La communication nerveuse (1 ES) Les objectifs Il s agit de faire acquérir à l élève des connaissances de base sur différents composants du système nerveux (neurones et synapses, modulation de l activité synaptique) afin d envisager une approche rationnelle des problèmes soulevés par l utilisation de molécules exogènes (médicaments et drogues). Les conséquences de l activité de ces molécules sont différentes selon leur nature et leur utilisation. Ainsi, la morphine peut agir - sur les voies sensitives nociceptives : elle est alors utilisée comme l analgésique ou - sur d autres centres cérébraux du plaisir : elle peut alors conduire à l état de dépendance. Les acquis de 3 ème Relations à l environnement et activité nerveuse L activité des récepteurs sensoriels, dispersés ou groupés en organes des sens, est déclenchée par un stimulus spécifique, provoquant la naissance de messages nerveux. La propagation des messages nerveux vers le cerveau se fait le long de fibres nerveuses en relation avec les récepteurs sensoriels. La perception de l environnement et la commande motrice sont des phénomènes cérébraux, elles s élaborent au niveau du cortex cérébral. Elles mettent en jeu des aires cérébrales localisées, ou aboutissent et d ou partent les messages nerveux. Elles supposent des communications entre les différentes régions du cerveau et la mise en jeu de la mémoire. Les organes effecteurs reçoivent des messages nerveux venant du cerveau, la propagation des messages nerveux se fait le long de fibres nerveuses en relation avec des aires spécialisées du cortex cérébral. Le cerveau est un organe fragile, soumis pour son fonctionnement à des exigences strictes. La mort du cerveau signifie la mort de l individu. Il est particulièrement sensible aux insuffisances de l approvisionnement en dioxygène et glucose. Certaines substances chimiques, des agressions lumineuses ou sonores perturbent son fonctionnement. Les messages nerveux sont élaborés et transmis par des cellules spécialisées : les neurones. Les neurones communiquent entre eux au niveau de dispositifs spécialisés appelés synapses par l intermédiaire de messages chimiques. Les médicaments (tranquillisants, antidépresseurs) agissent à ce niveau. Ils modifient l humeur et les comportements. Les drogues ont également à ce niveau une action qui les rend dangereuses, car elles perturbent les relations de l homme avec son environnement.
Introduction du thème (semaine 1) Evaluation diagnostique des acquis de la classe de troisième constat : Les effets de la morphine La morphine est la substance active du pavot. La morphine est à l origine d une puissante activité analgésique qui n entraîne pas de dépendance : c est un analgésique ou antalgique (= molécule qui réduit la douleur). La morphine prise de manière répétée au cours du temps peut entraîner le développement d une toxicomanie, elle procure une sensation de plaisir éphémère, dans un tel contexte, c est une molécule dangereuse parce que le plaisir qu elle procure génère un besoin irrépressible de rechercher encore et encore cette sensation. La morphine prise de façon répétée au cours du temps engendre : - La tolérance qui résulte de la nécessité pour obtenir le même effet (analgésique ou sensation de plaisir ) d augmenter continuellement les doses prises - La dépendance physiologique qui résulte de l apparition après arrêt de la prise de la drogue (= sevrage) d un syndrome d abstinence physiologique caractérisé par de nombreux symptômes : diarrhée, sudation, lacrymation, tremblements, agitation. - La dépendance psychologique caractérisée par l état de manque, c est à dire un besoin irrépressible de reprendre de la drogue, qui est une souffrance psychologique très difficile à supporter. C est cet état de manque qui est à l origine de la toxicomanie. La morphine, ses effets : mettre en évidence les deux effets de la morphine Documents sur l origine, l utilisation et les risques de la morphine : Manuel Bordas p.27 doc.4, p.30 doc.1, p.36 doc.1 et doc.2 Pour la Science n 128 juin 88 : morphine et douleur rebelles Problème Comment expliquer les différents effets de la morphine? Hypothèses : Elle agit : - Au niveau de récepteurs de la douleur - Au niveau des synapses dans les centres nerveux Stratégie : - Déterminer les voies de la douleur, la nature du message nerveux (chapitre 1) - Rechercher l action de la morphine (chapitre 2)
