Le tissu nerveux et ses propriétés

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1 1 CHAPITRE B Le tissu nerveux et ses propriétés

2 1. Histologie du tissu nerveux Le tissu nerveux est riche en cellules. Bien qu il soit complexe, le tissu nerveux n est composé que de deux grands types de cellules : - les NEURONES, cellules nerveuses excitables qui génèrent et transmettent les signaux électriques ; - les CELLULES DE LA NEVROGLIE, plus petites et non excitables qui entourent et protègent les neurones a) Neurones. Les neurones, ou cellules nerveuses, sont les unités fonctionnelles du système nerveux (SN). Ces cellules hautement spécialisées acheminent les messages sous forme d influx nerveux entre les différentes parties du corps. Les neurones possèdent d autres caractéristiques : - les neurones ont une longévité extrême ; - les neurones sont amitotiques. Ils ont perdu leur aptitude à la mitose, incompatible avec leur fonction de liens de communication, ils ne pourront être remplacés s ils sont détruits ; - la vitesse du métabolisme des neurones est élevée. De ce fait, ils requièrent un approvisionnement continu et abondant en O 2 et en glucose. Structure d un neurone (Document 9) Les neurones peuvent présenter certaines variations mais ils comprennent en général un corps cellulaire dont sont issus un ou plusieurs prolongements. a) Corps cellulaire du neurone (Document 10) Le corps cellulaire du neurone est composé d un gros noyau sphérique au nucléole bien défini et d un cytoplasme granuleux. Le corps cellulaire est également appelé péricaryon ou soma. Il constitue le centre biosynthétique du neurone. Il contient les organites habituels à l exception des centrioles. Le RER est appelé corps de Nissl ou substance chromatophile : il prend une teinte foncée sous l effet de colorants basiques et il est bien visible au microscope. L appareil de Golgi est très développé. Dans le SNC, les regroupements de corps cellulaires sont appelés noyaux tandis que les regroupements de corps cellulaires situés dans le SNP sont appelés ganglions. b) Plongements neuronaux Il existe deux types de prolongements neuronaux : les axones et les dendrites. - Les dendrites correspondent à des prolongements ramifiés du neurone. Les dendrites constituent la structure réceptrice, c est-à-dire qu elles peuvent recevoir un très grand nombre de signaux des autres neurones. Les dendrites renferment les mêmes organites que le corps cellulaire. - Chaque neurone est muni d un axone. L axone est issu d une région conique du corps cellulaire appelée cône d implantation. L axone est très court, voire absent dans certains neurones, tandis que dans d autres, il peut représenter presque toute la longueur du neurone. 2

3 3 Un neurone possède un seul axone mais ce dernier émet parfois des ramifications (collatérales) qui constituent l arborisation terminale. Les extrémités bulbeuses de ces ramifications sont appelées terminaisons axonales. Les axones constituent la structure conductrice des neurones. Ils produisent des influx nerveux. Les terminaisons axonales forment la structure sécrétrice des neurones. L influx nerveux entraîne la libération dans l espace extracellulaire de neurotransmetteurs (substances chimiques). L axone contient les mêmes organites que les dendrites et le corps cellulaire, à part les corps de Nissl. Il a donc besoin du corps cellulaire et de mécanismes de transports efficaces pour renouveler et distribuer ses protéines et ses composants membranaires. Les axones de nombreux neurones sont recouverts d une enveloppe blanchâtre, lipidique et segmentée appelée gaine de myéline (Document 11). La myéline protège les axones et les isole électriquement les uns des autres, de plus, elle accroît la vitesse de transmission des influx nerveux. A côté des cellules excitables, on trouve dans le tissu nerveux, les cellules de la névroglie. b) Celles de la névroglie La névroglie forme l armature du tissu nerveux et lui confère la majeure partie de sa fermeté. Cette névroglie est constituée de cellules appelés cellules gliales. a) Les oligodendrocytes : ils sont alignés le long des axones épais du SNC et leurs prolongements cytoplasmique s enroulent autour de ceux-ci, ils forment ainsi la gaine de myéline. b) Les cellules de Schwann : elles constituent les gaines de myéline qui enveloppent les gros axones situés dans le système nerveux périphériques (SNP). c) Classification des neurones a) Classification structurale La classification structurale distribue les neurones en trois groupes principaux selon le nombre de prolongements qui émergent du corps cellulaire. ð les neurones multipolaires possèdent trois prolongements ou plus. Ce sont les neurones que l on retrouve le plus fréquemment chez l Homme et ils sont particulièrement abondants dans le SNC. La plupart des neurones multipolaires présente de nombreuses dendrites ramifiées et un axone. Le motoneurone est un exemple de neurones multipolaires. On peut citer également les cellules pyramidales du cortex cérébral et les cellules de Purkinje du cervelet. ð les neurones bipolaires ont deux prolongements, soit un axone et une dendrite, qui sont issus de côtés opposés du corps cellulaire. Ils sont peu nombreux dans l organisme adulte ; on n en trouve que dans certains organes des sens, notamment dans la rétine de l œil.

