physiologie du neurone - Univ-lille1

Biologie
PHYSIOLOGIE DU
NEURONE
CUEEP - UNIVERSITÉ LILLE 1 SCIENCES
DÉPARTEMENT SCIENCES
JACQUES COGET
ET
TECHNOLOGIES
Mars 2009
Table des matières
Table des matières
3
I - Introduction
5
II - Organisation du tissu nerveux
7
A. Le névraxe......................................................................................8
B. Nerfs et ganglions..........................................................................11
C. La névroglie..................................................................................12
III - Structure du neurone
13
A. Le corps cellulaire...........................................................................15
B. Les prolongements cytoplasmiques...................................................17
C. La myélinisation.............................................................................18
IV - Propriétés électriques du neurone
21
A. Techniques d'études.......................................................................22
B. Le potentiel de repos......................................................................23
C. Exercice d'application N°1...............................................................27
D. Exercice d'application N°2...............................................................28
E. Le potentiel d'action........................................................................29
F. Exercice d'application N°3................................................................32
G. Exercice d'application N°4...............................................................33
H. Excitabilité et conductibilité.............................................................34
I. Exercice d'application N°5................................................................38
J. Exercice d'application N°6................................................................38
K. Codage des messages nerveux.........................................................39
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3
L. Exercice d'application N°7................................................................41
M. Exercice d'application N°8...............................................................42
V - La transmission synaptique
43
A. Fonctionnement de la synapse chimique............................................44
B. Exercice d'application N°1...............................................................49
C. Exercice d'application N°2...............................................................50
D. Intégration post-synaptique.............................................................51
E. Exercice d'application N°3................................................................52
Solution des exercices de TD
4
55
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I-
Introduction
I
Avec un peu plus de cent milliards de neurones (les cellules nerveuses), environ
un million de milliards de synapses (les contacts que les neurones établissent
entre eux) et des centaines de substances chimiques modulant l'activité de ce
gigantesque réseau, le cerveau humain apparaît comme un ensemble d'une
complexité inégalée au sein du monde vivant. Ainsi, des fonctions aussi élaborées
que la mémoire, la conscience ou le langage résultent des propriétés
physicochimiques des neurones, des circuits qu'ils établissent entre eux et des
informations qu'ils véhiculent sous forme de signaux électriques.
Unité structurale et fonctionnelle du système nerveux, le neurone se présente en
effet comme une cellule hautement différenciée, ce qui lui confère des propriétés
particulières. Sur un plan structural, il se compose d'un corps cellulaire (le soma ou
périkaryon) et de prolongements de deux types : les dendrites, souvent
nombreuses, et l'axone, toujours unique, qui constituent les fibres nerveuses.
Sur un plan fonctionnel, les caractéristiques de sa membrane lui permettent
d'émettre et de conduire ce que l'on appelait autrefois l'influx nerveux (en
référence à un mystérieux fluide de nature inconnue) et qu'on préfère aujourd'hui
qualifier de potentiel d'action.
Cette particularité s'explique par le fait que le neurone est une structure
excitable, c'est-à-dire qu'il est capable de réagir à une excitation donnée, à
condition bien sûr que celle-ci soit suffisante et adaptée (on parle d'excitation
efficace), et de produire une réponse spécifique qui cheminera dans ses
prolongements.
Ainsi définie, l'excitabilité remplace l'irritabilité proposée dès 1672 par le savant
britannique Francis Glisson (1597-1677) dans son Tractatus de natura substantiæ
et identifiée comme phénomène électrique cent-vingt ans plus tard grâce aux
travaux du physicien et médecin italien Luigi Galvani (1737-1798) sur l'électricité
animale, puis à ceux de son compatriote physicien Carlo Matteuci (1811-1868).
Celui-ci enregistre pour la première fois la « production » de courant électrique par
le muscle en 1838 avant que le jeune Emil Dubois-Reymond (1818-1896),
physiologiste berlinois d'origine suisse, ne montre clairement que les activités qui
se propagent dans les nerfs et les muscles sont de nature électrique. Quelques
années plus tard, son compatriote le physicien et physiologiste Hermann von
Helmholtz (1821-1894) s'emploie à mesurer la vitesse de ces activités dans le nerf
sciatique de grenouille et leur élève Julius Bernstein (1839-1917) établit
définitivement en 1868 qu'il s'agit de l'influx nerveux.
L'électrophysiologie (étude des phénomènes électriques observés au sein des
tissus vivants) moderne est née. Il restera ensuite à identifier et à expliciter les
mécanismes cellulaires physicochimiques responsables, ce qui sera chose faite dans
les années cinquante, notamment grâce aux travaux des neurophysiologistes
britanniques Allan Hodgkin (1914-1998) et Andrew Huxley (né en 1917) qui
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5
Introduction
partageront le prix Nobel de physiologie et de médecine avec le neurophysiologiste
australien John Eccles (1903-1997) en 1963 pour leurs découvertes « concernant
les mécanismes ioniques impliqués dans l'excitation et l'inhibition des portions
périphériques et centrales des membranes des cellules nerveuses ».
Les techniques électrophysiologiques devenant de plus en plus sophistiquées, la
physiologie du neurone se révèlera par la suite bien plus complexe qu'on ne l'avait
imaginée, de nombreux mécanismes étant encore loin d'être totalement élucidés
aujourd'hui, en particulier ceux qui concernent la transmission synaptique et les
échanges d'informations entre neurones.
Nous envisagerons donc successivement :
6
y
l'organisation du tissu nerveux,
y
la structure du neurone,
y
les propriétés électriques du neurone,
y
la transmission synaptique.
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Organisation du
tissu nerveux
II -
Le névraxe
II
8
Nerfs et ganglions
11
La névroglie
12
Le tissu nerveux trouve son origine dans le feuillet externe de l'embryon qui, dès la
troisième semaine, se différencie dorsalement en neurectoderme et s'invagine pour
former le tube neural (à l'origine du névraxe) et les crêtes neurales (à l'origine de
plusieurs structures annexes) au cours d'un processus appelé neurulation de
l'embryon.
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7
Organisation du tissu nerveux
Puis, au fur et à mesure que le tube et les crêtes neurales se développent pour
donner naissance aux différentes structures nerveuses, les cellules épithéliales qui
les constituent :
y
se multiplient (on passe chez l'Homme de quelques milliers à plusieurs
centaines de milliards en quelques mois) ;
y
se différencient (en cellules nerveuses et en cellules gliales qui, comme on le
verra, sont beaucoup plus nombreuses que les neurones) ;
y
migrent pour atteindre leur position définitive (en particulier grâce au
soutien des cellules gliales) ;
y
établissent de nombreux contacts synaptiques entre elles ainsi qu'avec un
certain nombre de cellules spécialisées permettant au système nerveux
d'assurer ses fonctions sensorielles, motrices et glandulaires.
On est ainsi conduit à distinguer sur le plan anatomique un système nerveux
central (le névraxe) et un système nerveux périphérique (les nerfs et leurs
ganglions).
A. Le névraxe
Comme son nom l'indique, le névraxe constitue un axe nerveux à l'intérieur de
l'organisme. Encore appelé axe cérébrospinal ou ensemble encéphalomédullaire, il se compose dans sa partie céphalique (supérieure) de l'encéphale
logé dans la boîte crânienne et dans sa partie caudale (inférieure) de la moelle
épinière logée dans la colonne vertébrale.
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Organisation du tissu nerveux
L'encéphale regroupe la totalité des centres de perception, de commande et
d'association du névraxe. Il comprend trois parties.
y
Le cerveau, dont la structure interne est particulièrement complexe,
représente la masse la plus volumineuse du névraxe (4/5) et forme de
nombreux replis ou circonvolutions en surface. Il renferme la majorité des
neurones du système nerveux qui se répartissent en deux grands
ensembles : le cortex (ou écorce cérébrale) à la périphérie et les noyaux
gris à l'intérieur. Il est le siège des fonctions sensorielles, des fonctions
motrices, des fonctions supérieures et produit un certain nombre
d'hormones.
y
Le tronc cérébral, d'aspect lisse, assure la liaison entre le cerveau et la
moelle épinière. Il comprend trois étages : les pédoncules cérébraux vers
l'avant, la protubérance annulaire (encore appelée pont de Varole) au centre
et le bulbe rachidien vers l'arrière. Ce dernier renferme plusieurs noyaux gris
impliqués dans les fonctions sensorielles, motrices et végétatives ainsi que
dans la régulation de la vigilance.
y
Le cervelet, branché en dérivation sur le névraxe, est relié au cerveau par
les pédoncules cérébelleux supérieurs, au tronc cérébral par les pédoncules
cérébelleux moyens et à la moelle épinière par les pédoncules cérébelleux
inférieurs. Ses neurones également regroupés en deux grands ensembles (le
cortex cérébelleux à la périphérie et les noyaux gris à l'intérieur) participent
aux fonctions motrices et assurent l'équilibration, la régulation du tonus
musculaire et la coordination des mouvements volontaires.
La moelle épinière fait suite au tronc cérébral et se présente comme un long
cordon blanc qui se termine en pointe au niveau de la deuxième vertèbre lombaire.
Son activité est double.
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Organisation du tissu nerveux
y
D'une part elle participe aux fonctions sensorielles, motrices et végétatives
de l'organisme par l'intermédiaire de ses neurones regroupés dans une
structure centrale en forme de papillon qui constitue les cornes grises
(équivalent des noyaux gris au niveau médullaire) dorsales, latérales et
ventrales.
y
D'autre part elle assure la transmission d'informations grâce à ses voies de
conduction ascendantes (de la moelle vers l'encéphale), descendantes (de
l'encéphale vers la moelle) et associatives (entre les différents étages
médullaires) qui occupent une position périphérique.
L'ensemble présente ainsi une dualité de structure qu'il est possible de différencier
par la couleur.
y
y
La substance grise regroupe l'ensemble des territoires (cortex, noyaux
gris, cornes grises) où sont localisés les corps cellulaires des cellules
nerveuses. Elle comprend donc des somas neuroniques, leurs prolongements
(axones et dendrites) et de nombreuses synapses.
La substance blanche, en revanche, ne renferme aucun corps cellulaire de
cellule nerveuse. Elle assure la liaison entre les différentes structures grises
et ne présente donc que des fibres nerveuses (principalement des axones)
dont une grande partie est recouverte de myéline ce qui lui donne une
couleur blanc nacré.
Substance grise et substance blanche renferment par ailleurs de nombreuses
cellules gliales (voir plus loin) et sont irriguées par un réseau de capillaires
sanguins. Il faut toutefois noter qu'à l'exception de quelques rares structures qui
participent aux régulations neuroendocriniennes (notamment le complexe
hypothalamo-hypophysaire), le sang n'entre jamais en contact direct avec les
cellules nerveuses et qu'il existe une barrière dite hémato-encéphalique qui
sépare les deux milieux. Le tissu nerveux est en revanche baigné d'un liquide
extracellulaire en échange permanent avec le liquide céphalo-rachidien (LCR),
un liquide nourricier qui résulte en partie de la filtration du plasma et qui circule à
l'intérieur et tout autour du névraxe.
