Historique et définitions

1° L’activité cardiaque et le système nerveux

Malgré le fait qu’Aristote (-384 à -322) considère le cœur comme le siège des sensations et du mouvement volontaire, il rapporte, dans son traité « Du principe général du mouvement dans les animaux », que « certaines parties de l’animal ont des mouvements involontaires » comme le cœur « puisqu’ils entrent en mouvement sans que l’intelligence le leur commande » (Opuscules, ch XI, § 1-3). Il décrit également des variations de ces mouvements qui sont induites soit par l’environnement extérieur soit par des changements internes (Opuscules, ch XI, § 4) (Psychologie d’Aristote, traduit par J. Barthélemy Saint-Hilaire, 1847).

Ultérieurement, Erasistrate de Céos (vers -310 à vers -250), qui peut être considéré comme le père de la physiologie expérimentale grâce à ses nombreuses découvertes obtenues à partir d’expériences animales, démontre le rôle primordial du sang et de la circulation sanguine dans le corps humain, en reconnaissant le cœur au centre du réseau artériel et veineux. Contrairement à la théorie des humeurs, il défend l’idée que le système des veines transporte du sang. Néanmoins, le rôle des artères

reste de véhiculer l’air, ce qui explique selon lui, le pouls. Avec Hérophile de

Chalcédoine (entre -330 et -320 à -260 et -250), il est le fondateur de l’Ecole d’Alexandrie de Médecine et ils sont les premiers à distinguer les nerfs moteurs et sensitifs, en plus de distinguer les principales structures de l’encéphale humain. Ils différencient ainsi les nerfs des vaisseaux sanguins. Hérophile est le premier à découvrir que les artères transportent du sang et non de l’air, s’opposant ainsi aux

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théories antérieures, et à impliquer le rôle du cœur dans les pulsations, comparant celles-ci à la respiration (von Staden, 1989; Lloyd, 1990).

Se basant sur les écrits d’Hippocrate et d’Aristote, Galien (entre 129-131 à 201-216) rédige de nombreux travaux dont certains sur le système nerveux, et notamment sur le parcours de l’influx nerveux. Il décrira les actuels nerfs glossopharyngiens (IX), vague (X), accessoire (XI) et la chaîne ganglionnaire sympathique qu’il regroupe sous le terme de « sixième nerf crânien ». Il décrit également les ganglions cervicaux supérieurs, inférieurs et semi-lunaires ainsi que les ramis communicants. Ces descriptions anatomiques sont encore retrouvées dans « Le traité des nerfs » de Tissot (1728-97) en 1778 (Tissot, 1778). Selon Galien, ces nerfs sont creux, à l’opposition des nerfs moteurs, et permettent le passage ‘des esprits

animaux’ d’un organe à un autre, produisant le phénomène de « sympathie ». Cette

notion ancienne et floue comprend la « coopération et la coordination des organes » comme « l’irritation gastrique produisant une syncope ou des convulsions en étant

transmise via le cerveau et les nerfs au cœur » (Siegel, 1969).

Plus tard, une partie de ses travaux seront revus et critiqués par Vésale (1514-64) (Vesalius, 1543). Mais c’est surtout Eustachi (1524-74) qui en 1563

présente le vague et le sympathique comme deux nerfs différents. Il décrit le

sympathique comme la continuité du nerf abducens (actuel nerf VI) (Eustachio, 1563). Continuant les observations de son prédécesseur, Thomas Willis (1621-75) dans son traité « De cerebri anatome » contenant de remarquables reproductions anatomiques fait progresser considérablement les connaissances et la compréhension du système nerveux autonome. Il sépare le vague du sympathique qu’il renomme « intercostalis », et surtout, fait la différence entre les mouvements volontaires gouvernés par le cerveau et les mouvements involontaires, gouvernés par le cervelet duquel descendent le vague et l’intercostalis. La sympathie circule entre les deux systèmes grâce aux ramis

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communicants. Il explique également que les nerfs autour des vaisseaux sanguins sont capables de constricter ces derniers (Willis, 1664).