4 4 ð les neurones unipolaires comportent un prolongement unique qui émerge du corps cellulaire. Ce prolongement est très court et il se divise en forme de T. Les corps cellulaires des neurones unipolaires se trouvent principalement dans les ganglions sensitifs des racines dorsales de la ME. Leur fonction est de véhiculer les informations venant des organes sensitifs périphériques vers la ME. A côté de cette classification structurale coexiste une classification fonctionnelle. b) Classification fonctionnelle La classification fonctionnelle distribue les neurones selon le sens de propagation de l influx nerveux par rapport au SNC. ð les neurones sensitifs ou neurones afférents : Ces neurones transmettent les influx nerveux des récepteurs sensoriels de la peau ou des organes internes vers le SNC. A l exception des neurones bipolaires localisés dans certains organes des sens, la quasitotalité des neurones sensitifs de l organisme sont unipolaires. ð les neurones moteurs ou neurones efférents : transportent les influx nerveux hors du SNC jusqu aux organes effecteurs (les muscles et les glandes) situés à la périphérie du corps. Les neurones moteurs sont multipolaires et leurs corps cellulaires sont situés dans le SNC. ð les interneurones ou neurones d association sont situés entre les neurones sensitifs et les neurones moteurs : ils servent de relais aux influx nerveux qui sont acheminés vers les centres du SNC. On peut citer comme exemple d interneurone : le neurone pyramidal. Nous avons dit que les neurones sont des cellules excitables c est-à-dire acheminent les messages sous forme d influx nerveux. Comment naît le message nerveux? Quelle est la nature du message nerveux? Comment est conduit le message nerveux? 2. Neurophysiologie Nous allons commencer par étudier quelques principes fondamentaux d électricité. a. Principes fondamentaux d électricité Au point de vue électrique, le corps humain est neutre dans l ensemble : il possède un nombre égal de charges positives et de charges négatives. Par contre, un certain type de charges prédomine dans certains endroits du corps et les électrise positivement ou négativement. Puisque des charges opposées s attirent, il faut un apport d énergie pour les séparer. Par conséquent, des charges opposées séparées possèdent une énergie potentielle. La mesure de cette énergie est appelée voltage et elle s exprime en volts (V) ou millivolts (mv). Le voltage se mesure toujours en 2 points de charge contraire : on l appelle différence de potentiel (ddp), ou simplement potentiel. Le déplacement, ou flux, des charges d un point à un autre est appelé courant.

5 b. Potentiel de repos (Document 12) a) Caractéristiques. A la fin des années 40 a été mis en évidence l état électrique d une fibre nerveuse au repos. Cet état a été mis en évidence au niveau d un nerf mais également au niveau d une fibre nerveuse de calmar (seiche/céphalopode). En raison de sa taille géante (diamètre pouvant atteindre 1 mm, soit 1000 fois le diamètre d un axone de mammifère) et de sa robustesse, la fibre nerveuse de calmar a permis aux neurobiologistes des mesures de potentiels électriques membranaires. Maintenue dans de l eau de mer, la fibre conserve son état physiologique normal. Lorsqu on place 2 électrodes à la surface de la fibre nerveuse, on lit 0 mv sur l oscilloscope. (Pour l étude des potentiels transmembranaires les neurobiologistes utilisant des microélectrodes constituées par une pipette de verre étirée remplie d une solution conductrice de chlorure de potassium). Puis on laisse une microélectrode à la surface et on enfonce une microélectrode dans la fibre (ou le nerf). Il apparait une différence de potentiel de 70 mv. On enregistre un voltage d environ -70 mv à travers la membrane. Le signe indique que le côté cytoplasmique (l intérieur) de la fibre (ou du nerf) est chargé négativement, alors que le côté extracellulaire est chargé positivement (Document 13). Cette différence de potentiel est appelée le potentiel de repos (mv) (= potentiel de membrane). On dit que la membrane est polarisée. La valeur du potentiel de repos varie (de -40 à 90 mv) selon le type de neurone et selon le type de cellule (Document 14). Ce PR existe dans toute cellule vivante excitable ou non. Quels sont les éléments responsables de ce potentiel de repos? b) Déterminisme ionique (Document 15) Le potentiel de repos est produit par des différences dans la composition ionique du cytoplasme et du côté extracellulaire. Cette polarisation est due à une répartition inégale des ions Na + et K + de chaque côté de la membrane plasmique. Concentration ionique (en mmol.l -1 ) Neurone de vertébrés Neurone d invertébrés marin (calmar) Milieu intracellulaire Milieu extracellulaire Milieu intracellulaire Na + 5 à K Milieu extracellulaire Le cytosol contient une plus faible concentration de sodium (Na + ) et une plus forte concentration de potassium (K + ) que le liquide interstitiel qui l entoure. Deux catégories de protéines membranaires sont responsables de la création et du maintien du potentiel de repos. Ce sont des canaux et des pompes à ions. ð les canaux de fuite (un canal ionique est un passage formé par un ensemble de protéines transmembranaires, présent dans la membrane des cellules et qui laisse diffuser différents ions) à K + et les canaux de fuite à Na + ouverts en permanence. Ces canaux permettent une diffusion passive des ions K + et Na + dans le sens décroissant de leur gradient de concentration. La membrane est 75 fois plus perméable aux ions K + qu aux ions Na +, elle laisse donc fuir vers l extérieur plus de K + qu elle ne laisse 5

