée, la fréquence et l'intensité de stimulation. Quand la stimulation est appliquée au niveau de la couche granulaire, l'amplitude horizontale augmente davantage que lorsqu'elle est appliquée au niveau de la couche moléculaire. Une latence d'environ 39 ms est obtenue pour des courants proches du seuil. Lorsque l'intensité atteint des intensités égales à environ 2-3 fois le seuil, la latence descend à 25 ms. Par ailleurs, la latence de la composante verticale est légèrement plus tardive que celle de la composante horizontale avec un délai d'environ 5 ms. Ces expériences ont également mis en évidence une organisation topographique des saccades évoquées en fonction de leur direction. La stimulation de la partie antérieure entraîne des saccades dirigées vers le haut tandis que la stimulation de la partie postérieure des saccades vers le bas. De plus, la composante horizontale du mouvement évoqué devient plus prononcée lorsque le site de stimulation devient plus latéral. Enfin, lorsque la stimulation est appliquée pendant une saccade oculaire, les seuils de déclenchement diminuent significativement (de 24 à 47%). La latence entre le début de la stimulation et le début de la perturbation ne représente que 26 à 43% de la latence observée lors des périodes de fixation.

Keller et al. (1983) ont également examiné chez le singe, les effets d'une microstimulation appliquée au niveau des lobules V et VI, là où ils ont pu enregistrer une activité électrophysiologique en relation avec des mouvements oculaires. Les saccades évoquées ont une direction ipsilatérale et présentent une latence de 32 ± 5 ms (fréquence seuil à 300 Hz). Cependant, le seuil de courant nécessaire pour déclencher de tels mouvements est relativement élevé: 100-200 µA. Toutefois, quand la microstimulation est appliquée pendant la saccade dirigée vers une cible visuelle, le seuil chute à 20-40 µA. La latence moyenne entre le début de la stimulation et le début d'un changement au niveau du profil de vitesse de la saccade est alors de 10,8 ± 2 ms. Les auteurs expliquent cette chute par le fait que le générateur
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

saccadique est libéré de l'inhibition exercée par les neurones omnipauses et qu'il tombe alors directement sous l'influence du cervelet.

Les saccades évoquées par la microstimulation électrique des lobules VI et VII résultent de l'activation des cellules de Purkinje plutôt que de l'excitation rétrograde des afférences en provenance des structures réticulaires. En effet, la lésion complète et sélective, au niveau du lobule VII, des corps cellulaires par injection locale d'acide kaïnique, abolit la production de saccades normalement évoquées par la microstimulation de cette région (Noda et Fujikado, 1987b). De plus, si la transmission synaptique (Gaba-ergique) entre le vermis oculomoteur et le noyau fastigial est bloquée par l'injection de bicuculline au niveau fastigial (Noda et al., 1988), les saccades ipsilatérales évoquées par la microstimulation électrique de la portion dorsale du noyau fastigial (par laquelle transitent les axones de cellules de Purkinje) sont abolies. Le même résultat apparaît lorsque la microstimulation électrique est appliquée au niveau du vermis oculomoteur (Sato et Noda, 1992a) bien que certaines saccades controlatérales puissent alors être observées. Il est probable que ce changement de direction des saccades résulte d'une diffusion du courant vers le côté controlatéral ou de l'excitation rétrograde des afférences réticulaires en provenance de la formation réticulée pontine paramédiane.

### 2.1.2. Expériences de perturbation transitoire

Une microstimulation intra-saccadique (50ms, 500 Hz, impulsions de 0,2 ms, 20-40 µA) appliquée au niveau des lobules V et VI réduit de façon significative l'amplitude des saccades controlatérales (Keller et al., 1983). Par contre, aucun effet sur l'amplitude des saccades ipsilatérales n'a pu être observé. La réduction de l'amplitude des saccades controlatérales est la même pour les saccades centripètes que pour les saccades centrifuges. De plus, l'hypométrie ne dépend pas, pour une erreur rétinienne donnée, du site de stimulation. En revanche, elle augmente avec l'erreur rétinienne.

Par ailleurs, Ohtsuka et Noda (1991b) ont pu montrer que la microstimulation infraliminaire du vermis oculomoteur (50 ms, 600 Hz, impulsions de 0,2 ms, 3µA) pendant la latence d'une saccade dirigée vers une cible visuelle transitoire (présentée 100 ms plus tôt) entraîne une hypométrie saccadique. Aussi, l'effet de cette stimulation dépend-il considérablement de la latence de la saccade par rapport à la fin de la stimulation. Lorsque la latence est inférieure à 75 ms, la saccade devient hypométrique et une seconde saccade corrige l'erreur. Par contre, pour des saccades qui commencent plus tard (délai supérieur à 100 ms), le mouvement oculaire reste orthométrique.
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

Enfin, des résultats non publiés de Chioran et Noda indiquent que la latence des saccades visuelles est affectée par la microstimulation électrique du vermis oculomoteur (Chioran et Noda, 1990; voir aussi Noda et al., 1990: page 344). Quand la stimulation est appliquée au cours d'une période critique comprise entre 75 et 120 ms après l'apparition de la cible, un déclenchement prématuré de la saccade est observé si la saccade visuelle et la saccade évoquée par stimulation électrique sont de même direction. La saccade qui est produite est alors fortement dysmétrique. Lorsque les deux saccades sont de direction différente, non seulement la position finale est décalée par rapport à la cible dans la direction de la saccade évoquée mais sa latence est également augmentée. Si par contre la stimulation se termine avant cette période critique, le déclenchement prématuré ne se produit pas. Au contraire, un allongement de la latence saccadique d'environ 200 ms est alors observé.

## 2.2. Microstimulation du noyau fastigial

### 2.2.1. Mouvements évoqués

La microstimulation électrique du noyau fastigial évoque des saccades oculaires dont la direction est contrôlatérale par rapport au côté stimulé (résultat chez le chat: Cohen et al., 1965). Les expériences de Noda et al. (1988) chez le singe macaque montrent que les seuils de courant nécessaires pour évoquer des saccades oculaires par microstimulation électrique du noyau fastigial sont inférieurs à 20 µA (fréquence: 600 Hz, durée: 20 ms, impulsions de 0,2 ms). Lorsque la stimulation est appliquée au niveau de la matière blanche qui s'étend rostro-caudalement au-dessus du noyau fastigial ou au niveau de la partie dorsale du noyau, elle évoque des saccades de direction ipsilatérale. Par contre, l'excitation électrique de la partie ventrale du NF évoque des saccades de direction contrôlatérale. Au niveau de la région intermédiaire du NF, on observe que l'amplitude et la direction des saccades dépendent de la position initiale de l'oeil (Murakami et al., 1991). Les saccades évoquées sont alors dirigées vers une position oculaire où la stimulation ne produit plus aucun mouvement. Ce comportement rappelle celui provoqué chez le chat par stimulation des couches profondes du colliculus supérieur (Guitton et al., 1980; McIlwain, 1986). Mais contrairement au cas du colliculus, les positions vers lesquelles convergent les saccades produites sont situées soit dans l'hémi-espace orbital ipsilatéral au site de stimulation soit dans l'hémi-espace contralatéral. Cette zone de transition s'étend sur toute la longueur rostro-caudale du NF. Lorsqu'un site fastigial est stimulé avec des courants d'intensité 1,5 fois supérieur au seuil, la latence moyenne des saccades évoquées est de 16,7 ± 2,2 ms (Noda et al., 1991).
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

Les saccades ipsilatérales évoquées par la stimulation de la partie dorsale sont très probablement dues à l'excitation des axones afférents en provenance des cellules de Purkinje. En effet, l'injection locale de bicuculline au niveau du NFc abolit la production de ces saccades ipsilatérales (paragraphe 1.1. ci-dessus) tandis qu'elle augmente légèrement l'amplitude des saccades controlatérales évoquées par une stimulation plus profonde. Les saccades évoquées par la stimulation des 2/3 rostral du NF ne semblent pas affectées. En ce qui concerne les saccades controlatérales évoquées par la stimulation du tiers postérieur fastigial, elles peuvent soit résulter de l'activation des axones fastigiaux (Noda et al., 1988) soit de l'excitation rétrograde des neurones de la FRpp contralatérale qui projettent sur le noyau fastigial.

