CHAPITRE 13 : LE RÉFLEXE MYOTATIQUE : UN EXEMPLE DE COMMANDE NERVEUSE DU MUSCLE
Tout animal vivant dans un milieu ne peut vivre en harmonie avec celuici s il ne prend pas en permanence des informations sur son environnement mais également des informations sur le fonctionnement de son propre organisme. Cette prise d informations est vitale car elle est indispensable aux fonctions de nutrition (recherche de la nourriture pour la survie de l individu), de reproduction (recherche d un partenaire sexuel pour la survie de l espèce), de protection (échapper aux prédateurs et/ou au climat pour la survie de l individu et de l espèce) et au maintien de l homéostasie (équilibre interne de l organisme) La plupart du temps cette prise d informations peut être parfaitement consciente et aboutir à une action volontaire. Néanmoins, certaines activités sont de l ordre du réflexe. Ce sont des réactions rapides, stéréotypés et involontaires.
Dans le cadre de ce chapitre, nous allons étudier le réflexe qui permet le maintien de la posture (debout, assis..) : le réflexe myotatique. En effet, la gravité tend en permanence à modifier cette posture. Pourtant, celleci peut rester stable ; les différents segments osseux des membres, du tronc et du cou sont alors maintenus dans une position donnée. Problème : comment le réflexe myotatique permet la commande réflexe de certains muscles afin de maintenir une certaine posture? 1. Caractéristiques et trajet nerveux du réflexe myotatique. A. Les caractéristiques d un réflexe myotatique. Pour maintenir la tête en position verticale, des muscles situés au niveau de la nuque tirent sur le crâne exerçant une force opposée à la pesanteur ce qui évite à la tête de tomber vers l avant. Dans ce cas, la gravité exerce un étirement permanent de tous les muscles extenseurs qui réagissent par une contraction tonique permanente. Ce réflexe, caractérisé par : une contraction du muscle en réponse à son propre étirement, est appelé réflexe myotatique. Il est une composante importante du tonus musculaire.
Correction TP 22 Etape 1 Par un choc léger sur le tendon d Achille, on provoque un léger étirement du muscle extenseur (muscle soléaire) qui répond par une contraction entraînant l extension du pied : c est le réflexe achilléen. Un reflexe myotatique est la contraction d un muscle en réponse à son propre étirement. Le réflexe achilléen rentre bien dans cette définition.
Exemple de résultats Un seul sujet avec une gradation de la stimulation Les résultats montrent une augmentation de l'amplitude de contraction du muscle en fonction de l'intensité de l'étirement.
Exemple de résultats 5 sujets différents pour une même intensité de stimulation Les résultats montrent une contraction réflexe en moyenne 40 ms après le choc du marteau. Pour une distance parcourue d'environ 180 cm, la vitesse du message nerveux est d'environ 4.5 m/s (0.18/0.04)
Etape 2 : expérience 2 Dans ce cas, on observe clairement que la contraction volontaire est nettement plus lente que la contraction réflexe (environ 95 ms contre 25 ms) Il y a donc un circuit différent de celui emprunté par l'arc nerveux réflexe. Ce circuit est soit plus long, soit plus lent.
Etape 2 : expérience 3 Avec la manœuvre de Jendrassik, l'intensité de la réponse réflexe du muscle augmente. Ainsi, la réalisation d'une activité motrice volontaire au niveau du bras améliore le réflexe achilléen.
Etape 3 Stimulus Récepteur Centre nerveux Réponse Effecteur (muscles)
Le récepteur sensitif C'est un fuseau neuromusculaire : Il s'agit d'une capsule disposée parallèlement aux fibres musculaires. Elle contient des fibres musculaires modifiées autour desquelles sont enroulées les terminaisons dendritiques des neurones. Le fuseau neuromusculaire est la connexion muscle/neurone sensitif. Il détecte les changements de longueur du muscle
Le fuseau neuromusculaire Fibres musculaires Fibres musculaires modifiées Fibres sensitives afférentes Fuseau neuromusculaire Capsule fibreuse Dans les muscles parmi les fibres musculaires se trouvent des fuseaux neuromusculaires. Il s agit de 3 à 8 fibres musculaires modifiées, contenue dans une capsule de tissu conjonctif. Chaque fibre musculaire d un faisceau est entourée par une terminaison nerveuse ou fibre sensitive afférente appartenant à un nerf sensitif. L étirement d un muscle, provoque l étirement des fibres musculaires modifiées, ce qui fait naître dans les terminaisons nerveuses un message nerveux afférent. Le fuseau neuromusculaire est un récepteur sensoriel qui informe de l état d étirement d un muscle.