Chapitre 1 : Circuit et message à l origine de la sensation douloureuse 1. Les voies nerveuses du message nociceptif (semaine 2 semane3) 1.1 Les organes mis en jeu Les récepteurs de la douleur sont des terminaisons sensorielles disséminées par millions dans tous les organes. Ces récepteurs sont appelés nocicepteurs car ils réagissent aux stimulus nocifs, c est à dire tout ce qui peut endommager l organisme. Les nocicepteurs donnent naissance à des messages nerveux qui sont d abord transmis à la ME, puis de la ME vers le cerveau ou s établit la sensation de douleur. 1.2 Les cellules mises en jeu Le circuit de la douleur : Identifier les organes de la naissance et de la conduction du message nerveux nociceptif et réaliser un schéma fonctionnel Matériel pour localiser les organes mis en jeu : Ecorché, Planche du SN, Moulage de l encéphale humaine Documents pour rechercher les organes mis en jeu : Données cliniques et expérimentales sur la moelle épinière (Manuel Bordas p.10 et p.11) Exercice type Bac : les mécanismes de la douleur (Manuel Bordas p.24) 1.2.1 Le neurone Le neurone est une cellule spécialisée, constituée d un corps cellulaire contenant le noyau et de prolongements cytoplasmiques plus ou moins longs, dendrites et axones. Les corps cellulaires des neurones sont regroupés dans les ganglions nerveux (ganglion rachidien) et dans la substance grise des centres nerveux. Dans la moelle épinière la substance grise est interne (figure en forme de papillon dont les ailes correspondent aux cornes dorsales et ventrales). Dans le cerveau, la substance grise forme le cortex cérébral et des noyaux à la base de l encéphale (fig.2 p.26 manuel Bordas). Les axones, prolongements des neurones constituent des fibres nerveuses qui permettent les communications : chaque neurone reçoit des informations par ses dendrites et émet des messages par son axone. Ces prolongements, dépourvus de myéline dans la substance grise, sont généralement myélinisés dans la substance blanche. Les cellules du circuit nociceptif : Identifier les cellules qui conduisent le message nerveux nociceptif. Dilacération d un nerf de cuisse de grenouille : patte de grenouille lame, lamelle, aiguille lancéolée Observation microscopique de lames histologiques : coupes de moelle épinière, d encéphale, de peau, de nerf.
1.2.2 Les voies nerveuses de la douleur Les fibres nociceptives afférentes, qui conduisent les messages des récepteurs vers la moelle, sont des fibres nerveuses dépourvues de myéline nommées fibres de type C. Ces fibres sont des prolongements de neurones dont le corps cellulaire est localisé dans les ganglions rachidiens. Elles pénètrent toutes dans la ME en empruntant les racines dorsales des nerfs rachidiens. Dans la ME, les fibres nociceptives afférentes entrent en contact synaptiques avec d autres neurones nociceptifs dont le corps cellulaire est situé dans la corne dorsale de la substance grise et dont les axones remontent par la substance blanche de la ME en direction du cerveau. Les cornes dorsales représentent donc un relais sur les voies nerveuses de la douleur. Au niveau du cerveau : les fibres nociceptives ascendantes effectuent un dernier relais avec les neurones dont les corps cellulaires sont situés dans des noyaux gris localisés à la base du cerveau. Les axones de ces neurones se terminent dans le cortex cérébral, lieu ou s élabore la sensation douloureuse. Schéma bilan Le circuit à l échelle cellulaire : Extraire les informations d un texte et réaliser un schéma fonctionnel du circuit nociceptif Document permettant d établir les voies nerveuses de la douleur PLS n 128 Juin 88 : Morphine et douleur (texte à extraire ) Document 4 p.24 Bordas 1 ère ES 2. La conduction du message nerveux le long des neurones (semaine 4) La communication nerveuse se manifeste par des combinaisons de signaux électriques enregistrables constituants des messages. Au niveau de la cellule : La membrane d une cellule nerveuse au repos présente une différence de potentiel permanente de -70mV entre ces deux faces, où l intérieur est électronégatif par rapport à l extérieur : c est le potentiel de repos. Chaque signal ou potentiel d action est une inversion brutale de la polarisation de la membrane. Le neurone code l intensité du stimulus en fréquence de potentiels d action (nombre de PA par unité de temps). Les PA sont tous identiques d une amplitude de 100mV