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Bio

logi

ePHYSIOLOGIE DU

NEURONE

Mars 2009

CUEEP - UNIVERSITÉ LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIES

DÉPARTEMENT SCIENCES

JACQUES COGET

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

CUEEP-Université Lille 1 Sciences et Technologies3

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 55


I - Introduction I

Avec un peu plus de cent milliards de neurones (les cellules nerveuses), environun million de milliards de synapses (les contacts que les neurones établissententre eux) et des centaines de substances chimiques modulant l'activité de cegigantesque réseau, le cerveau humain apparaît comme un ensemble d'unecomplexité inégalée au sein du monde vivant. Ainsi, des fonctions aussi élaboréesque la mémoire, la conscience ou le langage résultent des propriétésphysicochimiques des neurones, des circuits qu'ils établissent entre eux et desinformations qu'ils véhiculent sous forme de signaux électriques.

Unité structurale et fonctionnelle du système nerveux, le neurone se présente eneffet comme une cellule hautement différenciée, ce qui lui confère des propriétésparticulières. Sur un plan structural, il se compose d'un corps cellulaire (le soma oupérikaryon) et de prolongements de deux types : les dendrites, souventnombreuses, et l'axone, toujours unique, qui constituent les fibres nerveuses.Sur un plan fonctionnel, les caractéristiques de sa membrane lui permettentd'émettre et de conduire ce que l'on appelait autrefois l'influx nerveux (enréférence à un mystérieux fluide de nature inconnue) et qu'on préfère aujourd'huiqualifier de potentiel d'action.

Cette particularité s'explique par le fait que le neurone est une structureexcitable, c'est-à-dire qu'il est capable de réagir à une excitation donnée, àcondition bien sûr que celle-ci soit suffisante et adaptée (on parle d'excitationefficace), et de produire une réponse spécifique qui cheminera dans sesprolongements.

Ainsi définie, l'excitabilité remplace l'irritabilité proposée dès 1672 par le savantbritannique Francis Glisson (1597-1677) dans son Tractatus de natura substantiæet identifiée comme phénomène électrique cent-vingt ans plus tard grâce auxtravaux du physicien et médecin italien Luigi Galvani (1737-1798) sur l'électricitéanimale, puis à ceux de son compatriote physicien Carlo Matteuci (1811-1868).Celui-ci enregistre pour la première fois la « production » de courant électrique parle muscle en 1838 avant que le jeune Emil Dubois-Reymond (1818-1896),physiologiste berlinois d'origine suisse, ne montre clairement que les activités quise propagent dans les nerfs et les muscles sont de nature électrique. Quelquesannées plus tard, son compatriote le physicien et physiologiste Hermann vonHelmholtz (1821-1894) s'emploie à mesurer la vitesse de ces activités dans le nerfsciatique de grenouille et leur élève Julius Bernstein (1839-1917) établitdéfinitivement en 1868 qu'il s'agit de l'influx nerveux.

L'électrophysiologie (étude des phénomènes électriques observés au sein destissus vivants) moderne est née. Il restera ensuite à identifier et à expliciter lesmécanismes cellulaires physicochimiques responsables, ce qui sera chose faite dansles années cinquante, notamment grâce aux travaux des neurophysiologistesbritanniques Allan Hodgkin (1914-1998) et Andrew Huxley (né en 1917) qui


partageront le prix Nobel de physiologie et de médecine avec le neurophysiologisteaustralien John Eccles (1903-1997) en 1963 pour leurs découvertes « concernantles mécanismes ioniques impliqués dans l'excitation et l'inhibition des portionspériphériques et centrales des membranes des cellules nerveuses ».

Les techniques électrophysiologiques devenant de plus en plus sophistiquées, laphysiologie du neurone se révèlera par la suite bien plus complexe qu'on ne l'avaitimaginée, de nombreux mécanismes étant encore loin d'être totalement élucidésaujourd'hui, en particulier ceux qui concernent la transmission synaptique et leséchanges d'informations entre neurones.

Nous envisagerons donc successivement :

l'organisation du tissu nerveux,

la structure du neurone,

les propriétés électriques du neurone,

la transmission synaptique.


Introduction

II - Organisation dutissu nerveux

II

Le névraxe 8

Nerfs et ganglions 11

La névroglie 12

Le tissu nerveux trouve son origine dans le feuillet externe de l'embryon qui, dès latroisième semaine, se différencie dorsalement en neurectoderme et s'invagine pourformer le tube neural (à l'origine du névraxe) et les crêtes neurales (à l'origine deplusieurs structures annexes) au cours d'un processus appelé neurulation del'embryon.