### 2.2.2. Expériences de perturbation transitoire

Lorsque la position de l'œil est déviée par microstimulation électrique fastigiale, pendant la période de latence qui s'étend entre l'apparition transitoire (durée: 25ms) d'une cible visuelle et l'initiation d'une saccade, le singe ne compense pas à cette perturbation (Noda et al., 1991). La saccade produite au terme de la perturbation est la même que celle qui aurait été produite si aucune stimulation n'avait eu lieu. L'erreur en distance et en direction de cette saccade est équivalente au vecteur de la saccade de perturbation. Ceci suggère une spécificité du cervelet dans la mesure où des compensations ont été observées lorsque la stimulation est appliquée au niveau du colliculus supérieur (Schiller et Sandell, 1983; Sparks et Mays, 1983; Pélisson et al., 1989; Schlag-Rey et al., 1989), du champ oculomoteur frontal (Schiller et Sandell, 1983; Schlag et Schlag-Rey, 1987) ou du complexe intralaminaire du thalamus (Schlag et Schlag-Rey, 1987). De même, lorsque la stimulation est appliquée au cours de la saccade, la trajectoire de l'œil est modifiée et la saccade ne se termine pas sur la cible mais manque la cible d'une distance et d'une direction équivalente au vecteur évoqué par la stimulation. L'œil commence à s'écarter de sa trajectoire normale avec une latence d'environ 28 ms (27,6 ± 5,6 ms).

Noda et al. (1991) ont pu constater un déclenchement prématuré des saccades lorsque la stimulation est appliquée 75-130 ms après l'apparition de la cible. Alors que la latence moyenne des saccades visuelles enregistrées par Noda et al. (1991) est de l'ordre de 220 ms, la stimulation fastigiale peut réduire cette latence à des valeurs aussi courtes que 92-147 ms. Quand l'intervalle de temps entre l'apparition de la cible et le début de la stimulation est inférieur à 100 ms, la direction initiale de la majorité des saccades correspond à celle de la saccade évoquée par la seule stimulation fastigiale. Pour des intervalles plus longs (100-130 ms), la saccade a une direction qui correspond à la somme vectorielle de la saccade de
perturbation et de la saccade visuelle. Au-delà de 130 ms, les saccades sont dirigées vers la
position de la cible. De plus, les auteurs observent un effet de la position de la cible (ou de la
direction de la saccade visuelle en cours de préparation) sur la probabilité d'apparition de ce
déclenchement prématuré. Malheureusement, aucune précision n'est apportée sur la nature de
cette interaction. Par contre, si on considère l'instant où commencent à interagir les paramètres
spatiaux de la saccade évoquée par stimulation fastigiale avec ceux de la saccade visuelle, ces
résultats semblent indiquer que la direction d'une saccade visuelle est spécifiée au bout de 100
à 130 ms après l'apparition de la cible. Cette durée de spécification est compatible avec les
données de Sparks et al. (1987) sur le déclenchement prématuré de saccades visuelles par
stimulation électrique de la formation réticulée pontine paramédiane. Ces données indiquent
que la spécification des propriétés métriques de la saccade s'établit progressivement sur une
période de 100 ms avant le déclenchement normal du mouvement.

## 2.3. Conclusions

2.3.1. Mouvements évoqués

La microstimulation électrique du vermis oculomoteur évoque une
saccade oculaire ipsilatérale tandis que, lorsqu'elle est appliquée au niveau de la région caudale
du noyau fastigial, c'est une saccade de direction controlatérale qui est observée. Le mouvement
évoqué par la stimulation vermale est aboli lorsque la transmission vermo-fastigiale est bloquée
par injection locale de bicuculline.

Ce dernier résultat est à nos yeux d'une importance considérable car il
met en évidence que le mouvement ne résulte pas de l'activation rétrograde de quelconques
fibres afférentes d'origine réticulaire. De plus, il impose un certain nombre d'étapes synaptiques
pour qu'une inhibition (à savoir la libération de Gaba au niveau du NFc) entraîne une activation
des motoneurones extra-oculaires ipsilatéraux. Une désinhibition semble être requise. Or,
compte tenu du fait que, exceptées celles qui innervent l'olive inférieure, les fibres efférentes
fastigiales sont d'une part excitatrices (Ito, 1984; Oertel, 1993) et d'autre part projettent sur le
tronc cérébral controlatéral, un interneurone inhibiteur, une connexion croisée et une synapse
excitatrice sont nécessaires pour activer les motoneurones. Par ailleurs, le seuil extrêmement
bas de la stimulation et l'activation phasique des motoneurones nécessaires à la production du
mouvement de type saccadique suggèrent ensemble une puissante influence tonique directe ou
indirecte des cellules fastigiales sur cet interneurone inhibiteur.
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

Si le mouvement évoqué par l'inhibition transitoire du NFc (stimulation du vermis oculomoteur) met en jeu l'activation des neurones phasiques et des neurones toniques (à cause du maintien de l'oeil en position excentrée au terme de la saccade) de la formation réticulaire ipsilatérale, la cessation d'activité des neurones omnipauses est une première étape nécessaire pour désinhiber les neurones phasiques. Une projection relativement importante du NFc sur la région du noyau *raphe pontis* est d'ailleurs trouvée par l'équipe de Noda (Noda et al., 1990; Sugita et Noda, 1991). Mais une desinhibition ne suffit pas pour déplacer l'oeil. Une commande activatrice de déplacement doit être générée. Cette commande peut provenir du colliculus controlatéral. La région colliculaire activée doit être désinhibée par l'inhibition transitoire des cellules fastigiales. Si la projection des cellules fastigiales sur la région colliculaire rostrale (May et al., 1990) concerne les cellules de fixation et que ces cellules inhibent des cellules colliculaires d'orientation (Munoz et Wurtz, 1993a,b), alors l'hypothèse d'un déplacement ipsilatéral provoqué par la stimulation du vermis cérébelleux qui transite par les couches profondes du colliculus controlatéral est acceptable. Un tel recrutement est compatible avec les valeurs de latence des mouvements évoqués. La latence des mouvements évoqués par stimulation vermale supraliminaire (25 ms) est dans la gamme des latences de mouvements évoqués par stimulation colliculaire (~20-30 ms; Sparks, 1986). Une prédiction de cette hypothèse est que le singe soit capable de compenser une perturbation transitoire de son regard par microstimulation électrique du vermis cérébelleux de la même façon que lorsque la perturbation est produite par microstimulation électrique du colliculus supérieur (Sparks et Mays, 1983). Un travail de Gochin et McElligott (1987) chez le chat suggérerait le contraire mais les résultats illustrés ne nous semblent pas suffisants (données préliminaires, aucune analyse quantitative, côté stimulé non précisé, etc.) pour exclure cette hypothèse.

Si le mouvement évoqué par l'inhibition transitoire du NFc (stimulation du vermis oculomoteur) ne met pas en jeu l'activation des neurones phasiques ipsilatéraux, il est possible que le mouvement résulte alors uniquement d'une activation des neurones toniques de la formation réticulaire ipsilatérale. Cette hypothèse alternative suppose alors une activation tonique fastigiale sur le NPH controlatéral et des connexions réciproques inhibitrices entre ces deux noyaux bulbaires. Le décalage positionnel de l'oeil vers le côté ipsilatéral (probablement accompagné d'une augmentation de l'activité des neurones toniques du NPH ipsilatéral) après injection de muscimol dans le NFc (Ohtsuka et al., 1994) serait compatible avec une telle interprétation. Néanmoins, on conçoit difficilement comment, selon cette hypothèse, le mouvement évoqué par microstimulation vermale pourrait avoir les caractéristiques de vitesse et de durée d'une saccade.
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

En ce qui concerne les mouvements évoqués par microstimulation électrique du NFc, la direction controlatérale des saccades suggère l'activation des motoneurones du tronc cérébral controlatéral. Ceux-ci pourraient être activés par les neurones phasiques du même côté et sur lesquels projettent probablement les neurones fastigiaux (Noda et al, 1990; Sugita et Noda, 1991). De plus, le fait que la latence des mouvements évoqués par stimulation fastigiale caudale (environ 17 ms) soit proche de celle des mouvements oculaires évoqués par microstimulation électrique du noyau abducens (10-15 ms: Schiller et Sandell, 1983) est compatible avec cette hypothèse. Néanmoins, les données actuelles ne permettent pas de dire si le mouvement évoqué résulte d'une activation rétrograde ou antérograde de ces neurones réticulaires. La persistance ou la disparition de ces saccades controlatérales après lésion pharmacologique du NFc, par injection locale d'une drogue cytolytique telle que l'acide kaïnique, permettrait de vérifier l'hypothèse d'activation rétrograde ou l'hypothèse d'activation antérograde respectivement.

