2015-2016 Le système nerveux

Lycée-Collège de la Planta, Sion
Biologie
Option spécifique (OS) 5ème (programme maturité)
La neurobiologie
Julien Dubuis
1
INTRODUCTION
« L’homme naît avec des sens et des facultés ; mais il n’apporte avec lui en naissant aucune idée : son
cerveau est table rase qui n’a reçu aucune impression, mais qui est préparé pour en recevoir. »
Antoine-Laurent de Lavoisier, chimiste français (1743-1794)
La neurobiologie s’occupe de la structure et des fonctions des cellules sensorielles et nerveuses. Elle
étudie la transformation des stimuli sensoriels en signaux nerveux, la propagation de ces derniers le
long de la fibre nerveuse, la transmission de signaux d’une cellule nerveuse à l’autre ou encore la
coopération de cellules nerveuses en réseaux complexes. Le contrôle nerveux de l’activité musculaire
appartient également à son champ de recherche. Un des buts principaux de la neurobiologie est de
comprendre les mécanismes du traitement de l’information par le cerveau ainsi que ceux de la
mémoire.
Le système nerveux (SN) est le centre de régulation et de communication de l’organisme ; nos
pensées, nos actions, nos émotions attestent son activité. Ses cellules communiquent au moyen de
signaux électriques rapides et spécifiques qui entraînent des réponses presque immédiates.
Le SN remplit trois fonctions étroitement liées (figure 1).
-
Premièrement, par l’intermédiaire de ses millions de récepteurs sensoriels, il reçoit de
l’information sur les changements qui se produisent tant à l’intérieur qu’à l’extérieur de
l’organisme. Ces changements sont appelés stimulus, et l’information recueillie porte le nom
d’information sensorielle.
-
Deuxièmement, il traite et interprète l’information sensorielle et détermine l’action à
entreprendre à tout moment, ce qui constitue le processus de l’intégration.
-
Troisièmement, il fournit une réponse motrice qui active des muscles ou des glandes
(effecteurs).
Figure 1 : Les fonctions du système nerveux
Illustrons l’accomplissement de ces fonctions par un exemple.
Quand vous êtes au volant et que vous voyez un feu rouge devant vous (l’information sensorielle),
votre système nerveux assimile (intégration) cette information (le feu rouge signifie « arrêtez ») et
émet un influx moteur en direction des muscles de votre jambe droite, lesquels actionnent votre pied
pour qu’il enfonce la pédale de frein (réponse motrice).
2
Contrairement aux messages nerveux qui sont transmis avec rapidité et précision par un réseau câblé,
les messages hormonaux sont transmis par les hormones, des molécules synthétisées par les glandes
endocrines et transportées par le sang ou la lymphe. Elles diffusent dans tout l’organisme, mais
n’exercent leur action que sur leurs cellules cibles. Parmi les glandes endocrines, l’hypothalamus
occupe une place prépondérante par son rôle d’interface entre le système nerveux et le système
hormonal. Ces deux systèmes permettent de maintenir l’homéostasie.
Les premiers neurones sont vraisemblablement apparus à partir de cellules de l’ectoderme des
premiers animaux multicellulaires, un phénomène qui a eu lieu il y a environ 650 millions d’années.
L’interconnexion de ces cellules a d’abord formé un système nerveux simple, en réseau diffus, comme
celui des hydres ou des méduses.
Avec l’apparition d’animaux à symétrie bilatérale, chez lesquels on peut distinguer l’avant et l’arrière,
ces cellules nerveuses se sont accumulées dans la région antérieure et ont formé un cerveau primitif.
Par exemple chez Platynereis, un ver marin, on observe un cerveau dont certaines structures rappellent
celles du cerveau des vertébrés.
Les nouvelles méthodes de recherche ont beaucoup contribué aux succès de la neurobiologie moderne.
Des techniques particulières de microscopie permettent de marquer des molécules spécifiques à
l’intérieur même des neurones et de les observer in vivo. Il est ainsi possible de visualiser directement
des processus moléculaires ou cellulaires. Par ces techniques, on a pu étudier les modalités de la
croissance des neurones et de l’établissement des réseaux neuronaux durant le développement
embryonnaire. Les recherches sur le contrôle de la croissance des fibres nerveuses présentent un
intérêt particulier, car la connaissance de ces processus pourrait contribuer à trouver des solutions pour
aider les personnes paralysées par suite d’un accident.
Les méthodes d’imagerie actuelles permettent non seulement de visualiser des structures cervicales,
mais aussi de mesurer leur activité. On peut donc dire que ces méthodes rendent visibles des activités
cérébrales qui, jusqu’ici, n’étaient que subjectives. Désormais, on peut « voir » un cerveau en train de
penser.
Les applications de la recherche en neurobiologie trouvent leurs principaux débouchés en médecine.
L’imagerie permet le diagnostic précoce de certaines maladies, parfois avant même les premiers
symptômes cliniques, comme dans le cas de la maladie d’Alzheimer. On peut donc débuter rapidement
une thérapie et en contrôler l’efficacité.
Médecins et ingénieurs travaillent ensemble à développer de nouvelles prothèses. Des chercheurs ont
développé des microchips photosensibles à implanter sous la rétine des personnes qui ont perdu la vue
à la suite d’une maladie de la rétine. Les premiers essais ont démontré que des patients ayant reçu ce
genre d’implants sont capables de distinguer des objets et même de lire.