Ainsi constitué, le névraxe bénéficie d'une triple protection.
10
y
Une première protection, mécanique, est assurée par les os du crâne pour
l'encéphale et par ceux du rachis (vertèbres) pour la moelle épinière.
y
Une seconde protection est représentée par les méninges qui forment trois
enveloppes conjonctives entre l'os et le tissu nerveux : la dure-mère,
épaisse et résistante, qui tapisse l'ensemble des cavités osseuses ; la piemère, mince et nourricière, qui emballe le tissu nerveux en s'invaginant à
chaque repli ; l'arachnoïde, située entre les deux précédentes, et qui forme
l'espace sous-arachnoïdien où circule le liquide céphalo-rachidien.
y
Enfin, une dernière protection est assurée par le liquide céphalorachidien lui-même qui circule entre la pie-mère et l'arachnoïde et qui joue
le rôle de coussinet hydraulique permettant d'amortir les chocs éventuels.
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Organisation du tissu nerveux
B. Nerfs et ganglions
Le névraxe ne serait d'aucune utilité s'il n'était relié à la périphérie de l'organisme
par l'intermédiaire des nerfs qui regroupent deux contingents de fibres nerveuses.
y
D'une part des afférences (par convention représentées en bleu) qui sont
issues des récepteurs sensoriels et qui renseignent en permanence le
névraxe sur l'état des organes et des conditions physicochimiques du milieu.
y
D'autre part des efférences (par convention représentées en rouge) qui
sont connectées aux différents effecteurs (glandes, muscles, viscères) et qui
permettent à l'organisme de s'adapter aux conditions du milieu, de se
mouvoir et d'assurer les fonctions végétatives indispensables à sa survie
telles que la nutrition ou la respiration.
Selon leur composition en fibres, on distingue :
y
les nerfs sensitifs qui ne renferment que des afférences ;
y
les nerfs moteurs qui ne renferment que des efférences ;
y
les nerfs mixtes qui contiennent les deux types de fibre.
Par ailleurs, en fonction de leur lieu de rattachement au névraxe, on distingue :
y
les nerfs crâniens (12 paires) qui peuvent être exclusivement sensitifs (I,
II, VIII), exclusivement moteurs (III, IV, VI, XI, XII) ou mixtes (V, VII, IX,
X) ;
y
les nerfs rachidiens (31 paires) tous mixtes.
Tous présentent la même structure. À l'intérieur, les fibres nerveuses, entourées de
leurs cellules de Schwann (voir plus loin), y sont groupées en faisceaux entourés
d'une gaine conjonctive (le périnèvre) et cloisonnés par un tissu conjonctif riche
en collagène (l'endonèvre). L'ensemble est entouré par du tissu conjonctif lâche
richement vascularisé qui s'épaissit vers l'extérieur et qui forme l'épinèvre.
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11
Organisation du tissu nerveux
Les nerfs peuvent donc être considérés comme de simples conducteurs
d'information entre les organes périphériques et les centres nerveux. Toutefois,
certains d'entre eux renferment également sur leur trajet des corps cellulaires de
neurones qui sont alors regroupés en amas et qui forment des ganglions (à ne pas
confondre avec les ganglions lymphatiques). Les ganglions des voies afférentes
sont toujours localisés à proximité du névraxe sur le trajet des nerfs crâniens et
rachidiens, ceux des voies efférentes ne concernent que les fonctions végétatives et
sont situés à proximité du névraxe ou des viscères, voire à l'intérieur de leur paroi.
Ils portent alors le nom de plexus.
C. La névroglie
Neuf fois plus nombreuses que les cellules nerveuses, les cellules gliales
constituent la névroglie et comprennent plusieurs types cellulaires aux multiples
fonctions dont certaines commencent à peine à être connues.
Au niveau central, on en distingue trois types principaux.
y
Les oligodendrocytes assurent la myélinisation des fibres nerveuses et leur
permettent ainsi d'augmenter la vitesse de conduction des signaux
électriques qu'elles véhiculent.
y
Les astrocytes régulent la composition du liquide extracellulaire qui baigne
les neurones et jouent également un rôle de soutien en participant à leur
migration et à leur croissance au cours de leur développement. Très
récemment, on a découvert qu'ils étaient aussi impliqués dans des
mécanismes immunitaires.
y
Les cellules microgliales qui sont en fait des macrophages chargés de
nettoyer le tissu nerveux et de le débarrasser d'éventuels intrus.
Au niveau périphérique, on en connaît un seul type représenté par les cellules
de Schwann (du nom du physiologiste allemand Théodor Schwann qui les a
observées à la fin du dix-neuvième siècle). Elles assurent la myélinisation à
l'intérieur des nerfs et servent de support aux fibres dépourvues de myéline.
Enfin, on sait depuis peu que les cellules gliales participent à la formation des
synapses et qu'elles sont capables de renforcer ou d'affaiblir les mécanismes de la
transmission synaptique au cours du temps.
12
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Structure du
neurone
III -
III
Le corps cellulaire
15
Les prolongements cytoplasmiques
17
La myélinisation
18
Avec un peu plus d'un millier de types cellulaires distincts décrits chez les Vertébrés
supérieurs, le neurone apparaît sous une multitude de formes et de tailles mais
aussi de spécialisations fonctionnelles et de particularités métaboliques. On peut
néanmoins dégager un archétype – sorte de portrait-robot servant de modèle de
référence – et quatre grands types morphologiques.
L'archétype est un neurone multipolaire présent dans les cornes ventrales de
la moelle épinière :
y
son soma ou périkaryon est étoilé ;
y
ses dendrites sont courtes, nombreuses et très ramifiées ;
y
son axone prend naissance au niveau du cône d'implantation situé à la base
du soma, il est long et se termine par une arborisation terminale où
s'effectue la transmission synaptique.
La forme du soma et du rameau dendritique permettent par ailleurs de distinguer
quatre grands types morphologiques :
y
les neurones multipolaires (a) qui présentent de nombreuses dendrites
très ramifiées ;
y
les neurones pyramidaux (b) qui présentent également de nombreuses
dendrites, en particulier une dendrite apicale (au sommet du soma),
opposée à l'axone, extrêmement ramifiée ;
y
les neurones bipolaires (c) qui ne possèdent qu'une seule dendrite
opposée à l'axone ;
y
les neurones unipolaires ou neurones en T (d), que l'on rencontre dans
les ganglions sensitifs et qui présentent la particularité d'être dépourvus de
dendrite. En effet, ce qui apparaît comme une dendrite présentant toutes les
caractéristiques morphologiques et physiologiques d'un axone, l'habitude est
aujourd'hui de considérer qu'ils possèdent un seul et même prolongement
avec une branche (connectée à un récepteur sensoriel) issue de la périphérie
et une autre branche à destination du névraxe.
Dans tous les cas (excepté bien sûr celui des neurones sensitifs en T qui sont
dépourvus de dendrite), la conduction nerveuse se fait dans le même sens :
y
elle est cellulipète (de la périphérie vers le soma) pour les dendrites ;
y
elle est cellulifuge (du soma vers la périphérie) pour l'axone.
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13
Structure du neurone
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Structure du neurone
A. Le corps cellulaire
Comme toutes les cellules de l'organisme, le neurone possède tous les attributs
d'une cellule animale classique. Le corps cellulaire présente, en revanche, quelques
particularités liées à sa structure et à son fonctionnement.
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15
Structure du neurone
Sa taille varie entre quelques micromètres et quelques dizaines de micromètres. Le
minimum est de 5 µm pour les neurones en grain du cervelet, le maximum de 1
mm pour certains neurones ganglionnaires géants rencontrés chez l'Aplysie (un
mollusque marin).
Sa membrane (appelée parfois neurolemme) est classique mais elle est
particulièrement riche en canaux ioniques, en pompes ioniques à activité ATPasique
et en récepteurs qui peuvent être chimio-, électro- ou chimio/électrodépendants.
Son noyau est central, volumineux et renferme un gros nucléole. Il est bloqué en
interphase. Cependant, et contrairement à une idée encore très répandue, s'il est
vrai que le neurone ne peut plus se diviser en raison de sa haute différenciation,
certaines régions du cerveau produisent quotidiennement des neurones à partir de
cellules souches (neuroblastes).
Son cytosquelette est particulièrement abondant et structure tout l'espace
intracellulaire. Il comprend des microtubules (tubuline), des microfilaments (actine)
et des filaments intermédiaires ou neurofilaments constitués de polypeptides
fibreux.
Son cytoplasme (parfois appelé neuroplasme) est riche en mitochondries et en
ribosomes qui peuvent être libres ou associés à des saccules du réticulum
endoplasmique formant des petits amas connus sous le nom de corps de Nissl (du
nom de l'histologiste allemand Frantz Nissl qui les a décrits à la fin du dix-neuvième
siècle grâce à une coloration spécifique).
Enfin, ajoutons que le corps de Golgi est bien développé et qu'il fut d'ailleurs
découvert en 1895 dans les neurones du ganglion rachidien de la chouette grâce à
une technique à l'imprégnation argentique inventée par l'histologiste italien Camillo
Golgi (1843-1926). Ce dernier partagea le prix Nobel de physiologie et de médecine
en 1906 avec le médecin histologiste espagnol Ramón y Cajal (1852-1934) pour
leurs travaux sur l'organisation du système nerveux à l'origine de toute la neuroanatomie moderne.
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Structure du neurone
B. Les prolongements cytoplasmiques
Dendrites et axone sont des expansions du cytoplasme qui permettent au
neurone d'entrer en relation avec :
y
d'autres neurones (synapses interneuronales),
y
des récepteurs sensoriels (synapses neurosensorielles),
y
des cellules musculaires ou glandulaires (synapses neuro-effectrices).
Leur longueur, fonction de leur localisation, est donc extrêmement variable, allant
de quelques micromètres à plus d'un mètre chez l'Homme (par exemple pour les
axones issus des cornes ventrales médullaires qui innervent les muscles des doigts
ou des orteils) et peut même atteindre plusieurs mètres chez des espèces comme
la Girafe ou la Baleine.
Plusieurs critères morphologiques, ultrastructuraux, biochimiques et fonctionnels
permettent de les différencier.
y
L'axone est toujours unique mais il peut émettre des collatérales qui lui
permettent de distribuer ses messages dans différentes directions. Son
cytoplasme (parfois dénommé axoplasme) est dépourvu de ribosomes. Il
contient un peu de réticulum endoplasmique lisse, des mitochondries, des
microtubules et de nombreux neurofilaments orientés selon son axe
directionnel. Ses extrémités se terminent par une arborisation faite de petits
renflements (les boutons synaptiques) qui, pour la plupart, sécrètent des
neurotransmetteurs à l'origine de la transmission synaptique. Il est par
ailleurs animé d'incessants transports de substances envésiculées qui lui
permettent de renouveler ses matériaux (transport axonal antérograde
du soma vers la périphérie) et d'éliminer ses déchets (transport axonal
rétrograde de la périphérie vers le soma).
y
Les dendrites sont généralement courtes, nombreuses et s'organisent en
rameaux qui s'amenuisent au fur et à mesure qu'elles s'éloignent du
périkaryon.