### 2.3.2. Expériences de perturbation transitoire

La microstimulation électrique est capable d'affecter l'amplitude saccadique lorsqu'elle est appliquée pendant la saccade, au niveau des lobules V et VI. Keller et al. (1983) interprètent ce résultat comme témoignant d'une intervention probable de ce territoire dans le contrôle en ligne de la saccade. Cette hypothèse est correcte si les neurones des lobules V et VI sont actifs pendant la saccade controlatérale. Dans le cas contraire, le mouvement observé après microstimulation électrique intra-saccadique est simplement la combinaison d'une saccade controlatérale visuellement dirigée avec une saccade ipsilatérale électriquement déclenchée et non compensée. Cette hypothèse alternative est compatible avec les observations de Ohtsuka et Noda (1991b): la microstimulation infraliminaire du vermis oculomoteur n'a aucun effet sur la saccade controlatérale lorsqu'elle est appliquée plus de 100 ms après l'apparition de la cible.

L'absence de compensation à une perturbation du regard par microstimulation électrique du NFc (Noda et al., 1991) est compatible avec une activation antérograde ou rétrograde de neurones de la formation réticulée controlatérale. En effet, Sparks et al. (1988) ont également remarqué une absence de compensation lorsque la stimulation est appliquée au niveau de certains sites de la formation réticulée pontique.

Enfin, la mise en évidence, par ces expériences de perturbation transitoire, d'effets à la fois sur le déclenchement et les propriétés métriques des saccades en cours de préparation, suggèrent une incidence de telles perturbations sur une étape fonctionnelle
## Introduction: *le cervelet médio-postérieur*

où les processus de déclenchement saccadique entrent en interaction avec les processus de spécification spatiale (Becker et Jürgens, 1979).

# 3. Etudes d'enregistrement électrophysiologique

## 3.1. Enregistrement du cortex cérébelleux

### 3.1.1. Activité sensorielle téléceptive

En 1944, Snider et Stowell remettent en question la conception sherringtonienne selon laquelle le cervelet ne représenterait qu'un centre proprioceptif. En effet, ils mettent en évidence chez le chat anesthésié, des potentiels évoqués au niveau du cortex cérébelleux par des stimulations tactile, auditive et visuelle. Un peu plus tard, Koella (1959) montre chez le chat anesthésié, une activité largement distribuée au niveau des lobules VI et VII en réponse à une stimulation visuelle. Avec les nouvelles techniques d'enregistrement unitaire, Freeman (1970) confirme chez le chat anesthésié, la convergence de signaux visuels, auditifs et tactiles au niveau de ces lobules VI et VII. L'activité cellulaire enregistrée est caractérisée par une courte bouffée de potentiels d'action suivie d'une période prolongée d'inactivité. Aucune organisation topographique précise de cette activité visuelle n'est trouvée (Freeman, 1970; voir aussi Donaldson et Hawthorne, 1979).

Donaldson et Hawthorne (1979) décrivent les propriétés des réponses visuelles des cellules de Purkinje. Tout d'abord, ces cellules ont un champ récepteur rétinien très large. Une décharge de potentiels d'action est produite lors de la présentation (réponse "ON" de type biphasique) ou de la disparition (réponse OFF de type monophasique) d'une barre lumineuse de quelques degrés (environ 1x5°). Puis la cellule devient complètement réfractaire à l'apparition d'une seconde stimulation pendant une période d'environ 200 ms. La plupart des cellules ont une réponse plus intense pour des stimulations binoculaires. Donaldson et Hawthorne (1979) ont ainsi pu mettre en évidence une sensibilité des cellules à des changements de disparité rétinienne horizontale et verticale, et suggérer alors un rôle de cette région cérébelleuse dans les mécanismes assurant le contrôle de la vergence oculaire. Cette hypothèse est compatible avec les déficits oculomoteurs observés par Vilis et al. (1983), la dysmétrie des mouvements visuellement guidés observée chez les patients cérébelleux (Holmes, 1939) et les difficultés à évaluer les distances après lésion des lobules VI et VII chez le chat (Chambers et Sprague, 1955).

Les cellules de Purkinje des lobules VI et VII présentent une sensibilité à la vitesse de glissement de l'image rétinienne. Cette sensibilité est directionnelle: la direction préférée étant la même que la direction du mouvement oculaire lent qui suscite le maximum de
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

décharge (Suzuki et al., 1981). D'autres études électrophysiologiques témoignent également d'une modulation de l'activité des cellules de Purkinje des lobules VI et VII lors des déplacement de la tête, des saccades et des mouvements oculaires de poursuite (paragraphe 3.1.3.).

### 3.1.2. Activité proprioceptive

Les études électrophysiologiques indiquent que les messages proprioceptifs extra-oculaires et nuquaux gagnent les lobules VI et VII du vermis (Fuchs et Kornhuber, 1969; Batini et al., 1974; Berthoz et Llinas, 1974).

#### 3.1.2.1. Proprioception extra-oculaire

Au niveau électrophysiologique, Fuchs et Kornhuber (1969) ont enregistré au niveau du vermis postérieur des potentiels évoqués par l'étirement des muscles extra-oculaires. Cependant, Rhan et Zuber (1971) rapportent que cette réponse persiste même après destruction des pédoncules cérébelleux, expliquant alors cette réponse par une simple conduction volumique. Plus tard, les techniques d'enregistrement unitaire de cellules de Purkinje ont pu démontré de façon définitive une influence de la proprioception extra-oculaire sur le cortex vermien soit par l'étirement des muscles (Batini et al., 1974, Schwartz et Tomlinson, 1977) soit par la stimulation électrique du nerf trijumeau (Baker et al., 1972, Batini et Buisseret, 1972). Ces afférences proprioceptives empruntent les deux systèmes afférents cérébelleux (fibres moussues et fibres grimpantes). Les latences moyennes de réponse sont de 18 ms pour les décharges de fibres moussues, et de 35 ms pour celles des fibres grimpantes. Le délai minimum nécessaire au cortex cérébelleux pour influencer le système moteur oculaire est d'environ 10 ms (Batini, 1979).

Schwartz et Tomlinson (1977) ont enregistré au niveau d'une région limitée du lobule VI des cellules qui étaient sensibles à des étirements passifs appliqués au niveau des muscles extra-oculaires. Cette sensibilité se caractérise par une spécificité soit à la direction dans laquelle les deux globes se déplacent (mouvement vers la droite par exemple) soit au plan dans lequel s'effectue le déplacement (mouvement horizontal par exemple). Ces résultats indiquent que l'organisation des afférences proprioceptives vers cette région du vermis cérébelleux porte une information spécifiquement liée aux aspects spatiaux des mouvements oculaires avec des latences aussi courtes que 6 ms.
3.1.2.1. Proprioception nuquale

La microstimulation électrique de la racine dorsale du segment C2 chez le chat anesthésié décérébré évoque des potentiels de champ au niveau des lobules V et VI du cortex cérébelleux. Ces potentiels résultent de l'activation combinée des fibres moussues et grimpantes. Les réponses des fibres moussues et des fibres grimpantes ont une latence moyenne de 8 ms et 24 ms, respectivement (Berthoz et Llinas, 1974).

3.1.3. Activité vestibulaire et de poursuite lente

Des études anatomiques de marquage par transport rétrograde de HRP indiquent chez le chat une projection des afférences vestibulaires primaires (Kotchabhakdi et Walberg, 1978) et secondaires (Batini et al., 1978) sur les lobules VI et VII. Cette projection est probablement responsable de la sensibilité vestibulaire rapportée par les études d'enregistrement électrophysiologique au niveau des lobules VI et VII (Ferin et al., 1971; Precht et al., 1977).