6 6 entrer de Na +, ce qui rend l intérieur de la membrane plasmique électronégatif par rapport à l extérieur, d où la création du potentiel de repos. Comme il y a toujours une certaine quantité de K + qui s écoule de la cellule et une certaine quantité de Na + qui y entre, on pourrait penser que la concentration des ions Na + et K +, de part et d autre de la membrane, va s égaliser, ce qui entraînerait la disparition de leur gradient de concentration respectif. Or ce n est pas le cas, au niveau de la membrane plasmique est présente une deuxième catégorie de protéine membranaire appelée : ð Pompe à sodium et à potassium (ATPase Na + /K + ) actionnée par l ATP (transport actif) qui éjecte 3 Na + du cytoplasme en même temps qu elle récupère 2 K +. Par conséquent, la pompe Na + /K + stabilise le PR en maintenant la dissymétrie ionique entre les milieux intra- et extracellulaire. Ce potentiel de repos peut être modifié. Les cellules, en particulier, les neurones utilisent les modifications de leur potentiel membranaire comme de signaux pour recevoir, intégrer et envoyer des messages. Une modification du potentiel membranaire produit un type de signal numérique appelé POTENTIEL D ACTION c. Le potentiel d action (PA) a) Genèse du potentiel d action (Document 16) Le document 16 présente le dispositif d enregistrement. On excite la fibre nerveuse par l intermédiaire d un courant électrique. Celui-ci constitue le stimulus = modification le plus souvent soudaine de nature physique (son, chaleur, lumière, pression ) ou chimique qui provoque l activité de cellules excitables. Au point excité, on enregistre un artéfact de stimulation (= perturbation locale d un enregistrement électrique à la suite de l intervention directe de l expérimentateur) (Documents 17 et 18). Suite à cet artéfact, on enregistre un temps de latence : temps de propagation du PA entre les électrodes stimulatrices et les électrodes réceptrices. AB : dépolarisation locale transmembranaire: l intérieur de la membrane devient moins négatif et le potentiel s approche de 0. BC et CD: inversion de la polarisation : les charges positives sont à l intérieur et les charges négatives sont à l extérieur. DE : repolarisation membranaire : retour du potentiel de membrane à sa valeur initiale. L intérieur de la membrane est négatif et l extérieur positif. Cette repolarisation peut être suivie d une légère hyperpolarisation : elle se produit lorsque le potentiel augmente et devient plus négatif que le potentiel de repos. Par exemple, un changement de -70 à 72 mv est une hyperpolarisation. Lorsqu il n y a pas d hyperpolarisation, on parle de PA monophasique (Document 17) Lorsqu il y a une hyperpolarisation, on parle de PA diphasique (Document 17 ) Dans un neurone, un PA qui se propage est appelé INFLUX NERVEUX. b) Les mécanismes ioniques des PA (Documents 17, 18 et 19) La production d un PA repose sur trois modifications de la perméabilité de la membrane qui se succèdent tout en étant liés. Les phénomènes présents au niveau d un PA s interprètent

7 7 comme un mouvement d ions lesquels font intervenir deux nouvelles catégories de protéines canaux à Na + et à K +. Leur ouverture ou leur fermeture dépend de la polarisation membranaire. Ces canaux sont dits canaux voltage-dépendants. Le Document 18 nous présente un graphique traduisant les variations de conductance ionique (nombre de canaux voltage-dépendants ouverts par µm 2 de membrane) au cours de la genèse du PA dans l axone de Calmar. Sur l axe des abscisses sont représentés les différents stades d ouverture et de fermeture des canaux Na + et des canaux K + voltage-dépendants. De t 0 à t 1, la dépolarisation est provoquée par l ouverture brutale des canaux Na + voltagedépendants. L entrée massive des ions Na + suivant leur gradient de concentration produit une dépolarisation locale de la membrane. Quand la dépolarisation de la membrane atteint un niveau critique appelé seuil d excitation (= seuil d excitabilité = seuil critique), souvent situé entre -55 et -50 mv, le processus de dépolarisation se poursuit de lui-même. Autrement dit, après avoir été déclenchée par le stimulus, la dépolarisation se poursuit grâce à la diffusion des ions Na +. A mesure qu augmente la quantité de Na + qui entre dans la cellule, le voltage est à nouveau modifié et ouvre d autres canaux Na + voltage-dépendants. Ainsi, le potentiel devient de moins en moins négatif puis monte à environ +50 mv. De t 1 à t 2,5, la repolarisation est due à l ouverture des canaux K + voltage-dépendants qui commencent à s ouvrir dès le début de l ouverture massive des canaux Na +. Les ions K + diffusent vers l extérieur de la cellule (dans le sens de leur gradient de concentration). On constate que le potentiel passe de +50 mv à 60 mv. De t 2,5 à t 5, on observe une hyperpolarisation provoquée par une sortie excédentaire d ions K + due au maintien de l ouverture des canaux K +. La repolarisation rétablit les conditions électriques du potentiel de repos, mais elle ne rétablit pas les distributions ioniques initiales. Cela s accomplit après la repolarisation par l activation de la pompe Na + /K +. Examinons la naissance d un PA au niveau d un récepteur sensoriel. g) La naissance d un PA au niveau d un récepteur sensoriel (Document 20) Au niveau d une terminaison sensitive, on trouve deux sites : - site transducteur et site générateur. Au niveau du site transducteur, par stimulation de la fibre, on obtient un potentiel de récepteur = dépolarisation locale et graduelle de la membrane d une cellule sensorielle en réponse à l augmentation de l intensité du stimulus. Lorsqu elle atteint une valeur, appelée valeur seuil (environ -50 mv), cette membrane, au niveau du site générateur, déclenche des PA qui se propagent. Quelles sont les propriétés du PA? Comment l obtient-on? Comment se propage-t-il?