Le centre nerveux : la moelle épinière La substance grise abrite les corps cellulaires des neurones, et la blanche leurs prolongements cytoplasmiques, aussi appelés fibres nerveuses ou axones.
La plaque motrice Certains neurones des nerfs rachidiens (les motoneurones), à proximité des fibres musculaires, se ramifient et forment de nombreuses terminaisons synaptiques. Chaque terminaison est en contact avec une fibre musculaire. La plaque motrice est la connexion neurone moteur/muscle. Elle assure la transmission de l ordre de contraction. C est aussi une synapse neuromusculaire
Schéma bilan de l arc réflexe myotatique Stimulus Etirement Récepteur Fuseau neuro musculaire Fibre nerveuse afférente = voie sensitive Encéphale Réponse Contraction Effecteur (muscles) Centre nerveux Fibre nerveuse efférente = voie motrice Moelle épinière
1. Caractéristiques et trajet nerveux du réflexe myotatique. B. Le trajet nerveux du réflexe myotatique Rappel : structure d'un neurone On trouve trois structures fonctionnelles communes à la plupart des neurones STRUCTURE RECEPTRICE =??? STRUCTURE CONDUCTRICE =? STRUCTURE SECRETRICE =?
Dendrites L'influx nerveux se dirige vers le corps cellulaire Corps cellulaire Noyau Axone = fibre nerveuse Axone, l'influx s'éloigne du corps cellulaire Arborisation terminale
Axone myélinisé en coupe transversale Formation de la gaine de myéline Cellule de Schwann s'enroulant autour de l'axone ou de la dendrite et fabriquant progressivement la gaine de myéline
Quelques neurones en microscopie électronique Corps cellulaire (avec le noyau et la plupart des organites) Dendrites Axone
Neurones colorées par la méthode de golgi (chrome argenté)
Correction activité : le trajet des messages nerveux lors du réflexe achilléen Waller observe que si on sépare un prolongement nerveux (axone ou dendrite) du corps cellulaire, la partie qui n'est plus reliée au corps cellulaire dégénère en laissant une trace visible Exemple de section de l'axone d'un neurone classique Exemple de section de la dendrite d'un neurone bipolaire
Expérience de section Conséquences immédiates La région du corps innervé par le nerf rachidien perd sensibilité et motricité La région du corps innervé par le nerf rachidien perd la sensibilité mais garde sa motricité Observations à plus long terme Toutes les fibres nerveuses de la portion du nerf séparé de la moelle épinière dégénèrent. Les fibres nerveuses dégénèrent de part et d autre du ganglion spinal isolé ainsi que dans la partie dorsale du nerf rachidien. Interprétations Les messages sensitif et moteur passent par le nerf rachidien Les corps cellulaires des neurones moteurs et sensitifs sont situés à gauche de la section du coté de la moelle épinière Le message nerveux sensitif passe par la racine dorsale de la Moelle épinière mais pas le message nerveux moteur. Les corps cellulaires des neurones sensitifs se situent dans le ganglion rachidien de la racine dorsale de la moelle épinière. La région du corps innervé par le nerf rachidien garde la sensibilité et perd la motricité Les fibres nerveuses dégénèrent dans la partie de la racine antérieure séparée de la moelle épinière ainsi que dans la partie ventrale du nerf. Le message nerveux moteur passe par la racine ventrale de la Moelle épinière. Les corps cellulaires des cellules nerveuses motrices sont dans la moelle épinière.
