NEURONE ET FIBRE MUSCULAIRE : LA COMMUNICATION NERVEUSE

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1 NEURONE ET FIBRE MUSCULAIRE : LA COMMUNICATION NERVEUSE 1ère PARTIE (8 points). Lors d une visite médicale permettant d établir un certificat d aptitude à la pratique d activités sportives, le médecin vérifie l intégrité du système neuromusculaire en testant notamment la mise en œuvre d un réflexe myotatique au niveau rotulien ou au niveau achilléen. Décrire les différents éléments mis en jeu dans le réflexe myotatique, préciser les caractéristiques des messages nerveux propagés par ces éléments puis indiquer en quoi ce test médical permet de vérifier le bon fonctionnement de la commande neuromusculaire. L exposé devra présenter une introduction, un développement et une conclusion. Il devra être accompagné du schéma de l arc réflexe mis en œuvre dans le cas du réflexe myotatique. 1ère PARTIE : Mobilisation des connaissances (8 points). La myasthénie est une maladie caractérisée par une atteinte de la synapse neuromusculaire entraînant une faiblesse de la musculature squelettique et une fatigabilité excessive. Elle est causée par des anticorps circulants qui ciblent les récepteurs à acétylcholine de la synapse neuromusculaire, inhibant l effet excitateur de ce neuromédiateur. SYNTHÈSE : (5 points) Expliquer le fonctionnement d une synapse. Votre synthèse prendra la forme d un texte structuré s appuyant sur un schéma légendé et annoté. 1ère PARTIE : Mobilisation des connaissances (8 points). Le réflexe myotatique, un réflexe spinal Le réflexe myotatique et le réflexe général de flexion sont des réflexes spinaux, c est-à-dire qu ils impliquent la moelle épinière. Dans un ouvrage destiné à des étudiants, la présentation de ces réflexes est réalisée sous forme de fiches comme celle présentée ci-dessous. Le réflexe général de flexion

2 Intérêt médical la détection de l altération de ce réflexe permet, par exemple, de diagnostiquer une congénitale à la douleur insensibilité Facteur déclenchant stimulation douloureuse Structures mobilisées récepteurs à la douleur de la peau neurone afférent (1) centre nerveux qui contient plusieurs synapses (polysynaptique) motoneurones (2) effecteurs : les muscles Réponse musculaire du côté de la stimulation douloureuse (homolatéral) : contraction des muscles fléchisseurs et relâchement des muscles extenseurs. Du côté opposé (contralatéral) : contraction des muscles extenseurs et relâchement des muscles fléchisseurs. D après Jean-F Vibert, Alain Sebille, Marie-Claude Lavallard-Rousseau, Leonor Mazières et François Boureau, Neurophysiologie, de la physiologie à l exploration fonctionnelle, ed. Elsevier Masson, 2011 Vous êtes un rédacteur participant à la conception de cet ouvrage. 1/ Réaliser une fiche de présentation du réflexe myotatique sur le modèle de celle du réflexe général de flexion. 2/ Présenter ensuite la nature et le mode de transmission du message nerveux depuis sa naissance jusqu à la réponse musculaire. Aucune exploitation du contenu de la fiche modèle n est attendue. L exposé sera présenté sous forme d une fiche réalisée sur une double page (sans écrire dans les marges de la copie), complétée par un paragraphe (sans introduction ni conclusion).

3 1ère PARTIE (8 points). Cette partie I comprend deux sous-parties : un questionnaire à choix multiple (QCM) et une question de synthèse. Le candidat traitera les deux sous-parties. Le réflexe myotatique, qui provoque la contraction d un muscle suite à son propre étirement, met en jeu différents éléments qui constituent l arc réflexe. Document de référence : Coupe transversale au niveau de la moelle épinière QCM : 3 points À partir du document de référence et de l utilisation des connaissances, répondre aux questions suivantes en indiquant, sur la copie, le numéro de la question et la lettre correspondant à l unique bonne réponse. 1- Au niveau de la moelle épinière, la section de la racine ventrale d un nerf rachidien : a) entraîne la paralysie des muscles innervés par les fibres de ce nerf. b) entraîne la suppression de la sensibilité des muscles innervés par ces fibres. c) n entraîne pas la paralysie des muscles innervés par ces fibres. d) entraîne la perte de sensibilité et de la motricité des muscles innervés par ces fibres. 2- Un message nerveux enregistré dans un motoneurone : a) a une vitesse de propagation variable. b) est codé en fréquence de potentiels d actions. c) est généré quelle que soit l activité de la stimulation. d) se propage des terminaisons axonales vers le corps cellulaire. 3- Le message nerveux enregistré au niveau d une fibre neuronale issue d un récepteur sensoriel localisé dans un musclé étiré : a) est un potentiel de repos. b) se propage le long d un neurone dont le corps cellulaire se situe au niveau d un ganglion rachidien. c) a été généré au niveau du corps cellulaire situé dans les muscles. d) provient de la synapse neuromusculaire. Synthèse : 5 points En s appuyant sur un schéma fonctionnel, expliquer comment fonctionne la synapse neuromusculaire provoquant la contraction du muscle.