8 8 d) Les propriétés du PA (voir fascicule) e) Les conditions d obtention du PA (Document 21) Pour créer un PA, la stimulation doit être efficace c est-à-dire qu elle réponde aux lois de l excitabilité : avoir une intensité et une durée suffisantes, être appliquée rapidement. Si, expérimentalement, on stimule le neurone à l aide de chocs électriques d intensité croissante et qu aucun PA n apparaît, on parle d intensité de stimulation infraliminaire. On constate en a, b, c que plus l intensité augmente, plus l amplitude de la dépolarisation est importante. Lorsque l amplitude de cette dépolarisation atteint environ -55 mv, un PA se déclenche, l intensité du stimulus est alors liminaire (réponse d), il en est de même pour des intensités supraliminaires. Le potentiel de membrane auquel le PA se déclenche porte le nom de valeur seuil d excitation ou potentiel critique (Ec). Par contre, si on inverse les bornes du stimulateur, on constate que l on enregistre des hyperpolarisations qui ne permettent pas d obtenir des PA quelle que soit la valeur de l intensité (réponses e, f, g). Tous ces évènements membranaires provoqués par des stimulations portent le nom de réponses locales. Elles de différencient des PA par des propriétés différentes : - elles ne se propagent pas et ne s observent qu à proximité du point de stimulation ; - elles sont graduables en fonction de l intensité de stimulation et sommables ; - elles sont décrémentielles : leur amplitude diminue rapidement à partir du point de stimulation. ð Le potentiel de récepteur possède toutes ces propriétés. Une fois produits, les PA sont tous indépendants de l intensité du stimulus et ils sont tous semblables. Dans ces conditions, comment le SNC peut-il déterminer si un stimulus est intense ou faible et émettre une réponse appropriée? a ) Le codage de l information (Document 22) Dans un intervalle donné les stimuli intenses produisent des influx nerveux à une fréquence plus rapide que les stimuli faibles. Par conséquent, l intensité du stimulus est codée par le nombre d influx produits pas seconde c est-à-dire par la fréquence de transmission de l influx => codage en modulation de fréquence. Par contre, l amplitude du potentiel de récepteur est proportionnelle à l intensité du stimulus, il y a codage de l information en modulation d amplitude. b ) Les périodes réfractaires (Document 18) La compréhension des périodes réfractaires repose sur la connaissance des particularités de fonctionnement des canaux Na + voltage-dépendants. Ils présentent 3 états : un état fermé avant l arrivée de l onde de dépolarisation, l état activé correspondant à leur ouverture et permettant le passage d ions Na + à l intérieur de la cellule, le 3 ième état qui suit immédiatement le 2 nd les rend totalement imperméables aux ions Na + et ce, quelle que soit la valeur de la dépolarisation. On parle d inactivation sodique. Cette particularité est absente pour les canaux K + voltage-dépendants.

