Enseignement obligatoire 1 ère ES Cours TP-TD Dossier La communication nerveuse

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1 1 Enseignement obligatoire 1 ère ES Cours TP-TD Dossier La communication nerveuse Tout animal vivant dans un milieu ne peut vivre en harmonie avec celui-ci s il ne prend pas en permanence des informations sur son environnement mais également des informations sur le fonctionnement de son propre organisme. Cette prise d informations est vitale car elle est indispensable aux fonctions - de nutrition (recherche de la nourriture pour la survie de l individu), - de reproduction (recherche d un partenaire sexuel pour la survie de l espèce) - de protection (échapper aux prédateurs et/ou au climat pour la survie de l individu et de l espèce) - et au maintien de l équilibre physico-chimique interne (homéostasie) Dans tous les cas le SN contrôle le comportement et les diverses fonctions du corps, c est un centre de régulation et de communication de l organisme. " Décrire le circuit nerveux présenté ci-dessous, à partir du stimulus (l arrivée du ballon), jusqu à l effecteur. D après SVT 3 ième, Belin 1999, modifié Remérand I/ Le système nerveux : une voie de communication rapide à base de neurones 1.1 La cellule noble du système nerveux : le neurone "A l aide du texte ci-dessous, annoter le schéma d un neurone. Le neurone est une cellule spécialisée dans la réception, la genèse, la propagation et la transmission de messages nerveux. Les neurones possèdent : - des dendrites, ramifications secondaires responsables de la réception des messages nerveux - un corps cellulaire où se trouve le noyau et l essentiel de la machinerie cellulaire, lieu d intégration et de genèse des messages nerveux - un axone, ramification principale du neurone, spécialisée dans la propagation du message nerveux. L axone se ramifie à son extrémité et forme l arborisation terminale. A l extrémité bulbeuse de ces ramifications, appelées boutons terminaux ou

2 2 terminaisons axonales, s effectue la transmission des messages nerveux, dans un seul sens, vers d autres neurones ou vers les effecteurs (muscles ou glandes) par l intermédiaire de synapses (site de transfert du message nerveux). 1.2 L organisation générale du système nerveux? Observer un nerf. A quoi correspond le nerf par rapport au neurone?? Observer la coupe de moelle épinière présentée, au niveau de la zone frontière substance blanche corticale et substance grise centrale.(c est l inverse au niveau de l encéphale!) " A quelle partie d un neurone correspondent les substances blanche et grise? Annoter les deux documents ci-dessous. Coupe transversale de Moelle épinière Limite substance blanche - substance grise

3 3 Des expériences de section de nerfs rachidiens (nerfs arrivant et partant de la M.E.) ont été effectuées chez l animal. Expériences de section Conséquences immédiates La région du corps innervée par le nerf rachidien sectionné perd toute sensibilité et motricité La région du corps innervée par le nerf rachidien sectionné perd toute sensibilité. La motricité est maintenue, que la section soit réalisée d un côté ou de l autre du ganglion spinal. La région du corps innervée par le nerf rachidien sectionné perd sa motricité. " Que peut-on déduire des expériences ci-dessus quant aux rôles des deux racines de la moelle épinière? Les corps cellulaires des neurones sont regroupés dans les centres nerveux (moelle épinière et cerveau) et dans les ganglions nerveux (chaîne ganglionnaire du système nerveux autonome). Si le cerveau et la moelle épinière forment le système nerveux central (SNC), l ensemble des neurones sensitifs et moteurs forme le système nerveux périphérique (SNP). L organisation générale du système nerveux, d après Anatomie et Physiologie Humaine, Marieb, Editions De Boeck Université, 1996, modifié Remérand 2001.