Suzuki et Keller (1982) mettent en évidence chez le singe une sensibilité vestibulaire horizontale de type I ou de type II des cellules de Purkinje, approximativement en phase avec la vitesse de déplacement de la tête (la tête se déplace conjointement avec le corps). Un peu plus tard, ces auteurs montrent que certaines cellules de Purkinje codent pour la vitesse de déplacement du regard (Suzuki et Keller, 1988a). En effet, les activités associées à la vitesse de l'oeil et de la tête se combinent de façon linéaire pour générer ce signal de vitesse du regard: la somme algébrique de la réponse associée à la vitesse de la tête avec celle liée à la vitesse de l'oeil prédit la réponse lors des mouvements combinés des yeux et de la tête. Enfin, certaines cellules, en plus d'une sensibilité à la vitesse du regard, sont également sensibles à la vitesse du glissement rétinien. Autrement dit, au niveau des lobules VI-VII, certaines cellules de Purkinje coderaient pour la vitesse de déplacement d'une *cible* dans l'espace (Suzuki et Keller, 1988b; voir aussi Suzuki et al., 1981). Il semble que ce codage du déplacement d'une cible dans l'espace soit également présent au niveau du NFc (voir plus loin, Büttner et al., 1991). Pour Keller et Heinen (1991), le vermis cérébelleux influencerait le système de poursuite oculaire lors des changements brusques de vitesse de la cible.
3.1.3. Activité saccadique

Les expériences de Llinas et Wolfe (1977) chez le singe montrent que les cellules de Purkinje des lobules VI-VII du vermis postérieur déchargent une bouffée de potentiels d'action quelques 11 à 24 ms avant le début des saccades horizontales. Cette étude se distingue des enregistrements effectués chez le chat par Waterhouse et McElligott (1980) au niveau des lobules VI et VII. Ceux-ci montrent au contraire que les réponses des cellules de Purkinje peuvent aussi bien précéder que suivre le début des saccades spontanées. Par ailleurs, ces cellules présentent une activité tonique soutenue (fréquence moyenne de 54 Hz) sur laquelle vient se superposer une bouffée d'activité ou une pause lors des saccades. Cette étude n'apporte malheureusement aucun indice sur d'éventuelles relations entre les caractéristiques de décharge et les propriétés spatiales des saccades: ni l'amplitude du mouvement ni la position de l'oeil n'ont été étudiés. Une sensibilité visuelle ou auditive est aussi enregistrée pour certains de ces neurones.

Il existe un recouvrement partiel dans les propriétés oculomotrices des cellules de Purkinje enregistrées au niveau des lobules VI et VII. Sur 25 cellules actives pendant la poursuite oculaire, Suzuki et Keller (1988b) trouvent chez 68% de celles-ci une augmentation ou une diminution de décharge neuronale lors des saccades oculaires. De plus, pour 11 de ces dernières cellules qui codent pour la vitesse de la cible, une diminution d'activité est observée lors des saccades. De la même manière, Suzuki et al. (1981) constatent lors des saccades spontanées, une réduction de l'activité des cellules de Purkinje qui sont sensibles au glissement rétinien. Autrement dit, ce résultat suggère un "double-codage" des cellules de Purkinje: d'un côté une activation coderait pour un déplacement rétinien et de l'autre la réduction d'activité coderait pour la saccade oculaire. Sachant que cette diminution d'activité contribue probablement à une désinhibition des cellules fastigiales, on peut s'interroger sur la nature du signal qui est codé par la bouffée saccadique des cellules fastigiales.

Les cellules de Purkinje qui émettent une bouffée de potentiels d'action ou qui marquent une pause pendant les saccades sont confinées au niveau des lobules VIc et VII (vermis oculomoteur). Ces cellules ne sont pas modulées par le déplacement de la tête. Par contre, les cellules de Purkinje dont l'activité est modulée par la rotation sinusoïdale de la tête selon l'axe vertical, se trouvent essentiellement au niveau des lobules VIa, VIb et VIII adjacents au vermis oculomoteur (Sato et al., 1990; Sato et Noda, 1992b).

Sur la base des caractéristiques de décharge pendant la production de saccades, Ohtsuka et Noda (1995) identifient trois types de cellules de Purkinje au niveau du
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vermis oculomoteur: les cellules phasiques, les cellules pauses et les cellules phasiques-toniques.

### 3.1.3.1. Les cellules phasiques

Les cellules phasiques se subdivisent en deux sous-groupes: les cellules bidirectionnelles et les cellules unidirectionnelles. Les premières montrent un pic de décharge lors des saccades ipsilatérales et controlatérales, tandis que pour les secondes, cette bouffée n'est produite que pour une seule des deux directions. Celles qui déchargent une bouffée de potentiels d'action lors des saccades ipsilatérales marquent une pause lors des saccades controlatérales.

Dans le cadre des saccades ipsilatérales, les cellules phasiques montrent une activité prélude quelque 29,3 ± 24,5 ms (gamme: 7,1-110,9 ms) avant le début du mouvement. Cette décharge se développe graduellement pour atteindre un maximum au début de la saccade avant de chuter brusquement au milieu de la saccade (9,2 ± 11,9 ms avant la fin de la saccade). Lors des saccades controlatérales, la bouffée commence 10,7 ± 20,8 ms (gamme: -19,3-53,5 ms) avant le début de la saccade, se développe beaucoup plus rapidement pour culminer au milieu de la saccade, puis diminue progressivement après la fin du mouvement (fin de la bouffée: 24,3 ± 27,4 ms après la fin du mouvement).

Pour les saccades controlatérales, le délai entre la bouffée saccadique et le début du mouvement dépend de l'amplitude saccadique: il diminue lorsque l'amplitude augmente. Pour les saccades ipsilatérales, l'arrêt de la bouffée saccadique dépend aussi de l'amplitude du mouvement: plus l'amplitude est grande plus l'intervalle de temps entre le début de la saccade et la fin de la bouffée augmente. Ainsi, lorsque l'activité est analysée par rapport à la fin du mouvement, le début de la bouffée pendant les saccades controlatérales et la fin de la bouffée associée aux saccades ipsilatérales précèdent la fin du mouvement d'une même quantité quelle que soit l'amplitude du mouvement.

### 3.1.3.2. Les cellules pauses

Les cellules pauses se caractérisent par un arrêt dans leur décharge uniquement lors des saccades controlatérales. Cette pause d'activité précède le début du mouvement d'environ 17,5 ± 10,6 ms. Elle suit la fin de la saccade d'environ 30,7 ± 36,1 ms.
3.1.3.3. Les cellules phasiques-toniques

Les cellules phasiques-toniques déchargent une bouffée de
potentiels d'action lors des saccades controlatérales suivie d'une décharge tonique qui est
corrélée avec la position oculaire. Cette bouffée d'activité précède le début des saccades
oculaires controlatérales de quelque 9,5 ± 3,9 ms. Lors des saccades ipsilatérales, ces cellules
marquent une pause dans leur activité.

Ces différents types de cellules de Purkinje vont à leur tour moduler
l'activité des cellules du noyau fastigial et ainsi contribuer à l'influence cérébelleuse sur les
mécanismes de l'orientation du regard.

3.2. Enregistrement du noyau fastigial

Avec les études anatomiques, les études d'enregistrement électrophysiologique ont permis d'établir une distinction fonctionnelle entre la région rostrale et la région caudale du noyau fastigial. Si la première semble être davantage le siège de nombreuses activités vestibulaires, la région caudale se caractérise par une activité neuronale principalement associée à la production de saccades.

3.2.1. Electrophysiologie du noyau fastigial rostral

Une sensibilité vestibulaire d'origine otolithique de la région rostrale du noyau fastigial est rapportée par plusieurs auteurs (Chan et al., 1988; Ghelarducci et al., 1974).

L'activité des neurones de la partie rostrale du NF ne semble pas être en
relation avec la production de saccades. En effet, aucune des études effectuées au niveau de
cette région n'a pu mettre en évidence de changement de décharge neuronale lors des
mouvements oculaires saccadiques (Gardner et Fuchs 1975; Büttner et al., 1991). Gardner et
Fuchs (1975) mettent en évidence chez le singe éveillé une forte sensibilité des neurones du NF
rostral à l'accélération angulaire (horizontale et verticale) de la tête.