Elles
contiennent
des
mitochondries,
du
réticulum
endoplasmique lisse, de nombreux microtubules et sont riches en ribosomes
ce qui leur permet d'effectuer la synthèse d'une partie de leurs protéines.
Certaines d'entre elles présentent parfois à leur surface des milliers de
petites excroissances cytoplasmiques dont la taille n'excède pas 2 µm, qui
sont dénommées épines dendritiques et qui sont généralement le siège
d'un contact synaptique. C'est par exemple le cas des neurones pyramidaux
du cortex cérébral ou de l'hippocampe (une structure jouant un rôle dans la
mémoire).
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17
Structure du neurone
C. La myélinisation
Les fibres nerveuses (les axones très souvent, les dendrites beaucoup plus
rarement) sont parfois recouvertes d'une gaine de myéline isolante constituée
d'une spirale à tours jointifs de membrane plasmique particulièrement riche en
lipides (cholestérol, phospholipides, glycolipides) qui leur permet d'augmenter la
vitesse des signaux électriques qu'elles véhiculent. On distingue ainsi :
des fibres amyéliniques (dépourvues de myéline) dont la vitesse de
conduction n'excède pas 2,3 m/s,
y des fibres myélinisées dont la vitesse de conduction, proportionnelle à
l'épaisseur de myéline, peut atteindre 120 m/s.
[Dans la pratique les vitesses de conduction sont toujours exprimées en m/s et non
en m.s-1 comme le voudraient les actuelles recommandations de la Conférence
internationale des poids et mesures.]
y
Le processus de myélinisation démarre au cours de la vie intra-utérine et se
poursuit plusieurs années après la naissance ce qui explique que certaines fonctions
du système nerveux ne soient matures que tardivement. À l'inverse, il peut
s'opérer au cours de la vie un processus de démyélinisation à l'origine de la
sclérose en plaques, une maladie neurodégénérative impliquant les cellules
gliales.
La production de myéline est en effet assurée par les oligodendrocytes au niveau
central et par les cellules de Schwann au niveau périphérique.
y
18
Dans le névraxe, chaque oligodendrocyte émet plusieurs prolongements
membranaires de manière à myéliniser les axones (plusieurs dizaines) qui se
trouvent à sa proximité. Il s'ensuit que la gaine de myéline est
régulièrement interrompue, laissant l'axone à nu au niveau de courtes
régions qui portent le nom de nœuds de Ranvier (du nom de l'histologiste
français Louis-Antoine Ranvier qui les a décrits à la fin du dix-neuvième
siècle – on parle également d'étranglements de Ranvier).
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Structure du neurone
y
Dans les nerfs, le processus de myélinisation est un peu différent. Chaque
cellule de Schwann commence par entourer complètement une portion de
fibre nerveuse et l'enveloppe ensuite de plusieurs tours de sa membrane. La
gaine de myéline est donc ici encore régulièrement interrompue par des
nœuds de Ranvier, l'intervalle entre chaque nœud correspondant au
territoire de myélinisation d'une cellule de Schwann.
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19
Structure du neurone
Enfin, signalons que dans le système nerveux périphérique, les fibres amyéliniques
ne sont pas nues mais qu'elles sont encapsulées dans des cellules de Schwann non
myélinisantes qui leur servent de support. Chaque cellule abrite plusieurs fibres
sans qu'elles soient complètement enveloppées, ce qui leur permet de rester en
contact avec le milieu extracellulaire.
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Propriétés
électriques du
neurone
IV -
IV
Techniques d'études
22
Le potentiel de repos
23
Exercice d'application N°1
27
Exercice d'application N°2
28
Le potentiel d'action
29
Exercice d'application N°3
32
Exercice d'application N°4
33
Excitabilité et conductibilité
34
Exercice d'application N°5
38
Exercice d'application N°6
38
Codage des messages nerveux
39
Exercice d'application N°7
41
Exercice d'application N°8
42
Comme toutes les cellules de l'organisme, le neurone possède une composition
chimique intracellulaire différente de celle du milieu extracellulaire. En particulier,
les charges électriques portées par les électrolytes en solution ne sont pas réparties
de la même manière de part et d'autre de la membrane ce qui provoque une
différence de potentiel (ddp) transmembranaire que l'on appelle potentiel de
membrane (PM).
Répartition des principaux électrolytes au niveau d'un neurone de mammifère
Electrolyte en mmol.l-1
Milieu extracellulaire
Milieu intracellulaire
140
14
Na+
K+
5
140
1
Ca2+
< 10-4
147
14
Cl
Autres anions
0
125
La particularité du neurone est que ce potentiel de membrane peut varier au cours
du temps et passer d'un état de repos caractérisé par un potentiel de repos (PR)
à un état d'activité caractérisé par un potentiel d'action (PA) en un temps
extrêmement bref, avant de retrouver son potentiel d'équilibre.
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21
Propriétés électriques du neurone
A. Techniques d'études
Le but étant d'enregistrer la différence de potentiel qui existe de part et d'autre de
la membrane (PM), il est donc nécessaire d'enregistrer et de comparer les valeurs
des potentiels intracellulaire et extracellulaire. C'est là toute la difficulté car s'il est
relativement aisé d'effectuer une mesure à l'extérieur de la cellule au moyen d'une
électrode (fil métallique relié à un appareil enregistreur), la mesure à l'intérieur de
la cellule pose de nombreux problèmes techniques qui ne furent réellement résolus
qu'en 1949 avec l'invention de la microélectrode. C'est pourquoi beaucoup de
travaux furent d'abord effectués sur un nerf que l'on écrasait à une extrémité pour
se placer en conditions intracellulaires artificielles ou sur l'axone amyélinique géant
de calmar, un axone situé dans le manteau de l'animal qui présente la particularité
de résulter de la fusion de plusieurs axones (parfois plusieurs centaines) et d'être
visible à l'œil nu – les plus gros atteignant un diamètre proche du millimètre.
La microélectrode permet de se placer à l'intérieur de la cellule sans déchirer sa
membrane et évite ainsi tout court circuit entre le milieu extracellulaire et le milieu
intracellulaire, ce qui aurait pour effet d'annuler la différence de potentiel entre les
deux compartiments. Constituée d'un petit tube de verre extrêmement effilé dont le
diamètre d'ouverture à la pointe est inférieur à 0,1 µm (les premières faisaient 0,5
µm), elle est remplie d'une solution conductrice de chlorure de potassium trois fois
molaire (KCl 3M) dans laquelle est plongé un fil métallique assurant la liaison avec
la chaîne d'enregistrement. Le signal n'excédant pas quelques dizaines de millivolts,
il est ensuite amplifié par un préamplificateur puis envoyé vers un oscilloscope,
dispositif qui présente l'avantage de le visualiser et de le quantifier tout en suivant
son évolution dans le temps, ce que ne permettrait pas un simple appareil de
mesure de type voltmètre.
22
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Propriétés électriques du neurone
L'idéal est d'enregistrer in situ. Toutefois, pour des raisons techniques, il est
souvent beaucoup plus facile d'enregistrer in vitro. Il faut alors respecter certaines
précautions au moment du prélèvement et s'assurer de la survie de la préparation
en la conservant dans du sérum physiologique correctement oxygéné à
température de l'animal.
B. Le potentiel de repos
On le met très facilement en évidence en descendant une microélectrode à
l'intérieur d'une fibre nerveuse à l'aide d'un micromanipulateur. Tant que les deux
électrodes se trouvent dans le milieu extracellulaire, leur différence de potentiel est
nulle mais dès que la microélectrode perfore la membrane et pénètre à l'intérieur
de la fibre, on observe une chute du potentiel qui se stabilise aux alentours de –
60 mV.
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23
Propriétés électriques du neurone
C'est cette négativité du milieu intracellulaire par
extracellulaire qui correspond au potentiel de repos. Elle est :
y
stable au cours du temps,
y
constante pour un type cellulaire donné,
y
fonction du tissu et de l'espèce concernés.
rapport
au
milieu
Deux exemples mesurés in vitro :
Axone amyélinique géant de Calmar : ─ 68mV
Axone myélinisé de Grenouille : ─ 56 mV
Pour comprendre la valeur de ce potentiel, il faut savoir que pour un type d'ions
donné, une différence de concentration entre les compartiments intracellulaire et
extracellulaire dans la situation où la membrane ne laisse passer que cet ion
engendre toujours une différence de potentiel dont l'état d'équilibre, résultant du
gradient de concentration et du gradient électrique, peut être calculé avec la loi de
Nernst
E en mV : −
[ concentration interne]
RT
Log
znF
[concentration externe]
où R représente la constante des gaz parfaits, T la température absolue, z le signe
de la charge de l'ion (+ ou –), n sa valence et F la charge électrique portée par un
ion-gramme. Ce qui pour un cation monovalent (où zn = +1) et après être passé
des logarithmes népériens aux logarithmes en base 10 donne :
à 20 °C : E = − 58 log
[ c] i
[c ] e
et à 37 °C : E = − 61 log
24
[c ] i
[c ] e
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Propriétés électriques du neurone
Ainsi, lorsque la concentration de cet ion sera dix fois plus importante à l'intérieur
de la cellule qu'à l'extérieur, son potentiel d'équilibre (différence de potentiel
engendrée par l'ion en question) sera de – 58 mV à 20°C et de – 61 mV à 37°C
puisque le logarithme de 10 est égal à 1. Si maintenant, on applique cette formule
aux principaux ions en présence au niveau d'un neurone de mammifère, on
s'aperçoit qu'à 20 °C le potentiel d'équilibre est :
y
pour les ions sodium de + 58 mV ,
y
pour les ions potassium de – 84 mV,
y
pour les ions calcium de + 116 mV,
y
pour les ions chlore de – 58 mV.
Comme la membrane est perméable à tous ces ions (les anions, à l'exception du
chlore, ne traversent pas ou peu la membrane), le potentiel de membrane ne
correspond à aucune de ces valeurs mais résulte de la combinaison des différents
flux ioniques générés par leurs gradients de concentration et leurs gradients
électriques.
On obtient ainsi :
y
un flux net entrant de sodium du à la somme des gradients ;
y
un flux net sortant de potassium du à la différence des gradients ;
y
un flux net entrant de calcium du à la somme des gradients ;
y
un flux nul de chlore puisque les deux gradients s'annulent.
Or, il se trouve qu'au repos, très peu de canaux au sodium et au calcium sont
ouverts. Il en résulte que le potentiel de repos est principalement du à une
sortie de potassium de la cellule, ce qui a pour effet de négativer le milieu
intracellulaire aux abords de la membrane.
Il reste maintenant à expliquer pourquoi le potentiel est stable au cours du temps.
En effet, si le potassium sort en permanence de la cellule, il finira par annuler son
gradient de concentration. Il faut donc concevoir un mécanisme faisant entrer du
potassium à l'intérieur de la cellule contre son gradient de manière à maintenir son
équilibre ionique.
Un tel mécanisme existe : il s'agit de la pompe membranaire à activité ATPasique
découverte en 1955, la pompe Na-K qui transporte activement, contre leurs
gradients, trois ions Na+ du milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire en
échange de deux ions K+ du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire.