4 4 1.3 Des signaux électriques constituent le message nerveux " A partir du document ci-contre, repérer les signaux électriques élémentaires, puis déduire comment sont codés les messages nerveux? " Sachant qu un message nerveux parcours 2.5 m en 5 ms, calculer la vitesse moyenne de propagation d un message nerveux chez l Homme. " Comparez cette vitesse avec la seconde voie de communication dans l organisme, la voie hormonale. Codage de l information nerveuse, d après Biologie Terminale D, Bordas, 1983, modifié Remérand La transmission des messages s effectue au niveau de la synapse Les neurones forment une chaîne (un réseau) dont les maillons ne sont pas jointifs. En effet, il n existe jamais de contact direct entre les neurones, ils sont contigus et non pas continus. L espace séparant deux neurones est appelé synapse (sunapsis = point de jonction, liaison). Une synapse permet le transfert de l'information d'un neurone à un autre ou d'un neurone à une cellule effectrice (cellules glandulaire et musculaire) par l intermédiaire de molécules ou neurotransmetteurs : dopamine, acétylcholine, sérotonine, enképhaline, glutamate, GABA produites par l organisme. La synapse comporte : - un élément pré-synaptique (avant la synapse) : c est le bouton terminal de l axone émetteur du message nerveux

5 5 - un élément post-synaptique (après la synapse) : c est la membrane plasmique d un autre neurone ou d un effecteur (muscle ou glande) - une fente synaptique : c est l espace entre les deux éléments pré et post-synaptique où traversent les neurotransmetteurs. " Positionner sur le schéma ci-dessous l élément pré-synaptique, post-synaptique et l espace synaptique.?ouvrir le logiciel NeuroSimsynapse et sélectionner fonctionnement d une synapse neuromusculaire. L acétylcholine est un neurotransmetteur. (Les canaux ioniques, Na+, ne nous intéressent pas). Stimuler le neurone pré-synaptique. " Retrouver 5 étapes du franchissement synaptique et donc de la transmission d un message nerveux d un neurone à un autre.? Injecter des doses croissantes d acétylcholine. Ne stimuler pas!!! "Quelles observations peut-on faire? Quel est l acteur du franchissement synaptique? La synapse et le franchissement synaptique. (SVT TL&ES, Bordas, 1991, modifié Remérand 2001) j k m

6 6? Réaliser, pour les 3 documents ci-dessous, un schéma interprétatif dans le cadre de droite prévu à cet effet.? Faire figurer sur le premier document seulement les points suivants : fente synaptique, membrane pré-synaptique, membrane post-synaptique, vésicules de sécrétion bourrées de neurotransmetteurs. Sur les documents suivants faire apparaître, en rouge sur le second, et en vert sur le dernier document, ce qui est différent.? Ecrire une phrase de synthèse pour chaque cas. A très fort grossissement, au niveau de l extrémité d un bouton synaptique, voici ce que l on peut observer dans différentes situations, au microscope électronique ( x ). Sans stimulation Lors d une stimulation Suite à la stimulation " Préciser le mode de codage du message nerveux lors de la transmission synaptique après avoir rappeler le mode de codage de l information nerveuse au niveau d une fibre nerveuse

7 7 La circulation de l information est unidirectionnelle dans ce type de synapse. Les messages nerveux ne sont donc véhiculés que dans un seul sens. II/ La modulation du message nerveux : des exemples avec les enképhalines et leurs récepteurs opioïdes spécifiques La transmission des messages nerveux peut être modulée, augmentée ou diminuée, par des peptides (protides de faibles tailles) tels que les enképhalines, appelés également endorphines ou morphines endogènes (morphines produites par notre organisme donc naturelle). Ces enképhalines agissent à différents niveaux du système nerveux central : moelle épinière et cerveau. Deux exemples de modulation des messages nerveux seront envisagés, l un au niveau de la moelle épinière et l autre dans le cerveau, sites privilégiés des récepteurs à opioïdes, récepteurs spécifiques des enképhalines. Récepteurs à opiacés 2.1 La transmission de la douleur au niveau de la moelle épinière Lors d un coup, des neurones nociceptifs sont stimulés et émettent un message nerveux douloureux vers la moelle épinière puis vers le cerveau. Le message nociceptif, d après Biologie Géologie Ter. S, Science de la Vie et de la Terre, Hachette, 1994, modifié Remérand Dans la corne dorsale de la moelle épinière, les enképhalines interviennent au niveau des neurones nociceptifs, neurones qui acheminent la sensation de douleur via des fibres nerveuses de type C. " A l aide des documents fournis expliquer le rôle et la particularité des enképhalines.