Puis, au fur et à mesure que le tube et les crêtes neurales se développent pourdonner naissance aux différentes structures nerveuses, les cellules épithéliales quiles constituent :

se multiplient (on passe chez l'Homme de quelques milliers à plusieurscentaines de milliards en quelques mois) ;

se différencient (en cellules nerveuses et en cellules gliales qui, comme on leverra, sont beaucoup plus nombreuses que les neurones) ;

migrent pour atteindre leur position définitive (en particulier grâce ausoutien des cellules gliales) ;

établissent de nombreux contacts synaptiques entre elles ainsi qu'avec uncertain nombre de cellules spécialisées permettant au système nerveuxd'assurer ses fonctions sensorielles, motrices et glandulaires.

On est ainsi conduit à distinguer sur le plan anatomique un système nerveuxcentral (le névraxe) et un système nerveux périphérique (les nerfs et leursganglions).

A. Le névraxe

Comme son nom l'indique, le névraxe constitue un axe nerveux à l'intérieur del'organisme. Encore appelé axe cérébrospinal ou ensemble encéphalo-médullaire, il se compose dans sa partie céphalique (supérieure) de l'encéphalelogé dans la boîte crânienne et dans sa partie caudale (inférieure) de la moelleépinière logée dans la colonne vertébrale.


Organisation du tissu nerveux

L'encéphale regroupe la totalité des centres de perception, de commande etd'association du névraxe. Il comprend trois parties.

Le cerveau, dont la structure interne est particulièrement complexe,représente la masse la plus volumineuse du névraxe (4/5) et forme denombreux replis ou circonvolutions en surface. Il renferme la majorité desneurones du système nerveux qui se répartissent en deux grandsensembles : le cortex (ou écorce cérébrale) à la périphérie et les noyauxgris à l'intérieur. Il est le siège des fonctions sensorielles, des fonctionsmotrices, des fonctions supérieures et produit un certain nombred'hormones.

Le tronc cérébral, d'aspect lisse, assure la liaison entre le cerveau et lamoelle épinière. Il comprend trois étages : les pédoncules cérébraux versl'avant, la protubérance annulaire (encore appelée pont de Varole) au centreet le bulbe rachidien vers l'arrière. Ce dernier renferme plusieurs noyaux grisimpliqués dans les fonctions sensorielles, motrices et végétatives ainsi quedans la régulation de la vigilance.

Le cervelet, branché en dérivation sur le névraxe, est relié au cerveau parles pédoncules cérébelleux supérieurs, au tronc cérébral par les pédonculescérébelleux moyens et à la moelle épinière par les pédoncules cérébelleuxinférieurs. Ses neurones également regroupés en deux grands ensembles (lecortex cérébelleux à la périphérie et les noyaux gris à l'intérieur) participentaux fonctions motrices et assurent l'équilibration, la régulation du tonusmusculaire et la coordination des mouvements volontaires.

La moelle épinière fait suite au tronc cérébral et se présente comme un longcordon blanc qui se termine en pointe au niveau de la deuxième vertèbre lombaire.Son activité est double.



D'une part elle participe aux fonctions sensorielles, motrices et végétativesde l'organisme par l'intermédiaire de ses neurones regroupés dans unestructure centrale en forme de papillon qui constitue les cornes grises(équivalent des noyaux gris au niveau médullaire) dorsales, latérales etventrales.

D'autre part elle assure la transmission d'informations grâce à ses voies deconduction ascendantes (de la moelle vers l'encéphale), descendantes (del'encéphale vers la moelle) et associatives (entre les différents étagesmédullaires) qui occupent une position périphérique.

L'ensemble présente ainsi une dualité de structure qu'il est possible de différencierpar la couleur.

La substance grise regroupe l'ensemble des territoires (cortex, noyauxgris, cornes grises) où sont localisés les corps cellulaires des cellulesnerveuses. 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 decellule nerveuse. Elle assure la liaison entre les différentes structures griseset ne présente donc que des fibres nerveuses (principalement des axones)dont une grande partie est recouverte de myéline ce qui lui donne unecouleur blanc nacré.

Substance grise et substance blanche renferment par ailleurs de nombreusescellules gliales (voir plus loin) et sont irriguées par un réseau de capillairessanguins. Il faut toutefois noter qu'à l'exception de quelques rares structures quiparticipent aux régulations neuroendocriniennes (notamment le complexehypothalamo-hypophysaire), le sang n'entre jamais en contact direct avec lescellules nerveuses et qu'il existe une barrière dite hémato-encéphalique quisépare les deux milieux. Le tissu nerveux est en revanche baigné d'un liquideextracellulaire en échange permanent avec le liquide céphalo-rachidien (LCR),un liquide nourricier qui résulte en partie de la filtration du plasma et qui circule àl'intérieur et tout autour du névraxe.