9 9 Des stimulations répétées permettent de mettre en évidence les périodes réfractaires. Si on applique une 2 nde stimulation immédiatement après la première dans un laps de temps inférieur à 1ms, on n obtient aucune réponse (pas de PA) quelle que soit l intensité de la stimulation. On parle de période réfractaire absolue due à l inactivation sodique de tous les canaux. Au-delà de 1ms, on peut obtenir un PA à condition que le stimulus soit exceptionnellement élevé. Il s agit de la période réfractaire relative. g ) Vitesse de propagation de l influx nerveux dans les axones. La vitesse de propagation (v = d / t) des influx dans les axones peut varier de manière considérable. La vitesse de propagation de l influx repose principalement sur trois facteurs : ð Influence du diamètre de l axone : en règle générale, plus le diamètre de l axone est grand, plus l axone propage les influx nerveux rapidement. ð Influence de la température : on constate que l augmentation de la température augmente la vitesse de conduction suivant la règle du Q 10 = 2. La vitesse de conduction est multipliée par 2 quand la température ambiante s élève de 10 C. ð Influence de la gaine de myéline : dans les axones amyélinisés, les PA sont produits dans des sites adjacents et la transmission est relativement lente. Pour les fibres amyéliniques de mammifères, la vitesse varie de 0,5 à 2 m/s. La présence d une gaine de myéline augmente radicalement la vitesse de propagation de l influx, car la myéline joue le rôle d un isolant et empêche presque toutes les fuites de charges. La dépolarisation de la membrane plasmique d un axone myélinisé ne peut avoir lieu qu aux nœuds de Ranvier ; les canaux Na + voltage-dépendants sont en grande majorité à proximité de ces nœuds. Par conséquent, lorsqu un PA est produit dans un axone myélinisé, la dépolarisation locale ne se dissipe pas à travers les régions adjacentes (non excitables) de la membrane : elle est obligée de se déplacer vers le nœud suivant où elle déclenche un autre PA. Ce type de propagation est appelée conduction saltatoire (saltare = sauter) car le signal électrique «saute» d un nœud de Ranvier à un autre (Document 24). La conduction saltatoire est beaucoup plus rapide que la conduction (ou propagation) continue d une dépolarisation le long des fibres amyélinisées. Pour les fibres myélinisées de Mammifères, la vitesse varie de 2 à 120 m/s. d. La physiologie du nerf a) Anatomie du nerf (Document 25) En anatomie, un nerf est un organe du système nerveux périphérique composé de faisceaux de fibres nerveuses. Les axones composant le nerf sont entourés de leur gaine de myéline dont la synthèse est assurée par les cellules de Schwann (les oligodendrocytes s occupent de la myélinisation des neurones du SNC). b) La physiologie du nerf (Documents 26 et 27) Pour des stimulations d intensité croissante, on constate que l amplitude de la réponse n est pas constante. On obtient un PA global du nerf. Celui-ci n obéit pas à la loi du «tout ou rien». En effet, son amplitude augmente en fonction de l intensité de la stimulation.

10 10 Quelle en est l explication? Le nerf regroupe un nombre plus ou moins grand de fibres nerveuses. Par conséquent le message nerveux circulant résulte de l ensemble des messages nerveux circulant dans les fibres nerveuses. Pour une faible intensité, quelques fibres sont recrutées. Si on augmente de plus en plus l intensité, un nombre de fibres nerveuses de plus en plus élevée est atteint. Lorsque toutes les fibres sont recrutées, l amplitude de la réponse est maximale. Sur le Document 27, on constate que le potentiel de repos (PR) du nerf est de 0 mv (axone 70 mv). Suite à une augmentation de l intensité de la stimulation, l influx nerveux ou le PA global augmente en amplitude, l influx nerveux apparaît pour une intensité minimale (3000 mv) et l amplitude de l influx nerveux n augmente plus au-delà d une intensité maximale, seuil maximal de stimulation ( mv). Dans un nerf, l information est codée en modulation d amplitude. d) Les types d électroneurogrammes Pour un nerf homogène, l électroneurogramme présente un tracé unimodal (Document 26). Pour un nerf hétérogène, on peut obtenir une réponse multimodale (Document 28). Lorsque les électrodes sont très éloignées de la stimulation, les différences de vitesse de conduction entre les différentes fibres nerveuses sont visibles. L influx nerveux véhiculé par les fibres les plus grosses ou myélinisées arrive en premier au niveau de l électrode réceptrice puis les moins rapides (plus petits diamètres ou amyélinisées) parviennent jusqu à l électrode. On remarque que l amplitude des enregistrements est différente ce qui donne accès à la quantité de neurones qui véhicule le message. Il y a peu de neurones à conduction rapide, beaucoup de neurones à conduction intermédiaire et peu de neurones à conduction lente. On parle de faisceaux de fibres nerveuses de même vitesse de conduction.

11 Tableau de comparaison Neurone / Nerf NEURONE Structure Neurone en T myélinisé (axone + dendrite) Motoneurone a (axone myélinisé, amyélinisée) dendrite Signal nerveux Potentiel d action durée de 2 ms ; Enregistrement avec une électrode à l intérieur de la fibre (PR d environ -70 mv) Codage de l intensité de la stimulation Codage en modulation de fréquence ; Obéit à la loi du «tout ou rien» Vitesse de propagation Rapide si présence de myéline, gros diamètre, température 38 / 40 max, Vitesse = 0,5 à 120 m/s NERF Faisceaux de fibres nerveuses entourés de tissu conjonctif ; Pas de péricaryon ; Nerf moteur, sensitif ou mixte Potentiel global ; Enregistrement à la surface à partir de 0 mv Codage en modulation d amplitude ; N obéit pas à la loi du «tout ou rien» ; Recrutement de fibres de moins en moins sensibles. Elle peut être différente dans des faisceaux de fibres différentes Le fonctionnement du SN repose sur la circulation de l information dans des réseaux complexes de chaînes de neurones reliés par des structures asymétriques appelées synapses. 3. La transmission synaptique. a) Définition d une synapse. Une synapse est une zone de contact entre l arborisation terminale d un neurone et une autre cellule (neurone ou cellule musculaire ou cellule glandulaire). Elle permet le transfert de l information d un neurone à un autre ou d un neurone à une cellule effectrice (cellule musculaire ou cellule glandulaire). Ex : Synapse neuro-neuronique. 11