8 8 Au niveau de la racine dorsale de la moelle épinière, des enképhalines sont libérées par des interneurones (neurones intermédiaires entre les neurones sensitifs et les neurones moteurs) spécialisés. Les enképhalines vont se fixer sur les récepteurs à opioïdes localisés dans la membrane des neurones post-synaptiques responsables de la remontée du message douloureux (neurones nociceptifs) jusqu au cerveau où s effectuera la perception de la douleur. Lorsque les enképhalines se fixent sur ces récepteurs à opioïdes, la transmission des messages nerveux nociceptifs vers le cerveau est inhibée : la sensation de douleur s estompe, disparaît. Le mécanisme d arrêt de la douleur, d après les accompagnem ents de programmes 1 eres ES et LS VT, CNDP, 2001, modifié Remérand Le système de récompense au niveau du cerveau Dans le cerveau, les récepteurs à opioïdes sont majoritairement localisés sur la membrane des neurones modulateurs qui influencent l activité des neurones à dopamine. Ces neurones modulateurs entraînent une augmentation ou une diminution de la libération de dopamine par les neurones dopaminergiques. La dopamine contribuant à la sensation de plaisir, la plus ou moins grande quantité de dopamine libérée déterminera la plus ou moins grande sensation de plaisir. La fixation des enképhalines sur les récepteurs opioïdes des neurones modulateurs freinent la libération des neurotransmetteurs de l interneurone inhibiteur. Cette levée de l inhibition (ou diminution d une activité freinatrice) de ces neurones modulateurs sur l activité des neurones à dopamines, entraîne une sécrétion accrue de dopamine à l origine de la sensation de plaisir. Le système de récompense, d après les accompagnement s de programmes 1 eres ES et LS VT, CNDP, 2001, modifié Remérand 2001.

9 9 III/ L action de drogues au niveau du cerveau " Comparer les formes spatiales de la morphine et de l héroïne. Puis comparer les formes spatiales des récepteurs opioïdes avec les enképhalines (endogènes) et les opiacés exogènes (morphine et héroïne). Morphine Héroïne Enképhaline " Quelle conclusion en tirer sur le mode d action des drogues morphine et héroïne? Au niveau de la moelle épinière comme au niveau du cerveau, les enképhalines endogènes, qui interviennent dans l analgésie (disparition de la sensation de douleur) ou la sensation de plaisir, n entraînent jamais de dépendance car elles sont vite détruites par l organisme. Par contre la morphine (extraite du pavot ou issue d une synthèse chimique) et ses dérivés comme l héroïne (transformation chimique de la morphine), molécules exogènes à la configuration spatiale proche des morphines naturelles de l organisme que sont les enképhalines, peuvent être à l origine de phénomène de tolérance ou accoutumance, dépendance physiologique et dépendance psychologique. 3.1 Les effets recherchés des opiacés et autres drogues Les opiacés comme l héroïne et la morphine, en mimant l action des morphines endogènes ou enképhalines, génèrent des sensations : - analgésiques en se fixant sur les récepteurs opioïdes de la moelle épinière - de plaisir en se fixant sur les récepteurs opioïdes du cerveau. La plupart des drogues (héroïne, nicotine, alcool, cocaïne, ectasy, tétrahydrocannabinoïdes) agiraient, par des mécanismes différents, en activant les neurones à dopamines du système de récompense. L action de drogues au niveau du cerveau, d après les accompagnements de programmes 1 eres ES et LS VT, CNDP, 2001, modifié Remérand 2001.