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25
Propriétés électriques du neurone
La preuve en fut apportée en chargeant une fibre avec du sodium radioactif (22Na+
ou 24Na+) et en mesurant l'efflux de la radioactivité au cours du temps. On constate
que le *Na+ quitte la fibre contre son gradient de concentration de manière
continue et régulière mais que cette sortie est bloquée dès que l'on ajoute à la
préparation un inhibiteur du métabolisme (donc de la production d'ATP) tel que le
dinitrophénol ou le cyanure. Inversement, elle reprend si, à cette même
préparation, on ajoute de l'ATP. De même, en utilisant du potassium radioactif
(42K+), on constate que le *K+ pénètre dans la fibre contre son gradient et que cet
influx est également bloqué par le dinitrophénol ou le cyanure. Les mesures ayant
par ailleurs montré que trois *Na+ sortaient pendant que deux *K+ entraient, il
s'ensuit un flux net de cations de l'intérieur vers l'extérieur ce qui contribue à
négativer le milieu intracellulaire. On dit que la pompe est électrogène.
Les ions potassium étant alors en plus grand nombre à l'intérieur de la cellule qu'à
l'extérieur, ils ressortent passivement selon leur gradient de concentration. Quant
aux ions sodium, ils ont tendance à réintégrer le milieu intracellulaire mais la
membrane au repos étant bien moins perméable aux ions sodium qu'aux ions
potassium, ils rentrent beaucoup moins facilement que ne sortent les ions
potassium. C'est donc finalement l'ensemble de ces flux qui permet d'expliquer la
valeur du potentiel de repos.
Ajoutons pour terminer qu'on connaît aujourd'hui un inhibiteur spécifique de la
pompe Na-K, l'ouabaïne, qui produit les mêmes effets que le dinitrophénol à la
différence qu'elle n'interfère pas avec le métabolisme énergétique et qu'elle ne
bloque donc pas la production d'ATP. Il s'agit d'un petit hétéroside (C29H44O12)
extrait de l'ouabaïo (un arbre qui pousse en Éthiopie) ou des graines de strophante
(une liane que l'on rencontre en Afrique tropicale).
26
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Propriétés électriques du neurone
C. Exercice d'application N°1
On mesure les concentrations axoplasmiques de sodium et de potassium d'un
axone amyélinique géant de calmar au repos.
Question 1
[Solution n°1 p 55]
Quelles remarques pouvez-vous faire sur ces concentrations ?
Question 2
[Solution n°2 p 55]
Sachant que les concentrations de K extracellulaire et de K intracellulaire sont
respectivement de 20 et 400 mmol.l–1, calculez le potentiel d'équilibre pour cet ion
à 20 °C.
+
+
Question 3
[Solution n°3 p 55]
On mesure alors le potentiel de repos de cette fibre in situ qui est de – 77 mV.
Pourquoi cette valeur est-elle différente de celle que vous venez de calculer ?
Question 4
[Solution n°4 p 55]
Le même potentiel enregistré in vitro est de – 68 mV. Comment expliquez-vous cet
écart de quelques millivolts ?
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27
Propriétés électriques du neurone
D. Exercice d'application N°2
Un axone amyélinique géant de calmar est chargé en sodium radioactif (24Na+). On
mesure alors l'apparition de la radioactivité dans le milieu extracellulaire en
conditions normales, puis en ajoutant un inhibiteur de la synthèse d'ATP : le 2,4
dinitrophénol ou DNP.
Question 1
[Solution n°5 p 55]
Pourquoi utilise-t-on du sodium radioactif ?
Question 2
[Solution n°6 p 55]
Quel est l'effet du DNP et comment l'expliquez-vous ?
Question 3
[Solution n°7 p 56]
Que pouvez-vous en conclure quant au mécanisme régulant la sortie de sodium ?
Question 4
[Solution n°8 p 56]
Quelle(s) autre(s) drogue(s) aurait-on pu utiliser pour mettre en évidence le
phénomène. Indiquez pour chacune d'elle le mode d'action spécifique.
28
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Propriétés électriques du neurone
E. Le potentiel d'action
Il faut pour le mettre en évidence générer une activité dans le neurone ce qui, une
fois de plus, est beaucoup plus facile à réaliser sur une fibre in vitro que sur un
neurone entier in situ. En pratique, on utilise un générateur d'impulsions électriques
qui permet d'envoyer des chocs calibrés et paramétrés en temps et en intensité
vers la fibre par l'intermédiaire d'une électrode de surface ou d'une microélectrode
intracellulaire située à quelque distance de l'électrode réceptrice.
Deux cas de figure peuvent alors se produire.
y
y
Si la stimulation appliquée tend à rendre l'intérieur de la fibre encore plus
négatif, on constate simplement une augmentation du potentiel de repos qui
se traduit par une hyperpolarisation (– 61, 62, 63... mV) qui reste locale
et qui ne se propage pas.
Par contre si la stimulation appliquée entraîne une diminution du potentiel
de repos qui se traduit par une dépolarisation (– 59, 58, 57... mV), on
constate à partir d'un seuil critique l'apparition d'un potentiel d'action qui se
propage dans la fibre et que l'on peut enregistrer après un temps de latence
en raison du temps que met la dépolarisation pour atteindre l'électrode de
réception.
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29
Propriétés électriques du neurone
Il faut noter que si l'apparition du potentiel d'action est liée à l'intensité de la
stimulation, une fois le seuil critique atteint, il est immédiatement maximal. Son
amplitude et sa durée dépendent du tissu et de l'espèce mais sont, tout comme le
potentiel de repos, constantes pour un type cellulaire donné chez une espèce
donnée. En effet,
y
y
soit l'intensité de stimulation est insuffisante pour atteindre le seuil critique
– on dit qu'elle est infraliminaire – et le potentiel d'action n'apparaît pas ;
soit l'intensité de stimulation est suffisante pour atteindre le seuil critique –
on dit qu'elle est supraliminaire – et le potentiel d'action est immédiatement
maximal. On dit que la fibre obéit à la loi du tout ou rien.
Ce potentiel, qui correspond à une modification temporaire de la polarité
membranaire comprend trois phases :
y
y
y
une première phase de dépolarisation extrêmement brève puisqu'elle ne
dure qu'une fraction de milliseconde et qui se traduit par une brusque
inversion du potentiel de membrane (on passe en moyenne de – 60 mV à +
40 mV) ;
une seconde phase de repolarisation un peu plus lente qui permet au
potentiel de membrane de revenir à son niveau de repos ;
une troisième phase de post-hyperpolarisation encore plus lente
(plusieurs millisecondes) et de très faible amplitude pendant laquelle les
concentrations ioniques intracellulaires retrouvent leurs valeurs initiales.
Ce sont en effet des mouvements de sodium et de potassium qui sont à l'origine
des différentes phases du potentiel d'action.
y
y
y
30
Au repos, la perméabilité membranaire au sodium (PNa) est très faible car la
plupart des canaux au sodium sont fermés. Or, ces canaux étant sensibles
au potentiel de membrane (on dit qu'ils sont électrodépendants ou voltagedépendants), une légère dépolarisation suffit à provoquer leur ouverture.
Les ions sodium rentrent alors massivement dans la cellule en raison de leur
gradient de concentration et de leur gradient électrique ce qui augmente la
dépolarisation et finit par inverser le potentiel de membrane qui atteint une
valeur d'environ + 40 mV.
Cette forte dépolarisation finit par inactiver les canaux au sodium mais induit
l'ouverture de canaux au potassium, également électrodépendants, ce qui a
pour effet d'augmenter la perméabilité au potassium (PK). Les ions
potassium, beaucoup plus nombreux à l'intérieur qu'à l'extérieur, quittent
alors la cellule en masse et permettent au potentiel de membrane de
retrouver sa valeur initiale.
Toutefois les canaux au potassium n'étant pas immédiatement inactivés au
moment où la fibre retrouve son potentiel de repos, les ions potassium
continuent à quitter la cellule et provoquent ainsi une légère
hyperpolarisation, le temps que la perméabilité au potassium retrouve sa
valeur de repos. Dans le même temps, la pompe Na-K s'active et expulse le
sodium entré pendant la phase de dépolarisation.
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Propriétés électriques du neurone
La preuve en fut apportée en utilisant deux drogues spécifiques, l'une bloquant
sélectivement les canaux au sodium, l'autre ceux au potassium.
y
y
En ajoutant à la préparation de la tétrodotoxine ou TTX (une toxine isolée
du foie et des ovaires de certains poissons de l'ordre des Tétraondotiformes
vivant dans les mers chaudes asiatiques, comme le fameux fugu japonais),
le potentiel d'action n'apparaît pas. La TTX présente en effet la particularité
de bloquer les canaux au sodium et empêche ainsi toute dépolarisation.
Inversement, en ajoutant du tétraéthylammonium ou TEA (un ammonium
quaternaire) à la préparation, une fois la fibre dépolarisée, la repolarisation
apparaît beaucoup plus tardivement. Cela est du au fait que le TEA bloquant
les canaux au potassium, il faut attendre que les canaux au sodium soient
complètement inactivés et que la pompe Na-K ait rétabli les concentrations
initiales pour que la fibre se repolarise.
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31
Propriétés électriques du neurone
F. Exercice d'application N°3
Un nerf sciatique de grenouille est stimulé avec une électrode de surface par des
chocs électriques de 1 ms d'intensité croissante. Les résultats sont les suivants.
Intensité de stimulation (µA)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Amplitude de réponse (mV)
0,0
0,0
0,0
0,0
3,0
5,5
9,0
13,0
18,0
22,5
26,5
32,0
35,0
44,5
48,0
50,5
53,0
61,5
67,0
71,0
71,0
71,0
71,0
71,0
Question 1
[Solution n°9 p 56]
Tracez la courbe montrant l'évolution de la réponse du nerf en fonction de
l'intensité de stimulation. Interprétez le phénomène observé.
Question 2
[Solution n°10 p 56]
Pourquoi le nerf n'obéit-il pas à la loi du tout ou rien ?
Question 3
[Solution n°11 p 57]
Le nerf est ensuite soumis à l'action de la tétrodotoxine. Il est alors impossible
d'enregistrer la moindre réponse. Quelle en est la raison ?
32
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Propriétés électriques du neurone
G. Exercice d'application N°4
On mesure les concentrations axoplasmiques de sodium et de potassium d'un
axone amyélinique géant de calmar au repos et suite à une stimulation.
Question 1
[Solution n°12 p 57]
Quelles remarques pouvez-vous faire sur les flux ioniques consécutifs à la
stimulation ?
Question 2
[Solution n°13 p 57]
On recommence alors l'expérience précédente mais en ajoutant dans un cas de la
tétrodotoxine (TTX) et dans l'autre du tétraéthylammonium (TEA). Commentez les
nouvelles mesures effectuées. Permettent-elles de préciser l'action de ces
drogues ?
Question 3
[Solution n°14 p 57]
Que pouvez-vous en déduire à propos des canaux qui permettent au sodium et au
potassium de traverser la membrane ?
