Chapitre 1 Le Neurone Rigal Robert Intégration perceptivomotrice: la cellule nerveuse Nous allons voir: z sa morphologie, z sa physiologie (excitabilité, conductivité, transmission), en particulier: z le potentiel de repos, z le potentiel d ’action, z la conduction du potentiel d ’action dans les axones, z la transmission d’un neurone à l’autre; z les réseaux de neurones. Les cellules nerveuses z z z z z z z z près de 100 milliards de cellules, près de 1000 types différents de cellules, plusieurs centaines de contacts (synapses) pour chaque cellule nerveuse avec d’autres cellules, les cellules nerveuses sont entourées de cellules gliales (10 fois plus nombreuses), leurs propriétés intrinsèques sont d’être: excitables, conductrices, et de transmettre l’influx nerveux. 1 Le neurone: anatomie Cellule de base (anatomique et fonctionnelle) du système nerveux; dispose d’un corps cellulaire et de prolongements: l ’axone, les dendrites. dendrites corps cellulaire axone Figure 1.1 Le neurone Dendrite Synapse Cône axonique Corps cellulaire Collatérale Axone Synapse Arborisation terminale Synapse Noyau Noeud de Ranvier Soma Figure 1.3a La cellule nerveuse: le corps cellulaire et les organites cellulaires Pore ou canal Synapse Dendrite Cytoplasme Mitochondrie Membrane cellulaire Neurofilament Noyau Nucléole Réticulum endoplasmique Appareil de Golgi Corps de Nissl Ribosomes libres Microtubules Axone Ribosomes liés Lysosomes Corps cellulaire Cône axonique 2 Les organites de la cellule Noyau (matériel génétique de la cellule; ADN…ARN) Ribosomes libres ou attachés au réticulum endoplasmique – synthèse des protéines Corps de Nissl : – synthèse des protéines cellulaires Appareils de Golgi : – achèvent la synthèse des protéines – constituent des réservoirs z z z z Les organites de la cellule z z z Réticulum endoplasmique : – membranes formant des sacs aplatis ou des tubes ramifiés – stockage de substances (ions, enzymes) Mitochondrie: – renferme l ’énergie pour la cellule sous la forme d ’ATP Lysosomes : – corpuscules sphériques qui éliminent les déchets du métabolisme et les organites intracellulaires endommagés Les organites de la cellule z z Neurofilaments – structure protéique (actine); – constituent la structure fibreuse de la cellule Microtubules – petits tubes microscopiques; – assurent le support cellulaire et – le transport axoplasmique à une vitesse lente de 1 à 10 mm par jour ou rapide jusqu’à 2000mm. 3 Figure 1.4 Classification des neurones sens de la propagation de l’influx nerveux Zone dendritique Axone Arborisation terminale unipolaire bipolaire multipolaire Cellules gliales (névroglie) z z z Astrocyte: liaison neurone-vaisseaux sanguins; Oligodendrocyte: formation de la gaine de myéline dans le système nerveux central; Microglie: rôle macrophage. La myéline Dans le système nerveux périphérique, l’axone est recouvert d'une gaine de Schwann et d’une gaine de myéline, laquelle comporte des noeuds de Ranvier; La myéline est une substance lipidoprotéique, de couleur blanchâtre. 4 Fig. 1.5A La myélinisation (SNP) Formation de la gaine de myéline autour des axones; Cellule de Schwann Axone Axolemme Cytoplasme de la cellule de Schwann axone Myéline Fig. 1.5b La myélinisation (SNC) Dendrites Gaine de myéline Soma Myéline Axone Axone Oligodendrocytes Enroulement Arborisation terminale Myélinisation Caractéristiques de la myéline: z -> isole les fibres nerveuses; z -> augmente la vitesse de conduction de l'influx nerveux; z -> elle apparaît selon un ordre spatial et temporel précis; 5 Myélinisation (ch. 2, pt 5) Système nerveux central z -> très avancée dès la naissance dans les centres nerveux de la vie végétative (centres sous-corticaux et système limbique); z -> amorcée à la naissance dans les aires corticales motrices et sensitives; z -> état d'avancement dégressif dans l'ordre aires motrices, somesthésiques, visuelles, auditives; z -> dans les aires motrices, aires du tronc en avance par rapport à celles de la tête et des membres inférieurs. Myélinisation Système nerveux périphérique: z racines ventrales