12 12 Il existe 2 types de synapses. b) Principales propriétés structurales et fonctionnelles des 2 types de synapses. a) Synapses électriques Les synapses électriques sont des jonctions ouvertes entre les membranes plasmiques des 2 neurones adjacents. Elles contiennent des canaux protéiques qui font communiquer le cytoplasme des neurones. Ces synapses électriques sont abondantes dans certains tissus non nerveux, comme le muscle cardiaque et les muscles lisses, où elles permettent des excitations séquentielles et rythmiques. b) Synapses chimiques Contrairement aux synapses électriques qui ont pour fonction de permettre la circulation des ions entre les neurones, les synapses chimiques ont pour fonction de libérer et de recevoir des neurotransmetteurs. Un neurotransmetteur (= neuromédiateur = médiateur chimique) est une molécule, en général, de petite taille, libérée par l arborisation terminale d un neurone en réponse à l arrivée d un message nerveux de nature électrique. Une synapse chimique est composée de deux éléments : - l extrémité d une terminaison axonale d un neurone présynaptique qui présente un renflement appelé bouton synaptique, lequel renferme de nombreuses vésicules synaptiques (renfermant les molécules de NT). Cette extrémité est entourée d une membrane appelée membrane présynaptique. - une région réceptrice qui porte des récepteurs spécifiques aux NT, et qui sont situés sur la membrane d une dendrite ou sur le corps cellulaire d un neurone postsynaptique. Les membranes présynaptique et postsynaptique sont proches l une de l autre mais elles sont toujours séparées par la fente synaptique (= espace synaptique). Comment se fait le transfert de l information d un neurone à un autre ou d un neurone à une cellule effectrice?

13 13 c) Les mécanismes de la transmission synaptique (Document 29) Lorsque l I.N. arrive au niveau de la transmission axonale, il déclenche une suite d événements qui aboutit à la libération du NT. La succession des évènements est la suivante : 1. Les canaux calciques voltage-dépendants s ouvrent dans la terminaison axonale présynaptique et permettent l entrée des ions calcium. Ces derniers diffusent selon leur gradient éléctrochimique du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire. 2. L augmentation de la concentration en Ca 2+ intracellulaire déclenche le déplacement des vésicules contenant le NT vers la membrane présynaptique. Ces vésicules fusionnent avec la membrane plasmique et cette fusion provoque l exocytose c est-àdire la libération du NT dans la fente synaptique. Le Ca 2+ est ensuite rapidement retiré : il est absorbé par la pompe calcique. 3. Le NT libéré dans l espace synaptique se fixe de manière réversible à des récepteurs protéiques spécifiques (portés par des canaux ioniques) qui sont regroupés sur la membrane postsynaptique. 4. Lorsque les molécules de NT se lient aux récepteurs canaux, la forme des canaux change et ils s ouvrent. Ces canaux ne sont pas des canaux voltage-dépendants mais des récepteurs canaux chimio-dépendants. Si le médiateur est l acétylcholine (Ach) (ou le glutamate), l entrée de Na + dans le neurone postsynaptique provoque une dépolarisation de la membrane. Celleci est appelée PPSE (potentiel postsynaptique excitateur). On dit que l Ach est un NT excitateur. Un PPSE consiste en une dépolarisation locale de la membrane postsynaptique qui rapproche le neurone du seuil d excitation. L amplitude des PPSE varie en fonction de la quantité du NT liée aux récepteurs canaux chimiodépendants. Si ces PPSE atteignent le seuil d excitation, un PA sera déclenché. Les PPSE sont produits dans les synapses excitatrices. Si le médiateur est le GABA (acide gamma amino-butyrique), l entrée d ions Cl - dans le neurone postsynaptique provoque une hyperpolarisation donnant naissance à un potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI). On dit que le GABA est un neurotransmetteur inhibiteur. Ce PPSI éloigne le neurone du seuil d excitation et ne permet pas la naissance d un PA. Les PPSI sont produits par les synapses inhibitrices. Quand le NT a agit, 2 processus entraînent sa disparition. - la dégradation du NT par des enzymes associées à la membrane postsynaptique ou présentes dans la fente synaptique. Exemple : l acétylcholinestérase dégrade Ach en choline + acétate. L acétate est éliminé dans la fente synaptique. La choline passe dans l élément présynaptique. - le retrait du NT par réabsorption par pinocytose dans le bouton présynaptique. Le temps requis pour qu un influx nerveux soit transmis à travers la fente synaptique entre 2 neurones est appelé délai synaptique. Le délai synaptique est de 0,3 à 0,5 ms ; il correspond au temps nécessaire pour la libération du neurotransmetteur, sa diffusion à travers la fente synaptique et sa fixation aux récepteurs.