Ainsi constitué, le névraxe bénéficie d'une triple protection.

Une première protection, mécanique, est assurée par les os du crâne pourl'encéphale et par ceux du rachis (vertèbres) pour la moelle épinière.

Une seconde protection est représentée par les méninges qui forment troisenveloppes conjonctives entre l'os et le tissu nerveux : la dure-mère,épaisse et résistante, qui tapisse l'ensemble des cavités osseuses ; la pie-mère, mince et nourricière, qui emballe le tissu nerveux en s'invaginant àchaque repli ; l'arachnoïde, située entre les deux précédentes, et qui formel'espace sous-arachnoïdien où circule le liquide céphalo-rachidien.

Enfin, une dernière protection est assurée par le liquide céphalo-rachidien lui-même qui circule entre la pie-mère et l'arachnoïde et qui jouele rôle de coussinet hydraulique permettant d'amortir les chocs éventuels.



B. Nerfs et ganglions

Le névraxe ne serait d'aucune utilité s'il n'était relié à la périphérie de l'organismepar l'intermédiaire des nerfs qui regroupent deux contingents de fibres nerveuses.

D'une part des afférences (par convention représentées en bleu) qui sontissues des récepteurs sensoriels et qui renseignent en permanence lenévraxe sur l'état des organes et des conditions physicochimiques du milieu.

D'autre part des efférences (par convention représentées en rouge) quisont connectées aux différents effecteurs (glandes, muscles, viscères) et quipermettent à l'organisme de s'adapter aux conditions du milieu, de semouvoir et d'assurer les fonctions végétatives indispensables à sa survietelles que la nutrition ou la respiration.

Selon leur composition en fibres, on distingue :

les nerfs sensitifs qui ne renferment que des afférences ;

les nerfs moteurs qui ne renferment que des efférences ;

les nerfs mixtes qui contiennent les deux types de fibre.

Par ailleurs, en fonction de leur lieu de rattachement au névraxe, on distingue :

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) ;

les nerfs rachidiens (31 paires) tous mixtes.

Tous présentent la même structure. À l'intérieur, les fibres nerveuses, entourées deleurs cellules de Schwann (voir plus loin), y sont groupées en faisceaux entourésd'une gaine conjonctive (le périnèvre) et cloisonnés par un tissu conjonctif richeen collagène (l'endonèvre). L'ensemble est entouré par du tissu conjonctif lâcherichement vascularisé qui s'épaissit vers l'extérieur et qui forme l'épinèvre.



Les nerfs peuvent donc être considérés comme de simples conducteursd'information entre les organes périphériques et les centres nerveux. Toutefois,certains d'entre eux renferment également sur leur trajet des corps cellulaires deneurones qui sont alors regroupés en amas et qui forment des ganglions (à ne pasconfondre avec les ganglions lymphatiques). Les ganglions des voies afférentessont toujours localisés à proximité du névraxe sur le trajet des nerfs crâniens etrachidiens, ceux des voies efférentes ne concernent que les fonctions végétatives etsont 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 glialesconstituent la névroglie et comprennent plusieurs types cellulaires aux multiplesfonctions dont certaines commencent à peine à être connues.

Au niveau central, on en distingue trois types principaux.

Les oligodendrocytes assurent la myélinisation des fibres nerveuses et leurpermettent ainsi d'augmenter la vitesse de conduction des signauxélectriques qu'elles véhiculent.

Les astrocytes régulent la composition du liquide extracellulaire qui baigneles neurones et jouent également un rôle de soutien en participant à leurmigration et à leur croissance au cours de leur développement. Trèsrécemment, on a découvert qu'ils étaient aussi impliqués dans desmécanismes immunitaires.

Les cellules microgliales qui sont en fait des macrophages chargés denettoyer le tissu nerveux et de le débarrasser d'éventuels intrus.

Au niveau périphérique, on en connaît un seul type représenté par les cellulesde Schwann (du nom du physiologiste allemand Théodor Schwann qui les aobservées à la fin du dix-neuvième siècle). Elles assurent la myélinisation àl'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 dessynapses et qu'elles sont capables de renforcer ou d'affaiblir les mécanismes de latransmission synaptique au cours du temps.