des nerfs rachidiens en avance par rapport aux racines dorsales. Conséquences z z z -> les aires associées à la survie de l'individu (respiration, déglutition et vie végétative) évoluent plus rapidement que les aires corticales (vie de relation); -> décalage spatial et temporel entre les aires et au sein des mêmes aires; -> plus d'actions motrices effectuées que contrôlées; 6 Conséquences z z z z -> ajustements moteurs au fur et à mesure que les aires somesthésiques rattrapent les aires motrices; -> évolution générale du contrôle moteur selon des directions céphalo-caudale et proximo-distale; -> le contrôle des actions motrices évolue grâce en partie aux transformations qui se produisent dans les centres et les voies de contrôle; -> relation probable entre l'évolution des aires corticales et celle des fonctions motrices ou cognitives qu'elles supportent. Le neurone: physiologie Ses propriétés physiologiques intrinsèques sont d’être: •excitable •conducteur •transmetteur L’excitabilité: la membrane de la cellule nerveuse z maintient l’intégrité du milieu interne de la cellule; z possède des pores ou canaux qui assurent une perméabilité sélective aux substances intracellulaires et extracellulaires; z il en résulte une différence de potentiel (voltage) entre l’intérieur de la cellule et le milieu extracellulaire. 7 Fig. 1.6a La membrane cellulaire: sa constitution Face externe de la membrane Pore ou canal fermé Double couche phospholipidique Face interne de la membrane Protéine Canal ouvert Protéine structurale Échanges neurone-milieu z Pour que le neurone soit fonctionnel, il doit contrôler ses échanges avec le milieu extracellulaire; z Ceci suppose des mécanismes d ’ouverture et de fermeture des pores ou canaux. Le neurone: excitabilité Figure 1.6b Les modes d’ouverture des canaux Canal ouvert en permanence Canal récepteur dépendant Fermé K+ K+ Na + Canal voltage dépendant Na + Canal avec second messager Neuro transmetteur Second messager Na + Ouvert Na + 8 Avant de commencer... z La diffusion: z déplacement d’une substance pour occuper également tout l’espace disponible; z ses principes: z transport passif; z transport actif. Diffusion passive Concentration intracel. élevée z z la diffusion se produit selon le gradient de concentration, de la concentration la plus élevée à la concentration la plus faible; diffusion du K+ vers l ’extérieur de la cellule. Concentration extracel. faible K+ Diffusion facilitée: le transporteur Concentration intracel. faible z z transporteur du glucose par les protéines structurales du canal; utilise de l ’énergie (ATP) Concentration extracel. élevée Glucose ATP 9 Transport actif: la pompe Na+-K+ Concentration faible Concentration élevée INTRA z z z z requiert de l’énergie; travaille contre un gradient de concentration; de la concentration la plus faible à la concentration la plus élevée; transport du Na + vers l’extérieur de la cellule. EXTRA Na+ Na + Faible Forte + Concentration Na INTRA EXTRA ATP INTRA EXTRA ATP TRANSPORT ACTIF Pompe Na- K Les différents types de diffusion: comparaison Membrane INTRA K+ INTRA K+ Glucose Forte Faible Concentration EXTRA INTRA EXTRA Soluté INTRA EXTRA INTRA EXTRA INTRA EXTRA Na+ Na + Faible Forte Concentration Glucose Faible Forte Concentration ATP DIFFUSION PASSIVE Les pores Pompe Na- K Protéine de transport EXTRA INTRA EXTRA ATP INTRA EXTRA ATP Liaison DIFFUSION FACILITÉE Le transporteur TRANSPORT ACTIF Pompe Na- K Le neurone Physiologie excitabilité z z z z membrane percée de pores: diffusion ou transport actif d'ions (K+ et Na+); gradients de concentrations chimiques; différence de charges électriques; potentiel de repos. 