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33
Propriétés électriques du neurone
H. Excitabilité et conductibilité
Excitabilité et conductibilité sont deux propriétés inséparables du neurone. La
première lui permet d'émettre un potentiel d'action à la suite d'une excitation
supraliminaire, la seconde de propager ce même potentiel d'action jusqu'à
l'arborisation terminale de l'axone sans atténuation.
Dans l'organisme, le potentiel d'action peut apparaître de deux façons selon que
l'on se trouve en périphérie ou dans le névraxe.
y
y
Dans le premier cas, c'est un stimulus de nature physique (pression,
lumière, température, etc.) ou chimique (taux de glucose sanguin, pH,
molécule aromatique, etc.) détecté par un récepteur sensoriel qui est à
l'origine du potentiel d'action. Si le stimulus atteint une valeur suffisante, il
provoque une variation de potentiel local, dénommée potentiel de
récepteur, qui, à partir d'un seuil critique, génère un potentiel d'action dans
la fibre nerveuse issue du récepteur qui sera ensuite véhiculé jusqu'au
névraxe.
Dans le second cas, les contacts synaptiques permettent au neurone de
recevoir plusieurs informations en provenance d'autres neurones qui se
traduisent soit par des dépolarisations (synapses excitatrices) soit par des
hyperpolarisations (synapses inhibitrices). Ces variations locales de
potentiel, ou potentiels post-synaptiques se propagent ensuite jusqu'au
corps cellulaire où s'effectue la sommation algébrique des dépolarisations et
des hyperpolarisations. Si la dépolarisation l'emporte et si elle est suffisante,
un potentiel d'action naît alors au niveau du cône d'implantation d'axone.
Comme on le voit, la dépolarisation doit donc toujours atteindre un seuil critique
(on parle de potentiel seuil ou de potentiel critique) pour que le potentiel
d'action apparaisse. Si c'est le cas, son amplitude est alors d'emblée maximale (loi
du tout ou rien) et le restera jusqu'à l'arborisation terminale de l'axone.
Toutefois, au moment où le potentiel d'action est émis, la fibre étant dépolarisée, il
est impossible de la dépolariser à nouveau. Il faut donc attendre que le potentiel de
membrane retrouve une valeur inférieure au seuil critique pour pouvoir l'exciter une
nouvelle fois. On est ainsi amené à distinguer deux périodes qui caractérisent son
excitabilité.
y
y
34
Une période réfractaire absolue (PRA) pendant laquelle toute stimulation,
même supraliminaire, est inefficace puisque la fibre est déjà dépolarisée.
Une période réfractaire relative (PRR) pendant laquelle un second
potentiel d'action peut être émis à la condition que la dépolarisation produite
par l'excitation atteigne le seuil critique, ce qui implique qu'elle soit plus
importante puisque la valeur du potentiel de repos n'a pas encore été
restaurée.
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Propriétés électriques du neurone
On peut mettre en évidence ce cycle d'excitabilité en stimulant expérimentalement
une fibre nerveuse par deux chocs successifs d'intensité supraliminaire.
y
y
y
Si le deuxième choc est porté pendant la période réfractaire absolue, on
n'observe pas de deuxième potentiel d'action.
Par contre, si le deuxième choc est porté pendant la période réfractaire
relative, un second potentiel d'action apparaît mais il faut attendre que les
concentrations ioniques soient entièrement restaurées pour que son
amplitude soit maximale.
Enfin, si le deuxième choc est porté une fois que la fibre a retrouvé son
potentiel de repos, le second potentiel d'action est identique au premier.
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35
Propriétés électriques du neurone
Le second potentiel d'action se propage alors comme le premier jusqu'à
l'arborisation terminale de l'axone, sans atténuation et à la même vitesse. La
vitesse de conduction, tout comme la durée des périodes réfractaires, est en
effet :
y variable d'une fibre à une autre,
y fonction de son diamètre,
36
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Propriétés électriques du neurone
y
mais identique en tous points d'une même fibre.
La propagation peut s'effectuer de deux manières :
y
Dans le cas d'une fibre amyélinique, la dépolarisation se propage de proche
en proche par l'intermédiaire de courants locaux qui s'établissent de part
et d'autre de la membrane.
y
Dans le cas d'une fibre myélinisée, la myéline jouant le rôle d'isolant, la
dépolarisation ne peut se déplacer que de nœud de Ranvier en nœud de
Ranvier, seules régions où l'axone est à nu. La dépolarisation « saute » ainsi
de nœud en nœud – on dit que la conduction est saltatoire – ce qui permet
au potentiel d'action d'avancer plus rapidement. En effet, plus la myéline est
épaisse, plus les nœuds de Ranvier sont éloignés les uns des autres. Il
existe ainsi une corrélation entre diamètre et vitesse de conduction.
Ici encore, il est plus facile de déterminer la vitesse de conduction d'une fibre
nerveuse in vitro qu'in situ. Il suffit de mesurer la distance d (à l'aide d'un réglet)
qui sépare l'électrode de stimulation de l'électrode de réception et le temps de
latence t (à l'aide d'un oscilloscope) mis par la dépolarisation pour atteindre
l'électrode de réception suite à une excitation supraliminaire. La vitesse v est alors
égale au rapport d/t et, selon l'habitude, exprimée en mètre par seconde (m/s). De
telles mesures ont permis d'établir une classification des fibres nerveuses
périphériques et ont par ailleurs montré que des fonctions physiologiques précises
étaient affectées aux différentes catégories.
Myélinisées
Amyéliniques
Classification des fibres nerveuses de mammifère
Catégorie
Diamètre
Vitesse
Efférences
Afférences
Aα
Ia et b
12 – 20 µm 70 – 120 m/s
II
5 – 12 µm 30 – 70 m/s
Αβ et γ
III
2 – 5 µm
12 – 30 m/s
Aδ
B
< 3 µm
1 – 15 m/s
C
IV
< 1,2 µm
< 2,3 m/s
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37
Propriétés électriques du neurone
I. Exercice d'application N°5
Pour étudier l'excitabilité du nerf sciatique de grenouille, on porte deux excitations
supraliminaires distantes d'un intervalle ∆t et on mesure l'amplitude du potentiel
d'action généré par le deuxième choc. Les résultats sont les suivants.
∆t (ms)
0,5
1,0
1,5
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
13,0
14,0
Amplitude du 2ème PA (mV)
0
0
0
2
6
12
21
33
47
54
65
69
70
70
70
70
Question 1
[Solution n°15 p 57]
Tracez la courbe représentant l'amplitude du deuxième potentiel d'action en
fonction de ∆t. Que met-on en évidence ?
Question 2
[Solution n°16 p 58]
Quelles espèces ioniques sont impliquées dans ce phénomène ?
Question 3
[Solution n°17 p 58]
La même observation aurait-elle pu être faite sur une fibre isolée ?
J. Exercice d'application N°6
La stimulation supraliminaire d'un nerf moteur de mammifère permet d'enregistrer
un potentiel d'action complexe présentant trois pics successifs.
38
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Propriétés électriques du neurone
Question 1
[Solution n°18 p 58]
Pourquoi le potentiel d'action est-il qualifié de « complexe » et à quoi correspondent
ces pics ?
Question 2
[Solution n°19 p 59]
Le temps mis par les trois pics pour apparaître est respectivement de 0,4 ms, 0,9
ms et 1,7 ms. Calculez les vitesses de conduction des trois contingents de fibres
sachant que la distance séparant l'électrode de stimulation de l'électrode de
réception est de 3,1 cm. À quelles catégories appartiennent-elles ?
Question 3
[Solution n°20 p 59]
Comment pourrait-on s'assurer que la vitesse de conduction est constante tout au
long du nerf ?
K. Codage des messages nerveux
Selon leur origine et/ou leur destination, les messages nerveux véhiculés par les
axones sont de trois ordres. Ils peuvent être :
y
y
y
sensitifs (issus d'un récepteur sensoriel),
moteurs (à destination d'une cellule effectrice),
centraux (entre deux neurones à l'intérieur du névraxe).
Tous présentent le même système de codage. En effet, l'amplitude des potentiels
d'action ne variant pas en raison de la loi du tout ou rien et la vitesse de
propagation étant constante pour une fibre donnée, l'information est codée par :
y
le nombre de potentiels émis,
leur fréquence,
leur organisation en salves,
y
la durée du message.
y
y
Le nombre de potentiels émis et la durée du message sont généralement en
rapport avec la quantité d'information à transmettre. Ainsi, une fibre sensorielle ou
motrice peut décharger pendant plusieurs minutes et émettre des centaines, voire
des milliers de potentiels d'action à la suite d'une stimulation prolongée ou pour
soutenir une contraction musculaire. Mais ce n'est pas toujours le cas. Certains
récepteurs sensoriels, par exemple, s'adaptent très vite et cessent de décharger au
bout de quelques secondes alors que la stimulation est maintenue.
La fréquence, qui s'exprime en nombre de potentiels d'action par seconde, est elle
aussi en rapport avec la quantité d'information à transmettre. Ainsi, plus
l'information est importante, plus la fréquence augmente jusqu'à une limite
imposée par les périodes réfractaires de la structure. Toutefois, certains récepteurs
sensoriels et certains neurones du névraxe présentant une activité spontanée, en
raison de canaux ioniques électrodépendants au calcium et au potassium
particuliers qui leur permettent de générer régulièrement des potentiels d'action,
toute perturbation peut se traduire par une augmentation ou une diminution de leur
fréquence de décharge.
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39
Propriétés électriques du neurone
L'organisation en salves est un phénomène plus complexe qui varie en fonction
des structures concernées et des messages véhiculés. Les potentiels d'action d'un
même message peuvent en effet être émis sous forme de salves, plus ou moins
espacées dans le temps, dont la durée, le nombre de potentiels et la fréquence
diffèrent d'une salve à une autre. On parle également de rafales, de trains de
potentiels ou de bouffées d'activité.
Pour visualiser ces messages, on est donc amené à modifier la vitesse de balayage
de l'oscilloscope de manière à ce que le spot qui se déplace sur l'écran de gauche à
droite mette plus de temps à effectuer le même parcours et permette d'observer
des séquences plus longues. Les potentiels d'action se trouvent ainsi moins étalés
et réduits au seul pic de dépolarisation – on parle parfois de spike (de l'anglais
spike = pointe) –, l'intérêt étant ici d'étudier leur succession et non leur décours
(allure du potentiel).
Cette fois, les phénomènes étudiés ne pouvant se produire qu'au sein de
l'organisme en fonctionnement, les enregistrements se font le plus souvent in situ
et l'expérimentateur ne peut que constater l'activité de tel ou tel neurone. Il peut
néanmoins provoquer ou modifier cette activité, par exemple en stimulant un
récepteur et en enregistrant le message sensoriel véhiculé par le neurone afférent
qui en est issu ou en déclenchant artificiellement une réponse musculaire par voie
réflexe et en enregistrant le message moteur généré dans le neurone efférent.
Ajoutons toutefois que les techniques modernes permettent aujourd'hui d'isoler un
récepteur et sa fibre in vitro, de manière à étudier son comportement suite à une
stimulation, ou de réaliser des cultures de neurones et d'analyser les
communications qu'ils établissent entre eux.