III - Structure duneurone

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 Vertébréssupérieurs, le neurone apparaît sous une multitude de formes et de tailles maisaussi de spécialisations fonctionnelles et de particularités métaboliques. On peutnéanmoins dégager un archétype – sorte de portrait-robot servant de modèle deréférence – et quatre grands types morphologiques.

L'archétype est un neurone multipolaire présent dans les cornes ventrales dela moelle épinière :

son soma ou périkaryon est étoilé ;

ses dendrites sont courtes, nombreuses et très ramifiées ;

son axone prend naissance au niveau du cône d'implantation situé à la basedu soma, il est long et se termine par une arborisation terminale oùs'effectue la transmission synaptique.

La forme du soma et du rameau dendritique permettent par ailleurs de distinguerquatre grands types morphologiques :

les neurones multipolaires (a) qui présentent de nombreuses dendritestrès ramifiées ;

les neurones pyramidaux (b) qui présentent également de nombreusesdendrites, en particulier une dendrite apicale (au sommet du soma),opposée à l'axone, extrêmement ramifiée ;

les neurones bipolaires (c) qui ne possèdent qu'une seule dendriteopposée à l'axone ;

les neurones unipolaires ou neurones en T (d), que l'on rencontre dansles ganglions sensitifs et qui présentent la particularité d'être dépourvus dedendrite. En effet, ce qui apparaît comme une dendrite présentant toutes lescaractéristiques morphologiques et physiologiques d'un axone, l'habitude estaujourd'hui de considérer qu'ils possèdent un seul et même prolongementavec une branche (connectée à un récepteur sensoriel) issue de la périphérieet une autre branche à destination du névraxe.

Dans tous les cas (excepté bien sûr celui des neurones sensitifs en T qui sontdépourvus de dendrite), la conduction nerveuse se fait dans le même sens :

elle est cellulipète (de la périphérie vers le soma) pour les dendrites ;

elle est cellulifuge (du soma vers la périphérie) pour l'axone.



Structure du neurone

A. Le corps cellulaire

Comme toutes les cellules de l'organisme, le neurone possède tous les attributsd'une cellule animale classique. Le corps cellulaire présente, en revanche, quelquesparticularités liées à sa structure et à son fonctionnement.



Sa taille varie entre quelques micromètres et quelques dizaines de micromètres. Leminimum est de 5 µm pour les neurones en grain du cervelet, le maximum de 1mm pour certains neurones ganglionnaires géants rencontrés chez l'Aplysie (unmollusque marin).

Sa membrane (appelée parfois neurolemme) est classique mais elle estparticulièrement riche en canaux ioniques, en pompes ioniques à activité ATPasiqueet en récepteurs qui peuvent être chimio-, électro- ou chimio/électrodépendants.

Son noyau est central, volumineux et renferme un gros nucléole. Il est bloqué eninterphase. Cependant, et contrairement à une idée encore très répandue, s'il estvrai que le neurone ne peut plus se diviser en raison de sa haute différenciation,certaines régions du cerveau produisent quotidiennement des neurones à partir decellules souches (neuroblastes).

Son cytosquelette est particulièrement abondant et structure tout l'espaceintracellulaire. Il comprend des microtubules (tubuline), des microfilaments (actine)et des filaments intermédiaires ou neurofilaments constitués de polypeptidesfibreux.

Son cytoplasme (parfois appelé neuroplasme) est riche en mitochondries et enribosomes qui peuvent être libres ou associés à des saccules du réticulumendoplasmique formant des petits amas connus sous le nom de corps de Nissl (dunom de l'histologiste allemand Frantz Nissl qui les a décrits à la fin du dix-neuvièmesiècle grâce à une coloration spécifique).

Enfin, ajoutons que le corps de Golgi est bien développé et qu'il fut d'ailleursdécouvert en 1895 dans les neurones du ganglion rachidien de la chouette grâce àune technique à l'imprégnation argentique inventée par l'histologiste italien CamilloGolgi (1843-1926). Ce dernier partagea le prix Nobel de physiologie et de médecineen 1906 avec le médecin histologiste espagnol Ramón y Cajal (1852-1934) pourleurs travaux sur l'organisation du système nerveux à l'origine de toute la neuro-anatomie moderne.



B. Les prolongements cytoplasmiques

Dendrites et axone sont des expansions du cytoplasme qui permettent auneurone d'entrer en relation avec :

d'autres neurones (synapses interneuronales),

des récepteurs sensoriels (synapses neurosensorielles),

des cellules musculaires ou glandulaires (synapses neuro-effectrices).