10 Figure 1.3b La cellule nerveuse: coupe du corps cellulaire Membrane cellulaire Noyau Canal voltage dépendant ouvert Récepteur membranaire Neurotransmetteur Canal ouvert Canal récepteur dépendant fermé Pompe sodium-potassium D’où vient la différence de potentiel entre l ’intérieur et l ’extérieur de la cellule? Figure 1.8 Le potentiel de repos: les ions nécessaires Na+ Cl Na+ Cl - K+ Cl- - K+ A - A- Na+ A- K+ A- Na+ Cl A- Cl- A- AK+ Cl- K+ + Na+ K+ Mise en évidence du potentiel de repos Na+ - K+ + - - + + + + + - 60 0 +60 Na+ Cl- Na+ Na+ Micro intra Micro extra 11 Figure 1.7 La diffusion ionique: potentiel de membrane EXTRA INTRA K+ K+ Gradient de concentration K+ K+ Gradient électrique K+ K+ Le transfert des ions Échanges passifs d’ions K+ (diffusion) dus aux forces électrochimiques provoquées par les gradients de concentration et la différence de potentiel électrique Échange actif d’ions: mécanisme de la pompe à sodium-potassium où la cellule expulse activement le sodium et réintègre le potassium force du gradient de concentration chimique force du gradient électrique Tableau 1.1 Concentration des différents ions dans les milieux intra et extra-cellulaire ions intra extra rapport K+ 150 5 30 / 1 Na+ 15 150 1 / 10 Cl - 10 125 1 / 12 A- 160 - - millimoles/litre 12 Le neurone: physiologie z=> potentiel de repos (-75 mv) et excitabilité de la cellule par état de repos instable; zl'excitation provoque la dépolarisation de la cellule: potentiel d'action. Le potentiel d’action z résulte de l’augmentation subite de la perméabilité de la membrane pour le Na+; z se traduit par la dépolarisation de la cellule; z est une brève décharge électrique: – dure à peine quelques millièmes de seconde z survient quand l ’excitation est suffisante pour atteindre le seuil de déclenchement. Le neurone: physiologie mV Le potentiel d’action Repolarisation Dépolarisation Hyperpolarisation Seuil d’excitabilité Potentiel de repos Excitation 0 1 2 Dépolarisation 3 Repolarisation 4 10 Temps en ms Période réfractaire Absolue Relative 13 Potentiel de membrane (en mV) Figure 1.10b Le potentiel d’action: déplacement des ions Vers le potentiel d’équilibre du Na+ + 60 Entrée du Na+ + 30 Sortie du K+ 2 0 - 30 Vers le potentiel d’équilibre du K+ 3 - 60 - 90 Potentiel de repos 1 4 0 1 1 2 2 Repos Dépolarisation 3 4 3 5 4 Repolarisation Hyperpolarisation La question pour un potentiel d ’action? z Être z ou ne pas être! la loi du tout ou rien; z le concept de seuil d'excitabilité. Le concept de « seuil » z Seuil: – niveau critique auquel le potentiel d ’action est déclenché; – entre 5-20 mV plus positif que le potentiel de repos; – une cellule est d’autant plus excitable que son seuil d’excitabilité est près de son potentiel de repos. z Potentiels locaux – faibles en amplitude; – amplitude variable et proportionnelle à l ’intensité de stimulation; – s ’additionnent; – diminuent en fonction: z z du temps : de la distance de déplacement: constante de temps constance de longueur 14 La conduction du potentiel d’action z dans z dans les fibres non myélinisées les fibres myélinisées Figure 1.9a L’excitation et le potentiel d’action La conduction dendritique décroissante du potentiel générateur ne peut générer un potentiel d’action dans l’axone Figure 1.9b Excitation et potentiel d’action Malgré la conduction décroissante, si le potentiel générateur conserve une intensité suffisante il peut générer un potentiel d’action qui se propagera le long de l’axone 15 Figure 1.12a Propagation du potentiel d’action: fibre non-myélinisée repos excitation dépolarisation conduction déplacement déplacement du potentiel d'action: l'influx nerveux. repolarisation et 2e excitation Figure 1.12b Potentiel d’action: conduction saltatoire dans les fibres myélinisées Sens de la propagation de l’influx Na+ Na+ + - + + Na+ Na+ Courants ioniques La synapse: la transmission de l’influx nerveux Réseau de neurones z points de contact entre les neurones où l'influx nerveux passe d'un neurone à l'autre, assurant la communication dans le système nerveux; synapses 16 Les synapses z Deux types: – chimiques – électriques z z z On peut dénombrer jusqu’à 100 000 synapses par neurone; plus de 800 millions par mm3 de cortex cérébral; pour les compter toutes à raison de 1000 par seconde, il faudrait à une personne entre 3000 et 30000 années! Bonne chance! La synapse chimique Elle comprend: 1- une cellule 2- un espace présynaptique 3- une cellulesynaptique postsynaptique neurotransmetteur