Ces deux expériences de stimulation électrique montrent que les messages nerveux circulent de la racine dorsale vers la racine ventrale. Bilan : Le message nerveux sensitif passe par le nerf rachidien puis par la racine dorsale de la moelle épinière jusqu'au ganglion rachidien qui contient les noyaux des corps cellulaires des neurones sensitifs, jusque là le message nerveux a circulé dans des dendrites. Ensuite, le message continue son trajet vers la moelle épinière mais cette fois dans des axones. Les neurones sensitifs sont donc des neurones bipolaires. Dans la moelle épinière, il se créé un message nerveux moteurs qui passe par la racine ventrale de la moelle épinière puis dans le nerf rachidien.
Fuseau neuromusculaire Substance blanche Racine dorsale et ganglion rachidien 2 3 Substance grise Racine ventrale Nerf rachidien 1 1 Percussion du tendon d Achille : Stimulus 4 2 3 Création d'un message nerveux sensitif transmis vers la moelle épinière Création d'un message nerveux moteur transmis vers l'organe effecteur : le muscle Plaque motrice 4 Contraction musculaire : Réponse réflexe
2. La nature du message nerveux A. Le potentiel de repos. Etape 1 : On observe une différence de potentiel (ddp) entre l'intérieur et l'extérieur de la membrane d'une fibre nerveuse. Cette ddp a pour origine une semiperméabilité de la membrane aux ions K+. Dans le 1 er schéma les compartiments A et B possèdent autant de charge + et, mais à cause du gradient de concentration et de la perméabilité de la membrane aux ions K+, ces derniers vont dans le compartiment B. Dans ce cas, le compartiment A, en perdant des charges +, devient chargé négativement (il y a plus d'ions Cl que d'ions K+), et le B contient un excès de charge +, il devient donc chargé positivement. On arrive à un état d'équilibre lorsque les ions K+ tendent à sortir de A à cause de la différence de concentration mais veulent aussi entrer dans A pour équilibrer les charges, dans ce cas la force créée par la différence de concentration est égale à celle créée par ddp.
Le potentiel de repos. La différence de potentiel entre le cytoplasme et la face externe de la membrane plasmique définit le potentiel de repos. En absence de stimulation, il est de 70 mv Dans la membrane, la présence de canaux protéique perméable aux ions K+ permet une sortie de la cellule de ces ions sous l action du gradient de concentration La cellule perd donc des charges positive il s établit alors un gradient de potentiel électrique Ce déplacement associé à la présence de protéines à l intérieur de la cellule est à l origine de cette différence de potentiel et d une charge globalement négative dans la cellule. Rq. Afin de maintenir le gradient de concentration, il existe dans la membrane cellulaire, une pompe nécessitant de l énergie qui permet l entrée des ions K+ dans la cellule.
2. La nature du message nerveux mv B. Le potentiel d'action. +30 0 électrodes réceptrices 50 potentiel transmembranaire stim fibre nerveuse 70 intensité (u.a.) temps stimuli 1 2 3 4 5 6 5 ms temps On observe que pour une stimulation de faible intensité, il n'y a pas de création de potentiel d'action. Ce dernier est créé lorsque l'intensité de la stimulation atteint un certain seuil. dans ce cas, le PA est créé. Donc soit il n'est pas créé, soit il l'est, il suit donc la loi du tout ou rien. Expliquons d'un point de vue ionique la création d'un potentiel d'action
RÉPARTITION DES IONS AU REPOS + + + + + + + + + + + + + + + polarisée
LE POTENTIEL D ACTION Les neurones peuvent réagir à une stimulation: ce sont des cellules excitables. La réponse du neurone est un message nerveux formé de potentiels d action. Dépolarisation Repolarisation Hyperpolarisation Observons pour chacune des étapes les déplacements d'ions
LA DÉPOLARISATION Canal Na + voltagedépendant Canal K + voltagedépendant Milieu extracellulaire + + + + + + Ions Na + Milieu intracellulaire Ions K + La stimulation du neurone entraîne l ouverture de canaux Na + voltagedépendants
LA DÉPOLARISATION Canal Na + voltagedépendant ouvert Baisse d ions + à l extérieur Canal K + voltagedépendant Milieu extracellulaire + + + + + + Ions Na + Milieu intracellulaire + + + + + + + Ions K + Hausse d ions + à l intérieur Entrée de Na + dans la cellule : le potentiel augmente
LA DÉPOLARISATION Entrée massive de Na + ==> inversion de la polarité là où les canaux à sodium se sont ouverts.