3
2
STRUCTURE ET FONCTION DES CELLULES NERVEUSES
Grâce au système nerveux, les animaux et donc les humains peuvent percevoir leur environnement
ainsi que leur propre corps, et agir en fonction de ces informations. Chez les vertébrés, le cerveau et
la moelle épinière forment le système nerveux central, qui communique avec le reste du corps grâce
au système nerveux périphérique (figure 2)
Figure 2 : L’organisation du SN
En dépit de sa complexité, le tissu nerveux est composé de deux principaux types de cellules
seulement et de capillaires sanguins :
•
•
Les gliocytes ou cellules gliales
Les neurones
L'encéphale humain est extrêmement complexe. On y trouve environ 100 milliards de neurones,
chacun relié aux autres par, en moyenne, 10’000 contacts.
4
Le neurone dérive d'une cellule souche embryonnaire appelée neuroblaste. On pensait que le capital de
neurones était fixé dès la naissance, et qu’aucune autre division de la cellule souche ne pouvait donner
de nouveaux neurones. Toute destruction de neurones après la naissance était définitive. De nouveaux
travaux ont montré qu’il existerait des cellules souches adultes, capables de régénération.
2.1 Les cellules gliales
Neuf fois plus nombreux que les neurones, les cellules gliales forment dans le SNC la névroglie
(signifiant littéralement « colle nerveuse »). Les différents types de cellules gliales soutiennent,
isolent et protègent les fragiles neurones (figure 3), et remplit des fonctions particulières. La
névroglie est composée des cellules suivantes :
-
Les astrocytes : les plus abondants sont les astrocytes en forme d’étoile. Leurs nombreux
prolongements ont des extrémités renflées qui s’attachent aux neurones et les ancrent à leur
source d’approvisionnement en nutriments, les capillaires sanguins (figure 3a). Les astrocytes
interviennent dans les échanges entre les capillaires et les neurones, et forment entre ces deux
types de structures une barrière vivante. Ils protègent ainsi les neurones contre les substances
nocives qui pourraient se trouver dans le sang. Les astrocytes participent aussi à la régulation
du milieu chimique cérébral en récupérant les ions en excès et en effectuant le recaptage des
neurotransmetteurs libérés.
-
Les microglies : en forme d’araignée, sont des macrophagocytes qui éliminent les débris tels
que les cellules mortes de l’encéphale et les bactéries (figure 3b).
-
Les épendymocytes : sont des cellules de type épithélial tapissant les cavités de l’encéphale et
de la moelle épinière (figure 3c). Le battement de leur cils facilite la circulation du liquide
cérébrospinal qui remplit ces cavités et forme un coussin protecteur autour du SNC.
-
Les oligodendrocytes : sont pourvus de prolongements aplatis qui s’enroulent fermement
autour des neurofibres du SNC. Ils constituent ainsi des enveloppes lipidiques isolantes
appelées gaines de myéline (figure 3d).
Les cellules gliales sont semblables aux neurones sur le plan de la structure (comme eux, ils ont des
prolongements cellulaires), mais, contrairement à ces derniers, ils ne transmettent pas d’influx nerveux
et ne perdent jamais la capacité à se diviser. Par conséquent, la plupart des tumeurs cérébrales, qu’elles
soient bénignes ou malignes, sont des gliomes, c’est-à-dire des masses formées à partir de cellules
gliales (des astrocytes le plus souvent).
Les cellules gliales présentes dans le SNP sont (figure 3e) :
-
les neurolemmocytes ou cellules de Schwann, forment les gaines de myéline autour des
neurofibres du SNP
-
les cellules gliales ganglionnaires entourent l’amas de corps cellulaires dans les ganglions.
On pourrait garder l’idée que les cellules gliales ne sont que de vulgaires cellules de soutien. Mais ne
concluons pas trop vite ! Des recherches récentes laissent croire qu’ils peuvent détecter l’activité des
neurones et communiquer entre eux, formant en quelque sorte un réseau parallèle aux neurones qui
participerait aussi au traitement de l’information. Curieusement, on a trouvé dans certaines régions du
cerveau d’Einstein un nombre de cellules gliales bien au-dessus de la moyenne !
5
Figure 3 : Les gliocytes
6
2.2 Les neurones
2.2.1. L’anatomie des neurones
Le neurone reçoit les informations, les traite, et produit un signal qu'il transmet. Les neurones sont les
unités fonctionnelles du système nerveux. Ils ont une longévité extrême (> 100 ans), sont amitotiques,
ce qui signifie qu'un neurone détruit ne sera jamais remplacé, et on une vitesse de métabolisme
exceptionnelle, ce qui explique qu'ils ne peuvent vivre plus de quelques minutes sans oxygène et
glucose. Ce sont des cellules complexes, avec trois zones fonctionnelles, une zone réceptrice, une zone
conductrice et une zone sécrétrice.
Le neurone est constitué de trois parties (figure 4) :
Figure 4 : La structure d’un neurone
le corps cellulaire ou péricaryon, est composé d'un gros noyau et d'un cytoplasme granuleux.
Il contient tous les organites habituels à l'exception des centrioles, lié à sa structure amitotique.
Son réticulum endoplasmique rugueux, ou corps de Nissl et son appareil de Golgi sont très
7
développés, traduisant une activité très intense.