La majorité des cellules enregistrées au niveau du NF rostral est constituée de neurones présentant une réponse vestibulaire de type II (singe: Büttner et al., 1991; chat: Gruart et Delgado-Garcia, 1994): leur fréquence de décharge augmente lors d'une rotation de la tête vers le côté controlatéral et diminue lors d'une rotation vers le côté ipsilatéral. La plupart de ces neurones répond également aux stimulations optocinétiques. Le déplacement
des stimuli visuels vers le côté ipsilatéral entraîne une augmentation de leur décharge tandis que le déplacement controlatéral entraîne une réduction (Büttner et al., 1991). Des cellules de type I sont également présentes au niveau du NF rostral (Ohtsuka et Noda, 1991a; Büttner et al., 1991). Aucun de ces neurones de la partie rostrale, qu'ils soient de type I ou de type II, n'est inhibé par la microstimulation du vermis oculomoteur (Ohtsuka et Noda, 1991a).

### 3.2.2. Electrophysiologie du noyau fastigial caudal

Les neurones de la région caudale du noyau fastigial sont caractérisés par une activité spontanée relativement importante (entre 7 et 98 potentiels d'action par seconde). Sur cette activité spontanée viennent se greffer des bouffées de potentiels d'action dont la fréquence peut atteindre 700 à 800 impulsions par seconde (Helmchen et al., 1994) à chaque fois que l'animal réalise des saccades oculaires. En plus de cette activité oculomotrice, les neurones du NFc ont également une sensibilité visuelle et vestibulaire.

#### 3.2.2.1. Activité visuelle

Kawamura et al. (1990) ont enregistré, chez le chat anesthésié, les réponses des cellules de la partie dorso-caudale du NF à un choc électrique du chiasma optique (durée de 700 µs, intensité inférieure à 750 µA) ou à la présentation d'un flash lumineux sur un écran situé en face de l'animal. L'influence de la stimulation visuelle se manifeste sur l'activité de ces cellules environ 10 ms plus tard. Elle est caractérisée soit par une pause pour les cellules de type 1 et de type 3, soit par une activation pour les cellules de type 2. La durée de ces modulations de décharge est de l'ordre de 40 ms dans les deux cas. Cette première réponse est suivie d'une seconde phase durant approximativement 200 ms, au cours de laquelle l'activité des cellules est soit facilitée (type 1) soit supprimée (type 2). L'absence de modulation d'activité à des déplacements d'un motif visuel suggère aux auteurs une implication de ces cellules davantage dans le contrôle des saccades visuelles que dans les mouvements oculaires lents. Enfin, aucune réponse visuelle n'a pu être enregistrée au niveau des parties rostrale et ventrale du noyau fastigial.

#### 3.2.2.2. Activité vestibulaire

Furuya et al. (1975) ont exploré toute l'étendue rostro-caudale du NF et signalent que chez le chat, la majorité des cellules fastigiales de type I est située au niveau de la moitié caudale du NF. Les cellules de type II semblent par contre plutôt regroupées au niveau rostral. La latence la plus courte pour produire un potentiel post-synaptique excitateur
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au niveau des neurones du NFc après stimulation du nerf vestibulaire ipsilatéral est de 1 ms. Certains neurones du NFc semblent donc recevoir une excitation monosynaptique des afférences vestibulaires ipsilatérales (Furuya et al., 1975), compatible avec les études de traçage anatomique.

### 3.2.2.3. Activité saccadique

Hepp et al. (1982) ont enregistré au niveau des noyaux cérébelleux médians, une population de neurones ("complex burst neurons") actifs pendant les phases précoce (neurones phasiques accélération: "ACC bursters") ou tardive (neurones phasiques décélération: "DEC bursters") des saccades. Les "ACC bursters" ont une activité qui précède de 15 à 0 ms les saccades de petite amplitude et qui suit le début du mouvement pour les plus grandes amplitudes. Les "DEC bursters" commencent à décharger pendant la phase de décélération quelques 10 à 30 ms avant la fin de la saccade. Une modulation prononcée de l'activité de ces neurones a pu être remarquée lorsque l'animal semblait visuellement attentif: l'activité irrégulière entre chaque bouffée est souvent complètement supprimée et, pour les petites saccades, la fréquence de décharge est fortement augmentée. Par ailleurs, pour certains de ces neurones complexes, la décharge pendant la phase d'accélération de saccades dans une direction est souvent couplée à une décharge pendant la phase de décélération lors de saccades effectuées dans la direction opposée (neurones ACC-DEC). Pour aucune des cellules enregistrées au niveau des noyaux cérébelleux profonds une sensibilité de ces neurones à des changements brusques d'intensité lumineuse n'a pu être mise en évidence.

Ohtsuka et Noda (1991a) ont localisé chez le singe une région située dans la partie caudale du NF où les neurones montrent une bouffée d'activité en relation avec la production de saccades controlatérales et ipsilatérales. La bouffée observée lors des saccades controlatérales précède le début du mouvement d'environ 18 ± 4 ms (bouffée pré-saccadique) tandis qu'elle suit généralement le début des saccades ipsilatérales d'environ 34 ± 7 ms et se termine toujours quelque 30 ms avant la fin du mouvement (bouffée saccadique tardive). Un certain nombre de ces neurones (62 %) sont inhibés par microstimulation électrique du vermis oculomoteur. Une dépression d'activité suit souvent la bouffée présaccadique (60 % des neurones enregistrés) tandis qu'elle semble plutôt précéder la bouffée tardive. Par ailleurs, ces neurones présentent une préférence directionnelle dans la mesure où l'intensité de la bouffée culmine pour une direction particulière et qu'elle diminue progressivement lorsque la saccade s'éloigne de cette direction optimale. Ohtsuka et Noda ont également pu mettre en évidence une relation étroite entre la durée de la bouffée pré-saccadique et la durée de la saccade (0,85 ≤ r ≤ 0,97). Cette relation n'existe pas pour les bouffées tardives. Aucune différence n'est observée
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

entre les décharges neuronales produites lors de saccades centrifuges et les décharges observées lors des saccades centripètes de même amplitude (voir aussi Ohtsuka et al., 1994). Une activité tonique liée à la position de l'oeil dans l'orbite a pu être enregistrée pour certaines cellules. La sensibilité horizontale et verticale de ces unités se limite à l'hemi-champ controlatéral. 38 % de ces neurones montrant une activité tonique sont inhibés par la microstimulation du vermis oculomoteur. La bouffée qui accompagne les saccades spontanées est beaucoup moins vigoureuse que lorsque les saccades sont dirigées vers une cible visuelle mémorisée (Ohtsuka et Noda, 1992a).

Fuchs et al. (1993) distinguent deux groupes de cellules. Les neurones phasiques émettent une bouffée de potentiels d'action lors des saccades de direction ipsilatérale et contralatérale sans jamais montrer de pause ("Fastigial Burst Neurons: FBN"). Le second groupe recouvre les neurones qui, en plus d'émettre une bouffée de potentiels d'action, marquent une pause d'activité lors de certaines saccades. Deux types de neurones entrent dans cette catégorie: les neurones "pause avant bouffée" ("Fastigial Pause before Burst Neurons FPBN") qui montrent une pause avant la production de saccades ipsilatérales et les neurones "bouffée avant pause" (Fastigial Burst before Pause Neurons: FBPN) qui marquent une pause seulement après la bouffée de potentiels d'action. La pause des FPBN commence environ quelques 56 ms (± 22) avant le début de la saccade. Sa durée et son intensité (amplitude de l'inhibition) augmente avec la taille de la saccade. Pour les FBPN, la pause se produit après l'arrêt du mouvement de l'oeil. Pour la plupart des cellules analysées, les caractéristiques de la bouffée d'activité associée à la production de saccades ipsilatérales ne semblent pas être modulées par la position initiale de l'oeil ou par le caractère centripète/centrifuge du mouvement. Par ailleurs, Fuchs et al. constatent des variations considérables dans le motif de décharge des neurones du NFc, même lorsqu'ils sont testés dans des conditions très similaires: saccade de taille, direction et position initiale identiques (voir aussi Sparks et Barton, 1993). Ces variations considérables concernent non seulement la bouffée mais aussi la décharge spontanée "de repos". La latence de la bouffée pour les saccades ipsilatérales décroît avec l'amplitude saccadique. Ceci suggère que le début de la bouffée est corrélé avec la fin de la saccade.