LA REPOLARISATION Canal Na + voltagedépendant fermé Canal K + voltagedépendant ouvert Milieu extracellulaire Ions Na + Milieu intracellulaire + + + + + + + Ions K + Fermeture des canaux Na + voltagedépendants Ouverture des canaux K + voltagedépendants
LA REPOLARISATION Canal Na + voltagedépendant fermé Canal K + voltagedépendant ouvert Milieu extracellulaire Ions Na + Milieu intracellulaire + + + + + + + Ions K + Sortie des ions potassium
Canal Na + voltagedépendant fermé LA REPOLARISATION Hausse d ions + à l extérieur Canal K + voltagedépendant ouvert Milieu extracellulaire Ions Na + + + + + + + + Milieu intracellulaire + + + + + + + Ions K + Baisse d ions + à l intérieur
LA REPOLARISATION Sortie massive d ions K+ Retour à la polarité +
L' HYPERPOLARISATION Canal Na + voltagedépendant fermé Canal K + voltagedépendant ouvert Milieu extracellulaire Ions Na + + + + + + + + Milieu intracellulaire Ions K + Canaux à sodium toujours fermés Canaux à potassium restent ouverts Sortie des ions potassium
L' HYPERPOLARISATION La sortie d ions K + continue Hyperpolarisation + hyperpolarisation
RETOUR AU POTENTIEL DE REPOS Milieu extracellulaire Na + + + + + + + ATP ADP + Pi Milieu intracellulaire K + Fermeture des canaux à Na+ et à K+ Action de la pompe Na+/K+ : retour des K+ dans la cellule et des Na+ à l'extérieur de la cellule
RETOUR AU POTENTIEL DE REPOS Milieu extracellulaire Na + + + + + + + ATP ADP + Pi Milieu intracellulaire K +
RETOUR AU POTENTIEL DE REPOS Action de la pompe Na + /K + : Sortie de Na + Entrée de K + Retour à la répartition ionique de départ et au potentiel de repos
Le potentiel d'action Lorsque le neurone est stimulé, le potentiel de membrane peut varier positivement.c est le potentiel d' action. Il n est observé si et seulement si la stimulation du neurone dépasse une valeur seuil. Audelà de cette valeur, le potentiel conserve toujours les mêmes caractéristiques. La dépolarisation est due à l entrée d ions Na+ dans la cellule. La repolarisation est due à la sortie des ions K+ de la cellule. La stimulation d un neurone audelà de la valeur seuil, induit l émission d une série de potentiel d action dont la fréquence est proportionnelle à l intensité de stimulation. C est le message nerveux. Il est donc codé en fréquence de potentiels d action.
La conduction du message nerveux et l'intérêt de la gaine de myéline Les nerfs sont constitués d axones de cellules nerveuses: l observation d une coupe de nerf révèle que celuici est constitué de plusieurs faisceaux de fibres nerveuses reliées par un tissus conjonctif vascularisé. Chaque faisceau est constitué d un grand nombre d axone de cellules nerveuses Axone Gaine de tissu conjonctif Nerf rachidien ~ 600 000 fibres nerveuses Vaisseaux sanguins
Dans le cas d'une fibre nerveuse sans gaine de myéline (amyélinisée), un PA apparaît en un point de la membrane qui entraîne l'apparition d'un PA au point suivant Les canaux à sodium vont s ouvrir ici Il en résulte une conduction assez lente du message nerveux de l'ordre de 3 km/h
Dans le cas d'une fibre nerveuse avec gaine de myéline (myélinisée), la membrane ne peut former de potentiel d'action qu'au niveau des nœuds de Ranvier. La dépolarisation résultant d'un stimulus ne peut donc se déplacer qu'en «sautant» d'un nœud de Ranvier à l'autre. Ce mode de déplacement par sauts est beaucoup plus rapide que le déplacement de proche en proche observé sur une fibre non myélinisée. Ce type de propagation par «sauts» est appelé «conduction saltatoire». Les fibres nerveuses les plus rapides sont donc de grosses fibres myélinisées (vitesse de l'influx pouvant avoisiner les 400 km/h).