Il a souvent une forme étoilée. Sa membrane est formée de deux couches de molécules de
phospholipides présentant des orifices ou canaux, permettant les échanges ioniques (Na+),
(K+) et (Cl-) avec l'extérieur de la cellule.
les dendrites sont des prolongements assez nombreux et relativement courts aux nombreuses
ramifications. Elles reçoivent des informations de l’environnement et du milieu interne et des
messages transmis par d’autres cellules nerveuses. Elles conduisent tout cela vers le corps
cellulaire. Elles forment donc la structure réceptrice du neurone.
l’axone est un prolongement cytoplasmique unique, issu d'une région conique du corps
cellulaire, le cône d'implantation. Leur taille peut être très courte, comme extrêmement
longue, à l'instar des axones des neurones moteurs des orteils, soit plus d'un mètre, ce qui fait
de l'axone la cellule la plus longue du corps humain. L'axone forme parfois quelques
ramifications, appelées collatérales. Il se termine par un bouquet de très nombreuses
ramifications courtes, l'arborisation terminale, dont l'extrémité bulbeuse est appelée bouton
terminal. Les axones sont la structure conductrice du neurone, produisant des influx
nerveux et les propageant jusqu'à la cible, la terminaison axonale. Dans ces boutons, l'influx
nerveux provoque la libération de neurotransmetteurs, substances chimiques stockées dans des
vésicules des terminaisons. Ces neurotransmetteurs sont libérés dans l'espace extracellulaire,
et excitent ou inhibent les neurones avec lesquels ils entrent en contact. Les axones longs et/ou
de diamètre important, sont recouvert d'une substance lipidique et segmentée, la myéline.
Celle-ci protège et isole sur le plan électrique les neurofibres, et accroît la vitesse de
propagation des influx nerveux. A l’extérieur du SNC, les axones sont myélinisés par des
neurolemmocytes, des gliocytes spécialisés qui s’enroulent fermement autour de d’eux à la
manière d’un roulé à la confiture (figure 5). Quand l’enroulement est achevé, l’axone se
trouve entouré d’un grand nombre de couches concentriques de membrane formant la gaine
de myéline. Une partie du neurolemmocyte
entoure la gaine de myéline, il s’agit du
neurolemme. Comme elle est formée de
nombreux neurolemmocytes, la gaine de myéline
présente des intervalles réguliers (1 à 2mm)
appelés nœuds de la neurofibre, ou nœuds de
Ranvier.
On trouve également des neurofibres myélinisées
dans le SNC. Là, cependant, ce sont des
oligodendrocytes qui constituent les gaines de
myéline (figure 3d). Contrairement au
neurolemmocyte, qui dépose de la myéline autour
d’un
petit
segment
d’une
neurofibre,
l’oligodendrocyte
possède
de
nombreux
prolongements plats qui peuvent s’enrouler
autour de multiples axones à la fois. Les
gaines de myéline formées par les
neurolemmocytes et celles qui sont formées
par les oligodendrocytes se ressemblent, mais
ces
dernières
sont
dépourvues
de
neurolemme. Une lésion d’une neurofibre
périphérique laisse le neurolemme intact.
C’est pourquoi le neurolemme joue un rôle
Figure 5 : Relation entre
important dans la régénération de la neurofibre, phénomène
extrêmement
rare dans
neurolemmocytes
et axones dans
le SNPle
SNC.
8
2.2.2. La classification des neurones
On peut classer les neurones selon leur fonction ou leur structure
2.2.2.1. La classification fonctionnelle
Les neurones sont distribués selon le sens de propagation de l’influx nerveux par rapport au SNC.
C’est ainsi que l’on trouve des (figure 6) :
-
neurones sensitifs ou afférents transmettent les influx des récepteurs sensoriels (de la peau
ou des organes internes) vers le SNC. Les corps cellulaires de neurones sensitifs sont pour la
plupart situés dans un ganglion à l’extérieur du SNC. Les neurones sensitifs nous informent
sur les événements qui se déroulent à l’intérieur et à l’extérieur du corps. Les terminaisons
dendritiques des neurones sensitifs sont habituellement associées à des récepteurs
spécialisés qui sont activés par des stimuli précis.
-
neurones moteurs ou efférents transmettent les influx nerveux du SNC jusqu’aux viscères,
aux muscles et aux glandes. Leurs corps cellulaires sont toujours situés dans le SNC.
-
neurones d’association, ou interneurones relient les neurones sensitifs et les neurones
moteurs dans les voies nerveuses. Comme ceux des neurones moteurs, leurs corps cellulaires
sont toujours situés dans le SNC.
Figure 6 : La classification fonctionnelle des neurones
9
2.2.2.2. La classification structurale
Cette classification repose sur le nombre de prolongements qui émergent du corps cellulaires (figure
7).
• Les neurones multipolaires possèdent plusieurs prolongements. Comme tous les neurones
moteurs et les neurones d’association sont multipolaires, c’est le type structural le plus
courant.
•
Les neurones bipolaires sont pourvus de deux
prolongements, un axone et une dendrite. Ils sont
peu nombreux dans l’organisme adulte ; on en
trouve que dans certains organes des sens (yeux et
nez).
•
Les neurones unipolaires comportent un
prolongement unique qui émerge du corps
cellulaire. Ce prolongement est d’ailleurs très
court, et il se divise en forme de T. Dans ce type
de neurones, l’axone conduit les influx nerveux
vers le corps cellulaire et hors du corps cellulaire.
Les neurones sensitifs situés dans les ganglions du
SNP sont unipolaires.