14 14 On constate qu au niveau des synapses électriques, il n y a pas de délai synaptique car les 2 cellules sont en relation directe. Remarque : Le message est unidirectionnel car les vésicules sont dans l élément présynaptique. a) Notion de sommation. Un seul PPSE ne peut produire un PA dans le neurone postsynaptique. Mais si des milliers de terminaisons axonales excitatrices déclenchent un PA sur la membrane postsynaptique ou si un plus petit nombre de terminaisons fournissent des influx nerveux très rapidement, la probabilité d atteindre la dépolarisation liminaire s accroît considérablement. Par conséquent, les PPSE peuvent s additionner, on appelle ce phénomène la SOMMATION. Deux types de sommation sont possibles : ð la sommation temporelle (Document 30) La synapse A est stimulée une deuxième fois avant que le PPSE initial ne s annule, la sommation temporelle se produit, le seuil d excitabilité de l axone est atteint, ce qui entraîne la production d un PA. ð la sommation spatiale (Document 30 ) Les synapses A et B sont stimulés simultanément ce qui cause une dépolarisation liminaire déclenchant un PA. La sommation spatiale se produit lorsque le neurone postsynaptique est stimulé en même temps par un grand nombre de boutons synaptiques appartenant au même neurone, ou généralement, à plusieurs neurones différents. Un très grand nombre de neurotransmetteurs peuvent alors se lier aux récepteurs et déclenche simultanément des PPSE ; ces derniers s additionnent, entraînant ainsi la dépolarisation de la membrane plasmique du corps cellulaire et éventuellement un PA au niveau de l axone. Il existe une sommation des PPSE mais il faut noter que les effets des PPSI peuvent s additionner de manière temporelle aussi bien que spatiale. Le plus souvent les 2 types de sommation interviennent, c est la sommation spatiotemporelle. La plupart des neurones reçoivent des messages excitateurs et des messages inhibiteurs de milliers de neurones. Comment ces informations contradictoires sont-elles interprétées par le neurone postsynaptique?

15 15 b) Notion d intégration (Document 31) Un même neurone (ici un motoneurone) est en contact avec de très nombreux autres neurones par des synapses. Si un même neurone reçoit à la fois des messages nerveux différents générateurs de PPSE et de PPSI, il en résulte au niveau du cône axonique (= cône d implantation = cône d émergence = segment initial) un PPS global (PPSG) correspondant à la somme algébrique des PPSE et des PPSI reçus. Cette somme peut-être : - une dépolarisation inférieure au seuil ou une hyperpolarisation => pas de PA - une dépolarisation supérieure au seuil => naissance d un PA Le neurone postsynaptique réalise l intégration des messages reçus. g) Codage du message dans le neurone postsynaptique On retrouve un codage en fréquence : la fréquence des PA augmente avec l amplitude globale au niveau du cône axonique. d) Les neurotransmetteurs = neuromédiateurs = médiateurs chimiques. ð Généralités Une molécule est classée comme neuromédiateurs si elle répond plusieurs critères : - elle est synthétisée dans l élément présynaptique ; - elle est libérée grâce à l arrivée d un PA ; - sa fixation sur des récepteurs canaux postsynaptiques est suivie d un effet physiologique ; - elle est spécifiquement détruite ou inactivée après son action ; - son application artificielle sur la membrane postsynaptique doit entraîner une action identique à sa libération physiologique Certaines substances peuvent modifier le fonctionnement d une synapse chimique. Ces molécules peuvent agir : soit en produisant le même effet que le neurotransmetteur : effet agoniste ; soit en occupant le récepteur sans effet : effet antagoniste. Le récepteur peut être bloqué temporairement : on parle d angatoniste compétitif ou alors le blocage est durable et même irréversible : antagoniste non compétitif. ð les principaux neurotransmetteurs (Document 32) les amines : - l acéthylcholine (Ach) Synthèse dans l élément présynaptique :