Leur longueur, fonction de leur localisation, est donc extrêmement variable, allantde quelques micromètres à plus d'un mètre chez l'Homme (par exemple pour lesaxones issus des cornes ventrales médullaires qui innervent les muscles des doigtsou des orteils) et peut même atteindre plusieurs mètres chez des espèces commela Girafe ou la Baleine.

Plusieurs critères morphologiques, ultrastructuraux, biochimiques et fonctionnelspermettent de les différencier.

L'axone est toujours unique mais il peut émettre des collatérales qui luipermettent de distribuer ses messages dans différentes directions. Soncytoplasme (parfois dénommé axoplasme) est dépourvu de ribosomes. Ilcontient un peu de réticulum endoplasmique lisse, des mitochondries, desmicrotubules et de nombreux neurofilaments orientés selon son axedirectionnel. Ses extrémités se terminent par une arborisation faite de petitsrenflements (les boutons synaptiques) qui, pour la plupart, sécrètent desneurotransmetteurs à l'origine de la transmission synaptique. Il est parailleurs animé d'incessants transports de substances envésiculées qui luipermettent de renouveler ses matériaux (transport axonal antérogradedu soma vers la périphérie) et d'éliminer ses déchets (transport axonalrétrograde de la périphérie vers le soma).

Les dendrites sont généralement courtes, nombreuses et s'organisent enrameaux qui s'amenuisent au fur et à mesure qu'elles s'éloignent dupérikaryon. Elles contiennent des mitochondries, du réticulumendoplasmique lisse, de nombreux microtubules et sont riches en ribosomesce qui leur permet d'effectuer la synthèse d'une partie de leurs protéines.Certaines d'entre elles présentent parfois à leur surface des milliers depetites excroissances cytoplasmiques dont la taille n'excède pas 2 µm, quisont dénommées épines dendritiques et qui sont généralement le sièged'un contact synaptique. C'est par exemple le cas des neurones pyramidauxdu cortex cérébral ou de l'hippocampe (une structure jouant un rôle dans lamémoire).



C. La myélinisation

Les fibres nerveuses (les axones très souvent, les dendrites beaucoup plusrarement) sont parfois recouvertes d'une gaine de myéline isolante constituéed'une spirale à tours jointifs de membrane plasmique particulièrement riche enlipides (cholestérol, phospholipides, glycolipides) qui leur permet d'augmenter lavitesse des signaux électriques qu'elles véhiculent. On distingue ainsi :

des fibres amyéliniques (dépourvues de myéline) dont la vitesse deconduction n'excède pas 2,3 m/s,des fibres myélinisées dont la vitesse de conduction, proportionnelle àl'épaisseur de myéline, peut atteindre 120 m/s.

[Dans la pratique les vitesses de conduction sont toujours exprimées en m/s et nonen m.s-1 comme le voudraient les actuelles recommandations de la Conférenceinternationale des poids et mesures.]

Le processus de myélinisation démarre au cours de la vie intra-utérine et sepoursuit plusieurs années après la naissance ce qui explique que certaines fonctionsdu système nerveux ne soient matures que tardivement. À l'inverse, il peuts'opérer au cours de la vie un processus de démyélinisation à l'origine de lasclérose en plaques, une maladie neurodégénérative impliquant les cellulesgliales.

La production de myéline est en effet assurée par les oligodendrocytes au niveaucentral et par les cellules de Schwann au niveau périphérique.

Dans le névraxe, chaque oligodendrocyte émet plusieurs prolongementsmembranaires de manière à myéliniser les axones (plusieurs dizaines) qui setrouvent à sa proximité. Il s'ensuit que la gaine de myéline estrégulièrement interrompue, laissant l'axone à nu au niveau de courtesrégions qui portent le nom de nœuds de Ranvier (du nom de l'histologistefrançais Louis-Antoine Ranvier qui les a décrits à la fin du dix-neuvièmesiècle – on parle également d'étranglements de Ranvier).



Dans les nerfs, le processus de myélinisation est un peu différent. Chaquecellule de Schwann commence par entourer complètement une portion defibre nerveuse et l'enveloppe ensuite de plusieurs tours de sa membrane. Lagaine de myéline est donc ici encore régulièrement interrompue par desnœuds de Ranvier, l'intervalle entre chaque nœud correspondant auterritoire de myélinisation d'une cellule de Schwann.



Enfin, signalons que dans le système nerveux périphérique, les fibres amyéliniquesne sont pas nues mais qu'elles sont encapsulées dans des cellules de Schwann nonmyélinisantes qui leur servent de support. Chaque cellule abrite plusieurs fibressans qu'elles soient complètement enveloppées, ce qui leur permet de rester encontact avec le milieu extracellulaire.