2.2.3. La plasticité neuronale
Les neurones jouissent d’une plasticité qui compense en
Figure 7 : Classification structurale
partie leur pouvoir régénérateur difficile (figure 8). Bien
des neurones
que hautement spécialisée chez l’adulte, la cellule nerveuse
est capable d’adaptations synaptiques pendant les périodes
embryonnaire et fœtale, ainsi que dans la première décade de la vie. Les circuits synaptiques, propres à
un individu, se construisent pendant cette période. Ceci souligne l’importance des facteurs
nutritionnels et éducatifs, à ce moment-là. De plus, à l’âge adulte, les réseaux synaptiques gardent une
capacité relative d’adaptation dans les circonstances suivantes : en cas de déficit neuronal partiel, les
réseaux peuvent, si les lésions locales le permettent, se réorganiser dans des circuits voisins assurant
ainsi des récupérations partielles ou des remplacements (ex. : remplacements des déficits sensoriels).
Figure 8 : Plasticité neuronale
10
2.3 La neurophysiologie
Les neurones sont très sensibles aux stimuli : on dit qu’ils sont excitables. Lorsqu’il reçoit un stimulus
adéquat, un neurone produit un signal électrique et le conduit sur toute la longueur de son axone.
L’intensité du signal est toujours la même, quels que soient le type de stimulus et sa source. Ce
phénomène électrique, appelé potentiel d’action (influx nerveux), est à la base même du
fonctionnement du système nerveux.
Nous décrirons ultérieurement la manière dont les neurones sont excités ou inhibés ainsi que leurs
modes de communication avec les autres neurones et les cellules des effecteurs musculaires et
glandulaires. Nous allons tout d’abord voir quelques principes fondamentaux d’électricité.
2.3.1. Les principes fondamentaux d’électricité
Au point de vue électrique, le corps humain est neutre dans son ensemble ; il possède un nombre égal
de charges positives et de charges négatives. Cependant, un type de charge prédomine dans certains
endroits et rend ceux-ci positivement ou négativement chargés.
Puisque les charges opposées s’attirent, il faut un apport d’énergie (un travail) pour les séparer.
Inversement, quand des charges opposées s’unissent, l’énergie libérée peut servir à accomplir un
travail. Par conséquent, dans toute situation où des charges opposées sont séparées, il y a création
d’énergie potentielle.
La mesure de l’énergie potentielle produite par la séparation de charges est appelée voltage, et elle est
exprimée en volts ou en millivolts (1mV = 0,001 V). Le voltage se mesure toujours entre deux points
de charges contraires ; on l’appelle différence de potentiel, ou simplement potentiel. Plus la
différence de charge entre deux points est grande, plus le voltage est élevé.
Le déplacement, ou flux, des charges électriques d’un point à un autre est appelé courant. Le courant
est directement proportionnel au voltage : plus le voltage (différence de potentiel) est élevé, plus le
courant est intense. Dans l’organisme, les courants électriques relèvent de la circulation des ions
positifs et négatifs (charges) à travers la membrane plasmique plutôt que du mouvement d’électrons
libres. Il existe une légère différence entre le nombre d’ions positifs et le nombre d’ions négatifs de
part et d’autre de la membrane plasmique. Cette séparation des charges produit un voltage mesurable,
ou différence de potentiel, entre le cytoplasme et le liquide interstitiel.
2.3.2. Le rôle des canaux ioniques membranaires
Les membranes plasmiques sont parcourues de canaux ioniques formés de protéines intégrées. On en
distingue deux types :
-
Les canaux protéiques ouverts, ou à fonction passive, qui sont toujours ouverts ;
-
Les canaux protéiques fermés, ou à fonction active, qui s’ouvrent par intermittence.
Les canaux à fonction active comportent une « vanne » généralement constituée d’une ou de
plusieurs protéines du canal, qui peut changer de forme pour ouvrir ou fermer le canal en
réponse à divers signaux physiques ou chimiques. Il y a trois types de canaux à fonction
active, dont deux nous intéressent ici (figure 9) :
•
Les canaux ligand-dépendants s’ouvrent
(neurotransmetteur) se lie à la membrane.
quand
un
ligand
approprié
11
•
Les canaux voltage-dépendants, quant à
eux, s’ouvrent et se ferment en réponse à
des modifications du potentiel de
membrane, ou voltage.
Chaque type de canal est sélectif ; par exemple, un
canal à potassium ne laisse généralement passer que
des ions potassium.
Quand les canaux ioniques à fonction active sont
ouverts, les ions diffusent rapidement à travers la
membrane dans le sens de leurs gradients
électrochimiques ; Ils créent des courants électriques
et des modifications du voltage à travers la
membrane. Examinons de plus près la notion de
gradient électrochimique. Lorsqu’un ion se trouve à
des concentrations différentes de part et d’autre de
la membrane plasmique, cette variation est appelée
gradient de concentration : l’ion diffuse
passivement d’une région de forte concentration
vers une région de faible concentration. La
concentration étant un concept de chimie, on parle Figure 9 : Le fonctionnement des
aussi de gradient chimique. Par ailleurs, le transfert canaux à fonction active
d’un ion vers une région de charge électrique
opposée correspond à un gradient électrique (gradient de potentiel). Le gradient chimique et le
gradient électrique forment le gradient électrochimique. La diffusion des ions à travers les
canaux de la membrane plasmique du neurone se fait donc selon le gradient électrochimique
de cette membrane. Ce processus de diffusion est à l’origine de la production d’influx par le
neurone.
2.3.3. Le potentiel de repos de la membrane
La différence de potentiel entre deux points se
mesure à l’aide d’un voltmètre (figure 10).
