Cours du mercredi 13 mai 2015 Pb : quels sont les circuits nerveux réflexes? Activité 3 chap 14 : les circuits nerveux du réflexe : Saisir des informations et interpréter des expériences historiques 1. Les expériences de dégénérescence Wallerienne : Ces expériences historiques ont été réalisées par Augustus Desiré WALLER en 1850. Lorsque le corps cellulaire d'un neurone est détruit, la fibre nerveuse dégénère totalement. Lorsque la fibre nerveuse est sectionnée, la partie distale, c'est à dire la partie qui est séparée du corps cellulaire, dégénère. C'est le phénomène de la dégénérescence wallérienne. Par contre la partie proximale, c'est à dire celle qui est restée en rapport avec le corps cellulaire, peut régénérer. expériences, résultats, conclusion 2. Les expériences de Bell Magendie : Charles BELL, dès 1811, entreprit de définir le rôle des racines rachidiennes dans la conduction nerveuse. C'est François MAGENDIE en 1822 qui précisa le rôle des racines antérieures et postérieures des nerfs rachidiens, Charles BELL le confirma en 1824. 1
Expérience, résultats, conclusion Il est à présent possible d'identifier les deux types de neurones intervenant obligatoirement dans un réflexe: - les neurones sensitifs afférents dont les influx centripètes cheminent des récepteurs musculaires à la moelle en passant par les racines dorsales des nerfs rachidiens: ils ont leurs péricaryons (corps cellulaires nucléés) dans les ganglions rachidiens. - les motoneurones efférents dont les influx centrifuges empruntent les racines ventrales des nerfs rachidiens et parviennent aux muscles: leurs péricaryons se situent dans les cornes antérieures de la moelle (neurones multipolaires). 3. Les connexions entre les neurones afférents et efférents : La connexion entre ces neurones se fait directement par des contacts synaptiques entre les axones des neurones en T et les dendrites ou les péricaryons des motoneurones: circuits monosynaptiques. Il est possible de les mettre en évidence par des expériences d'enregistrements de potentiels. Celles-ci consistent, après sections des racines rachidiennes et stimulation électrique, de rechercher le passage éventuel d'un message nerveux sur l'autre racine grâce à des électrodes réceptrices reliée à un oscilloscope ou un dispositif d'exao Analysez ces expériences et émettez des hypothèses sur les variantes des réponses obtenues, notamment en vous interrogeant sur les raisons du délai obtenu dans les deux premiers enregistrements. Le réflexe monosynaptique est le plus simple des réflexes, comme le montre le document "réflexe rotulien", auquel vous pouvez accéder en cliquant sur son icône ci-contre à gauche: les mécanorécepteurs à l'intérieur des fuseaux sont activés par l'allongement du muscle, provoquant une augmentation de la fréquence de décharge des fibres sensorielles Ces fibres font jonction directement avec les motoneurones. Il y a donc une voie monosynaptique mise en œuvre. Le réflexe myotatique permet ainsi un premier contrôle musculaire et joue un rôle fondamental dans les processus antigravitaires. 2
Pb : Quelle est la nature du message nerveux et comment s effectue sa propagation? I- LA NATURE ET LA PROPAGATION DU MESSAGE NERVEUX : Activité 4 chap 14 TS : la nature du message nerveux : Recenser et organiser des informations pour comprendre la nature du message nerveux. Document 1 et 2 p 358 En rapprochant deux illustrations séparées par trois siècles, le document 1 montre, bien entendu, l écart entre les moyens expérimentaux mis en œuvre. On ne prétend cependant pas détailler les étapes de l histoire qui a conduit à déterminer la nature du message nerveux, mais on comprend cependant que le message nerveux se traduit par des manifestations de nature électrique, que l on peut enregistrer. Le document 2 permet très classiquement de définir potentiel de repos et potentiel d action. Cependant, comme le précise le programme «les mécanismes ioniques des potentiels membranaires» sont hors programme. La modification de la base de temps permet de comprendre qu un potentiel d action, qui se présente comme une brève dépolarisation, est en fait constitué d une phase de dépolarisation suivie d une phase de repolarisation. On pourra négliger la période d hyperpolarisation. Montrer que les observations apportées par les documents 1 et 2 permmettent de déterminer la nature du message nerveux. Ces observations et expérimentations montrent que le message nerveux est de nature électrique et se manifeste par une variation de la différence de potentiel transmembranaire du neurone. Justifier les expressions :»ptentiel de repos» et de «potentiel d action» et proposer une définition Le potentiel de repos est la différence de potentiel transmembranaire du neurone qui existe en permanence, en dehors de toute stimulation (d où le terme de repos). Les enregistrements montrent en effet qu il existe au repos une différence de potentiel de 70 mv environ entre la face interne de la membrane du neurone et la face externe, l intérieur étant polarisé négativement. 