40
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Propriétés électriques du neurone
L. Exercice d'application N°7
On enregistre l'activité de quatre fibres nerveuses issues de différents récepteurs
sensoriels suite à une stimulation supraliminaire.
Question 1
[Solution n°21 p 59]
Pourquoi le récepteur A est-il dit à adaptation rapide ?
Question 2
[Solution n°22 p 59]
Pourquoi le récepteur B est-il dit à adaptation lente ?
Question 3
[Solution n°23 p 59]
Quelle particularité présente le récepteur C ?
Question 4
[Solution n°24 p 59]
Pourquoi le récepteur D est-il qualifié de on-off ?
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41
Propriétés électriques du neurone
M. Exercice d'application N°8
Un corpuscule de Pacini (un récepteur sensoriel cutané sensible à la pression) est
isolé avec son afférence in vitro et soumis à des pressions croissantes. Une
microélectrode implantée dans la fibre permet d'enregistrer les messages sensoriels
qui en sont issus.
Question 1
[Solution n°25 p 60]
Analysez ces messages sensoriels. Que pouvez-vous en conclure ?
Question 2
[Solution n°26 p 60]
Qu'obtiendrait-on si la pression portée était supérieure à 8 g.cm–2 ?
Question 3
[Solution n°27 p 60]
Quelle serait l'allure des enregistrements si on augmentait la vitesse de balayage
de l'oscilloscope ?
42
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La transmission
synaptique
V-
V
Fonctionnement de la synapse chimique
44
Exercice d'application N°1
49
Exercice d'application N°2
50
Intégration post-synaptique
51
Exercice d'application N°3
52
Pendant longtemps, l'organisation même du système nerveux fut matière à
discussion et vit s'affronter deux théories :
y
une conception réticulariste selon laquelle les neurones formaient un
gigantesque réseau où ils étaient en continuité les uns avec les autres ;
y
une conception neuroniste selon laquelle les neurones étaient
indépendants les uns des autres et n'entretenaient entre eux que des
relations de contiguïté.
La controverse ne sera finalement résolue qu'avec l'avènement du microscope
électronique dans les années 1950 qui montrera clairement que les neurones sont
des cellules indépendantes et qu'elles communiquent entre elles au niveau de
régions particulières dénommées synapses. Le terme, emprunté au grec sunapsis
(= point de jonction), fut proposé dès 1897 par le neurophysiologiste britannique
Sir Charles Scott Sherrington (1857-1952) qui partagea par ailleurs le prix Nobel de
physiologie et de médecine avec son compatriote Edgar Adrian (1899-1977) pour
leurs travaux sur la physiologie du système nerveux et le fonctionnement du
neurone en 1932.
Toutes les synapses interneuronales (on dit également
présentent invariablement la même organisation de base :
neuro-neuroniques)
y
un élément présynaptique appartenant à un premier neurone,
y
une fente synaptique séparant les deux neurones,
y
un élément post-synaptique appartenant à un deuxième neurone.
Toutefois, en fonction de critères morphologiques et fonctionnels, on est amené à
opérer plusieurs distinctions.
Sur un plan morphologique, on distingue :
y
des synapses axo-dendritiques (entre l'axone de l'un et la dendrite de
l'autre),
y
des synapses axo-somatiques (entre l'axone de l'un et le soma de
l'autre),
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43
La transmission synaptique
y
des synapses axo-axoniques (entre deux axones),
beaucoup plus rarement des synapses
dendritiques et dendro-dendritiques.
Sur un plan physiologique, on distingue :
y
somato-somatiques,
somato-
y
des synapses électriques au fonctionnement très simple,
y
des synapses chimiques au fonctionnement beaucoup plus complexe.
Les premières, assez rares chez les Vertébrés supérieurs, sont en fait constituées
par des canaux jonctionnels (gap junctions) que deux neurones contigus établissent
après avoir accolé leurs membranes et qui leur permettent d'échanger des ions et
des petites molécules. Elles assurent également le couplage électrique entre les
deux cellules de sorte que les potentiels d'action puissent passer rapidement de
l'une à l'autre sans intermédiaire.
Les secondes nécessitent en revanche l'intervention de médiateurs chimiques (ce
qui implique un délai de transmission de l'ordre de 0,5 ms), présentent une polarité
(la transmission se faisant toujours de l'élément présynaptique vers l'élément postsynaptique) et peuvent être excitatrices ou inhibitrices.
A. Fonctionnement de la synapse chimique
Les synapses chimiques étant toujours polarisées et fonctionnant à l'aide d'un
neurotransmetteur, elles présentent à la fois une asymétrie de structure et une
asymétrie fonctionnelle.
[Nous nous limiterons ici à décrire celles où l'élément présynaptique est un axone
et qui sont les plus répandues.]
Au niveau présynaptique, la terminaison axonale forme un petit renflement ou
bouton terminal qui présente trois caractéristiques :
y
il est riche en mitochondries ;
y
il renferme de nombreuses vésicules qui peuvent contenir plus de 10 000
molécules de neurotransmetteur ;
y
sa membrane présente un matériel dense aux électrons, la grille synaptique,
qui correspond à une organisation particulière du cytosquelette impliqué
dans les processus d'exocytose.
Au niveau post-synaptique, l'élément nerveux (dendrite, soma ou axone) ne
renferme pas de vésicule mais présente également une région sous-membranaire
dense aux électrons qui est due à une organisation particulière du cytosquelette
permettant l'ancrage des récepteurs sur lesquels se fixent les neurotransmetteurs.
Quant à la fente synaptique, qui occupe l'espace entre les deux régions
membranaires présentant un matériel dense aux électrons, distantes en moyenne
de 20 à 50 nm, elle ne présente pas de différenciation morphologique particulière.
44
CUEEP-Université Lille 1 Sciences et Technologies
La transmission synaptique
Schématiquement, la transmission synaptique comprend cinq étapes :
y
la synthèse du neurotransmetteur dans l'élément présynaptique,
y
le stockage du neurotransmetteur dans la terminaison présynaptique,
y
la libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique,
y
la combinaison
synaptiques,
y
l'inactivation du neurotransmetteur
récepteur-neurotransmetteur.
du
neurotransmetteur
avec
après
les
récepteurs
dissociation
du
post-
complexe
Le neurotransmetteur est généralement synthétisé dans les boutons terminaux à
partir de précurseurs qui ont pénétré localement dans la terminaison ou qui ont
migré par transport axonal antérograde à partir du soma avec les enzymes
nécessaires à la synthèse. Il est ensuite stocké dans les vésicules synaptiques où il
est à l'abri d'une éventuelle destruction enzymatique. Le plus souvent, il se répartit
en deux compartiments :
y
l'un immédiatement libérable (en général le plus récemment synthétisé),
y
l'autre de réserve (en général lié à des protéines intravésiculaires).
L'arrivée d'un potentiel d'action dans la terminaison présynaptique va
déclencher plusieurs phénomènes qui aboutiront à la libération du
neurotransmetteur, à sa fixation sur les récepteurs post-synaptiques et à leur
activation.
y En premier lieu, la dépolarisation membranaire provoque l'ouverture de
canaux électrodépendants au calcium. Celui-ci rentre alors dans la cellule en
raison du gradient électrique et de son gradient de concentration de sorte
que la dépolarisation se traduit par une augmentation de la concentration de
calcium intracellulaire (il ressortira, comme le sodium, par un mécanisme de
transport actif).
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45
La transmission synaptique
46
y
La présence de calcium à l'intérieur de la cellule permet alors d'activer la
phosphorylation de certaines protéines assurant la liaison entre le
cytosquelette et les vésicules synaptiques, ce qui provoque leur migration
jusque la membrane. Une fois en contact avec la membrane, elles libèrent
leur contenu par exocytose de sorte que la dépolarisation aboutit à la
libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique.
y
Le neurotransmetteur présentant une forte affinité avec les récepteurs de la
membrane post-synaptique, il s'y fixe par complémentarité stérique. Or ces
récepteurs sont des protéines-canaux chimiodépendantes, c'est-à-dire que
leur ouverture dépend de la présence d'une substance chimique, en
l'occurrence ici le neurotransmetteur. La combinaison d'une (souvent deux)
molécule(s) de neurotransmetteur avec le récepteur ouvre donc le canal et
permet à l'espèce ionique correspondante (Na+, Ca2+, Cl- ou K+ selon les cas)
de diffuser selon son gradient de concentration ce qui a pour effet de
modifier localement le potentiel de membrane de l'élément post-synaptique.
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La transmission synaptique
Selon le type de synapse considéré, la combinaison neurotransmetteur-récepteur se
traduit par une dépolarisation ou une hyperpolarisation de la membrane postsynaptique.
y
Dans le cas d'une synapse excitatrice, le neurotransmetteur ouvre une
protéine-canal au sodium ou au calcium. Il s'ensuit une augmentation de
cations intracellulaires ce qui a pour effet de provoquer une dépolarisation
locale qu'on qualifie de potentiel post-synaptique excitateur (PPSE).
y
Dans le cas d'une synapse inhibitrice, le neurotransmetteur ouvre une
protéine-canal au chlore ou au potassium ce qui a pour effet de provoquer
une hyperpolarisation locale (par entrée de chlore ou sortie de potassium)
qu'on qualifie de potentiel post-synaptique inhibiteur (PPSI).
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47
La transmission synaptique
Il reste ensuite à inactiver le neurotransmetteur pour éviter que la dépolarisation
ou l'hyperpolarisation qu'il a provoqué en se combinant avec les récepteurs postsynaptiques ne se prolonge et empêche la synapse de fonctionner normalement.
Selon le type de neurotransmetteur, deux mécanismes sont responsables de cette
inactivation :
y
soit il est dégradé par une enzyme spécifique dans la fente synaptique ;
y
soit il est recapté (cas le plus courant) par la terminaison présynaptique et
peut ainsi être réutilisé.
Si toutes les synapses chimiques fonctionnent selon ce schéma, la réalité est
toutefois beaucoup plus complexe dans la mesure où la transmission met
généralement en jeu d'autres mécanismes qui peuvent potentialiser la synapse,
c'est-à-dire la rendre plus ou moins efficace dans le temps. Citons :
y
la coexistence de plusieurs neurotransmetteurs dans la terminaison
présynaptique, pas forcément libérés en même temps ;
y
l'existence au niveau du bouton terminal de récepteurs présynaptiques
sensibles à l'action du neurotransmetteur qui vient d'être libéré ;
y
la production de neuromodulateurs par la terminaison synaptique qui, une
fois libérés par exocytose, modifient la sensibilité des récepteurs postsynaptiques vis-à-vis des neurotransmetteurs ;
y
la libération par l'élément post-synaptique de substances qui agissent en
retour sur la terminaison présynaptique de manière à diminuer ou à
augmenter son activité ;
y
le renforcement ou l'affaiblissement de la transmission par les astrocytes
présents au niveau de la synapse après qu'ils aient été stimulés par un flux
d'ATP en provenance de la terminaison présynaptique.