IV - Propriétésélectriques duneurone

IV

Techniques d'études 22

Le potentiel de repos 23

Exercice d'application N°1 27


Le potentiel d'action 29



Excitabilité et conductibilité 34



Codage des messages nerveux 39



Comme toutes les cellules de l'organisme, le neurone possède une compositionchimique intracellulaire différente de celle du milieu extracellulaire. En particulier,les charges électriques portées par les électrolytes en solution ne sont pas répartiesde la même manière de part et d'autre de la membrane ce qui provoque unedifférence de potentiel (ddp) transmembranaire que l'on appelle potentiel demembrane (PM).

La particularité du neurone est que ce potentiel de membrane peut varier au coursdu 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 tempsextrêmement bref, avant de retrouver son potentiel d'équilibre.

Répartition des principaux électrolytes au niveau d'un neurone de mammifèreMilieu extracellulaire Milieu intracellulaire

140 145 1401

147 14Autres anions 0 125

Electrolyte en mmol.l-1

Na+

K+

Ca2+ < 10-4

Cl-


A. Techniques d'études

Le but étant d'enregistrer la différence de potentiel qui existe de part et d'autre dela membrane (PM), il est donc nécessaire d'enregistrer et de comparer les valeursdes potentiels intracellulaire et extracellulaire. C'est là toute la difficulté car s'il estrelativement aisé d'effectuer une mesure à l'extérieur de la cellule au moyen d'uneélectrode (fil métallique relié à un appareil enregistreur), la mesure à l'intérieur dela cellule pose de nombreux problèmes techniques qui ne furent réellement résolusqu'en 1949 avec l'invention de la microélectrode. C'est pourquoi beaucoup detravaux furent d'abord effectués sur un nerf que l'on écrasait à une extrémité pourse placer en conditions intracellulaires artificielles ou sur l'axone amyélinique géantde calmar, un axone situé dans le manteau de l'animal qui présente la particularitéde résulter de la fusion de plusieurs axones (parfois plusieurs centaines) et d'êtrevisible 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 samembrane et évite ainsi tout court circuit entre le milieu extracellulaire et le milieuintracellulaire, ce qui aurait pour effet d'annuler la différence de potentiel entre lesdeux compartiments. Constituée d'un petit tube de verre extrêmement effilé dont lediamètre d'ouverture à la pointe est inférieur à 0,1 µm (les premières faisaient 0,5µm), elle est remplie d'une solution conductrice de chlorure de potassium trois foismolaire (KCl 3M) dans laquelle est plongé un fil métallique assurant la liaison avecla 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 suivantson évolution dans le temps, ce que ne permettrait pas un simple appareil demesure de type voltmètre.


Propriétés électriques du neurone

L'idéal est d'enregistrer in situ. Toutefois, pour des raisons techniques, il estsouvent beaucoup plus facile d'enregistrer in vitro. Il faut alors respecter certainesprécautions au moment du prélèvement et s'assurer de la survie de la préparationen la conservant dans du sérum physiologique correctement oxygéné àtempérature de l'animal.

B. Le potentiel de repos

On le met très facilement en évidence en descendant une microélectrode àl'intérieur d'une fibre nerveuse à l'aide d'un micromanipulateur. Tant que les deuxélectrodes se trouvent dans le milieu extracellulaire, leur différence de potentiel estnulle mais dès que la microélectrode perfore la membrane et pénètre à l'intérieurde la fibre, on observe une chute du potentiel qui se stabilise aux alentours de –60 mV.



C'est cette négativité du milieu intracellulaire par rapport au milieuextracellulaire qui correspond au potentiel de repos. Elle est :

stable au cours du temps,

constante pour un type cellulaire donné,

fonction du tissu et de l'espèce concernés.

Pour comprendre la valeur de ce potentiel, il faut savoir que pour un type d'ionsdonné, une différence de concentration entre les compartiments intracellulaire etextracellulaire dans la situation où la membrane ne laisse passer que cet ionengendre toujours une différence de potentiel dont l'état d'équilibre, résultant dugradient de concentration et du gradient électrique, peut être calculé avec la loi deNernst

où R représente la constante des gaz parfaits, T la température absolue, z le signede la charge de l'ion (+ ou –), n sa valence et F la charge électrique portée par union-gramme. Ce qui pour un cation monovalent (où zn = +1) et après être passédes logarithmes népériens aux logarithmes en base 10 donne :

E en mV :− RTznF

Log [concentration interne][concentration externe]