Nous relaterons enfin les observations faites par Büttner et al. (1991) concernant 4 neurones sur un total de 22 neurones caudaux. Ces cellules regroupées dans la catégorie neurones "vitesse du regard" ("gaze velocity neurons") produisent une réponse lors du déplacement d'une petite cible dans le champ visuel extrafoveal. La réponse neuronale au déplacement de la cible ne change pratiquement pas entre la condition où la cible est en position extrafovéale et la condition où elle est activement poursuivie du regard. Les auteurs
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

suggèrent la possibilité que ce type de décharge code pour le déplacement de la cible par rapport au corps.

Enfin, Helmchen et al. (1994) ont étudié les caractéristiques de décharge des neurones du NFc lors des saccades spontanées dans la lumière. La bouffée saccadique des neurones fastigiaux précède le début de la saccade controlatérale d'environ 17,5 ms et la saccade ipsilatérale d'environ 6,5 ms. Aucune différence n'a pu être mise en évidence entre les décharges qui accompagnent les saccades centrifuges et celles qui sont associées aux saccades centripètes.

Chez le chat éveillé, Gruart et Delgado-Garcia (1994) ont pu enregistrer deux types de neurones dont l'activité est sensible aux déplacements saccadiques oculaires. D'une part, les neurones saccadiques déchargent une bouffée de potentiels d'action lors des saccades et des phases rapides des nystagmus optocinétique et vestibulaire. Cette bouffée saccadique précède de quelques 13,3 ± 3 ms le début des saccades ipsilatérales et de 9,0 + 2,7 ms le début des saccades controlatérales. La durée de la décharge augmente avec la durée du mouvement. Ces neurones saccadiques n'ont aucune sensibilité vestibulaire ou optocinétique. D'autre part, les neurones de type I "position-vitesse de l'oeil" ("eye position velocity") présentent une sensibilité de type vestibulaire en plus d'une sensibilité "saccadique". L'activité "saccadique" suit le début des saccades controlatérales d'au moins 10 ms. La fréquence de décharge de ces cellules augmente lors d'une rotation horizontale de la tête vers le côté enregistré ou lors d'une stimulation optocinétique de direction controlatérale et diminue pour une rotation de la tête dans l'autre sens. Ces neurones sont essentiellement localisés au niveau du 2/3 caudal du NF.

# IV Etudes anatomiques

## 1. Afférences du noyau fastigial caudal

L'activité du noyau fastigial est soumise au contrôle inhibiteur du cortex cérébelleux (Ito et al., 1970). Les afférences corticales cérébelleuses du NFc prennent leur origine au niveau des lobules VI et VII du vermis cérébelleux ipsilatéral (Dietrichs, 1983). Ces lobules reçoivent des projections en retour du noyau fastigial (Gould, 1979) ainsi que des projections croisées en provenance des noyaux *reticularis tegmenti pontis*, des noyaux pontiques, des noyaux réticulaires latéral et paramédian, du noyau *raphe pontis*, des noyaux vestibulaires et périhypoglossaux (Batini et al., 1978; Gould, 1980) et de la partie caudale de l'olive accessoire médiane (Hoddevik et al., 1976; Groenewegen et Voogd, 1977).
## Introduction: le cervelet médio-postérieur

Le NFc reçoit aussi des afférences olivaires en provenance de l'olive inférieure (partie caudale de l'olive accessoire médiane) controlatérale (Dietrichs et Walberg, 1985). Ces afférences constituent très probablement des collatérales des fibres grimpantes destinées au cortex cérébelleux (van der Want et al., 1987b).

Par les techniques de traçage antérograde, des projections bilatérales ont pu être mises en évidence en provenance des noyaux *reticularis tegmenti pontis*, noyaux réticulaires latéraux et noyaux vestibulaires médians sur la moitié caudale du NFc (van der Want et al., 1987a; Gerrits et Voogd, 1987). Les techniques de traçage par transport rétrograde de WGA-HRP indiquent que ces projections sont extrèmement modestes (Dietrichs et Walberg, 1987; Brodal et al., 1987).

## 2. Efférences du noyau fastigial caudal

Le NFc projette sur la partie caudale de l'olive accessoire médiane controlatérale (Dietrichs et Walberg, 1985). Ces projections sont très probablement, comme les projections fastigiales sur la partie rostrale de l'olive accessoire médiane (De Zeeuw et al., 1989; Ruigrok et Voogd, 1995), inhibitrices Gaba-ergiques.

La partie caudale du NF se caractérise de la partie rostrale par le fait qu'elle émet des projections ascendantes vers le noyau ventro-médian du thalamus et les couches profondes du colliculus supérieur. Les projections thalamiques sont essentiellement controlatérales (Sugimoto et al., 1981; Jimenez-Castellanos et Reinoso-Suarez, 1985; Kyuhou et Kawaguchi, 1987; Stériade, 1995) tandis que les efférences fastigiotectales sont bilatérales (Roldan et Reinoso-Suarez, 1981; Sugimoto et al., 1982; Kawamura et al., 1982), avec néanmoins une légère prédominance controlatérale (Hirai et al., 1982).

Les projections fastigioréticulaires sont massives et croisées. Elles se distribuent principalement sur les noyaux *reticularis gigantocellularis*, *reticularis pontis oralis* et *reticularis pontis caudalis* où sont regroupés les neurones réticulospinaux et les neurones phasiques excitateurs (Carpenter et Batton, 1982; Homma et al., 1995). Une importante projection sur le territoire des neurones phasiques inhibiteurs est également observée (voir figure 5b de Homma et al., 1995).
Introduction: *le cervelet médio-postérieur*

V. Modèles

Trois modèles théoriques ont été proposés pour rendre compte du rôle du cervelet médio-postérieur dans le contrôle des saccades oculaires. Les deux premiers modèles sont des modèles proposés par des élèves de David Robinson (Optican, 1982; Keller, 1989). A ce titre, ils essaient, sur la base de données comportementales, de situer l'influence du cervelet dans le cadre du modèle fonctionnel proposé par Robinson (1975). Le troisième modèle, plus récent, a évolué de façon indépendante par rapport à l'école robinsonienne. Elaboré par Hiroharu Noda et ses élèves, ce modèle puise sa substance principalement dans les données électrophysiologiques (Noda, 1991; Ohtsuka et Noda, 1991a; Ohtsuka et Noda, 1995).

1. Modèles d'inspiration robinsonienne

Dans le modèle de Robinson (1975), le déplacement de l'oeil vers une cible visuelle est contrôlé par un signal d'erreur motrice (figure I-2). Le signal d'erreur motrice est une représentation interne de l'écart instantané qui sépare le regard de la cible. Il résulte de la comparaison entre un signal interne de position désirée (ou position de la cible) et un signal interne de position instantanée de l'oeil. Ce signal de commande est adressé à un générateur d'impulsion pour être converti en une bouffée de potentiels d'action dont la fréquence instantanée est proportionnelle à la vitesse instantanée du déplacement. Une correction permanente du signal d'erreur motrice est effectuée par le jeu d'une boucle de rétroaction négative. Celle-ci véhicule jusqu'au niveau du comparateur, un signal interne codant la position instantanée de l'oeil, qui résulte de l'intégration (au sens mathématique du terme) d'une copie du signal "de vitesse" envoyé aux motoneurones (copie d'efférence). Le modèle proposé pour rendre compte du contrôle des déplacements du regard en condition "tête libre" possède fondamentalement la même structure (Laurutis et Robinson, 1986; Pélisson et al., 1988). Dans ce cas, le mouvement de la tête est pris en compte par le biais du signal de rétroaction qui représente la position instantanée du regard (somme des positions des yeux et de la tête).

Une autre version de ce modèle de contrôle par rétroaction a été proposée par Jürgens et al. (1981). La structure du modèle reste la même. Seule la nature des signaux et donc des processus qui les génèrent change. Alors que le modèle de Robinson fait appel à des signaux de position, les signaux du modèle de Jürgens sont des signaux de déplacement. Le déplacement de l'oeil est contrôlé par un signal d'erreur motrice qui résulte de la comparaison entre un signal de déplacement désiré et un signal de rétroaction estimant le déplacement effectué. Une version de ce modèle pour la condition "tête libre" est présentée par Guitton (1992).
Introduction: *le cervelet médio-postérieur*

Le modèle de Robinson est également qualifié de spatial car il postule l'existence d'un
codage interne de la position de la cible dans l'espace. Ce signal de position de la cible résulterait
de l'addition du signal rétinien avec une estimation de la position du regard dans l'espace. Par
contre, le modèle de Jürgens et al. (1981) est oculocentrique: un signal en coordonnées
rétiniennes suffit pour spécifier le déplacement désiré (voir aussi Goldberg et Bruce, 1990).