10 Les effets indésirables des opiacés Ainsi, la morphine a des propriétés thérapeutiques très importantes telle son activité analgésique, qui en font un outil indispensable dans la lutte contre la douleur. Mais lorsqu elle est mal utilisée ou utilisée à mauvais escient, elle peut entraîner le développement d une toxicomanie. L héroïne comme la morphine, contrairement aux enképhalines, ne sont pas rapidement dégradées et entraînent des phénomènes de : - tolérance ou accoutumance. La tolérance à une drogue résulte de la nécessité pour obtenir le même effet, quel qu il soit (effet analgésique ou sensation de plaisir pour la morphine par exemple), d augmenter continuellement les doses prises - dépendance physiologique résultant de l apparition, après arrêt de la prise de la drogue (sevrage), d un syndrome (ensemble de symptômes) d abstinence caractérisé par des diarrhées, sudations, lacrymations, tremblements, agitations dans le cas de l abstinence morphinique, hypersensibilité à la douleur et profonde dépression dans le cas de l abstinence à l héroïne. - dépendance psychologique caractérisée par l état de manque, c est-à-dire un besoin irrépressible de reprendre de la drogue, qui est une souffrance psychologique très difficile à supporter (cette envie est plus liée à la dépression et à l hypersensibilité à la douleur, dans le cas de l héroïne, qu à la recherche du plaisir). C est cette dépendance psychologique qui est à l origine du pouvoir toxicomanogène des drogues. 3.3 La mise en place des mécanismes de dépendances et tolérance aux opiacés Le terme de drogue dans le sens courant s'applique plutôt à la prise massive d'analogues (même structure spatiale) de neurotransmetteurs tels la morphine, l'héroïne ou encore la cocaïne. La prise de ces analogues de neurotransmetteurs entraîne dépendance et tolérance (ou accoutumance), après parfois la prise d'une seule dose. Les effets psychotropes (qui modifient le fonctionnement cérébral) et physiologiques souvent néfastes des drogues sont dominés pour certains produits, par la création d un irrépressible besoin de consommer toujours (c est la dépendance) et toujours plus (c est la tolérance ou accoutumance) de substance, au moins autant pour retrouver les sensations vécues, que pour éviter l intense malaise accompagnant leur privation. L expérience toxicomaniaque a pour propriété essentielle de créer des souvenirs tenaces, souvent indélébiles, de plaisirs extrêmes, ce qui explique que le sujet ressent le besoin psychique irrépressible de réitérer l expérience, besoin relayé ensuite par la dépendance physique comme c est le cas des opiacés ou de l alcool. Que ce soit dans le cas de l héroïne ou de la morphine, l héroïnomane et le patient sous morphine vivent les mêmes étapes : dépendance puis accoutumance. Rappel du fonctionnement normal de la douleur On se pique, le neurone sensitif stimulé libère des neurotransmetteurs qui traversent la fente synaptique pour atteindre le neurone suivant qui acheminera alors la sensation douloureuse jusqu au cerveau. La sensation de douleur s estompe lorsque de retour du cerveau, un message nerveux permet la libération d enképhalines qui bloquent la libération des neurotransmetteurs «douloureux» du neurone stimulé par la piqûre. La douleur disparaît.

11 11 Première étape : installation de la toxicomanie, de la dépendance à la drogue L héroïne, comme la morphine, entraîne les mêmes effets que la morphine naturelle, l enképhaline. La molécule étrangère au corps (héroïne ou morphine) jouant le même rôle que l endomorphine naturelle, l organisme «n a plus besoin» de la fabriquer. La production de morphine naturelle par l organisme diminue, compensée par l apport de morphine étrangère au corps. Le nombre de molécule d endomorphine diminuant, la douleur lorsqu elle apparaît demeure plus longtemps car l organisme n a plus assez de morphine naturelle pour freiner la douleur. Pour limiter cette sensation douloureuse, on recommence à prendre de l héroïne ou de la morphine : la toxicomanie s installe, l organisme est devenu dépendant. Deuxième étape : le développement de l accoutumance ou tolérance La douleur est indispensable au maintien de l intégrité de l organisme, c est une alarme. L héroïne ou la morphine limite la sensation de douleur en freinant la libération des neurotransmetteurs «douloureux».