et d une durée de 1 ms. Au niveau du nerf on enregistre un potentiel global qui est la somme des signaux bioélectriques des fibres. Ces messages nerveux sont rapidement propagés sans atténuation le long d un neurone dans un seul sens le long d une chaîne de neurones, cellules spécialisées connectées entre elles. La vitesse de la propagation dépend du calibre des fibres et de la présence de myéline : de 1 à 100ms. Schéma bilan d un message nerveux. Nature du message nerveux : Rechercher la nature du message nerveux au niveau de la fibre nerveuse et du nerf Séquences filmées d enregistrement du message nerveux et explications Film : la communication nerveuse (Jeulin) Logiciels de simulation du Message nerveux : Logiciels Neurostim ou Nerf (à télécharger : http://svt.framanet.free.fr) La propagation du message nerveux : Rechercher les caractéristiques de la propagation du message nerveux Logiciels de simulation de la propagation du message nerveux Logiciels Nerf et Synapse (à télécharger : http://svt.framanet.free.fr)
3. Le message nerveux : sa transmission au niveau synaptique (semaine 5 semaine 6) Les neurones communiquent entre eux par des synapses. Chaque synapse est caractérisée par l existence d une fente ( 20 à 30 nm) synaptique qui sépare la cellule pré- de la cellule postsynaptique Le principe de la transmission synaptique : - production de neurotransmetteurs pré-synaptiques stockés dans des vésicules pré-synaptiques à l extrémité de l axone. - arrivée de PA au niveau de la terminaison pré-synaptique déclenchant la libération de neurotransmetteurs dans la fente synaptique (plus le nombre de PA est important plus la libération de neurotransmetteur est grande ) - fixation des neurotransmetteurs sur des récepteurs postsynaptiques - genèse d un message post-synaptique. L association neurotransmetteur récepteur assure la transmission des messages. Selon le neurotransmetteur libéré, il peut y avoir deux effets opposés sur le neurone post- synaptique : - Naissance d un nouveau message = synapse excitatrice - Empêchement de l émission de message = synapse inhibitrice. Schéma bilan de la synapse Evaluation sommative Logiciels de simulation Synapse et nerf Electronographies de synapses doc.2 p.16 et doc.3 p.17 Bordas 1èreES Le codage de l information par les neurotransmetteurs : rechercher les étapes et le principe de la transmission synaptique et réaliser un schéma fonctionnel. Action des neurotransmetteurs sur le neurone post synaptique : Découvrir les deux actions possibles des neurotransmetteurs sur les neurones post-synaptiques Chapitre 2 : Les mécanismes d action de la morphine Problèmes Comment la morphine modifie-t-elle les sensations de douleur et comment peut elle être à l origine de sensation de plaisir? Comment expliquer la dépendance? Retour aux hypothèses, modification, amélioration de celles ci Stratégies - Injecter de la morphine radioactive pour localiser les lieux ou elles se fixent - Enregistrer l activité nerveuse des neurones post synaptiques après injection
1. Les lieux d action de la morphine (semaine 7) La morphine se fixe sur les récepteurs opioïdes localisés sur les neurones de la corne dorsale de la ME et dans certaines régions du cerveau (thalamus). Cette propriété a permis de localiser et marquer les récepteurs opiacés des membranes neuroniques. Lieux d action de la morphine : Localiser la morphine dans l organisme pour ensuite comprendre son mode d action Support Matériel pour localiser les récepteurs opioïdes Moulage d encéphale Photos d imagerie médicale visualisant la localisation des récepteurs (Manuel Bordas doc.3 p.31, doc.3 p.33 ; Pour la Science «le cerveau» n 181 Novembre 92 ; La recherche n 309 Mai 98) 2. Les modes d action de la morphine 2.1. Au niveau de la moelle épinière (semaine 8) La transmission du message nerveux nociceptif au niveau du relais synaptique de la ME - Arrivée du message nerveux nociceptif par les neurones pré-synaptiques - Libération de 2 neurotransmetteurs : substance P et glutamate - Fixation des neurotransmetteurs sur les récepteurs spécifiques des neurones post-synaptiques - Naissance d un nouveau message dans le neurone postsynaptique codé en fréquence de PA (synapse excitatrice) Modulation du fonctionnement du relais synaptique par des substances endogènes Des interneurones spécialisés, situés dans la corne dorsale de la ME libèrent des neurotransmetteurs : les enképhalines. Ces neurotransmetteurs se fixent sur des récepteurs spécifiques (= opioïdes) situés dans la membrane des neurones postsynaptiques nociceptifs. La fixation des enképhalines sur ces récepteurs entraîne une inhibition des neurones post-synaptiques qui sont moins excitables, de ce fait les messages nociceptifs sont freinés. La fréquence des PA émis est plus faible. Elles inhibent ainsi la transmission des messages nociceptifs vers le cerveau : la douleur ressentie sera moins violente (= effet analgésique). L effet de la morphine, substance exogène La morphine possède une structure qui présente une région semblable aux enképhalines. Elle se fixe sur les récepteurs opioïdes localisés sur les neurones de la corme dorsale de la moelle. Elle est à l origine d une puissante activité analgésique qui n entraîne pas de dépendance, d où un blocage presque total de l émission de messages nerveux nociceptifs par les neurones post-synaptiques médullaires. Son effet est durable du fait que contrairement aux enképhalines, la morphine n est pas rapidement dégradée. La transmission du message nociceptif au niveau médullaire : expliquer le mécanisme de la transmission du message nerveux nociceptif au niveau de la ME ; expliquer le rôle analgésique des enképhalines Documents sur la transmission du message nociceptif et sa modulation par les enképhalines Documents p.28 et 29, doc.3 p.31, doc.1 p.32, doc.2 p.43, Bordas 1 ère ES Mode d action analgésique de la morphine : expliquer les effets de la morphine comme analgésique et les différences avec les enképhalines. Enregistrements de l activité des neurones nociceptifs de la ME sous l effets de la morphine (Pour la Science n 128 Juin 88 «Morphine et douleur» ; Docs p 28 à 33 du manuel Bordas 1èreES) Photographies des modèles moléculaires de l enképhaline et de la morphine Logiciel RASTOP : molécules de la douleur (à télécharger :
Schéma bilan. douleur (à télécharger : http://www.inrp.fr/acces/biotic//accu eil.htm) doc.2 p.32 Bordas 1èreES 2.2. Au niveau du cerveau (semaine 9) Action des enképhaline endogènes Dans le cerveau la fixation des enképhalines sur les récepteurs opioïdes des neurones modulateurs provoque la levée de l inhibition qu ils exercent sur l activité des neurones dopaminergiques. Par voie de conséquence, cette levée d inhibition entraîne la sécrétion accrue de dopamine qui contribue à la sensation de plaisir. Action de la morphine exogène La morphine et ses dérivés de synthèse comme l héroïne peuvent être à l origine d une sensation de plaisir. La genèse de cette sensation de plaisir résulte de la fixation de la morphine sur les récepteurs opioïdes du cerveau mimant l action des morphines endogènes. Schéma bilan Mécanisme d action de la morphine au niveau du cerveau : extraire des données de textes scientifiques Documents sur le mode d action de la morphine et de l héroïne Pour la Science n 181 Novembre 92 et n 163 Mai 91 ; La recherche n 309 Mai 98 Les circuits cérébraux de récompense (p.34 Manuel Bordas 1 ère ES) Les effets de l héroïne sur le circuit de récompense (doc.4 p.35 manuel Bordas 1 ère ES) 3. Les mécanismes de la dépendance (semaine 10) 3.1. Morphine et dépendance Contrairement aux enképhalines, la morphine n est pas rapidement dégradée. La morphine (ou l héroïne) prise de façon répétée au cours du temps engendre tolérance, dépendance physiologique, et dépendance psychique (= état de manque). C est ce dernier qui est à l origine de la toxicomanie. 3.2. Action et dépendance des autres drogues La plupart des drogues (héroïne, nicotine, alcool, cocaïne, principe actif du cannabis, ecstasy) agissent, par des mécanismes différents, sur les neurones dopaminergiques des systèmes de récompense. La dépendance aux drogues est un phénomène complexe qui est tributaire de facteurs psychologiques, mais aussi de facteurs environnementaux. L'arrêt de la prise de toute drogue nécessite la mise en application d'un protocole de sevrage qui implique un suivi médical prolongé et une aide psychologique. Morphine et dépendance : Expliquer la dépendance Documents sur drogue et dépendance Pour la Science n 163 Mai 91 ; Manuel Bordas 1 ère ES p.44 Mode d action des drogues autres que la morphine : Comprendre les mécanismes d action d autres drogues Documents drogue et dépendance Manuel Bordas 1 ère ES p.44 Conclusion : Réponse au problème Evaluation sommative type bac