4 2ème PARTIE Exercice 1 (3 points) NEURONE ET FIBRE MUSCULAIRE : LA COMMUNICATION NERVEUSE Motricité et plasticité cérébrale Le cortex, partie la plus externe du cerveau se caractérise, entre autres, par sa plasticité. Certaines aires semblent dédiées à l accomplissement de tâches définies. Dans le cas de la lecture, on parle des aires cérébrales de la lecture, visibles dans le document 1. À partir des informations issues des documents montrer que, même si l aire impliquée dans la reconnaissance des mots a toujours la même localisation, il existe une plasticité fonctionnelle. Document 1 : Les aires impliquées dans la lecture Lors de la lecture, certaines aires du cerveau sont spécifiquement activées. Le toucher en active d autres. Document 2 : Document 2a : protocole expérimental. Deux groupes de sujets ont été utilisés pour une expérience portant sur la lecture. Toutes les personnes participantes sont voyantes et savent lire. Un groupe a les yeux entièrement masqués durant les cinq jours de l expérience (groupe A), l autre non (groupe B). Les deux groupes de personnes sont immergés dans un programme de stimulation tactile, incluant une éducation intensive de la lecture en braille (lecture basée sur le toucher des doigts). Des IRM fonctionnelles (IRM f) ont été réalisées au jour 1 et au jour 5 de cette expérience, pendant un exercice de lecture en braille pour les deux groupes.

5 Document 2b : résultats des IRM f réalisées sur les deux groupes de sujet. 2ème PARTIE Exercice 1 (3 points) Une patiente sans cervelet Suite à des vertiges et des nausées, une femme âgée de 24 ans passe une IRM prescrite par ses médecins. L examen révèle qu elle n a pas de cervelet. Elle indique aux médecins qu elle a appris à marcher et à parler tardivement vers l âge de 6 ans. Aujourd hui, cependant, elle ne souffre que de légères difficultés pour se déplacer et s exprimer.

6 La flèche indique le cervelet. D après F. Yu et al., Brain, 2014 À l aide de l exploitation des documents, émettre une hypothèse pour tenter d expliquer comment cette jeune femme, malgré l absence de cervelet, peut parler et marcher. Document 1 : le rôle du cervelet Le cervelet, aussi appelé «petit cerveau», est situé en dessous des deux hémisphères. Il représente environ 10 % du volume total du cerveau mais contient 50 % des neurones. Le cervelet a plusieurs rôles : il assure la régulation, la coordination et la synchronisation des activités musculaires de mouvements volontaires tels que la marche ou l articulation de la parole, et il permet également le contrôle des activités musculaires de la posture et de l équilibre par exemple. D après le site Document 2 : représentation des aires motrices de deux groupes de singes Des chercheurs se sont demandé si l apprentissage d une nouvelle tâche pouvait modifier l organisation du cortex moteur. Ils ont séparé des singes écureuils en deux groupes : un premier groupe devait saisir les croquettes sur un grand plateau comme à leur habitude, à pleine main. Sur les grands plateaux, les singes peuvent saisir les croquettes avec l ensemble de la main. un deuxième groupe a été entraîné à saisir les croquettes sur un petit plateau. Sur les petits plateaux, les singes ne peuvent saisir les croquettes qu avec un ou deux doigts et non plus avec l ensemble de la main. Après récupérations de croquettes pour chacun des groupes, les chercheurs ont établi les cartes motrices correspondant aux doigts, au poignet et à l avant-bras (c est-à-dire les territoires du cerveau activés lorsque les doigts, le poignet et l avant-bras sont en mouvement).

7 D après Frontiers in Human Neuroscience, Décembre ème PARTIE Exercice 1 (3 points). Expérience de Loewi sur la transmission synaptique Ce sujet permet d utiliser les connaissances acquises sur la communication nerveuse et le fonctionnement des synapses. Aucune connaissance sur le fonctionnement cardiaque n est nécessaire pour répondre au sujet.

8 À partir de l exploitation du document, répondre au QCM en cochant la bonne réponse. Document : expérience de Loewi En 1921, Otto Loewi a réalisé une expérience célèbre sur le contrôle du coeur par le système nerveux. Il a prélevé les coeurs de deux grenouilles : le coeur de la grenouille 1 est prélevé avec un des nerfs cardiaques ; le coeur de la grenouille 2 est prélevé sans aucun nerf. Lorsque l on prélève le coeur d une grenouille, celui-ci peut continuer à battre plusieurs minutes lorsqu il est placé dans un liquide convenable (automatisme cardiaque). Loewi a placé les deux coeurs dans 2 béchers, reliés entre eux. Le dispositif expérimental utilisé est conçu de manière à permettre au liquide baignant le coeur de la grenouille 1 d être transféré au coeur de la grenouille 2. Au cours de l expérience, il a stimulé électriquement le nerf associé au coeur de la grenouille 1A et a enregistré la fréquence cardiaque des deux coeurs : chaque contraction cardiaque est représentée sur l enregistrement par une barre verticale. Les deux enregistrements sont réalisés en même temps. D après Cerveau et comportement par bryan Kolb, Jan Q. Whisham De Boeck Université