La synapse chimique Cell. présynaptique Espace synaptique comporte un élément pré et postsynaptique ainsi qu’un espace synaptique entre les deux; Cell. postsynaptique z la transmission se fait par le biais d ’un neurotransmetteur; le neurotransmetteur est stocké dans des vésicules synaptiques qui mesurent de 40 à 50 nm; les vésicules peuvent aussi contenir le précurseur du neurotransmetteur; le neurotransmetteur agit sur un récepteur post-synaptique. z z z Vésicule Neurotransmetteur z 17 Figure 1.13 La synapse: les catégories Axo-dendritique Axo-somatique Dendrito-dendritique Somato-somatique Axo-axonique EXC INTER EXC INH INTER INH Les étapes de la neurotransmission chimique z z z z z z 1- le transmetteur est synthétisé et stocké dans les vésicules; 2- le potentiel d ’action envahit la terminaison synaptique; 3- la dépolarisation de la terminaison provoque l ’ouverture des canaux calciques activés par le voltage; 4- entrée de Ca2+ par les canaux calciques; 5- le Ca2+ fait fusionner les vésicules avec la membrane présynaptique; 6- le transmetteur est libéré par exocytose dans la fente synaptique; Les étapes de la neurotransmission chimique z z z le transmetteur diffuse puis se lie aux molécules du récepteur dans la membrane postsynaptique; ouverture ou fermeture de canaux postsynaptiques; le courant postsynaptique donne naissance à des potentiels postsynaptiques excitateurs ou inhibiteurs qui modifient l ’excitabilité de la cellule postsynaptique. 18 Figure 1.18 Sommations spatiale et temporelle Neurone 1 Sommation temporelle Sommation spatiale Neurone 2 Figure 1.11 Potentiel d’action: intensité du stimulus Début Fin Intensité du stimulus Infraliminaire Faible Moyenne Forte Fréquence des influx nerveux de la réponse Figure 1.14 Les synapses: action des neurotransmetteurs Vésicule aplatie Vésicule ronde Synapse Canal Récepteur postsynaptique Épine dendritique Dendrite Neuromédiateur Protéine réceptrice Dépolarisation Na Cl Canal fermé K K Na Cl Canal ouvert Hyperpolarisation Na Cl K K Cl Na 19 Figure 1.15 Les synapses excitatrices et inhibitrices PPSE + - - ++ - ++ - + - - ++ EXC. - ++ - - + - - ++ - - - ++ - - ++ + - - ++ - - INH. - --+ -+ + ++ ++ - + - - ++ - + - - +- + - - + + - - ++ + + + + + + - -+ + - - + + - - - + + + ++ + + + - - ++ + + + + ++ ++ - - + - - - - - - - - + + - + ++ + + ++ ++ ++ ++ PPSI Figure 1.16 Inhibition présypnatique Axone 11 INH Axone 22 EXC Neurone 33 Réponses du neurone 33 Stimulé par 22 Stimulé par 11 22 et Figure 1.17 Action intégratrice du neurone Activé Activé Non Activé E E I Non Activé Cl- Activé E I K+ Na+ PPSE PPSE ou PPSI Cl- Activé I Na+ K+ PPSI 20 Tableau 1.3 Les principaux neuromédiateurs ou neurotransmetteurs Amines Acides aminés Neuropeptides Acétylcholine (E, I) Adrénaline (E, I) Dopamine (I) Noradrénaline (E, I) Sérotonine (I) Aspartate (E) Glutamate (E) GABA (I) Glycine (I) B-endorphines (E) Enképhalines(E) Neurotensine Somatostatine Substance P (E) Figure 1.19a Les réseaux neuronaux I.N. I.N. A. Réseau linéaire I.N. B. Réseau divergent C. Réseau convergen Figure 1.19b Sommation spatiale et occlusion 1 1 A I.N. B A 2 2 3 4 3 Subliminal pour A ou B seuls 5 I.N. 4 5 B 6 6 D. Facilitation par sommation spatiale E. Occlusion 21 Figure 1.19c Les réseaux neuronaux I.N. I.N. F. Circuit récurrent inhibiteur de Renshaw G. Inhibition latérale I.N. H. Inhibition par innervation réciproque Motricité Tableau 1.2 Classification des fibres nerveuses β γ fibre musculaire extra-fusale fibre musculaire extra- et intra-fusale fibre musculaire intra-fusale Ia, Ib Sensation B A α Récepteur musculaire primaire (Ia) tendineux (Ib) Vitesse et longueur (Ia) tension (Ib) C fibre sympa thique muscle lisse III IV Récepteur musculaire secondaire Récepteur cutané thermique mécanique noniceptif Fibre préganglionnaire du système végétatif Terminaison libre viscéroceptive et nociceptive Longueur du muscle Douleur toucher pression température Pression Douleur pression ΙΙ δ ou III Myél. ∗∗∗ ∗∗ ∗ ∗ o Diam. µ 12-20µ 2−8 1−4 1-3 0,3-1 10−70 10−30 10-20 0,7-2 Vit. 70-120 ms FIN 22