En 1732, Winslow (1669-1760) décrit trois « nerfs sympathiques »: le petit nerf sympathique, qui est actuellement le nerf facial; le nerf sympathique moyen, qui est le nerf vague; et le grand nerf sympathique qui correspond à l’intercostalis de Willis ou tronc sympathique et qui est en fait, la chaîne ganglionnaire sympathique. Comme François Pourfour de Petit (1664-1741) en 1727, il considère que le sympathique ne descend pas du cerveau et pense à une origine spinale pour le tronc sympathique, et d’une façon générale que le sympathique est produit de façon indépendante par les ganglions, qui peuvent être considérés comme des petits cerveaux. Il différencie les ramis communicants blancs et gris (Pourfour de Petit, 1727; Winslow, 1732). Néanmoins, Meckel (1714-74) voit dans les ganglions un moyen accru de distribuer les fibres nerveuses (Meckel, 1751).

Bichat (1771-1802) marque une étape tournante dans l’histoire du système nerveux autonome. Il dessine une différence anatomique et physiologique entre deux systèmes nerveux vitaux dans le corps de l’animal: d’une part, la « vie organique » qui représente la vie du cœur, des poumons, des intestins… asymétrique, disharmonieuse mais qui fonctionne en permanence, connectée aux « passions » et dépourvue de conscience, et d’autre part, « la vie animale » qui représente l’activité corporelle extérieure, symétrique, harmonieuse, discontinue, qui dépend des habitudes, de l’éducation et dirigée par l’intelligence. La vie organique prend son origine dans plusieurs centres, les ganglions; tandis que la vie animale prend son origine dans le cerveau (Bichat, 1800). Il dira que le tronc sympathique n’est pas un nerf mais une chaîne de petits cerveaux d’où sortent de nouvelles fibres. Il nomme dès lors cette structure « le système nerveux ganglionnaire » qui prendra successivement les noms

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autonome » par Langley (1852-1925) en 1903 (Bichat, 1800; Reil, 1807; Langley, 1903).

C’est à partir du 19^ème siècle que l’étude des différents systèmes physiologiques

prend son essor, notamment grâce au développement de la microscopie anatomique et des techniques d’enregistrement de l’activité électrique cardiaque ou cérébrale.

Des cellules isolées sont découvertes dans les ganglions (1833-36) (Ehrenberg, 1833; Valentin, 1836).

Remak (1815-65) découvre, en 1838, les fibres non-myélinisées dans le système sympathique qui expliquent les ramis gris et blancs, et que les fibres nerveuses naissent toujours des cellules ganglionnaires. Il décrit les « cylindres axonaux » des nerfs et trouve des accumulations de cellules ganglionnaires dans le cœur (ganglion de Remak) et dans la vessie en 1840 (Remak, 1838, 1840).

En 1842, un manuel de physiologie « L’autonomie du Système Nerveux Sympathique* » est publié par Bidder (1810-94) et Volkmann (1800-77). Ils décrivent les fibres « épaisses » et « fines » du système nerveux, et notamment que les fibres post-ganglionnaires sont plus nombreuses que les pré-ganglionnaires mais n’intègrent nullement les conclusions rapportées par Remak (Bidder and Volkmann, 1842). Bidder découvre d’autres ganglions dans le cœur et en 1865 et 68, montre surtout que le curare ne bloque pas le contrôle cardiaque ou intestinal par la voie du système végétatif (Bidder, 1865, 1868).

En 1840, Henle montre que les fibres nerveuses vont jusqu’aux fibres musculaires des vaisseaux sanguins et les contrôlent. Stilling (1810-79), ami de Magendie et Bernard, invente alors l’expression « système vasomoteur » pour ce système qu’il co-découvre (Stilling, 1840). Le système vasomoteur devient ensuite largement connu grâce aux nombreuses expériences de Bernard (1813-78) et

Brown-Séquard (1817-94) qui définissent alors le sympathique comme vasoconstricteur en

1852 (Bernard, 1852b; Brown-Séquard, 1852). Les frères Weber (Ernest Heinrich,

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1795-1878 et Eduard, 1806-1871) sont capables d’arrêter le cœur par stimulation du vague en 1846 (Weber and Weber, 1846). Ils découvrent alors une notion capitale et tout-à-fait nouvelle en neurophysiologie: l’inhibition. D’autres auteurs montrent la possibilité d’accélérer le rythme cardiaque par stimulation de différentes structures nerveuses (Ackerknecht, 1974). En 1862, von Bezold (1836-1868) répète ces

expériences et démontre un centre moteur cardiaque situé dans le bulbe rachidien

(von Bezold, 1963). Au début des années 1850, Bernard met en évidence que les centres du système végétatif sont situés plus haut dans le bulbe et même dans les ganglions de la base (Bernard, 1852a,c, 1855). D’autres études confirmèrent ces résultats (Eckhard, 1866; Balfour, 1881).