9 Feuille annexe à rendre avec la copie QCM : A partir des informations extraites du document, cocher la bonne réponse pour chaque série de propositions. 1. La stimulation du nerf cardiaque du cœur 1 entraine : un ralentissement de la fréquence cardiaque du cœur 1. une augmentation de la fréquence cardiaque du cœur 1. aucune modification de la fréquence cardiaque du cœur 1. une augmentation de la fréquence cardiaque du cœur La stimulation du nerf cardiaque du cœur 1 entraine : aucune modification de la fréquence cardiaque du cœur 2, le cœur 2 étant isolé du stimulateur. un ralentissement de la fréquence cardiaque du cœur 2 provoqué directement par le nerf cardiaque. un ralentissement de la fréquence cardiaque du cœur 2 provoqué indirectement par le liquide. une accélération de la fréquence cardiaque du cœur 2 provoquée indirectement par le liquide. 3. Le liquide baignant les cœurs propage l information : en transmettant les potentiels d action issus des neurones du nerf cardiaque. en transmettant des molécules d eau du liquide. en transmettant des molécules libérées par les fibres nerveuses du nerf cardiaque. en transmettant des molécules libérées par le cœur de la grenouille Ces expériences ont montré la nature de la transmission du message nerveux au niveau des synapses : la transmission s effectue par un mécanisme de nature électrique. la transmission s effectue par libération de molécules appelées neurotransmetteurs. la transmission s effectue par libération de molécules d eau. la transmission s effectue par libération de cellules nerveuses. 2ème PARTIE Exercice 1 (3 points). En 1924, le physiologiste britannique Charles Scott Sherrington a réalisé une série d expériences pour comprendre les mécanismes de rétractation de la patte chez le chat. La modélisation suivante permet de reproduire de façon fidèle mais virtuelle les expériences historiques qui ont permis à Sherrington de mettre en évidence le réflexe myotatique. On cherche à comprendre, par cette modélisation, comment le réflexe myotatique a pu être mis en évidence par Sherrington. À partir de l étude du document, cocher la bonne réponse dans chaque série de propositions du QCM et remettre la feuille-réponse annexe avec la copie. Document : Dans l expérience ci-dessous, on modélise comment Sherrington avait sectionné l arrière de l encéphale d un chat anesthésié, libérant ainsi sa moelle épinière (animal décérébré) puis avait allongé l animal sur une planche qu il pouvait déplacer du haut vers le bas. La modélisation consiste ensuite à isoler le muscle extenseur (quadriceps crural) du membre postérieur, à la rattacher par son tendon inférieur à un dynamomètre. Ce système fixe permet de mesurer l étirement subi et la tension développée par le muscle en réponse à cet étirement.

10 Dans ces conditions et bien que l animal soit décérébré, le muscle conserve son innervation. On modélise ensuite le déplacement vers le bas de la planche sur laquelle l animal est allongé. Protocole expérimentale modélisé Capture d écran : Source : Logiciel Philippe Cosentino, Dans cette adaptation contemporaine et virtuelle de l expérience de Sherrington, il a été prévu de simuler l ajout de microélectrodes sur une fibre nerveuse sensorielle qui innerve le muscle extenseur de la patte postérieure du chat. tablette droite de t = 0 à t = 3 s tablette inclinée de t = 3 à t = 8,5 s Dans cette animation, la planche sur laquelle l animal est allongé est virtuellement basculée vers le bas 3 secondes après le début de l enregistrement et jusqu à 8,5 secondes.

11 Le tracé #1 permet de suivre l activité de la fibre nerveuse sensorielle durant l expérience. Le tracé #2 présente la tension mesurée par le dynamomètre durant l expérience. Le tracé #3 montre l évolution de l étirement du muscle durant l expérience. Enregistrement des résultats de l ensemble de l expérience Capture d écran : Source : Logiciel Philippe Cosentino, Feuille réponse annexe à rendre avec la copie Cocher la bonne réponse dans chaque série de proposition du QCM pour comprendre ce qu est un réflexe myotatique. 1- Lorsque Sherrington incline vers le bas la planche sur laquelle l animal est allongé, la réponse musculaire de la patte du chat montre que le muscle extenseur se relâche. se contracte. se relâche puis se contracte. ni ne se relâche ni ne se contracte. 2- En inclinant vers le bas la planche sur laquelle l animal décérébré est allongé, Sherrington : met en évidence qu un muscle réagit de façon involontaire à son étirement. montre que la commande volontaire permet à un muscle de réagir à son propre étirement. met en évidence qu un réflexe myotatique nécessite l intervention du cerveau. met en évidence qu un réflexe myotatique se réalise indépendamment de l intervention d un centre nerveux.

12 3- L électroneurogramme (tracé 1) montre que lors de l étirement du muscle : la fréquence des potentiels d action augmente. l amplitude des potentiels d action augmente. la fréquence et l amplitude des potentiels d action augmentent. la fréquence et l amplitude des potentiels d action augmentent puis diminuent. 4- Ainsi lorsque Sherrington incline vers le bas la planche sur laquelle l animal est allongé, l électroneurogramme permet de montrer que : l amplitude des potentiels d action permet de coder le messager nerveux moteur. la fréquence des potentiels d action permet de coder le message nerveux moteur. l amplitude des potentiels d action permet de coder le message nerveux sensoriel. la fréquence des potentiels d action permet de coder le message nerveux sensoriel. 2ème PARTIE Exercice 1 (3 points). «Dans une série de leçons au Collège de France publiées en 1875, Claude Bernard exposa ses expériences sur l action des anesthésiques. Et c est également au Collège de France que fut enseigné le résultat de ses recherches sur les curares». On se propose de retracer quelques étapes de la démarche scientifique suivie par Claude Bernard pour montrer l action du curare sur le système nerveux : il réalise des expériences sur une préparation comportant un nerf moteur isolé et relié au muscle de la cuisse de grenouille qu il innerve. Document : L expérience historique de Claude Bernard m : muscle de la cuisse de grenouille n : nerf Soit deux verres de montre V et V contenant une solution de curare et un muscle isolé de cuisse de grenouille avec son nerf moteur (figure ci-contre). Expérience 1 : le nerf est placé dans le curare du verre de montre V et le muscle à l extérieur du verre de montre. L excitation du nerf provoque la contraction du muscle. Expérience 2 : seul le muscle est plongé dans le curare du verre de montre V et le nerf est laissé à l extérieur du verre de montre. L excitation du nerf ne provoque plus la contraction du muscle. Expérience 3 : seul le muscle est plongé dans le curare du verre de montre V et le nerf est laissé à l extérieur du verre de montre. La stimulation directe du muscle dans le verre de montre V provoque sa contraction. Les mêmes expériences réalisées avec du sérum physiologique entraînent systématiquement la contraction du muscle. Modifié d après Histoire des sciences médicales- Tome XXXIV