16 16 Dégradation dans la fente synaptique : L acétylcholine est un neurotransmetteur excitateur, il permet la contraction musculaire. Les antagonistes de l acétylcholine sont le curare, la bungarotoxine (venin de cobra) et l atropine. Les inhibiteurs de l acétylcholinestérase sont l ésérine, la physostigmine et la néostigmine. - on peut citer la sérotonine, les catécholamines (adrénaline, noradrénaline, dopamine). les acides aminés : on peut citer le GABA (Acide gamma aminobutyrique). C est un neurotransmetteur inhibiteur. Ses récepteurs ont pour antagoniste la picrotoxine et pour agoniste le diazepam (valium) les neuropeptides : ils sont constitués essentiellement de chaînes d AA et leurs effets sont très divers. - substance P (P = pain = souffrance) : est un important médiateur des messages nociceptifs (= douloureux). C est une substance de nature polypeptidique (11 AA) (Document 33) La douleur est une expérience primitive que l être humain partage avec tous les animaux. ð réception de la douleur : les principaux récepteurs de la douleur sont des terminaisons nerveuses libres disséminées par millions dans tous les tissus et tous les organes (à l exception du cerveau). Sur ce document, on a représenté un récepteur cutané qui réagit à un stimulus nocif (stimulus nuisible). ð Transmission et réception de la douleur : la douleur est transmise par deux types de fibres (appelées neurofibres) appelées fibres A delta (d) finement myélinisées et les fibres C amyélinisées. Ces neurofibres de la douleur (fibres nociceptives) font synapses avec des neurones dans les cornes postérieures de la ME. La transmission des influx douloureux provoque la libération de la substance P, le neurotransmetteur de la douleur, dans la fente synaptique. La suite des événements est mal connue mais il semble que les axones de la majorité des neurones traversent la moelle et rejoignent le «cerveau». Certains neurones du cerveau libèrent des opiacées naturels comme les bêta-endorphines et les enképhalines. Les enképhalines sont des pentapeptides cérébraux ayant une activité proche de celle des opiacées.

17 17 Les documents 34 et 35 montrent l action des enképhalines. On se situe au niveau du tronc cérébral. Un neurone à sérotonine libère, par l arrivée d un PA, dans la fente synaptique la sérotonine. Celle-ci se fixe sur les récepteurs de la sérotonine présents au niveau du neurone postsynaptique et déclenche un PA. Ce PA est véhiculé vers un autre neurone dont la stimulation entraîne la libération d opioïdes dans la fente synaptique. Parmi ces opioïdes se trouvent les enképhalines. Au niveau du Document 35, on indique que les neurones présentant des vésicules renfermant les enképhalines sont dénommés «neurones modulateurs». Ces enképhalines sont libérées dans la fente synaptique située entre le neurone modulateur et le neurone présynaptique présentant des vésicules renfermant la substance P. Ces enképhalines se fixent sur les récepteurs du neurone présynaptique ; cette liaison entraîne une inhibition de la sécrétion de la substance P. On parle d inhibition présynaptique. La substance P n est pas libérée et le message nociceptif est bloqué. Ces enképhalines ont été découvertes lorsque des équipes de recherches ont commencé à étudier le rôle de la morphine et d autres opiacées dans la modulation de la douleur. L action de la morphine est présentée sur le document 36. Cette morphine joue sur les récepteurs à enképhaline le même rôle que le neurone modulateur. On dit que la morphine est une substance agoniste ou une substance mimétique des enképhalines. Cette substance vient se fixer sur les récepteurs à enképhaline et inhibe le message nociceptif. Mais la différence avec les enképhalines dont l effet est fugace, la morphine produit une inhibition intense et prolongée. Pourquoi? Car l enképhaline est rapidement dissociée par une enzyme (l enképhalinase) alors que l organisme ne contient aucune enzyme susceptible de dégrader la morphine. Remarques: Dans la catégorie des drogues illégales, le LSD (Lyzerg Saüre Diäthylamid) est un hallucinogène de synthèse qui agit en modifiant les sensations visuelles et auditives. Cet hallucinogène se lie aux récepteurs de la sérotonine et empêche son effet inhibiteur sur certaines voies neuronales. Les narcotiques comme l héroïne produisent l euphorie en se liant aux récepteurs de l enképhaline. La cocaïne produit l euphorie en bloquant la recapture de la dopamine et de la noradrénaline. En conséquence, ces NT demeurent dans la fente synaptique et stimulent sans arrêt les cellules postsynaptiques, ce qui explique le prolongement de leurs effets sur l organisme. Cette sensation s accompagne d une augmentation de la fréquence cardiaque, de la pression artérielle. En conclusion, terminons par une comparaison entre potentiels gradués (potentiel de récepteur, PPSE, PPSI) et PA.

18 18 Potentiels gradués (PPSE, PPSI, ) Ont lieu dans les dendrites et le corps cellulaire Hyperpolarisation ou dépolarisation (pas inversion des charges) Déclenchés par un stimulus Canaux ioniques ligand-dépendants Variation du potentiel en fonction de l intensité du stimulus N obéit pas à la loi du «tout ou rien» Durée de quelques ms à quelques min Diminue avec la distance (décrémentiel) Communication sur de courtes distances Pas de période réfractaire Capables de sommation Potentiel d action Ont lieu dans l axone (cône axonique = segment initial) Dépolarisation uniquement (avec inversion de charges) Déclenchés par une dépolarisation jusqu au seuil critique par la propagation d un potentiel gradué Canaux ioniques voltage-dépendants Ne varie pas d amplitude Obéit à la loi du «tout ou rien» Durée courte de 0,5 à 2 ms Ne diminue pas avec la distance (non décrémentiel) Communication sur de longues distances Période réfractaire Pas de sommation