Les travaux modernes sur le système végétatif se basent essentiellement sur les recherches de Gaskell (1847-1914) et Langley de Cambridge. En 1885, Gaskell, orienté d’abord en physiologie cardiaque, démontre que les communications sympathiques avec la moelle se font exclusivement avec les ramis communicants blancs. En 1886, il postule que le sympathique qui vient de la moelle émerge d’une colonne de cellules situées dans la corne latérale de la moelle et qu’il existe deux systèmes antagonistes dans le système involontaire (Gaskell, 1920).

Langley reprend tous ces points dans son travail et développe la notion d’antagonisme entre le système sympathique et parasympathique. A partir d’expériences sur le cœur et l’estomac, et ultérieurement sur les vaisseaux sanguins, il démontre l’existence des neurones pré- et post- ganglionnaires, notamment à partir de 1889, par l’application de nicotine dans les ganglions pour interrompre le fonction-nement synaptique. Par cette technique, il démontre que les fibres sensitives traversent les ganglions sans aucune interruption (Langley, 1921).

En 1904, Elliott (1877-1961) montre que l’épinéphrine a le même effet général que la stimulation du sympathique (Elliott, 1904).

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Les recherches réalisées au cours du 20^ème siècle portent essentiellement sur la

partie intracrânienne du système nerveux végétatif et ses relations avec le système

endocrinien. Les implications de l’hypothalamus, de l’hypophyse et du cortex sont

régulièrement rapportées et leurs interactions sont étudiées (Karplus, Cannon, Cushing, Ranson, Hess…) (Ackerknecht, 1974). En 1912-1913, Cushing (1869-1939) rapporte que le fonctionnement des organes semble être sous le contrôle combiné de la stimulation de certaines structures cérébrales et d’hormones (Cushing, 1912, 1913, 1932). Hess (1881-1973) démontre l’influence de l’hypothalamus sur le système végétatif et différencie des impulsions « trophotrophiques » (relaxantes) produites par le parasympathique et des impulsions « ergotrophiques » (stimulantes) produites par le sympathique (Hess, 1948).

La recherche de la transmission chimique des impulsions nerveuses du système

végétatif est aussi une voie dominante du 20^ème siècle. Dixon (1871-1931) observe en

1907 des effets induits par la muscarine comparables au vague alors que Lehmann décrit les effets de la choline. En 1921, Loewi (1873-1961) découvre que la transmission du vague est due à l’acétylcholine. En 1905, Dale (1875-1968) trouve que l’ergot mime les effets du sympathique tandis que Cannon (1871-1945) isole en 1931 une substance similaire à l’adrénaline, la sympathine. Mais c’est en 1946 que von Euler (1905-83) découvre que le véritable neurotransmetteur du sympathique est la noradrénaline (Ackerknecht, 1974). Depuis lors, les neurones et synapses sont différenciés en adrénergiques ou cholinergiques (Donnerer et Lembeck, 2006).

2° L’électrocardiogramme

Concomitamment au développement de la microscopie qui permet de définir les

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siècle que l’électrophysiologie, découverte par Galvani (1737-1798), est appliquée à l’activité cardiaque (Galvani, 1971).

En 1842, le physicien italien Matteucci (1811-68) démontre que chaque contraction cardiaque s’accompagne d’un courant électrique (Matteucci, 1842). Un an plus tard, le physiologiste allemand Du Bois-Reymond (1831-89) décrit un potentiel d’action accompagnant chaque contraction musculaire, confirmant les observations de Matteucci. Il désigne par "o" le point d'équilibre de l'instrument et par les lettres suivantes de l'alphabet (p, q, r et s, ainsi que k et h) les fluctuations, lentes et mal définies (Du Bois-Reymond, 1843).