Axone amyélinique géant de Calmar : ─ 68mVAxone myélinisé de Grenouille : ─ 56 mV

Deux exemples mesurés in vitro :



à 20°C : E = − 58 log[c] i

[c ] e

et à 37°C : E = − 61 log[c ] i[c ] e

Ainsi, lorsque la concentration de cet ion sera dix fois plus importante à l'intérieurde la cellule qu'à l'extérieur, son potentiel d'équilibre (différence de potentielengendrée par l'ion en question) sera de – 58 mV à 20°C et de – 61 mV à 37°Cpuisque le logarithme de 10 est égal à 1. Si maintenant, on applique cette formuleaux principaux ions en présence au niveau d'un neurone de mammifère, ons'aperçoit qu'à 20 °C le potentiel d'équilibre est :

pour les ions sodium de + 58 mV ,

pour les ions potassium de – 84 mV,

pour les ions calcium de + 116 mV,

pour les ions chlore de – 58 mV.

Comme la membrane est perméable à tous ces ions (les anions, à l'exception duchlore, ne traversent pas ou peu la membrane), le potentiel de membrane necorrespond à aucune de ces valeurs mais résulte de la combinaison des différentsflux ioniques générés par leurs gradients de concentration et leurs gradientsélectriques.

On obtient ainsi :

un flux net entrant de sodium du à la somme des gradients ;

un flux net sortant de potassium du à la différence des gradients ;

un flux net entrant de calcium du à la somme des gradients ;

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 sontouverts. Il en résulte que le potentiel de repos est principalement du à unesortie de potassium de la cellule, ce qui a pour effet de négativer le milieuintracellulaire 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 songradient de concentration. Il faut donc concevoir un mécanisme faisant entrer dupotassium à l'intérieur de la cellule contre son gradient de manière à maintenir sonéquilibre ionique.

Un tel mécanisme existe : il s'agit de la pompe membranaire à activité ATPasiquedécouverte en 1955, la pompe Na-K qui transporte activement, contre leursgradients, trois ions Na+ du milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire enéchange de deux ions K+ du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire.



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 constateque le *Na+ quitte la fibre contre son gradient de concentration de manièrecontinue et régulière mais que cette sortie est bloquée dès que l'on ajoute à lapréparation un inhibiteur du métabolisme (donc de la production d'ATP) tel que ledinitrophénol ou le cyanure. Inversement, elle reprend si, à cette mêmepréparation, 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 cetinflux est également bloqué par le dinitrophénol ou le cyanure. Les mesures ayantpar ailleurs montré que trois *Na+ sortaient pendant que deux *K+ entraient, ils'ensuit un flux net de cations de l'intérieur vers l'extérieur ce qui contribue ànégativer 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'àl'extérieur, ils ressortent passivement selon leur gradient de concentration. Quantaux ions sodium, ils ont tendance à réintégrer le milieu intracellulaire mais lamembrane au repos étant bien moins perméable aux ions sodium qu'aux ionspotassium, ils rentrent beaucoup moins facilement que ne sortent les ionspotassium. C'est donc finalement l'ensemble de ces flux qui permet d'expliquer lavaleur du potentiel de repos.

Ajoutons pour terminer qu'on connaît aujourd'hui un inhibiteur spécifique de lapompe Na-K, l'ouabaïne, qui produit les mêmes effets que le dinitrophénol à ladifférence qu'elle n'interfère pas avec le métabolisme énergétique et qu'elle nebloque 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).



C. Exercice d'application N°1On mesure les concentrations axoplasmiques de sodium et de potassium d'unaxone amyélinique géant de calmar au repos.

Question 1[Solution n°1 p 55]

Quelles remarques pouvez-vous faire sur ces concentrations ?


Sachant que les concentrations de K+ extracellulaire et de K+ intracellulaire sontrespectivement de 20 et 400 mmol.l–1, calculez le potentiel d'équilibre pour cet ionà 20 °C.


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 ?


Le même potentiel enregistré in vitro est de – 68 mV. Comment expliquez-vous cetécart de quelques millivolts ?



D. Exercice d'application N°2

Un axone amyélinique géant de calmar est chargé en sodium radioactif (24Na+). Onmesure alors l'apparition de la radioactivité dans le milieu extracellulaire enconditions normales, puis en ajoutant un inhibiteur de la synthèse d'ATP : le 2,4dinitrophénol ou DNP.


Pourquoi utilise-t-on du sodium radioactif ?


Quel est l'effet du DNP et comment l'expliquez-vous ?