Lorsqu’on insère une des microélectrodes du
voltmètre dans le cytoplasme d’un neurone et
qu’on place l’autre sur sa face externe, on
enregistre un voltage d’environ -70mV à travers la
membrane. Le symbole « moins » indique que la
face cytoplasmique (interne) de la membrane du
neurone est chargée négativement, alors que la
face externe (du côté du liquide interstitiel) est
chargée positivement. Cette différence de potentiel
dans un neurone au repos est appelée potentiel de
repos, et on dit alors que la membrane est
polarisée. La mesure du potentiel de repos varie
Figure 10 : La mesure de la différence de
(de – 40 à – 90 mV) selon le type de neurone.
potentiel entre deux points dans les neurones
Le potentiel de repos n’existe qu’à travers la
membrane ; autrement dit, les solutions se trouvant à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule sont
électriquement neutres. Le potentiel de repos est engendré par des différences dans la composition
ionique du cytoplasme et du liquide interstitiel, et par la différence de perméabilité de la membrane
plasmique à ces ions, comme le montre la figure 11. Le cytosol contient une plus faible concentration
de Na+ et une plus forte concentration de K+ que le liquide interstitiel. Dans ce dernier, les charges
12
positives des ions Na+ et d’autres cations sont équilibrées principalement par les ions chlorure (Cl-).
Dans le cytoplasme, les protéines (A-) chargées négativement (anioniques) facilitent l’équilibration des
charges positives, et plus particulièrement celles des ions K+. Les deux liquides renferment de
nombreux autres solutés (du glucose, de l’urée et d’autres ions), mais c’est le potassium qui est le plus
important en ce qui concerne la production du potentiel de membrane.
Figure 11 : La formation du potentiel de repos de la membrane
A l’état de repos, la membrane est imperméable aux grosses protéines cytoplasmiques anioniques, très
légèrement perméable aux ions Na+, environ 75 fois plus perméable aux ions K+ qu’aux ions Na+ et
très perméable aux ions Cl-. Ces perméabilités de repos sont liées aux propriétés des canaux ioniques
à fonction passive présents dans la membrane. Les gradients de concentration des ions K+ et Na+
expliquent la diffusion des ions K+ vers le liquide interstitiel et la diffusion des ions K+ vers le
cytoplasme. Par ailleurs, les ions K+ diffusent plus rapidement que les ions Na+. L’exode des ions K+
de la cellule se poursuit jusqu’à ce que la force du gradient de concentration de ces ions soit
neutralisée par l’attraction qu’exercent les charges négatives à l’intérieur de la cellule. Dès lors, le vaet-vient des ions K+ par diffusion à travers la membrane atteint un état d’équilibre et le potentiel de
repos de la membrane se trouve établi.
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, tel n’est pas le cas : la pompe à sodium et à potassium actionnée par l’ATP éjecte 3 Na+ du
cytoplasme en même temps qu’elle récupère deux K+. Par conséquent, elle stabilise le potentiel de
repos en maintenant les gradients de concentration du sodium et du potassium.
2.3.4. Le potentiel de membrane : une fonction de signalisation
Dans les neurones, les modifications du potentiel de membrane servent de signaux pour la réception de
l’information, son intégration et l’acheminement de la réponse appropriée. Une modification du
potentiel de membrane peut être causée par tous les facteurs :
1) Qui changent la perméabilité de la membrane à n’importe quel ion ou
2) Qui modifient les concentrations ioniques de part et d’autre de la membrane plasmique.
13
Une modification du potentiel de membrane peut produire deux types de signaux :
-
des potentiels gradués :
Modifications locales et de courte durée du potentiel de membrane. Ces changements
provoquent l’apparition d’un courant électrique local dont le voltage diminue avec la distance
parcourue. Ces potentiels sont dits gradués parce que leur voltage est directement
proportionnel à l’intensité ou à la force du stimulus. Plus le stimulus est intense, plus le
voltage augmente et plus grande est la distance parcourue par le courant.
-
des potentiels d’action
Il est important de bien comprendre les termes dépolarisation et hyperpolarisation, car ils seront
régulièrement employés dans ce chapitre pour décrire les modifications du potentiel de membrane par
rapport au potentiel de repos.
La dépolarisation est la réduction du potentiel de membrane : la face interne de la membrane devient
moins négative (plus proche de 0) que le potentiel de repos. Par exemple, le passage d’un potentiel de
repos de -70mV à un potentiel de -65mV est une dépolarisation. On convient généralement que la
dépolarisation comprend également les phénomènes pendant lesquels le potentiel de membrane
s’inverse et passe au-dessus de 0 pour devenir positif.
L’hyperpolarisation se produit lorsque le potentiel de membrane augmente et devient plus négatif
que le potentiel de repos. Par exemple, un changement de -70m à -75mV est une hyperpolarisation.
Comme nous allons le voir, la dépolarisation accroît la probabilité de production d’influx nerveux,
tandis que l’hyperpolarisation la diminue.
2.3.4. Les potentiels d’action (influx nerveux)
Les neurones communiquent entre eux et avec les cellules des effecteurs musculaires et glandulaires
en produisant et en transmettant des potentiels d’action le long de leur axone. En règle générale, seules
les cellules pourvues de membranes excitables, les neurones et les myocytes, peuvent engendrer des
potentiels d’action. Comme le montre la figure 12, un potentiel d’action est une brève inversion du
potentiel de membrane, d’une amplitude totale (changement de voltage) d’environ 100mV (de -70 à
+30mV). (Le potentiel d’action résulte donc d’une dépolarisation). La phase de dépolarisation est
suivie d’une phase de repolarisation et souvent d’une courte période d’hyperpolarisation. La durée
totale du phénomène ne dépasse pas quelques millisecondes. Contrairement aux potentiels gradués, les
potentiels d’action ne diminuent pas avec la distance.