En 1872, le physicien français Lippmann (1845-1921) invente l’électromètre capillaire. Il s’agit d’un tube de verre à colonne de mercure et contenant de l’acide sulfurique. Observé au microscope, la hauteur du ménisque varie en fonction du potentiel d’action.

En 1876, Marey (1830-1904) enregistre l’activité électrique du cœur d’une grenouille grâce à l’électromètre capillaire tandis qu’en 1878 et dans les années suivantes, deux physiologistes britanniques, Burden-Sanderson (1828-1905) et Page, enregistrent cette activité électrique cardiaque et constatent qu’elle peut être divisée en deux phases qui seront nommées ultérieurement en phases QRS et T (Marey, 1876; Burden-Sanderson and Page, 1878, 1882, 1884).

En 1887, le physiologiste britannique Waller (1856-1922) publie le premier électro-cardiogramme humain, toujours réalisé à l’aide d’un électromètre (Waller, 1887).

En 1891, les physiologistes britanniques, Bayliss (1860-1924) et Starling (1866-1927), grâce à l’amélioration de l’électromètre capillaire et du changement de position des électrodes, rapportent une variation triphasique accompagnant chaque contraction cardiaque. Ces déflections seront plus tard nommées P, QRS et T (Bayliss and Starling, 1891, 1892).

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En 1893, le terme « électrocardiogramme » est utilisé pour la première fois à

un congrès national (Dutch Medical Association) par Einthoven qui reconnaîtra plus tard l’avoir emprunté à Waller (Einthoven, 1893). En 1895, il utilise un électromètre amélioré et une formule de correction développée indépendamment par Burch. Il décrit cinq déflections qu’il appelle P, Q, R, S et T (Einthoven, 1895). En 1902, il publie le premier électrocardiogramme produit par un galvanomètre qu’il a modifié (Einthoven, 1901, 1902). En 1905, il est capable de transmettre des électrocardio-grammes depuis son hôpital vers son laboratoire grâce à des câbles téléphoniques sur une distance de 1,5 km. Le premier « Télécardiogramme » est né (Einthoven, 1906).

En 1906, Einthoven (1860-1927) publie la première classification des

électrocardiogrammes normaux et anormaux (Einthoven, 1906) qui sera traduite en

anglais en 1957 dans l’« American Heart Journal » (Einthoven, 1957). En 1924, il reçoit le prix Nobel de médecine pour ses travaux sur l’électrocardiographie.

La première revue américaine d’électrocardiographie et le premier traité sont respectivement publiés en 1910 et 1911 (James, 1910; Lewis, 1911).

En 1912, Einthoven décrit un triangle équilatéral formé par les dérivations standard DI, DII et DIII, qui portera ensuite le nom de triangle d’Einthoven. Au cours

de cette année, le terme E.K.G. ou E.C.G. sera employé pour la première fois dans un

journal international, le « Lancet » (Einthoven, 1912). Diverses améliorations techniques sont régulièrement apportées. Les dérivations précordiales sont employées pour le diagnostic médical à partir de 1932 tandis que leurs positions standard sont définies en 1938 par l’association américaine cardiaque et la société cardiaque de Grande Bretagne (Wolferth and Wood, 1932; Barnes et al., 1938)

En 1942, Goldberger (1913-94) ajoute trois dérivations frontales unipolaires (aVR, aVL, aVF), portant ainsi le nombre total de dérivations aux douze voies classiquement utilisées de nos jours (Goldberger, 1942a, b).

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Deux décennies plus tard, les mesures de la variabilité du rythme cardiaque apparaissent (Hon et Lee, 1965).

3° La variabilité du rythme cardiaque et son spectre de puissance

L’importance de la mesure de la variabilité du rythme cardiaque (VRC) est décrite pour la première fois en 1965 par Hon et Lee. Ceux-ci décrivent que la détresse fœtale est précédée d’une modification de la durée des intervalles entre chaque battement cardiaque, avant même l’apparition du changement de rythme cardiaque (Hon and Lee, 1965). Dans les années qui suivent, différents chercheurs dont le groupe de Sayers focalisent leur attention sur l’existence de rythmes physiologiques associés aux variations du signal cardiaque battement-par-battement, et découvrent notamment l’influence de la respiration ou de la neuropathie diabétique sur ces variations (Sayers, 1973; Task Force, 1996).