13 Répondre aux questions du QCM en écrivant, sur la copie, le numéro de la question et la lettre correspondant à l unique bonne réponse. 1. L exploitation seule de l expérience 1 permet de dire que le curare : a- agit sur la jonction nerf-muscle. b- agit sur le muscle. c- n empêche pas le message nerveux de circuler dans le nerf. d- permet la contraction musculaire. 2. L exploitation seule de l expérience 2 montre que le curare : a. empêche la circulation du message nerveux au niveau du nerf. b. empêche la contraction du muscle. c. agit uniquement au niveau de la jonction nerf-muscle. d. agit à la fois sur le nerf et sur le muscle. 3. La mise en relation des trois expériences montre que : a. le curare agit directement sur le muscle. b. le nerf ne véhicule pas le message nerveux en présence de curare. c. le curare n agit pas sur la jonction nerf muscle. d. le curare agit sur la jonction nerf muscle. 2ème PARTIE Exercice 1 (3 points) Le Ice Bucket Challenge, aider la recherche sur la maladie de Charcot Le Ice Bucket Challenge consiste à se renverser un seau d eau glacée sur la tête, puis à inviter son entourage à reproduire ce geste. Le but de ce défi est de médiatiser la luttecontre la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA), également appelée maladie de Charcot. Selon le journal Huffingtonpost du 25/08/2014, le Ice Bucket Challenge serait responsable du triplement des dons en faveur de la recherche sur cette maladie. On cherche à identifier les causes et les conséquences de la SLA. À partir de l étude des documents proposés, cocher la bonne réponse dans chaque série de propositions du QCM et remettre la fiche-réponse annexe avec la copie. Document 1 : la sclérose latérale amyotrophique Le nom de cette maladie s explique par ses symptômes. En effet, dans la SLA la dégénérescence des motoneurones centraux et périphériques provoque l apparition d un tissu cicatriciel, appelé aussi «Sclérose». Les axones des neurones moteurs centraux impliqués se trouvent dans la partie «Latérale» de la moelle épinière. Et, l absence de stimulation nerveuse, liée à la disparition des motoneurones, entraîne une fonte musculaire, appelée «Amyotrophie». L apparition de la maladie de Charcot peut être subtile avec des symptômes souvent négligés. Mais, tôt ou tard, le patient finit par perdre le contrôle de ses mouvements. Une caractéristique essentielle de la SLA est qu en dehors de la motricité, elle respecte les autres fonctions du système nerveux, telles que les fonctions intellectuelles et sensorielles, tout le long de la maladie. Cette maladie épargne également certains muscles tels ceux de l œil, du cœur, de la vessie, de l intestin et des organes sexuels.

14 D autres symptômes peuvent toutefois s ajouter aux troubles moteurs, notamment constipation, amaigrissement, douleurs, œdèmes, troubles du sommeil et troubles respiratoires. On distingue deux formes de SLA selon le site où débute l atteinte des motoneurones périphériques : la forme «spinale» dans laquelle les premiers motoneurones périphériques atteints se trouvent dans la moelle épinière. Elle se traduit par des troubles de la motricité des membres supérieurs et/ou inférieurs (contractions musculaires, crampes, raideur ou faiblesse musculaire) ; la forme «bulbaire» dans laquelle les premiers motoneurones périphériques atteints se trouvent dans le tronc cérébral. Il en résulte des troubles de la parole et de la déglutition. D après les sites et Document 2 : l organisation du système nerveux central Document 3 : motoneurones et commande volontaire Pour réaliser un mouvement, les messages véhiculés par les motoneurones centraux sont transmis aux motoneurones périphériques : le corps cellulaire d un motoneurone central est localisé dans le cerveau, au niveau du cortex moteur ; le corps cellulaire d un motoneurone périphérique se trouve dans le tronc cérébral ou dans la moelle épinière. Ce type de motoneurone est directement connecté à un muscle à qui il transmet l ordre de contraction à l origine du mouvement.

15 FICHE RÉPONSE À REMETTRE AVEC LA COPIE QCM Cocher la réponse exacte pour chaque proposition 1. Le système nerveux central est constitué des différents lobes du cerveau du tronc cérébral et de la moelle épinière du cerveau et du cervelet du cerveau, du tronc cérébral, du cervelet et de la moelle épinière 2. Les motoneurones centraux sont localisés entièrement dans le cerveau connectés aux motoneurones périphériques connectés aux cellules musculaires impliqués dans la sensibilité 3. La forme «bulbaire» de la SLA affecte exclusivement des motoneurones centraux affecte exclusivement des motoneurones périphériques provoque des troubles de la motricité des membres inférieurs et/ou supérieurs provoque des troubles de la parole et de la déglutition 4. La SLA correspond à une dégénérescence des motoneurones du cortex moteur, suivie d une atteinte du cervelet des cellules musculaires, suivie d une atteinte des motoneurones des motoneurones, suivie d une atteinte musculaire du cervelet, suivie d une atteinte des motoneurones du cortex moteur 5. Les conséquences de la SLA sont une paralysie progressive des muscles de l œil, du cœur et de la vessie une paralysie progressive des muscles et des troubles de la motricité la perte progressive des fonctions intellectuelles et des troubles de la motricité des troubles de la parole et la perte progressive des fonctions sensorielles 2ème PARTIE Exercice 2 (Enseignement Obligatoire). 5 points. NEURONE ET FIBRE MUSCULAIRE : LA COMMUNICATION NERVEUSE Mode d action du Botox Les toxines botuliques sont à l origine d une maladie grave et mortelle appelée botulisme. Elles sont cependant très utilisées par toutes celles et ceux qui veulent gommer les traces du vieillissement en réalisant régulièrement des injections de Botox. Expliquer comment les toxines botuliques agissent et comment ces molécules toxiques peuvent également être utilisées à des fins médicales. La réponse s appuiera sur l exploitation du dossier documentaire et sur l utilisation des connaissances. Elle sera accompagnée d un schéma du fonctionnement de la synapse neuromusculaire sur lequel sera localisé le lieu d action du Botox.