3. Le fonctionnement des synapses A. Structure et fonctionnement d'une synapse Exemple de la synapse neuroneuronique 1 Vésicule synaptique 2 Membrane du neurone A : neurone présynaptique 3 Fente synaptique 4 5 Membrane du neurone B : neurone postsynaptique Eclatement d'une vésicule à la surface de la membrane
Les canaux calciques s'ouvrent lors de l'arrivée d'un PA dans le neurone présynaptique. L'ion calcium entre alors dans ce neurone, ce qui provoque le déplacement puis la fusion des vésicules synaptiques avec la membrane du neurone. Dans ces vésicules se trouvent des neurotransmetteurs. Ils se fixent sur des récepteurs situés sur la membrane du neurone postsynaptique et vont permettre l'ouverture de canaux sodiques situés dans la membrane du neurone postsynaptique. L'ouverture des canaux sodiques permet la création d'un PA dans le neurone postsynaptique
RQ. Dans cet exemple, l'élément post synaptique est une fibre musculaire, néanmoins, on ferait le même constat si l'élément postsynaptique était un neurone. Le dépôt d'acétylcholine (neuromédiateur) entraine la création de PA sur l'élément postsynaptique. On remarque que la fréquence des PA est corrélée avec la quantité d'acétylcholine déposée. On peut donc conclure que le message nerveux est codé en quantité de neuromédiateur au niveau de la synapse.
Le terme de synapse, proposé par Sherrington (1897), désignait au départ les zones de contact entre neurones, zones de contact spécialisées dans la transmission de l'information. Mais les synapses ne sont pas uniquement interneuronales. Elles lient également les cellules réceptrices aux neurones et les neurones aux cellules effectrices (jonction neuromusculaire). C'est au niveau de ces synapses que s'effectue la transmission de l'information d'une cellule à une autre : la transmission synaptique. Les synapses sont caractérisées par la présence d'un espace entre la membrane présynaptique et la membrane postsynaptique : la fente synaptique. Une molécule chimique transmet les informations de la cellule présynaptique à la cellule postsynaptique. La synapse comprend 3 parties : une zone présynaptique qui est la continuité de l axone du neurone A. Elle possède des vésicules synaptiques qui stockent des neurotransmetteurs. la fente synaptique : c est l espace entre deux neurones ou entre le neurone et l organe effecteur. C est le lieu où sont libérés les neurotransmetteurs. la zone postsynaptique : elle appartient au neurone B (synapse neuroneuronique) ou à une synapse de l organe effecteur (synapse neuromusculaire dans le cas d un muscle). Elle possède des récepteurs aux neurotransmetteurs et permet de retransmettre le message. La quantité de neuromédiateur libérée est proportionnelle à la fréquence des potentiels d action parvenant à la terminaison synaptique. Il y a donc un codage chimique du message nerveux en concentration de neurotransmetteur.
Neurone A : neurone présynaptique Vésicules synaptiques Fente synaptique Neurone B : neurone postsynaptique Message nerveux
La synapse neuroneuronique Codage en fréquence de potentiel d action du message électrique +30 0 70 Intensité (mv) Un potentiel d action Temps (ms) Codage en concentration de neurotransmetteur du message chimique 3 6 9 Neurotransmetteur Entrée d ions Potentiel d action Récepteur du neurotransmetteur Neurone moteur Dendrite 1: M.N moteur 2: Fusion des vésicules de sécrétion 3: Libération des neurotransmetteurs et fixation sur les récepteurs postsynaptique 4: Echanges ioniques 5: Création de PA
Pour aller plus loin : Un schéma plus complet.