C’est en 1981 que l’analyse spectrale du signal ECG, et plus précisément des fluctuations du rythme cardiaque, est introduite par Akselrod et ses collaborateurs (Akselrod et al., 1981). Confirmant les trois pics de puissances observés à très basse (0,04 Hz), basse (0,12 Hz) et haute fréquences (0,4 Hz) qui avaient été décrits par

Sayers (1973) (fig. 6), et grâce à l’utilisation d’agents pharmacologiques bloquant

spécifiquement l’activité sympathique ou parasympathique ou en modulant artificiellement les pressions artérielles chez le chien, il démontre que les pics des haute et basse fréquences (HF et BF) reflètent l’activité parasympathique du système nerveux autonome, et que l’influence autonome sympathique mais aussi parasympathique pourraient moduler la composante de très basse fréquence (TBF) (Akselrod et al., 1981). Il est nécessaire de rappeler que la composante de haute fréquence (HF) inclut la fréquence respiratoire, souvent dénommée « arythmie sinusale normale ou respiratoire ». Si cette fréquence respiratoire excède le rythme

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cardiaque moyen, elle peut empêcher l’observation du pic de haute fréquence (Akselrod et al., 1981). Il sera démontré ultérieurement que l’impact de la fréquence respiratoire sur la puissance de HF de la VRC reste faible au cours du repos ou du sommeil (deBoer et al., 1987; Crasset et al., 2001).

Dans les années qui suivent, diverses études comparent les composantes spectrales de la variabilité de l’intervalle R-R et l’activité autonome cardiaque chez l’être humain et l’animal (Akselrod et al., 1981; Pagani et al., 1986; Malliani et al., 1994a,b,c). Les comparaisons sont généralement réalisées avec des méthodes non-invasives (changement de position, substances cardiotropes ou vasculotropes)

(Malliani et al., 1994c; Montano et al., 1994) ou invasives (mesure de l’activité

nerveuse sympathique musculaire, cathétérisme artérielle…) (Somers et al., 1993; Pagani et al., 1986, 1997). Diverses pathologies, notamment cardiovasculaires, sont étudiées sous la lumière de cette analyse fréquentielle afin de prévoir et mieux comprendre les processus pathologiques sous-jacents (Malliani et al., 1994b,c; Somers et al., 1995; Vaninnen et al., 1996).

D’autres composantes que les puissances de basse fréquence (]0,04-0,10] Hz) et de haute fréquence (]0,10-0,40 Hz]), exprimées en unités absolues ou normalisées, sont utilisées pour décrire les influences autonomes sympathiques ou vagales, comme la bande de puissance de très basse fréquence (< 0,03 Hz), la puissance totale correspondant à la somme des puissances de chaque fréquence ≤ 0,40 Hz ou le rapport

BF/HF (Montano et al., 1994; Pagani et al., 1997) (fig. 6). Les unités normalisées (un)

sont définies comme étant le rapport entre la valeur de la puissance dans une bande de fréquence spécifique (BF ou HF de la variabilité du rythme cardiaque) et la valeur de la puissance totale soustraite de la composante de très basse fréquence (= BF + HF) (Pagani et al., 1986, 1997; Montano et al., 1994).

50 Fréquence (Hz) D e n si té d e P u is sa n ce n o rm a li sé e ( d B )

Figure 6. Le spectre de la densité de puissance de la variabilité de l’intervalle R-R au cours d’une période de sommeil (120 s) chez un sujet sain. On y retrouve les bandes de très basse fréquence (<0,03Hz), de basse fréquence (]0,04-0,10] Hz) et de haute fréquence

(]0,10-0,40 Hz]) de la VRC. La puissance y est exprimée en décibels (dB)

(= 20 log10 [densité de puissance normalisée à 1 ms²/Hz]).