3
À la suite d une stimulation, on constate une série d inversions très brèves du potentiel membranaire. Ce potentiel d action, d une amplitude de 100 mv environ (variation de 70 à + 30 mv) est de durée très brève : 1 à 1,5 ms. Le terme de potentiel d action est justifié, dans le sens où il s agit d une réponse à une stimulation, signe de l activité du neurone. Déterminer les caractéristiques de la réponse d un neurone à une stimulation Pb : comment s effectue la propagation du message nerveux? Activité 5 chap 14 TS : La propagation du message nerveux : Document 3 p 359 L intérêt du document 3 est de monter que le potentiel d action se propage : pour comprendre ce document, il faut bien mettre en relation l emplacement de la microélectrode d enregistrement et le moment précis d enregistrement du passage d un potentiel d action. Un schéma simple permet de bien comprendre que si le potentiel d action est effectivement de nature électrique, il ne s agit pas d un courant se propageant dans un fil conducteur mais peut être assimilé à une onde de dépolarisation qui naît et se déplace au niveau de la membrane du neurone. Expérience, résultats, conclusion Justifier l expression suivante : «au niveau d un neurone, le message nerveux est codé en fréquence de potentiels d action» 4
Quelles sont alors les propriétés du message nerveux mises en évidence dans ces expériences On constate que le potentiel d action peut être enregistré en tout point de la surface du neurone. Son passage est d autant plus tardif que l enregistrement est éloigné de l endroit de la stimulation, où a pris naissance le signal. On constate donc que le potentiel d action se propage à la surface de la membrane du neurone, sans s atténuer, à partir de son point de naissance. Etablissez la relation entre l intensité d une stimulation et les caractéristiques du message nerveux enregistré au niveau de la fibre Un message nerveux est constitué par une succession rapprochée de plusieurs potentiels d action qui ont tous la même amplitude. Cependant, le nombre de potentiels d action par unité de temps (c est-à-dire la fréquence) qui constituent un message nerveux augmente en fonction de l intensité du stimulus. Il existe donc un système de codage de l information sous la forme de variations de la fréquence des potentiels d action constitutifs d un message nerveux Récapitulez la nature et les caractéristiques du message nerveux qui se propage le long d un neurone Belin Edition 2012 La différence de potentiel entre le cytoplasme et la face externe de la membrane plasmique du neurone définit le potentiel de membrane. 5
En l absence de stimulation, ce potentiel est de -70mV et constitue le potentiel de repos. Lors d une stimulation du neurone ce potentiel peut varier transitoirement c est le potentiel d action qui est observé que si l intensité de la stimulation est suffisante. Au-delà du seuil de stimulation ce PA gardera toujours la même valeur. La succession des PA qui se propagent le long de l axone du neurone constitue le message nerveux. Pb : comment s effectue la transmission du message nerveux au niveau de la synapse? Activité 6 chap 14 : la transmission synaptique : Recenser, extraire et exploiter des informations, afin de caractériser le fonctionnement d une synapse chimique. http://www.udel.edu/biology/wags/histopage/colorpage/cne/cnemep.gif http://static1.assistancescolaire.com/ele/images/10595.png http://www.biodeug.com/cours/neuro/101.gif Belin Edition 2012 6