Dans un neurone, un potentiel d’action est aussi appelé influx nerveux et seuls les axones sont aptes
à le produire. Un neurone transmet un influx nerveux à la condition expresse de recevoir une
stimulation adéquate. Le stimulus modifie la perméabilité aux ions de la membrane du neurone en
ouvrant des canaux voltage-dépendant précis sur l’axone. Ces canaux s’ouvrent et se ferment en
réponse à des changements du potentiel de membrane.
La production d’un potentiel d’action repose sur trois modifications de la perméabilité membranaire
qui succèdent tout en étant liées. Ces modifications sont attribuables à l’ouverture et à la fermeture des
canaux ioniques à fonction active, deux phénomènes provoqués par la dépolarisation de la membrane
axonale (figure 12). Les modifications de la perméabilité sont dans l’ordre :
1) un accroissement transitoire de la perméabilité aux ions Na+
2) le rétablissement de l’imperméabilité aux ions Na+ ;
14
3) une augmentation de courte durée de la perméabilité aux ions K+.
Les deux premières modifications ont lieu pendant la phase de dépolarisation de la production du
potentiel d’action, phase correspondant à la partie ascendante du tracé du potentiel d’action. La
troisième modification provoque la phase de repolarisation (la partie descendante du tracé) et la phase
d’hyperpolarisation tardive représentée dans la figure 12. Etudions chacune de ces phases en détail, en
commençant par le neurone à l’état de repos (polarisé)
Figure 12 : Les phases du potentiel d’action et le rôle des canaux ioniques à fonction active
1) Etat de repos : canaux voltage-dépendants fermés.
Presque tous les canaux à Na+ et à K+ voltage-dépendants sont fermés. De petites quantités
d’ions K+ s’échappent toutefois de la cellule par des canaux à fonction passive, tandis que des
quantités infimes d’ions Na+ diffusent vers l’intérieur.
15
Les canaux à Na+ voltage-dépendants sont en réalité pourvus de deux vannes qui réagissent
aux changements de voltage :
o une vanne d’activation, fermée au repos, qui réagit à la dépolarisation en
s’ouvrant rapidement.
o une vanne d’inactivation, ouverte au repos, qui réagit à la dépolarisation en se
fermant lentement
Ainsi, la dépolarisation provoque l’ouverture puis la fermeture des canaux à Na+. Les deux
vannes doivent être ouvertes pour que les ions Na+ entrent dans le canal, mais la fermeture de
l’une des deux vannes ferme le canal. A l’opposé, les canaux à K+ à fonction active n’ont
qu’une vanne sensible au voltage ; celle-ci est fermée au repos et s’ouvre lentement en réponse
à la dépolarisation.
2) Phase de dépolarisation : accroissement de la perméabilité au sodium et inversion du
potentiel de membrane.
Lorsqu’il est assez fort pour se rendre au cône d’implantation du neurone, un potentiel gradué
provoque l’ouverture rapide des vannes d’activation des canaux à Na+. Cette ouverture
entraîne la diffusion du sodium du compartiment extracellulaire vers le compartiment
intracellulaire. Cet afflux de charges positives dépolarise encore davantage cette portion de
membrane axonale et ouvre d’autres vannes d’activation, si bien que l’intérieur de la cellule
devient progressivement moins négatif. Quand la dépolarisation au site de stimulation atteint
un niveau critique appelé seuil d’excitation (souvent situé entre -55 et -50mV), le processus
de dépolarisation se poursuit de lui-même, alimenté par la rétroactivation. Autrement dit, après
avoir été déclenchés par le stimulus, la dépolarisation de l’axone se poursuit grâce aux
courants ioniques engendrés par les entrées de Na+. A mesure que s’accroît la quantité de Na+
qui entre dans la cellule, le voltage est à nouveau modifié et ouvre d’autres vannes
d’activation jusqu’à ce que tous les canaux à Na+ soient ouverts. A ce moment-là, la
perméabilité aux ions Na+ est environ 1000 fois plus grande qu’elle ne l’est dans un neurone
au repos. Ainsi le potentiel de membrane devient de moins en moins négatif, puis monte à
environ +30mV à mesure que les ions Na+ diffusent vers l’intérieur de la cellule (gradient
électrochimique). Cette dépolarisation et cette inversion de polarité rapides de la membrane
plasmique de l’axone produisent le pic du potentiel d’action (graphique figure 12).
Nous avons mentionné plus haut que le potentiel de membrane dépend de la perméabilité de la
membrane, mais nous indiquons maintenant que la perméabilité de la membrane dépend du
potentiel de membrane. En fait, ces deux assertions sont compatibles, car ce sont des relations
distinctes qui établissent un cycle de rétroactivation. (L’augmentation de la perméabilité aux
ions Na+ attribuable à l’ouverture d’un nombre croissant de canaux intensifie la
dépolarisation. La dépolarisation, à son tour, provoque une augmentation de la perméabilité
aux ions Na+, et ainsi de suite.) Ce cycle est à l’origine de la phase ascendante (de
dépolarisation) des potentiels d’action, et c’est de lui que vient l’ »action » à l’œuvre dans le
potentiel d’action.