1.1. Modèle de Lance Optican

Pour Optican (1982, 1985), le vermis dorsal fait partie d'un système de contrôle
adaptatif qui interviendrait dans la spécification du signal interne de position désirée (ou
représentation interne de la cible) qui est adressé au comparateur, en amont de la boucle de
rétroaction négative (figure I-7). Le cervelet médio-postérieur ajusterait un gain G<sub>c</sub> sur le signal
de position désirée. Dans ce cas, la dysmétrie cérébelleuse résulterait d'un déficit dans la
spécification du but du mouvement (mauvaise estimation de la position finale désirée).

1.2. Modèle de Edward Keller

Pour Keller (1989), le cervelet serait impliqué dans les processus de spécification
des signaux internes de position oculaire nécessaires pour mettre à jour de façon dynamique
l'erreur motrice (figure I-8). Ainsi, le cervelet serait impliqué dans les processus de guidage en
ligne de la saccade par l'ajustement du gain de la boucle de rétroaction négative. Cette hypothèse
a également été proposée par Vilis et Hore (1981a). Dans ce cadre, la dysmétrie saccadique
résulterait d'une surestimation ou d'une sous-estimation de la position instantanée des yeux ou
du déplacement effectué. Le déficit intervient donc au cours du déplacement, dans le contrôle
du guidage de la saccade vers la cible.
Figure I-7

Le modèle de Lance Optican (1982)

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

Le signal d'erreur rétinienne Er est ajouté à un signal interne estimant la position de l'œil ô pour transformer le signal rétinocentré en un signal de position de cible en coordonnées spatiales ë. Cette transformation est ajustée par un gain (Gain ë ) controlé par le vermis dorsal.

Le signal est alors adressé à un système qui génère le signal de commande de position désirée de l'œil Od. Le générateur d'impulsions produit une bouffée d'innervation adaptée au signal Od. Une copie de cette commande phasique est adressée à l'intégrateur neuronal pour qu'il génère d'une part la commande tonique assurant le maintien de l'œil en position excentrée dans l'orbite et d'autre part l'estimation interne de la position de l'œil ô, utilisée pour la transformation rétino-spatiale et la correction en ligne du signal d'erreur motrice dynamique Emd (d'après Optican, 1982 et Berthoz, 1985: page 198).
Figure I-8

Le modèle de Edward Keller (1989)

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

Le générateur d'impulsions est contrôlé par un signal d'erreur motrice (Em) qui résulte de la comparaison entre un signal de position désirée (Od) et une représentation interne de la position instantanée de l'oeil (δ).

Ce dernier signal est généré par l'intégrateur neuronal à partir d'une copie des commandes phasiques. Sa valeur est ajustée par le Vermis dorsal via le contrôle d'un gain (Gain δ).

(d'après Keller, 1989).
2. Le modèle neurophysiologique de Hiroharu Noda

La nature du modèle qui est proposé par l'équipe de Noda est tout à fait différente. Ce modèle n'est malheureusement pas encore parvenu à un niveau de formalisation comparable aux modèles précédents. Ses prédictions sont donc encore faibles. Néanmoins ce modèle présente le grand avantage de prendre en considération les signaux électrophysiologiques recueillis au niveau du cervelet médio-postérieur.

Pour Ohtsuka et Noda (1991a, 1991b, 1995), les cellules fastigiales fourniraient des signaux temporels pour le contrôle des saccades dirigées vers une cible tandis que les cellules de Purkinje du vermis oculomoteur moduleraient ces signaux en fonction de la direction et de l'amplitude des saccades. La durée de la bouffée pré-saccadique des cellules fastigiales coderait l'amplitude des saccades controlatérales tandis que la bouffée tardive exprimée lors des saccades ipsilatérales contrôlerait la fin des saccades ipsilatérales (Ohtsuka et Noda, 1991a, 1991b). Lors des saccades controlatérales, la pause des cellules de Purkinje "pauses" faciliterait l'initiation de la bouffée pré-saccadique. L'influence excitatrice des fibres moussues sur le NFc serait alors à l'origine du développement de cette bouffée. L'activation d'un autre groupe de cellules de Purkinje, les cellules "phasiques" viendrait ensuite contrôler l'arrêt de la bouffée pré-saccadique et déterminer ainsi la durée du mouvement par l'intermédiaire des neurones phasiques excitateurs et inhibiteurs du tronc cérébral. Lors des saccades ipsilatérales, la décharge des cellules fastigiales serait inhibée par l'activité prélude des cellules de Purkinje "phasiques". Jusqu'à ce que cette inhibition décline, les afférences moussues seraient incapables d'activer les cellules fastigiales. Au cours de la phase tardive, le retrait de l'inhibition exercée par les cellules de Purkinje sur les cellules fastigiales autoriserait la production de la bouffée tardive par l'influence des fibres moussues et donc l'arrêt du mouvement. Cette bouffée tardive activerait les neurones phasiques excitateurs et inhibiteurs du tronc cérébral controlatéral pour freiner et arrêter le mouvement (Ohtsuka et Noda, 1995).

Ce modèle d'inspiration neurophysiologique également repris par d'autres auteurs (Fuchs et al., 1993; Robinson et al., 1993; Helmchen et al., 1994) présente donc deux mécanismes de contrôle de l'amplitude du mouvement. Si on considère par exemple une saccade dirigée vers la droite, sa durée serait d'abord contrôlée par la durée de la bouffée présaccadique des neurones du NF gauche. Le deuxième contrôle se manifesterait par la bouffée tardive des neurones du NF droit.

L'hypométrie ipsilatérale consécutive à l'injection de bicuculline (Sato et Noda, 1992a) au niveau fastigial résulterait de l'absence d'inhibition de la part des cellules de Purkinje: les
premières activations moussues ne seraient pas inhibées et entraîneraient donc l'arrêt du
mouvement. A l'inverse, l'hypermétrie ipsilatérale après inactivation fastigiale par injection
locale de muscimol, résulterait de l'absence de cette bouffée fastigiale tardive (Robinson et al.,
1993; Ohtsuka et al., 1994). Une prédiction de cette hypothèse est que la stimulation intra-
saccadique du vermis oculomoteur doit entraîner une hypermétrie des saccades ipsilatérales en
retardant l'apparition de cette bouffée tardive. Cette expérience n'a pas encore été effectuée. Les
seules données dont on dispose sont les résultats d'expériences de stimulation intrasaccadique
des lobules V et VI (Keller et al., 1983). Lorsque la stimulation (durée: 50 ms) est déclenchée
sur le début du mouvement, aucun effet sur l'amplitude des saccades ipsilatérales n'a pu être
observé.

3. Propriétés de ces modèles

Ces modèles se différencient les uns des autres de par leurs propriétés. Pour le modèle de Optican, l'altération du gain $G_C$ est à l'origine de la dysmétrie: sa réduction entraîne une hypométrie tandis que son augmentation conduit à une hypermétrie. Puisque le générateur d'impulsions est préservé, aucune modification n'est attendue au niveau de la cinématique des déplacements. Les mouvements dysmétriques doivent avoir des caractéristiques de durée et de vitesse comparables à celles des mouvements "normaux" (contrôles) de même amplitude.

Dans le cadre du modèle de Keller, la modification du gain de la boucle de rétroaction conduit à des altérations des caractéristiques métriques (hypermétrie en cas de diminution du gain, hypométrie en cas d'augmentation). Du point de vue cinématique, une augmentation du gain rend le mouvement fortement hypométrique sans changement profond de sa vitesse (Keller, 1989), ce qui doit donc entraîner un changement dans la cinématique (relation amplitude-vitesse maximale) de la saccade.