16 Document 1 : le botulisme Le botulisme est une maladie rare et grave, due à des neurotoxines bactériennes appelées toxines botuliques, provoquant des paralysies. Ces neurotoxines sont produites par des bactéries appartenant au genre Clostridium. Le botulisme est principalement d origine alimentaire et survient lorsque Clostridium botulinum se multiplie et produit les toxines dans des aliments qui ont été insuffisamment cuits pour les inactiver. Cette bactérie se multiplie le plus souvent dans des aliments qui n ont pas subi un processus poussé de conservation : poissons ou produits carnés fermentés, salés ou fumés, conserves réalisées à la maison et insuffisamment stérilisées. Il arrive que des produits du commerce soient également impliqués. La maladie concerne l ensemble des muscles ; elle débute avec une faiblesse au niveau du cou et des bras (paralysie flasque), avant de toucher les muscles respiratoires et ceux du bas du corps. La paralysie peut rendre la respiration difficile et provoquer la mort. D après site de l OMS Document 2 : la synapse neuromusculaire Électronographie d une synapse neuromusculaire sans stimulation présynaptique Électronographie d une synapse neuromusculaire avec stimulation présynaptique D après Pour la Science et

17 Document 3 : le déroulement de l exocytose et le mode d action des toxines botuliques L exocytose est le processus de fusion des vésicules synaptiques avec la membrane plasmique de l élément présynaptique, permettant la libération des molécules de neuromédiateurs dans la fente synaptique. Cette fusion fait intervenir 3 protéines : la synaptobrévine, la syntaxine et la protéine SNAP. Ces 3 protéines interagissent et s accrochent les unes aux autres, ce qui permet la fusion de la vésicule avec la membrane plasmique présynaptique et la libération de neuromédiateurs dans la fente synaptique. Schéma de l ancrage d une vésicule d exocytose Parmi les 7 types de neurotoxines connues, seuls 4 types de neurotoxines sont la cause du botulisme chez l homme : les neurotoxines A, B, E et F. Ces neurotoxines sont des enzymes (protéases) qui agissent sur le mécanisme de l exocytose en coupant certaines protéines à différents niveaux. Schéma des lieux et mode d action des toxines botuliques D après Physiologie médicale par William Ganong De Boeck Université et Document 4 : les principales indications du Botox Le Botox contient la toxine botulique de type A sous forme de molécule protéique purifiée. Indications fréquentes du Botox La contraction incessante des muscles du visage leur fait acquérir, avec le temps, une hypertonicité, qui combinée à la perte d élasticité de la peau, entraine la formation de rides d expression. Elles sont principalement présentes sur le haut du visage : rides du front et rides de la patte d oie. En supprimant cette hypertonicité musculaire, le Botox efface les rides. Le traitement consiste en une série d injections réalisées à l aide d une aiguille fine dans les muscles responsables des rides d expression. Chaque flacon de Botox contient une faible quantité de toxine botulique. On injecte au niveau de chaque ride une dose de Botox en ne dépassant pas 50 doses par séance