3) Phase de repolarisation : diminution de la perméabilité au sodium
La phase d’ascension rapide du potentiel d’action ne dure que 1ms environ, et elle cesse ellemême. Lorsque le potentiel de membrane dépasse 0mV et gagne en positivité, la charge
intracellulaire positive résiste à l’entrée du sodium (répulsion des charges électriques de même
signe). En outre, les vannes d’inactivation lentes des canaux à Na+ se ferment après quelques
millisecondes de dépolarisation. Ainsi, la perméabilité de la membrane au sodium retourne à
sa valeur de repos et la diffusion nette de Na+ cesse tout à fait. Par conséquent, la courbe du
potentiel d’action arrête de s’élever et baisse abruptement.
16
Phase de repolarisation : accroissement de la perméabilité au potassium
A mesure que l’entrée de Na+ diminue, les vannes lentes des canaux à K+ voltage-dépendants
s’ouvrent, et les ions K+ diffusent passivement vers l’extérieur de la cellule, dans le sens de
leur gradient électrochimique. En conséquence, le neurone recouvre la charge intracellulaire
négative de l’état de repos. Ce phénomène est appelé repolarisation (graphique figure 12). La
brusque diminution de la perméabilité au sodium ainsi que l’augmentation de la perméabilité
au potassium participent à la repolarisation.
4) Hyperpolarisation : maintien de la perméabilité au potassium
Comme les canaux à K+ réagissent lentement au signal de dépolarisation, la période de
perméabilité accrue aux ions potassium dure un peu plus longtemps qu’il n’est nécessaire pour
revenir à l’état de repos. Par suite de la perte excessive d’ions K+, on observe une
hyperpolarisation tardive sur le graphique du potentiel d’action, c’est-à-dire une légère
inflexion du tracé après le pic représentant le potentiel d’action (et avant la fermeture des
vannes des canaux à K+). Notez que, dans les canaux à Na+, les vannes d’activation aussi bien
que celles d’inactivation sont fermées pendant l’hyperpolarisation tardive ; cela signifie que le
neurone est incapable de réagir à un stimulus et de se dépolariser au cours de cette phase.
La repolarisation rétablit les conditions électriques du potentiel de repos, mais elle ne rétablit
pas les conditions ioniques de l’état de repos. La redistribution des ions s’accomplit par
l’activation de la pompe à sodium et à potassium après la repolarisation. On pourrait penser
qu’un très grand nombre d’ions Na+ et K+ changent de place pendant la production du
potentiel d’action, mais tel n’est pas le cas. De petites quantités seulement de sodium et de
potassium traversent la membrane. (L’afflux de Na+ nécessaire pour atteindre le seuil
d’excitation entraîne un changement de la concentration cellulaire en Na+ de seulement
0.012%.) Comme une membrane axonale comprend des milliers de pompes à sodium et à
potassium, ces petits changements ioniques sont vite corrigés.
2.3.6. La propagation d’un potentiel d’action
Pour qu’il serve à des fins de signalisation, le potentiel
d’action produit doit être propagé sur toute la longueur
de l’axone (figure 13). Comme nous l’avons vu, le
potentiel d’action est engendré par l’afflux d’ions Na+
traversant une portion de la membrane plasmique (cette
portion, dans le cas d’un influx se déplaçant à vitesse
moyenne, serait d’une longueur d’environ 2cm). Cela
produit des courants locaux qui dépolarisent les régions
adjacentes de la membrane plasmique (en s’éloignant du
point d’origine de l’influx nerveux), avec pour résultat
l’ouverture des canaux voltage-dépendants de cette région
de la membrane et le déclenchement d’un potentiel
d’action à cet endroit. Dans la région où un potentiel
d’action vient de se produire, les canaux à Na+ se
referment et aucun nouveau potentiel d’action ne peut y
être engendré. Par conséquent, le potentiel d’action se
propage toujours en s’éloignant de son point d’origine.
(Si un axone isolé est stimulé par une électrode ou qu’un
axone est stimulé à un nœud de la neurofibre, l’influx
nerveux se déplacera dans les deux directions le long de
la membrane, à partir du point de stimulus.)
Figure 13 : Le mécanisme
propagation d’une dépolarisation
de
17
Une fois engendré, un potentiel d’action se propage de lui-même le long de l’axone à vitesse
constante, non sans rappeler l’ « effet domino ».
Après sa dépolarisation, chaque segment de la membrane axonale subit une repolarisation, ce qui a
pour effet de rétablir le potentiel de repos dans la région. Ces changements électriques engendrent
aussi des courants locaux, si bien que la vague de repolarisation chasse la vague de dépolarisation vers
l’extrémité de l’axone.
Bien qu’elle soit courante, l’expression conduction de l’influx nerveux n’est pas exacte, dans la
mesure où les influx nerveux ne sont pas vraiment conduits comme l’est le courant dans un fil isolé.
En réalité, les neurones sont d’assez piètres conducteurs et les flux de courant locaux décroissent
rapidement avec la distance parce que les charges fuient à travers la membrane. L’expression
propagation de l’influx nerveux est plus juste, car un potentiel d’action est régénéré en chaque point
de la membrane et tout potentiel d’action subséquent est identique à celui qui avait été engendré
initialement.
Les explications que nous venons de donner s’appliquent à la propagation d’un influx nerveux le long
des neurofibres amyélinisées. Celui-ci se propage de 10 à 100 fois plus rapidement dans les
neurofibres recouvertes d’une gaine de myéline (où il peut atteindre 100m/s), car il saute littéralement
d’un nœud de la neurofibre à l’autre (figure 14).
En effet, le courant ne peut traverser la couche isolante formée par la myéline autour de la membrane
de l’axone. Cette forme rapide de propagation des influx nerveux est appelée conduction saltatoire.