12 12 Les quelques neurotransmetteurs «douloureux» qui traversent la synapse doivent être récupérés afin que la douleur informe le cerveau d un danger. L organisme augmente alors le nombre ou la sensibilité des récepteurs aux neurotransmetteurs «douloureux». L organisme devient très sensible à la douleur puisque la moindre molécule «douloureuse» libérée génère un message nerveux douloureux. Pour diminuer cette sensibilité à la douleur il faut alors prendre une dose d héroïne ou de morphine plus importante pour freiner encore plus la libération des neurotransmetteurs «douloureux», pour compenser donc «l hypersensibilité» à la douleur. C est le développement de l accoutumance ou tolérance. Il faut augmenter les doses pour obtenir les effets recherchés auparavant : diminution de la douleur (ou flash ) Troisième étape : le sevrage Lorsque l apport de morphine étrangère est interrompu (arrêt de prise de drogue), l organisme, ne fabriquant plus de morphine naturelle, ne peut plus freiner la libération des neurotransmetteurs «douloureux» provenant du neurone sensitif dès qu une douleur apparaît. Le message douloureux est exacerbé et perdure car il y a beaucoup de récepteurs à ce neurotransmetteur «douloureux» qui captent les moindres molécules. Les manifestations du sevrage apparaissent donc à l opposé des effets recherchés par la drogue : douleur et dépression (et non plus euphorie et baisse de la douleur). Si le sevrage est maintenu, l organisme recommencera à produire sa propre morphine et les récepteurs aux neurotransmetteurs «douloureux» diminueront en parallèle. Ce retour à l équilibre nécessite de longs mois durant lesquels il faut supporter l hypersensibilité à la douleur et les dépressions, ce qui explique les nombreux échecs lors des tentatives de sevrage complet. La mise en place des mécanismes tolérancedépendance aux drogues opiacées, D après Les drogues, éditions Dominos Flammarion, 1995, modifié Remérand 2001.

13 13 Conclusion Le système nerveux partage avec le système hormonal la tâche de maintenir l homéostasie et de communiquer au sein de l organisme, mais il est le plus rapide et le plus complexe de ces deux systèmes. La vitesse de réaction du système nerveux vient de son «langage»: Les cellules communiquent entre elles et avec les autres cellules au moyen de signaux rapides et spécifiques (les impulsions nerveuses et les neurotransmetteurs) qui entraînent généralement des réponses motrices quasi immédiates des effecteurs musculaires ou glandulaires (sécrétions d adrénaline...). Quelques-unes des actions contrôlées par le cerveau sont conscientes et volontaires, d autres comme la fonction cardiaque sont autonomes, inconsciente. Enfin d autres encore sont mixtes comme la fonction respiratoire qui est autonome mais peut être contrôlée en partie volontairement. Les décisions prises par la moelle épinière sont quant à elles toutes de type «réflexe», donc inconscientes. La dépendance aux drogues est un phénomène complexe qui est tributaire de facteurs psychologiques mais aussi de facteurs environnementaux. L arrêt de la prise de toute drogue nécessite la mise en application d un protocole de sevrage par diminution progressive des doses ou par la prise de molécules de substitution (méthadone dans le cas de l héroïne) qui va permettre progressivement la cessation de toute consommation. Ce protocole nécessite un suivi médical prolongé (de plusieurs mois à plusieurs années) accompagné d un suivi psychologique indispensable. La répétition d une situation ou le retour en un lieu, associés à des prises de drogues antérieures chez un ancien toxicomane, peuvent re-déclencher un phénomène de manque alors que le sevrage de la drogue était considéré comme acquise. Remarques : La méthadone est un analogue structural agoniste de l héroïne, c est-à-dire une molécule qui provoque les «mêmes effets» que l héroïne à ceci près qu elle est digérée et pas injectée d où l absence de flash recherché par les toxicomanes. Héroïne Naloxone Méthadone La naloxone est un analogue structural antagoniste de l héroïne c est-à-dire une molécule qui provoque les «effets inverses» de l héroïne. Cette molécule est injectée en urgence lors d over-dose à l héroïne. La naloxone permet de chasser les molécules d héroïne très rapidement (30 secondes) de leur récepteur opioïde (en prenant leur place) et de sauver ainsi des toxicomanes d une mort certaine par insuffisance respiratoire.

14 14 Bibliographie : Gil R. Neurophysiologie; Collection Abrégés. Editions Masson pages Juan Mendoza J.-L. Cerveau gauche, cerveau droit; Collection Dominos Flammarion; p. Ouvrage collectif. Hommes-femmes, nos différences cachées; Eurêka n 1, Nov Sacks O. L'homme qui prenait sa femme pour un chapeau. Collection Points Essais pages. Snyder S. Les drogues et le cerveau. Editions Belin. L univers des sciences pages.