18 pour l ensemble du visage. Il n y a aucun risque de provoquer le botulisme car il faudrait au moins 1000 fois cette dose, on est donc très loin du risque de la toxine poison qui peut être ingérée par exemple lors d une intoxication alimentaire Les effets apparaissent dès le 2ème jour, se stabilisent en une quinzaine de jours et durent de 4 à 6 mois, selon les individus. Autres indications du Botox Aujourd hui, le Botox trouve de nombreuses indications en médecine comme par exemple le traitement du blépharospasme (battements incontrôlés des paupières) ou de la dystonie cervicale (contractions musculaires involontaires dans le cou). D après Une nouvelle indication pour la toxine botulique de type A, autorisée par L Agence Française de Sécurité Sanitaire des Produits de Santé (AFSSAPS) en septembre 2011 Les patients souffrant d incontinence* urinaire d origine neurologique, provoquant des contractions involontaires des muscles de la vessie, peuvent être traités par des injections ciblées de Botox. Ces injections ont permis une réduction de la fréquence des contractions involontaires de la vessie et donc une diminution de l incontinence. *Incontinence : correspond à l absence de contrôle volontaire de l émission d urine. D après afsep.fr 2ème PARTIE Exercice 2 (Enseignement Obligatoire). 5 points. La maladie de Parkinson est une des affections neurodégénératives les plus fréquentes. À l aide des documents et de vos connaissances, expliquez la réduction de la motricité observée chez les personnes atteintes de la maladie de Parkinson. Vous justifierez ensuite l utilisation du stimulateur de la moelle épinière comme traitement possible de la maladie. Document 1 : La maladie de Parkinson Cette maladie est caractérisée par une diminution du contrôle des mouvements avec des tremblements au repos, une rigidité des membres et une réduction de la motricité automatique ou volontaire. Elle est la conséquence de la destruction de neurones impliqués dans la production d un neurotransmetteur dans le cerveau, la dopamine. Ces neurones contrôlent notamment l activité du cortex moteur. Document 2 : Un stimulateur de la moelle épinière offre un nouvel espoir contre Parkinson «Un simple petit stimulateur électrique de la moelle épinière apporte un nouvel espoir pour traiter les symptômes de la. maladie de Parkinson, selon des recherches prometteuses effectuées sur des souris aux Etats-Unis [ ]. Ce stimulateur a été attaché sur le haut de la colonne vertébrale de souris et de rats dont les chercheurs avaient réduit de façon importante la teneur de leur organisme en dopamine pour reproduire les caractéristiques biologiques de personnes souffrant de Parkinson] ]. Quand le stimulateur était mis en route, les animaux sans dopamine dont les mouvements étaient lents et raides, ont commencé à se mouvoir tout à fait normalement [ ]. [ ] «Ce stimulateur est simple à utiliser et beaucoup moins invasif que les approches actuelles comme des médicaments ou des stimulations électriques en profondeur du cerveau et [ ] pourrait être utilisé très largement avec les médicaments les plus communément prescrits pour traiter Parkinson», relève le Dr Nicolelis. Si nous pouvons montrer que ce stimulateur est sans risque et efficace chez des primates puis chez des humains, quasiment tous les patients atteints de Parkinson pourront bientôt l utiliser. [ ]»

19 Extrait d un article de Le Point.fr d après une dépêche AFP Document 3 : Profils d activation cérébrale associés à une tâche combinée (mouvement de la main et production de parole) chez des sujets contrôles et des patients atteints de la maladie de Parkinson Les zones d activité plus importante lors de la tâche effectuée sont représentées en gris. Document 4 : Des électromyogrammes obtenus chez un sujet sain D après Pinto, TIPA, 2008, 26: Lors d une opération du cerveau chez un sujet sain, il est possible de stimuler le cortex moteur et d enregistrer des électromyogrammes des muscles de la main et de la jambe D après Deletis et coll., Clinica/ Neurophysiology, 2001, 112:

20 2ème PARTIE Exercice 2 (Enseignement Obligatoire). 5 points. Un patient est atteint de syndactylie : certains de ses doigts sont soudés. Il a des difficultés à différencier les sensations tactiles en provenance des différents doigts (faible discrimination tactile). Une intervention chirurgicale a permis la séparation de son petit doigt d avec les autres doigts. Une amélioration de la discrimination tactile a été obtenue à la suite de cette opération. En vous appuyant sur les données d imagerie cérébrales présentes dans les documents et vos connaissances, expliquer la faible discrimination tactile du patient atteint de syndactylie et l amélioration observée après l opération. Document 1 : Représentation somatotopique (a et b) et photographie de la main gauche correspondante (c) chez un homme adulte non atteint de syndactylie Les techniques d enregistrement de magnétoencéphalographie (MEG) par microélectrodes ont permis de localiser les zones du cortex somatrtopiques* activées lors d une sensation tactile. *somatotopique : relatif à la somatotopie, représentation du corps au sein d une structure nerveuse permettant la discrimination spatiale des impressions sensitives.

21 a : localisation des aires somatotopiques des doigts de la main gauche dans le cortex cérébrale de l hémisphère droit. b : représentation dans le plan (YZ) de ces aires somatotopiques. Les zones grises représentent les erreurs standards. c : doigts de la main gauche et symboles utilisés. Document 2 : Représentation somatotopique (a) et photographie de la main droite correspondante (b) chez le patient atteint de syndactylie avant opération Le patient atteint de syndactylie a le majeur et l annulaire soudés et le petit doigt partiellement soudé (son index étant absent) Document 3 : Représentation somatotopique (a) et photographie de la main droite correspondante (b) chez le patient atteint de syndactylie après opération L opération a permis la séparation du petit doigt. D après Mogilner et al, in Neurobiology 1993