Dans son modèle battement-par-battement qui étudie les fluctuations hémo-dynamiques et la sensibilité du baroréflexe chez l’homme, le groupe de deBoer rapporte que l’arythmie sinusale respiratoire retrouvée dans la composante de haute fréquence de la VRC est causée par l’effet du baroréflexe: la respiration fait varier la pression artérielle qui module alors l’activité des barorécepteurs qui sont localisés dans la paroi des artères systémiques. Ils transmettent l’information aux centres cardiovasculaires. Par l’intermédiaire du système nerveux autonome, ces derniers modifient la durée de l’intervalle R-R (durée entre les ondes R de deux complexes QRS successifs) et la résistance vasculaire périphérique essentiellement par l’intermédiaire respectif du système cardiaque parasympathique et sympathique, et du système sympathique périphérique. Aux fréquences respiratoires de repos, le baroréflexe stimule essentiellement la branche parasympathique cardiaque. D’autre part, les ondes de Mayer, aussi appelées ondes à rythme de 10 secondes, observées

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dans les fluctuations de basse fréquence de la variabilité de la pression artérielle, oscillantes à la fréquence de 0,1 Hz et plus lentes que les fluctuations respiratoires comprises entre 0,10 et 0,40 Hz, sont dues au délai de réponse de la branche sympathique lors de la stimulation du baroréflexe. Elles ne seraient pas attribuables à un noyau central qui déchargerait toutes les 10 secondes (deBoer et al., 1987).

De plus, les rythmes lents qui sont observés lors de l’hyperpolarisation des neurones thalamiques au cours du sommeil sont également retrouvés dans le système autonome sympatho-vagal cardiaque par les fluctuations de composantes spectrales de BF et de HF de l’intervalle R-R. Certains auteurs émettent les spéculations que ces rythmes pourraient être attribuables à des neurones bulbaires se trouvant dans les centres cardiovasculaires des noyaux de la base (Oppenheimer et al., 1998; Massimini et al., 2000; Akerstedt et al., 2002).

Etant donné l’incidence accrue d’événements cardiovasculaires entre 4 et 11 heures (Muller et al., 1985, 1987; Marler et al., 1989; Somers et al., 1993; Lavery et al., 1997; Peled et al., 1999), les chercheurs se sont rapidement intéressés à l’évolution de la variabilité de l’intervalle R-R au cours de la nuit (Mancia, 1993; Monti et al., 2002), en fonction des stades de sommeil (Zemaityte et al., 1986; Vanoli et al., 1995; Vaughn et al., 1995; Crasset et al., 2001), et ont tenté d’étudier les interactions potentielles entre les bandes de puissance du domaine fréquentiel de l’EEG de sommeil et les composantes spectrales du signal ECG (Charloux et al., 1998; Otzenberger et al., 1998; Ehrhart et al., 2000; Brandenberger et al., 2001).

2.2. Anatomie

Les explications physiologiques ainsi qu’une partie des descriptions anatomiques ont été tirées d’un traité de physiologie (Medical Physiology, Guyton, 8° éd., 1991). Les descriptions anatomiques plus précises proviennent de livres

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anatomiques spécialisés (Anatomie Humaine, Rouvière et Delmas, tomes 2 et 3, 12° éd., 1990).

Seuls les éléments permettant une meilleure compréhension ont été retenus et certaines descriptions ont été simplifiées de façon à ne pas surcharger la lecture.

1° Les centres nerveux supérieurs

Un grand nombre d’aires localisées dans la substance réticulée de la protubérance, du mésencéphale et du diencéphale peuvent individuellement exciter ou inhiber le centre vasomoteur qui contrôle, via le système nerveux autonome, le système cardiovasculaire.

D’une façon globale, la partie la plus latérale et supérieure de la substance

réticulée provoque l’excitation alors que les parties plus médiales et inférieures provoque l’inhibition.

L’hypothalamus joue un rôle particulier dans le contrôle du système vasoconstricteur via les centres vasomoteurs. Les parties postéro-latérales exercent une action principalement excitatrice alors que la partie antérieure, selon la région stimulée, crée une excitation modérée ou une inhibition.

Différentes parties du cortex cérébral peuvent également exciter ou inhiber le

centre vasomoteur comme le lobe temporal antérieur, les aires orbitales du cortex