Enfin, pour le modèle de Noda, puisque la bouffée tardive est responsable du freinage
du mouvement, il est raisonnable de penser que son absence entraîne une hypermétrie par un
allongement de la durée du mouvement. Si le freinage se met en place au cours de la phase de
décélération, la vitesse maximale ne devrait pas être affectée. Par conséquent, pour une
amplitude donnée, une réduction de la vitesse maximale est donc attendue.
But de l'étude

Parmi les structures qui contribuent à la transformation des signaux rétiniens en signaux de commande motrice pour l'orientation du regard vers une cible visuelle, les territoires du cervelet médio-postérieur jouent un rôle primordial puisque leur lésion entraîne une dysmétrie des saccades oculaires. Plusieurs questions se posent quant à la nature des processus qui sont perturbés lors d'une telle lésion. La dysmétrie observée résulte-t'elle d'une perturbation des processus neuronaux qui prennent en charge l'orientation du regard ou concerne-t'elle spécifiquement le contrôle oculomoteur? La perturbation métrique résulte-t'elle d'un déficit qui survient au cours des processus neuronaux qui sont mis en oeuvre pendant le déplacement du regard (tels que les processus de correction du codage de l'erreur motrice ou les mécanismes de freinage du mouvement) ou au cours des processus qui conduisent à la spécification des paramètres spatiaux du but, préalablement à l'initiation du mouvement?

Le but de notre travail est d'apporter des éléments de réponse à ces questions. La nature de la contribution du cervelet médio-postérieur à l'orientation du regard est étudiée chez le chat en condition "tête libre", par l'analyse des conséquences de son inactivation fonctionnelle sur les caractéristiques métriques et cinématiques des mouvements. Une telle perturbation est réalisée par l'injection d'une drogue pharmacologique inactivatrice au niveau du territoire qui constitue la sortie du traitement de l'information effectué par le cervelet médio-postérieur: la partie caudale du noyau fastigial.
# Méthodologie

## I. Techniques

### 1. Enregistrement des mouvements des yeux et de la tête

Les déviations angulaires du regard et de la tête sont enregistrées par un système d'induction électromagnétique décrit par Robinson (1963) et commercialisé par CNC Engineering (Seattle). L'animal est placé dans une enceinte cubique produisant des champs magnétiques alternatifs horizontaux et verticaux, de façon à ce que sa tête se trouve au centre de cette enceinte (rayon = 46 cm). Deux bobines d'induction, constituées de 3 tours de fil métallique isolé par une gaine de téflon, sont placées sur l'animal. La première, suturée sur la sclère de l'oeil droit (autour de l'iris) permet d'enregistrer la direction du regard. L'autre est fixée sur la tête de l'animal et permet d'enregistrer la position de la tête. Pour chaque bobine, un démodulateur traite le courant induit et fournit deux tensions électriques qui varient avec les déviations horizontale et verticale de la bobine (selon une fonction trigonométrique). La bande passante du système est comprise entre 0 et 530 Hz.

Un micro-ordinateur AT386 va linéariser en temps réel les signaux recueillis et produire ainsi des tensions proportionnelles aux déviations horizontale et verticale. Ces valeurs angulaires sont référencées par rapport à la direction "droit devant" définie par l'intersection entre le plan sagittal de l'animal et le plan horizontal passant au niveau des yeux. En ce qui concerne les signaux de position du regard, l'origine du système de coordonnées est déterminée de la façon suivante. Il s'agit d'affecter la valeur nulle au signal de position du regard lorsque le chat fixe une cuillerée de nourriture présentée dans le plan sagittal, 41 cm droit devant lui. Cette valeur est confirmée en vérifiant la symétrie des valeurs acquises lorsque l'animal fixe une cuillerée présentée de part et d'autre d'un écran rectangulaire centré sur le plan sagittal de l'animal (voir partie 2). Une fois cette origine fixée, le gain du signal du regard est ajusté de manière à ce que la valeur de déviation donnée corresponde à l'excentricité réelle de la cible. Plusieurs excentricités de cible sont testées en utilisant des écrans de différente taille. Pour les signaux de position de tête, le système de coordonnées est le même que pour le regard. Le zéro est obtenu en plaçant l'animal (préalablement installé dans un hamac avec la tête maintenue immobile) dans le plan sagittal par un système de contention. L'étape de calibration des signaux indiquant la position de la tête est effectuée une fois pour toutes. En effet, c'est la même bobine qui est utilisée pour tous les animaux: elle est solidarisée sur la tête avec de la pâte à modeler.
## 2. Dispositifs expérimentaux

Deux dispositifs expérimentaux sont utilisés (figure M-1). Le premier dispositif (dispositif "écran") a recours à l'utilisation de différents écrans rectangulaires permettant chacun de présenter une cible à une excentricité particulière par rapport au plan sagittal de l'animal (7, 15, 19, 27 et 35 degrés). La cible vers laquelle doit s'orienter l'animal est simplement une cuillerée de nourriture tenue par l'expérimentateur dans un plan fronto-parallèle (cf conditionnement). Cette cuillère est présentée à l'extrémité d'un écran opaque placé devant l'animal. A l'extrémité distale (par rapport à l'animal) de la cuillère, deux diodes émettrices infra-rouges, situés perpendiculairement l'une par rapport à l'autre, permettent l'enregistrement en temps réel de sa position par deux capteurs infra-rouges (Urquizar et Pélisson, 1992). Les signaux recueillis par ces capteurs sont envoyés à un micro-ordinateur AT386 pour être convertis en valeurs de déviations angulaires horizontale et verticale dans le même système de coordonnées que pour la tête et le regard. Le second dispositif fait appel à un écran panoramique percé de 9 trous de forme carrée (4 x 4 centimètres ou 5,5 x 5,5 degrés). Ces trous sont placé dans le plan horizontal qui passe approximativement au niveau des deux yeux (élévation nulle). L'instant de présentation de la cuillère de nourriture est signalé par un système de diodes émettrices et de capteurs infra-rouges, la présentation de la cuillère étant signalée par la rupture du faisceau infra-rouge. L'éclairage visuel du poste expérimental est assuré par un jeu de fibres optiques placées derrière l'animal.

## 3. Gestion de l'expérience et acquisition des données

Un micro-ordinateur AT486 gère l'acquisition et le stockage des données (logiciel de la société DataWave, U.S.A.). Les valeurs de positions horizontale et verticale du regard, de la tête et de la cible (calculées par le premier micro-ordinateur) sont digitalisées (fréquence d'échantillonnage: 500 Hz par voie) et enregistrées sur disque dur pour une analyse ultérieure. L'acquisition des données se fait par blocs de 2 secondes, chaque bloc correspondant à un essai qui est initialisé par l'expérimentateur. D'autre part, au cours de chacun des essais, l'ordinateur détecte le début du déplacement du regard pour éventuellement commander la fermeture d'un obturateur électronique (temps de réponse: 5 ms) qui va arrêter l'émission de lumière par les fibres optiques, plongeant ainsi l'animal dans l'obscurité totale. Le début du déplacement du regard est détecté par un dispositif électronique qui dérive le signal de position du regard et émet une impulsion chaque fois que le signal dérivé dépasse approximativement la vitesse de 70 deg/s.
Figure M-1

Vue supérieure

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

4. Injection locale de muscimol

L'injection de muscimol (1µg/µl) est effectuée chez le chat éveillé, tête immobilisée, avec une canule dont le diamètre externe est de 230 µm et l'extrémité biseautée sur une longueur d'environ 500 µm. Les positions frontales et latérales de la canule et la profondeur de la progression vers le site d'injection sont contrôlées grâce à un système chronique classique (TrentWells) comprenant une chambre d'enregistrement implantée à demeure sur le crâne, un positionneur micrométrique et un système d'avancement automatique de la canule. L'ouverture de l'extrémité biseautée de la canule est positionnée de telle sorte qu'elle soit systématiquement orientée vers l'arrière.

Après avoir guidé l'extrémité de la canule jusqu'au site désiré, une quantité totale de 0,3 µl est éjectée par pression, à l'aide d'une seringue Hamilton reliée à la canule par un cathéter souple. L'éjection est réalisée par impulsions de 0,05 microlitres réparties approximativement toutes les deux minutes. Lors d'une étude autoradiographique, Martin (1992) montre une diffusion de muscimol (1µg/µl) sur un rayon de 1,7 mm pour un volume d'injection de 1 mm.