22 2ème PARTIE Exercice 2 (Enseignement Obligatoire). 5 points. La myasthénie auto-immune Dans le cadre de l accompagnement personnalisé, Amélie doit présenter un schéma de synthèse expliquant une maladie : la myasthénie auto-immune. En pleine période des journées du téléthon Amélie a consulté le site de l Association Française contre les Myopathies (AFMtéléthon) et a lu la description de cette maladie. Cependant, pas très sûre d elle, elle vous demande de corriger son travail avant de le présenter à l ensemble de sa classe. À partir de l exploitation des documents et à l aide de vos connaissances, rédiger un texte présentant l origine des symptômes de la myasthénie auto-immune. Corriger le schéma de synthèse d Amélie (qui contient cinq erreurs de légende et de représentation, traduisant des erreurs de compréhension) puis finir de le légender en utilisant vos connaissances. Le schéma de synthèse corrigé et légendé sera rendu avec la copie. Document 1 : Qu est ce que la myasthénie? La myasthénie est une maladie neuromusculaire causée par un dysfonctionnement de la synapse neuromusculaire. Il en résulte une faiblesse musculaire d intensité et de durée variables qui peut toucher n importe quel muscle. Cette faiblesse augmente à l effort ou à la répétition du mouvement et peut aboutir à une paralysie partielle du ou des muscles concernés. Elle apparaît en général entre 20 et 40 ans et touche environ 5 à 10 personnes sur On sait aujourd hui que la myasthénie est causée par un dysfonctionnement du système immunitaire : la personne atteinte de myasthénie fabrique des anticorps dirigés contre les récepteurs à l acétylcholine empêchant l acétylcholine de s y fixer. C est ce qu on appelle une maladie auto-immune. Document 2 : Le rôle des organes lymphoïdes. D après AFM 10/2006 ISSN : Les organes lymphoïdes sont des organes dans lesquelles les cellules du système immunitaire, notamment les lymphocytes, sont produites et arrivent à maturité. Il arrive parfois que des lymphocytes soient capables de réagir contre des molécules de leur propre organisme, on dit qu ils sont auto-réactifs. Fort heureusement, ces cellules ne quittent jamais les organes lymphoïdes où divers mécanismes les inactivent ou les détruisent. Mais, lorsque ces mécanismes n ont pas lieu correctement, ils laissent s échapper des lymphocytes autoréactifs. C est le cas chez un individu myasthénique. Document 3 : Étude au niveau de la synapse neuromusculaire L alpha-bungarotoxine, une molécule toxique extraite d un venin de serpent, possède la propriété de se fixer sur les récepteurs à l acétylcholine. Son injection à une souris saine entraîne des symptômes analogues à ceux de la myasthénie. Expérience De l alpha-bungarotoxine radioactive est mise en présence de cellules musculaires prélevées chez un individu sain et chez un individu myasthénique. On rince ensuite les cellules, ce qui a pour effet d éliminer toutes les molécules d alpha-bungarotoxine qui ne sont pas fixées sur les cellules. Enfin, on réalise une autoradiographie de chaque type de cellules musculaires afin de révéler la radioactivité

23 Résultats expérimentaux Remarque : le nombre de récepteurs à l acétylcholine présents sur les fibres musculaires est le même chez un individu sain et un individu myasthénique. Document 4 : Étude des potentiels d action musculaires Au temps t = 0s, on applique une stimulation de même intensité sur une fibre nerveuse motrice d un sujet sain et d un individu myasthénique. Cela provoque la contraction du muscle qu elle innerve. On enregistre la réponse électrique de ce muscle au moment de la contraction.

24 SCHÉMA DE SYNTHÈSE A RENDRE AVEC LA COPIE (proportions non respectées)

25 2ème PARTIE Exercice 2 (Enseignement Obligatoire). 5 points. L anxiété chronique peut s accompagner de contractions musculaires brusques et inopinées des muscles squelettiques. Ces contractions musculaires peuvent être soignées par des médicaments antidépresseurs comme les benzodiazépines. Aucune connaissance préalable sur les synapses étudiées ici n est nécessaire. À partir de l exploitation des documents et de l utilisation des connaissances, expliquer l apparition des symptômes musculaires dus à l anxiété et leur traitement par les benzodiazépines. L exploitation du document de référence n est pas attendue. Document de référence : montage expérimental et localisation des expériences menées sur un motoneurone de moelle épinière de mammifère D après

26 Document 1 : résultats expérimentaux d une stimulation au niveau de S1, de S2 et d une stimulation simultanée de S1 et S2 chez les mammifères Les motoneurones qui commandent des cellules musculaires des muscles squelettiques sont soumis à des informations diverses qu ils intègrent sous la forme d un message nerveux unique. Chaque information reçue par le motoneurone perturbe son potentiel de repos, si cette perturbation atteint un certain seuil, des potentiels d action se déclenchent. En période de crise d anxiété, les informations que les motoneurones intègrent sont modifiées. D après Document 2 : effet sur le motoneurone de mammifère d une injection de GABA ou d acétylcholine en l absence de toute stimulation électrique

27 D après Document 3 : reproduction expérimentale des signes de l anxiété chez les mammifères On peut reproduire expérimentalement la situation des synapses associée à l anxiété. Pour cela on injecte de la picrotoxine dans la fente synaptique F1. La picrotoxine est capable de se fixer sur les récepteurs membranaires au neurotransmetteur GABA situés sur le motoneurone. Document 4 : action des benzodiazépines chez les mammifères D après De nombreuses substances utilisées en médecine comme médicaments se lient spécifiquement aux récepteurs membranaires. Les benzodiazépines (comme le Valium et le Librium ) sont des tranquillisants (utilisés contre l anxiété) qui se fixent de manière spécifique aux récepteurs membranaires du GABA.

28 D après Introduction biologique à la psychologie», publié par Jean-Claude Orsini, Jean Pellet, Breal. 2ème PARTIE Exercice 2 (Enseignement Obligatoire). 5 points Les recherches sur le cerveau et les techniques d imagerie ont dévoilé les capacités du cerveau à se réorganiser chez les individus adultes. À partir de l exploitation des documents proposés, indiquer les caractéristiques de la plasticité cérébrale du cortex moteur et les conditions de son développement. Document 1 : Étude de l activité du cortex moteur après une greffe des deux mains. Un homme a subi en 1996 la section accidentelle de ses deux mains. En 2000, soit 4 ans après l amputation, une greffe bilatérale des mains a été pratiquée à Lyon. Les mouvements de la main sont effectués grâce aux muscles de l avant-bras. Avant l opération, cet homme amputé des mains pouvait contracter les muscles de ses avant-bras. Document 1a : Évolution de la carte d activation obtenue dans le cortex moteur de l hémisphère gauche (qui contrôle la main droite) lorsque le patient exécute des mouvements de la main droite avant et après l opération.