Ajoutons
qu'on
connaît
aujourd'hui
plus
d'une
centaine
de
neurotransmetteurs et que la liste ne cesse de s'allonger. Parmi les plus
répandus, citons :
48
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La transmission synaptique
y
l'acétylcholine (Ach), une amine quaternaire excitatrice qui est dégradée
dans la fente synaptique par l'acétylcholinestérase ;
y
l'aspartate et le glutamate, deux acides aminés excitateurs qui sont
recaptés ;
y
le GABA (acide γ amino-butyrique), un acide γ aminé (qui n'entre donc pas
dans la composition des protéines) qui est le principal inhibiteur du système
nerveux et qui est recapté ;
y
la glycine, un autre acide aminé inhibiteur également recapté ;
y
l'adrénaline, la noradrénaline et la dopamine, trois catécholamines
synthétisées à partir de la tyrosine qui peuvent être excitatrices ou
inhibitrices et qui sont en grande partie recaptées ;
y
la sérotonine, une indolamine synthétisée à partir du tryptophane qui peut
être excitatrice ou inhibitrice et qui est recaptée ;
y
la substance P, un petit peptide de onze acides aminés excitateur qui fut le
premier neuropeptide découvert et qui est dégradé dans la fente synaptique.
B. Exercice d'application N°1
Soit le neurone multipolaire (fictif) suivant où l'activation des axones A1 et A4
déclenche l'ouverture de protéines-canaux au sodium, celle des axones A2 et A7
l'ouverture de protéines-canaux au chlore, celle des axones A3 et A8 l'ouverture de
protéines-canaux au potassium et celle des axones A5 et A6 l'ouverture de
protéines-canaux au calcium.
Question 1
[Solution n°28 p 60]
Combien y a-t-il de synapses axo-dendritiques ?
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49
La transmission synaptique
Question 2
[Solution n°29 p 60]
Combien y a-t-il de synapses axo-somatiques ?
Question 3
[Solution n°30 p 60]
Combien y a-t-il de synapses axo-axoniques ?
Question 4
[Solution n°31 p 60]
Combien y a-t-il de synapses excitatrices ?
Question 5
[Solution n°32 p 60]
Combien y a-t-il de synapses inhibitrices ?
Question 6
[Solution n°33 p 61]
Au niveau de quelles synapses pourrait-on enregistrer des PPSE ?
Question 7
[Solution n°34 p 61]
Au niveau de quelles synapses pourrait-on enregistrer des PPSI ?
C. Exercice d'application N°2
Soit le circuit neuronique suivant où seuls les somas et les axones ont été
représentés.
Question 1
[Solution n°35 p 61]
Quelle particularité présente l'axone du neurone A ?
50
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La transmission synaptique
Question 2
[Solution n°36 p 61]
À la suite d'une décharge unitaire du neurone A, que peut-on enregistrer dans le
soma du neurone C ? Citez un exemple de neurotransmetteur qui pourrait en être
responsable.
Question 3
[Solution n°37 p 61]
À la suite d'une décharge unitaire du neurone B, que peut-on enregistrer dans le
soma du neurone D ? Citez un exemple de neurotransmetteur qui pourrait en être
responsable.
Question 4
[Solution n°38 p 61]
Si seul le neurone A était activé, dans quels axones pourrait-on enregistrer des
potentiels d'action ?
Question 5
[Solution n°39 p 61]
Si seul le neurone B était activé, dans quels axones pourrait-on enregistrer des
potentiels d'action ?
Question 6
[Solution n°40 p 61]
L'immersion de la préparation dans de l'EGTA, un agent chélateur qui emprisonne
tout le calcium disponible, bloque toutes les transmissions synaptiques. Quelle en
est la raison ?
Question 7
[Solution n°41 p 61]
Quelle autre drogue serait susceptible de bloquer l'ensemble du circuit ? Pourquoi ?
D. Intégration post-synaptique
Dans le névraxe, les nombreux contacts synaptiques que les neurones établissent
entre eux font que l'arrivée d'un potentiel d'action dans la terminaison
présynaptique ne suffit pas à déclencher l'apparition d'un potentiel d'action dans le
neurone post-synaptique. En effet celui-ci étant connecté à des centaines, voire à
des milliers de terminaisons présynaptiques, son arbre somato-dendritique reçoit
autant de messages en un temps donné qu'il y a de synapses activées. Comme
chaque potentiel d'action présynaptique déclenche un PPSE ou un PPSI dans
l'élément post-synaptique, selon que la synapse est excitatrice ou inhibitrice, c'est
finalement un grand nombre de dépolarisations et d'hyperpolaristions qui envahit
l'arbre somato-dendritique et qui se propage vers le cône d'implantation de l'axone.
Le neurone post-synaptique effectue alors une sommation algébrique des
différents signaux qu'il a reçu sur l'ensemble de son territoire en un temps donné.
y
Si la somme des PPSE et des PPSI aboutit finalement à une
hyperpolarisation du potentiel de membrane, aucun potentiel d'action n'est
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51
La transmission synaptique
émis et l'axone reste silencieux.
y
En revanche, si la somme des PPSE et des PPSI aboutit à une dépolarisation
et si celle-ci atteint le seuil critique, un potentiel d'action est émis et
véhiculé jusqu'à l'arborisation terminale de l'axone.
La réalité est toutefois plus complexe car d'une part, les messages nerveux sont
constitués de trains de potentiels plus ou moins rapprochés et d'autre part, ces
activités peuvent potentialiser les synapses qui vont devenir plus ou moins
réceptives dans la durée. À la sommation spatiale des PPSE et des PPSI, s'ajoute
donc une sommation temporelle dont dépend en fin de compte le signal qui sera
émis par le neurone post-synaptique.
Il en résulte également que l'information véhiculée par un neurone n'est jamais la
copie parfaite du message qu'il a reçu (hormis bien sûr le cas limite où un neurone
post-synaptique ne serait activé que par un seul neurone présynaptique excitateur)
mais la synthèse des différents signaux qui lui sont parvenus. C'est ce phénomène
qui porte le nom d'intégration post-synaptique et qui permet à chaque neurone
d'élaborer son propre message. Il n'y a donc pas conservation de l'information d'un
neurone à un autre mais reconstruction de celle-ci à chaque franchissement de
synapse.
E. Exercice d'application N°3
Le neurone suivant présente comme caractéristiques électrophysiologiques d'avoir
un potentiel de repos de – 68 mV et un potentiel critique de – 56 mV. On enregistre
à l'aide de microéléctrodes les signaux qu'il reçoit au niveau de sept synapses à la
suite d'une décharge unitaire de chaque terminaison présynaptique.
52
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La transmission synaptique
Question 1
[Solution n°42 p 62]
Représentez l'enregistrement obtenu par la microélectrode M1. Comment s'appelle
le phénomène enregistré ?
Question 2
[Solution n°43 p 62]
Représentez l'enregistrement obtenu par la microélectrode M2. Comment s'appelle
le phénomène enregistré ?
Question 3
[Solution n°44 p 62]
Si les sept synapses sont activées en même temps, que pourra-t-on enregistrer à
l'aide de la microlélectrode M8 ?
Question 4
[Solution n°45 p 62]
Même question si la synapse située au niveau de M7 reste silencieuse.
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53
Solution des
exercices de TD
> Solution n°1 (exercice p. 27)
Les concentrations sont constantes au cours du temps. Par ailleurs, le fait que la
concentration de potassium soit supérieure à celle de sodium montre que l'axone
renferme beaucoup plus de potassium que de sodium.
> Solution n°2 (exercice p. 27)
Les concentrations intracellulaire et extracellulaire étant connues,
d'appliquer la loi de Nernst pour un cation monovalent à 20 °C.
E =−58 log
il
suffit
400
= −58 log 20 = −75,4 mV  le log de 20 est égal à 1,30.
20
> Solution n°3 (exercice p. 27)
La différence vient du fait que le potentiel de repos est du à l'ensemble des flux
ioniques en présence et pas exclusivement aux mouvements de potassium.
> Solution n°4 (exercice p. 27)
Malgré tous les soins apportés aux préparations in vitro, il est impossible de
reconstituer complètement les paramètres physiologiques et métaboliques du
milieu in situ. Ceci explique les quelques millivolts de différence entre les deux
mesures.
> Solution n°5 (exercice p. 28)
Tout simplement pour pouvoir le détecter et donc savoir ce qu'il devient une fois
introduit dans l'axone.
> Solution n°6 (exercice p. 28)
Au début de l'expérience, on s'aperçoit que le flux sortant de sodium radioactif
diminue régulièrement avec le temps. Cela montre que le 24Na+ introduit dans
l'axone est progressivement évacué de la cellule de sorte que plus le temps passe,
moins il en reste dans la cellule et moins le flux sortant est important. En revanche,
après ajout de DNP, on constate une nette diminution de ce flux qui n'est que
temporaire puisqu'une fois la préparation rincée et le DNP retiré du milieu, le flux
sortant de sodium retrouve sa pente initiale. C'est donc qu'en conditions normales
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55
Annexes
du sodium sort de la cellule et que cette sortie nécessite de l'ATP puisqu'elle est
bloquée par un inhibiteur du métabolisme.
> Solution n°7 (exercice p. 28)
La sortie de sodium nécessitant de l'ATP, il s'agit d'un mécanisme de transport actif
et on peut penser qu'il s'agit de la pompe Na-K.
> Solution n°8 (exercice p. 28)
Le cyanure, un autre inhibiteur du métabolisme, aurait exactement le même effet
que le DNP en bloquant la production d'ATP. Par contre, l'ouabaïne, un inhibiteur
spécifique de la pompe Na-K, bloquerait également le flux sortant de sodium mais
sans empêcher la production d'ATP.
> Solution n°9 (exercice p. 32)
En prenant 1cm pour 2 µA en abscisse et 1 cm pour 10 mV en ordonnée, on obtient
la courbe suivante.
On constate tout d'abord que pour une intensité de stimulation inférieure à 5µA, le
nerf ne répond pas. La stimulation est donc infraliminaire. En revanche, passé le
seuil de 5 µA, l'amplitude de la réponse du nerf ne cesse de croître pour se
stabiliser à une valeur de 70 mV. On peut donc en déduire que, contrairement à
une fibre nerveuse, la réponse du nerf augmente avec la stimulation et qu'elle n'est
pas d'emblée maximale.
> Solution n°10 (exercice p. 32)
Il ne faut pas oublier qu'un nerf contient des centaines, voire des milliers de fibres
nerveuses qui, en fonction de leur position, ne sont pas toutes immédiatement
56
CUEEP-Université Lille 1 Sciences et Technologies
Annexes
atteintes par la stimulation. Par conséquent, lorsque la stimulation est juste
supraliminaire, seules quelques fibres périphériques réagissent et il faut augmenter
l'intensité de cette stimulation pour recruter petit à petit toutes les fibres du nerf.
Ceci explique que la réponse augmente régulièrement avec la stimulation et qu'elle
n'est maximale qu'une fois toutes les fibres recrutées. On enregistre donc une
activité globale et non un potentiel d'action unitaire, comme c'est le cas avec une
seule fibre.