Tout en étant responsable de ce type de propagation de l’influx, la myéline permet d’économiser
l’énergie de la pompe à sodium et à potassium, puisque celle-ci n’entre en action qu’au niveau des
nœuds de la neurofibre.
Figure 14 : La conduction saltatoire dans un axone myélinisé
18
2.3.7. La synapse
2.3.7.1. La structure
La synapse est une jonction d’un type particulier qui permet la communication entre un neurone et
d’autres cellules. Les synapses font communiquer divers types de cellules : deux neurones ; un
récepteur sensoriel et un neurone sensitif ; un neurone moteur et les cellules musculaires ; un neurone
et des cellules glandulaires.
Il existe deux types de synapses (figure 15) :
Figure 15 : Les deux types de synapses
•
Les synapses électriques (A)
La terminaison axonique d'un neurone (pré-synaptique) est en contact avec l'autre cellule
(post-synaptique), les deux membranes sont accolées et percées par de fins canaux (jonctions
communicantes) qui font communiquer le cytoplasme des deux cellules. Les ions se
transmettent donc d'une cellule à une autre, ainsi que la dépolarisation membranaire associée.
L'influx nerveux se transmet donc sans intervention de neurotransmetteur.
On trouve ce type de synapses principalement dans les systèmes sensoriels spécialisés
(vision). Ce type de synapse, qui joue un rôle important dans le système nerveux immature, est
ensuite relativement rare au stade adulte et est majoritairement retrouvé chez les invertébrés.
Chez les vertébrés les synapses chimiques sont plus courantes que les synapses électriques.
19
•
Les synapses chimiques (B)
Ce type de synapse est constitué de trois parties : l'élément pré-synaptique, l'élément postsynaptique et entre les deux l'espace inter synaptique (fente synaptique). Les deux cellules
ne se sont donc pas en contact direct, il existe un fin espace intersynaptique rempli par le
liquide extracellulaire, d'une largeur d'environ 20 nm. Comme il y a cette fente synaptique les
liaisons synaptiques ne sont pas forcément fixes, elles peuvent se défaire et être renouvelées.
Puisque les deux cellules ne sont pas collées un potentiel d’action en provenance de la cellule
pré-synaptique ne peut donc pas se transmettre directement à la membrane de la cellule postsynaptique.
Le bouton synaptique (élément pré-synaptique) contient un grand nombre de mitochondries et
des vésicules synaptiques de forme ovale ou arrondie. Celles-ci stockent des millions de
molécules, les neurotransmetteurs synthétisés dans les boutons synaptiques et dans le corps
cellulaire. Les neurotransmetteurs jouent le rôle de médiateurs chimiques et sont libérés dans
la fente synaptique. La membrane post-synaptique (qui doit recevoir l'influx) porte des
récepteurs spécifiques à ces molécules.
Les neurotransmetteurs sont des substances messagères qui transportent l'information d'une
cellule à l’autre. Il en existe plusieurs catégories, appartenant à des groupes chimiques
différents; certains agissent en tant qu'activateurs et d'autres en tant qu'inhibiteurs. Parmi les
neurotransmetteurs des vertébrés, on peut citer l’acétylcholine, la noradrénaline, la dopamine,
la sérotonine, les endorphines, les enképhalines. Chez les invertébrés, l’acide glutamique sert
de neurotransmetteur. La majorité des neurones ne sécrètent qu’un type de neurotransmetteur.
Toutefois, un même neurone post-synaptique peut recevoir des médiateurs chimiques
provenant de divers types de neurones.
Les caractéristiques de ce type de synapse font que l'influx ne peut circuler que dans un seul
sens, que le délai synaptique est de 0,5 millisecondes.
2.3.7.2. Fonctionnement de la synapse chimique
Le bouton synaptique est rempli de milliers de vésicules contenant les neurotransmetteurs. La
fente synaptique contient de nombreux ions sodium. Les canaux protéiques de la membrane postsynaptique sont d’abord fermés. Lorsqu'un influx nerveux arrive à la synapse, du Ca2+ entre dans le
bouton, ce qui a pour effet la fusion des vésicules avec la membrane pré-synaptique et la libération
des neurotransmetteurs dans la fente synaptique. Les neurotransmetteurs diffusent à travers la fente.
Les canaux à sodium de la membrane post-synaptique sont fermés par des protéines. Ces dernières ne
réagissent qu'avec des neurotransmetteurs, c'est pourquoi elles sont appelées récepteurs protéiques. Si
un neurotransmetteur arrive sur un récepteur, il s'associe avec lui ; le récepteur modifie sa forme et le
canal à sodium s'ouvre. Les ions sodium peuvent entrer dans la cellule et produire un nouveau
potentiel. Ensuite les neurotransmetteurs sont immédiatement dégradés par des enzymes, de sorte que
le récepteur retrouve son état initial. Les neurotransmetteurs dégradés seront recyclés dans le bouton
synaptique pour la fabrication de nouveaux neurotransmetteurs.
Les étapes (figure 16) :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Stockage du neurotransmetteur (ici : glutamate) dans une vésicule synaptique;
Arrivée de l’influx nerveux dans la terminaison pré-synaptique;
Fusion des vésicules avec la membrane pré-synaptique grâce au Ca2+;
Libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique;
Fixation du neurotransmetteur sur les récepteurs de la membrane post-synaptique (figure 17)
Nouveau potentiel ;
Inactivation du neurotransmetteur par des enzymes ;
Recapture, recyclage du neurotransmetteur dégradé.
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Figure 16 : La transmission synaptique
Figures 17a et 17b : Ouverture des canaux à sodium
21