29 Document 1b : Évolution de la carte d activation obtenue dans le cortex moteur de l hémisphère droit (qui contrôle la main gauche) lorsque le patient exécute des mouvements de la main gauche avant et après l opération. D après Document 2 : Comparaison de la carte motrice de 2 individus sains La cartographie du cortex moteur de l hémisphère gauche de deux individus A et B différents a été obtenue en leur demandant d effectuer les mêmes mouvements sollicitant des régions musculaires précises : mouvement de l oeil, des doigts, du poignet ou de l avant-bras. Les cartes motrices des deux individus sains A et B sont présentées ci-dessous.

30 D après : Document 3 : Modifications cérébrales observées après une lésion due à un A.V.C. (accident cérébral vasculaire). Mécanismes de plasticité cérébrale Phase précoce (2 à 3 mois après l AVC) activation de certaines synapses préexistantes mais inactives activation de certaines synapses préexistantes qui étaient inhibées* par d autres neurones Phase tardive (jusqu à 12 à 18 mois après l AVC) apparition de nouvelles synapses création de nouveaux circuits de neurones * inhibé : dont le fonctionnement est bloqué D après «La contre-attaque du cerveau», F.Chollet La Recherche «Spécial cerveau» Juillet-Aout 2013 Document 4 : Évolution de la zone corticale motrice dédiée aux doigts en fonction de l entraînement au piano. On étudie les effets d un entraînement moteur au travers des mouvements des doigts. Chaque jour, pendant 5 jours, 3 groupes de 6 personnes non musiciennes viennent pratiquer le piano (ou ne rien faire) pendant 2 heures. Groupe 1 : les personnes pratiquent une séquence de huit notes à faire avec la main droite (notamment avec le doigt le plus long) au piano avec un métronome. Groupe 2 : les personnes jouent ce qu elles veulent au piano mais n ont pas le droit de jouer des séquences fixes. Groupe 3 : les personnes ne font rien. Tous les jours, on procède à une stimulation magnétique transcrânienne (TMS) qui permet de définir la cartographie des zones motrices corticales pour les muscles fléchisseurs et extenseurs du plus long doigt de la main droite. L activité de la zone corticale mesurée pour les 3 groupes pendant les 5 jours est présentée dans le tableau suivant.

31 2ème PARTIE Exercice 2 (Enseignement Obligatoire). 5 points D après Elbert coll.(1998). Neuroreport, 9, Jean est en consultation chez son médecin : il présente une fatigue musculaire chronique et a du mal à garder ses paupières relevées. Le médecin suspecte une maladie neuromusculaire chronique liée à un défaut de transmission entre le nerf et le muscle : la myasthénie. À partir des informations extraites des documents et de vos connaissances, exposer à Jean les causes possibles de sa maladie. Un schéma explicatif du fonctionnement de la synapse neuromusculaire de Jean est attendu.

32 Document 1 : Électromyogramme d un individu non atteint et de Jean Des électrodes sont posées sur la peau au niveau du pouce pour enregistrer l activité électrique du muscle (électromyogramme) lors de la stimulation électrique du nerf qui le commande. On stimule électriquement le nerf moteur. On enregistre les phénomènes électriques globaux du muscle sur les deux sujets. D après : Document 2 : Synapse neuromusculaire chez un sujet non atteint (a) et chez un patient atteint de myasthénie (b) (au MET) D après SVT TS, Collection A. Duco, 2012 Les coupes ont subi un traitement qui révèle la présence de récepteurs à l acétylcholine sous forme d un marquage noir.

33 Document 3 : Analyse sanguine de Jean comparée à celle d un sujet non atteint Test de dépistage d anticorps auto-réactifs dirigés contre les récepteurs à acétylcholine Sujet non atteint Jean +++ 2ème PARTIE Exercice 2 (Enseignement Obligatoire). 5 points Caenorhabditis elegans est un petit ver nématode dont le système nerveux, formé de 302 neurones et 7000 synapses, est bien connu. Il constitue un animal modèle pour étudier le fonctionnement de la synapse neuromusculaire. Des études de la synapse sont réalisées sur des vers portant une mutation au niveau du gène unc-13 et présentant une paralysie complète des muscles. À partir des informations extraites des documents et de vos connaissances, expliquer la paralysie des mutants unc-13 et le rôle possible de la protéine codée par le gène unc-13 chez le ver sauvage. DOCUMENT DE REFERENCE : Les grandes étapes du fonctionnement synaptique

34 Document 1 : Résultats de la stimulation de motoneurones chez un ver sauvage et un ver mutant unc- 13 Dispositif expérimental Il permet : de stimuler électriquement les motoneurones qui innervent le muscle. d enregistrer des phénomènes électriques au niveau du muscle. Enregistrements obtenus D après Gracheva E. O et al. J. Physiol, 2007 et Christelle C., BESSEREAU J.C., Médecine Sciences, 2003 Document 2 : Nombre de vésicules dans les terminaisons synaptiques après stimulation des motoneurones D après Richmond J.E. et al. Nature America Inc 1999 Document 3 : Contenu des vésicules présynaptiques et réponse électrique du muscle lors de l injection de nicotine dans la fente synaptique chez le ver sauvage et le ver mutant unc-13 Ver sauvage Ver mutant unc-13 Contenu des vésicules présynaptiques Acétylcholine Acétylcholine Injection de nicotine* dans la fente synaptique Contraction de la cellule musculaire Contraction de la cellule musculaire *La nicotine est une molécule ayant une structure tridimensionnelle proche de celle de l acétylcholine D après Boulin T. et al, 2008