> Solution n°11 (exercice p. 32)
La tétrodotoxine bloquant les canaux au sodium, celui-ci ne peut plus rentrer dans
les cellules. Il devient donc impossible de les dépolariser, ce qui explique que la
stimulation reste sans effet.
> Solution n°12 (exercice p. 33)
À la suite de la stimulation, on constate à la fois une rapide augmentation de la
concentration axoplasmique de sodium pendant 2,5 ms et une diminution un peu
plus tardive de celle en potassium, de moindre amplitude et plus étalée dans le
temps. Le retour à la normale pour les deux concentrations s'effectue au bout de 6
ms. La stimulation a donc déclenché deux flux temporaires : un flux entrant de
sodium, presque immédiat, de forte amplitude et de courte durée, suivi d'un flux
sortant de potassium de plus faible amplitude mais de plus longue durée.
> Solution n°13 (exercice p. 33)
Oui, les nouvelles mesures permettent de préciser l'usage de ces drogues. Avec la
TTX, la stimulation reste sans effet et ne déclenche aucun flux. On peut donc en
déduire que la TTX agit au niveau des canaux au sodium en empêchant leur entrée
dans la cellule. Comme il n'y a pas d'entrée de cations dans le milieu intracellulaire,
la membrane ne se dépolarise pas. On ne peut donc observer aucun flux puisque le
flux entrant de sodium étant inexistant, celui, sortant, de potassium n'a pas de
raison d'être. Inversement, avec le TEA, le flux entrant de sodium est normal mais
le flux sortant de potassium n'apparaît pas. On peut donc en déduire que le TEA est
sans effet sur les canaux au sodium et qu'il agit exclusivement sur ceux au
potassium.
> Solution n°14 (exercice p. 33)
La TTX bloquant sélectivement les canaux au sodium et le TEA ceux au potassium,
on peut en conclure que ces canaux sont distincts.
> Solution n°15 (exercice p. 38)
En prenant 1 cm pour 1 ms en abscisse et 1 cm pour 10 mV en ordonnée, on
obtient la courbe suivante.
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57
Annexes
On constate que pour un intervalle entre les deux chocs de stimulation inférieur à 2
ms, il est impossible d'obtenir un second potentiel d'action. Le nerf est donc en
période réfractaire absolue (PRA) et la deuxième stimulation, qui intervient pendant
sa dépolarisation, reste inefficace. Puis, pour un ∆t compris entre 2 et 11 ms, le
deuxième potentiel d'action apparaît et son amplitude ne cesse de croître. Le nerf
est donc passé en période réfractaire relative (PRR) mais n'ayant pas encore
pleinement restauré son équilibre ionique, le potentiel d'action n'atteint pas son
amplitude maximale. Ce n'est qu'au delà de 11 ms que le nerf retrouve son
excitabilité normale et qu'un nouveau potentiel d'action, vraisemblablement
identique au premier, peut être émis.
> Solution n°16 (exercice p. 38)
Le sodium et le potassium. Pour que le nerf retrouve son excitabilité normale, il faut
que le sodium entré lors de la dépolarisation ressorte des cellules et que le
potassium sorti lors de la repolarisation réintègre les cellules de manière à ce que
les concentrations initiales extracellulaire et intracellulaire soient restaurées.
> Solution n°17 (exercice p. 38)
Oui. Les périodes réfractaires étant une des caractéristiques de l'excitabilité
nerveuse, on aurait pu les observer sur une fibre isolée. Elles auraient simplement
été plus courtes que pour le nerf entier.
> Solution n°18 (exercice p. 39)
Par rapport à un potentiel d'action classique, celui-ci présente trois dépolarisations
successives – d'où sa qualification de complexe – au lieu d'une seule. Cela est du
au fait que le nerf étant constitué de plusieurs fibres nerveuses, on enregistre
l'activité de ces différentes fibres et non un potentiel d'action unitaire. Par
conséquent, si toutes les fibres du nerf ne conduisent pas à la même vitesse, elles
ne se dépolariseront pas en même temps et l'on enregistrera autant de pics de
dépolarisation qu'il y aura de catégories de fibres nerveuses à l'intérieur du nerf.
58
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Annexes
> Solution n°19 (exercice p. 39)
Après conversion des millisecondes en seconde et des centimètres en mètre, les
trois vitesses v1, v2 et v3 sont les suivantes :
v1 =
d
3,1 x 10− 2
1
=
−3 = 77,5 m /s m.s 
t1
0,4 x 10
v2 =
d
3,1 x 10−2
1
=
= 34,4 m/s m.s 
t2
0,9 x 10−3
v3 =
d
3,1 x 10−2
1
=
= 18,2 m /s m.s 
−3
t3
1,7 x 10
Toutes sont des fibres myélinisées et appartiennent à la catégorie A puisqu'il s'agit
d'efférences (nerf moteur).
> Solution n°20 (exercice p. 39)
Il suffit de modifier la distance séparant l'électrode de stimulation de l'électrode de
réception et de recommencer les mesures. Si les vitesses calculées sont identiques
aux précédentes, c'est que les fibres composant le nerf possèdent une vitesse de
conduction constante le long de leur trajet (du moins dans la portion de nerf
étudiée).
> Solution n°21 (exercice p. 41)
À la suite de la stimulation, on enregistre une courte salve de cinq potentiels dont
la fréquence diminue avec le temps et qui s'interrompt avant la fin de la
stimulation. Le récepteur s'est donc vite habitué à la situation et on peut parler de
récepteur à adaptation rapide.
> Solution n°22 (exercice p. 41)
À la suite de la stimulation, on enregistre cette fois une salve plus importante (16
potentiels) dont la fréquence diminue également avec le temps mais qui persiste
alors que la stimulation s'est arrêtée. Il faut donc attendre un certain temps avant
que le récepteur ne cesse de décharger et on peut parler de récepteur à adaptation
lente.
> Solution n°23 (exercice p. 41)
Le récepteur présente ici une activité spontanée en dehors de toute stimulation.
Celle-ci ne fait donc que modifier sa fréquence de décharge, en l'occurrence en la
doublant pendant toute la durée de la stimulation.
> Solution n°24 (exercice p. 41)
Ce dernier récepteur réagit en émettant deux courtes salves de cinq potentiels
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59
Annexes
chacune, la première juste au début de la stimulation, la seconde une fois que la
stimulation s'est arrêtée. Le récepteur décharge donc à l'ouverture (on) et à la
fermeture (off) de la stimulation d'où son appellation.
> Solution n°25 (exercice p. 42)
On constate qu'une pression de 0,2 g.cm–2 n'engendre aucune activité de la part du
récepteur. Cette première stimulation est donc insuffisante, elle est infraliminaire.
Puis, au fur et à mesure que l'on augmente l'intensité de stimulation, on observe
que le message véhiculé par la fibre démarre de plus en plus tôt, qu'il s'étend à
toute la durée de la stimulation, qu'il est de plus en plus fourni (on passe de trois
potentiels pour une pression de 0,4 g.cm–2 à plusieurs dizaines pour une pression
de 8 g.cm–2), et que sa fréquence (constante pendant toute la durée de la salve)
augmente régulièrement. On peut donc en conclure que l'activité du corpuscule de
Pacini augmente avec l'intensité de la pression et qu'elle cesse dès l'arrêt de la
stimulation.
> Solution n°26 (exercice p. 42)
On peut supposer que le message démarrerait encore plus tôt, qu'il serait encore
plus fourni et que sa fréquence augmenterait tant que la limite imposée par la
période réfractaire de la fibre ne serait pas atteinte.
> Solution n°27 (exercice p. 42)
En augmentant la vitesse de balayage, les potentiels d'action seraient plus étalés
mais on ne pourrait observer l'ensemble du signal sur l'écran de l'oscilloscope.
> Solution n°28 (exercice p. 49)
Cinq (A1, A3, A4, A5, A6).
> Solution n°29 (exercice p. 50)
Trois (A2, A7, A8).
> Solution n°30 (exercice p. 50)
Aucune.
> Solution n°31 (exercice p. 50)
Ce sont celles qui provoquent des dépolarisations par entrée de sodium ou de
calcium, donc quatre (A1, A4, A5, A6).
> Solution n°32 (exercice p. 50)
Ce sont celles qui provoquent des hyperpolarisations par entrée de chlore ou sortie
de potassium, donc quatre (A2, A3, A7, A8).
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Annexes
> Solution n°33 (exercice p. 50)
Au niveau des synapses excitatrices, soit A1, A4, A5 et A6.
> Solution n°34 (exercice p. 50)
Au niveau des synapses inhibitrices, soit A2, A3, A7 et A8.
> Solution n°35 (exercice p. 50)
Il présente une collatérale.
> Solution n°36 (exercice p. 51)
Un PPSE. L'acétylcholine, l'aspartate ou le glutamate.
> Solution n°37 (exercice p. 51)
Un PPSI. Le GABA ou la glycine.
> Solution n°38 (exercice p. 51)
Dans son axone et sa collatérale. Par ailleurs, les synapses qu'il effectue avec les
neurones C et D étant excitatrices, on pourrait également enregistrer des potentiels
d'action dans les axones de ces neurones à la condition que la dépolarisation
provoquée par le neurone A dans leurs somas ait été suffisante pour atteindre le
seuil critique.
> Solution n°39 (exercice p. 51)
Exclusivement dans son axone. En effet, l'unique synapse qu'il effectue avec le
neurone D étant inhibitrice, elle ne pourra pas induire de dépolarisation dans le
soma de ce neurone.
> Solution n°40 (exercice p. 51)
Le calcium extracellulaire devenant indisponible, il ne pourra plus pénétrer à
l'intérieur des terminaisons présynaptiques suite à une dépolarisation consécutive à
l'arrivée d'un potentiel d'action. Par conséquent, comme la concentration
intracellulaire de calcium n'augmentera pas, l'exocytose des vésicules synaptiques
n'aura pas lieu et les neurotransmetteurs ne seront pas libérés.
> Solution n°41 (exercice p. 51)
La tétrodotoxine. En bloquant les canaux au sodium, elle empêche toute
dépolarisation et rend donc impossible l'apparition d'un potentiel d'action.
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Annexes
> Solution n°42 (exercice p. 53)
On obtient un PPSE de 8 mV.
> Solution n°43 (exercice p. 53)
On obtient un PPSI de 5mV.
> Solution n°44 (exercice p. 53)
Si les sept synapses sont activées en même temps, le bilan des dépolarisations
enregistrées par M1, M3, M4 et M7 sera de 29 mV et celui des hyperpolarisations
enregistrées par M2, M5 et M6 de 12 mV, soit une dépolarisation nette de 17 mV.
Comme le potentiel critique est de – 56 mV et qu'il faut 12 mV pour l'atteindre, il
sera possible d'enregistrer un potentiel d'action au niveau de M8.
> Solution n°45 (exercice p. 53)
Cette fois, la dépolarisation nette étant de 6mV, le seuil critique ne sera pas atteint
et aucun potentiel d'action ne sera émis. La microélectrode M8 étant située en
dessous du cône d'implantation de l'axone, elle n'enregistrera donc que le potentiel
de repos.
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