La synapse neuromusculaire Axone du motoneurone 1 2 Na + Ca 2+ Canal calcique Récepteur à l Ach Acétylcholine (Ach) Mitochondrie Vésicule synaptique Potentiels d action Réticulum sarcoplasmique 3 4 5 6 7 8 Membrane plasmique de la fibre musculaire Myofibrille Le fonctionnement est le même que pour la synapse neuroneuronique. Les PA créés sur la membrane de la fibre musculaire seront à l'origine de la contraction des fibres musculaires
Etapes 3 et 4 : Après avoir suivi le protocole fourni pour le récepteur à l'ach sur lequel est fixé le curare La mesure entre l'acide aminé CYS 188 (en rouge) et TRP 145 (en violet) donne 16.54 Å, soit 1.65 nm Distance : CYS188 et TRP 145 (nm) Configurati on du récepteur Molécule agoniste Molécule antagoniste 1,0 < d < 1,3 1,5 < d < 1,8 Récepteur activé Récepteur bloqué Les valeurs obtenues placent le curare comme une molécule antagoniste du récepteur à l'acétylcholine, il va donc bloqué son fonctionnement. Les muscles sont donc paralysés par blocage du récepteur à l'ach. Rq. La présentation des résultats de l'étape 3 peut se faire soit en demandant à l'examinateur d'imprimer le résultat obtenu à l'écran, soit sous forme d'un schéma d'interprétation.
Dans le cas de l' Ach fixé sur son propre récepteur, la mesure entre les deux acides aminés cys 188 et TRP 145 donne 10.97 Å soit 1.097 nm Dans le cas de la strychnine, la mesure est de 13.48 Å soit 1.348 nm. Dans le cas de la nicotine, la mesure est de 12.37 Å soit 1.237 nm Distance : CYS188 et TRP 145 (nm) Configurati on du récepteur Molécule agoniste Molécule antagoniste 1,0 < d < 1,3 1,5 < d < 1,8 Récepteur activé Récepteur bloqué L'Ach est un agoniste, forcément La mesure obtenue pour la strychnine ne correspond pas aux valeurs du tableau, néanmoins elle est un antagoniste de ce récepteur. La nicotine est par contre clairement un agoniste.
L'effet (agoniste ou antagoniste) des différentes substances pharmacologiques sur le récepteur nicotinique dépend de la déformation du site de liaison qu'elles provoquent. Ce changement de conformation de la partie extracellulaire est couplé à l'ouverture du pore (bloquée par les antagonistes, provoquée par les agonistes). Ce qui entraîne ou pas une contraction musculaire.
Pour aller plus loin La strychnine (alcaloïde très toxique extrait de la noix vomique) a une action inhibitrice (antagoniste) sur le récepteur nicotinique. En empêchant l'ouverture du canal ionique, la transmission du signal nerveux est bloquée. C'est le premier poison de l'histoire a être isolé. La conotoxine est une toxine d'origine animal, utilisable comme puissant antidouleur, elle a été obtenue par des chercheurs en modifiant légèrement un des composants du puissant venin produit par les "cônes" des gastéropodes marins et contenu dans une sorte de harpon utilisé pour chasser ses proies. Elle a une action inhibitrice (antagoniste) sur le récepteur nicotinique. On peut supposer qu'en maintenant le domaine de fixation en configuration ouverte, elle bloque le changement de conformation de la partie transmembranaire du récepteur, empêchant la transmission du signal nerveux. La dtubocurarine ou curare est un puissant poison extrait des certaines plantes, utilisés par les indiens d'amazonie pour chasser en enduisant leurs pointes de flèches de cette substance pour paralyser leurs proies (paralysie notamment des muscles respiratoires (mort par asphyxie)). Cette molécule est utilisé en médecine pour relâcher certains muscles lors d'une intervention chirurgicale. Elle a une action inhibitrice (antagoniste) sur le récepteur nicotinique et agit comme la molécule précédente.
La nicotine est un alcaloïde présent dans certaines plantes (les feuilles de tabac en contiennent jusqu'à 5%). Elle a une action stimulatrice (agoniste) sur le récepteur nicotinique. On peut supposer qu'en entraînant un repliement du domaine de fixation, elle conduit à un changement de conformation de la partie transmembranaire du récepteur, le canal ionique, laissant ainsi passer les ions responsables du signal nerveux. Conditions normales physiologiques : après ouverture du canal sodique par liaison de l acétylcholine, le récepteur passe par un état désensibilisé avant de revenir au stade de repos ou d être renouvelé. Conditions tabagiques : la nicotine remplace l acétylcholine et surstimule le récepteur nicotinique. Puis le récepteur est inactivé à long terme et son renouvellement est saturé par la nicotine.