Les PA se propagent à la vitesse de 50m/s. Calculez la distance parcourue par le message nerveux entre l électrode de stimulation et celle d enregistrement? Concluez. Belin Edition 2012 Document 3 p 361 Le document 3 présente un ensemble documentaire permettant de comprendre le fonctionnement synaptique. Là encore, on pourra laisser une grande autonomie aux élèves et les laisser élaborer eux-mêmes une démarche de résolution (tâche complexe). Quelles sont les conditions nécessaires à la genèse d un PA musculaire? La genèse d un potentiel d action musculaire nécessite l arrivée d un message nerveux à l extrémité du neurone présynaptique, l ouverture par exocytose des vésicules présynaptiques qui libèrent alors une substance chimique, l acétylcholine, qui imprègne la membrane post-synaptique. C est cette substance chimique, qualifiée de neurotransmetteur, qui permet la genèse des potentiels d action musculaires. Comment le message nerveux peut-il être codé au niveau d une synapse? proposer une explication. Au niveau d une synapse, le message nerveux ne peut plus être codé par la fréquence des potentiels d action du message. Cependant, on constate une relation entre la quantité d acétylcholine et les caractéristiques du message nerveux post-synaptique : plus la quantité d acétylcholine présente dans la fente synaptique est importante, plus la 7
fréquence des potentiels d action du message nerveux post-synaptique est importante. Ainsi, au niveau d une synapse, le message nerveux est codé chimiquement, en concentration de neurotransmetteur http://static1.assistancescolaire.com/t/images/t_svt_15i05.png Comment le message nerveux est il transmit d un neurone à l autre neurone ou d un neurone à une fibre musculaire? Au niveau d une synapse, entre deux neurones ou entre un neurone et une fibre musculaire, le message nerveux est transmis chimiquement grâce à une substance, le neurotransmetteur, qui est produite par le neurone pré-synpatique puis libérée dans l espace séparant les deux cellules, engendrant ainsi la naissance d un message nerveux postsynaptique. Pb : comment s effectue la transmission du message nerveux au muscle? Activité 7 chap 14 TS : la transmission du message nerveux au muscle : Interpréter des résultats expérimentaux pour comprendre l effet de différentes substances sur le fonctionnement de la synapse neuromusculaire. 8
Belin Edition 2012 Mettre en relation les documents pour déterminer la séquence des évènements depuis l arrivée du message nerveux dans la terminaison synaptique du motoneurone jusqu à la contraction musculaire 9
Justifier l expression suivante : «au niveau d une synapse neuromusculaire, le message nerveux est codé en concentration de neuromédiateur» Belin Edition 2012 Au niveau d une synapse neuro musculaire la terminaison synaptique du motoneurone contient des vésicules renfermant de l acétylcholine. Cette molécule est un neuromédiateur. 10
La stimulation du motoneurone entraine la libération d acétylcholine dans la fente synaptique (exocytose), la fixation du neuromédiateur sur des récepteurs situés sur la membrane post synaptiquece qui entraine la formation d un PA musculaire qui déclenche la contraction musculaire. La quantité du neuromédiateur dans la fente est proportionnelle à l intensité de la stimulation du motoneurone. Au niveau d une synapse neuromusculaire, le message nerveux est donc codé chimiquement par la concentration du neuromédiateur. Animation synapse http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/svt/program/fichacti/fich1s/synap2/pages/synap.htm http://www.biologieenflash.net/animation.php?ref=bio-0033-2 Le réflexe myotatique est un réflexe monosynaptique. Il met en jeu différents éléments qui constituent l arc réflexe. Le neurone moteur conduit un message nerveux codé en fréquence de potentiel d action. La commande de la contraction met en jeu le fonctionnement de la synapse neuro musculaire. Belin Edition 2012 Pour aller plus loin : 11
- Le réflexe pupillaire - Des neurones sensibles à la lumière - Une maladie neuromusculaire : la myasthénie - La hernie discale - Le mystère de la toxine botulique - Les effets de substances pharmacologiques sur le fonctionnement synaptique - Santiago Ramon y Cajal fondateur de la théorie neuronale - La chimie de la communication nerveuse - La transmission synaptique - Le réflexe myotatique - Les expériences de Magendie - La vitesse de propagation du message nerveux - Perturbations dans les contractions musculaires - Les travaux de sherington - Douleur et morphine - Action du botox Logiciel nerf Logiciel synapse Animation synapse Animation réflexe myotatique 12