Que pouvez-vous en conclure quant au mécanisme régulant la sortie de sodium ?


Quelle(s) autre(s) drogue(s) aurait-on pu utiliser pour mettre en évidence lephénomène. Indiquez pour chacune d'elle le mode d'action spécifique.



E. Le potentiel d'action

Il faut pour le mettre en évidence générer une activité dans le neurone ce qui, unefois de plus, est beaucoup plus facile à réaliser sur une fibre in vitro que sur unneurone entier in situ. En pratique, on utilise un générateur d'impulsions électriquesqui permet d'envoyer des chocs calibrés et paramétrés en temps et en intensitévers la fibre par l'intermédiaire d'une électrode de surface ou d'une microélectrodeintracellulaire située à quelque distance de l'électrode réceptrice.

Deux cas de figure peuvent alors se produire.

Si la stimulation appliquée tend à rendre l'intérieur de la fibre encore plusnégatif, on constate simplement une augmentation du potentiel de repos quise traduit par une hyperpolarisation (– 61, 62, 63... mV) qui reste localeet qui ne se propage pas.Par contre si la stimulation appliquée entraîne une diminution du potentielde repos qui se traduit par une dépolarisation (– 59, 58, 57... mV), onconstate à partir d'un seuil critique l'apparition d'un potentiel d'action qui sepropage dans la fibre et que l'on peut enregistrer après un temps de latenceen raison du temps que met la dépolarisation pour atteindre l'électrode deréception.



Il faut noter que si l'apparition du potentiel d'action est liée à l'intensité de lastimulation, une fois le seuil critique atteint, il est immédiatement maximal. Sonamplitude et sa durée dépendent du tissu et de l'espèce mais sont, tout comme lepotentiel de repos, constantes pour un type cellulaire donné chez une espècedonnée. En effet,

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 immédiatementmaximal. On dit que la fibre obéit à la loi du tout ou rien.

Ce potentiel, qui correspond à une modification temporaire de la polaritémembranaire comprend trois phases :

une première phase de dépolarisation extrêmement brève puisqu'elle nedure qu'une fraction de milliseconde et qui se traduit par une brusqueinversion 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 aupotentiel 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 lesconcentrations ioniques intracellulaires retrouvent leurs valeurs initiales.

Ce sont en effet des mouvements de sodium et de potassium qui sont à l'originedes différentes phases du potentiel d'action.

Au repos, la perméabilité membranaire au sodium (PNa) est très faible car laplupart des canaux au sodium sont fermés. Or, ces canaux étant sensiblesau potentiel de membrane (on dit qu'ils sont électrodépendants ou voltage-dépendants), une légère dépolarisation suffit à provoquer leur ouverture.Les ions sodium rentrent alors massivement dans la cellule en raison de leurgradient de concentration et de leur gradient électrique ce qui augmente ladépolarisation et finit par inverser le potentiel de membrane qui atteint unevaleur d'environ + 40 mV.Cette forte dépolarisation finit par inactiver les canaux au sodium mais induitl'ouverture de canaux au potassium, également électrodépendants, ce qui apour effet d'augmenter la perméabilité au potassium (PK). Les ionspotassium, beaucoup plus nombreux à l'intérieur qu'à l'extérieur, quittentalors la cellule en masse et permettent au potentiel de membrane deretrouver sa valeur initiale.Toutefois les canaux au potassium n'étant pas immédiatement inactivés aumoment où la fibre retrouve son potentiel de repos, les ions potassiumcontinuent à quitter la cellule et provoquent ainsi une légèrehyperpolarisation, le temps que la perméabilité au potassium retrouve savaleur de repos. Dans le même temps, la pompe Na-K s'active et expulse lesodium entré pendant la phase de dépolarisation.



La preuve en fut apportée en utilisant deux drogues spécifiques, l'une bloquantsélectivement les canaux au sodium, l'autre ceux au potassium.

En ajoutant à la préparation de la tétrodotoxine ou TTX (une toxine isoléedu foie et des ovaires de certains poissons de l'ordre des Tétraondotiformesvivant dans les mers chaudes asiatiques, comme le fameux fugu japonais),le potentiel d'action n'apparaît pas. La TTX présente en effet la particularitéde bloquer les canaux au sodium et empêche ainsi toute dépolarisation.Inversement, en ajoutant du tétraéthylammonium ou TEA (un ammoniumquaternaire) à la préparation, une fois la fibre dépolarisée, la repolarisationapparaît beaucoup plus tardivement. Cela est du au fait que le TEA bloquantles canaux au potassium, il faut attendre que les canaux au sodium soientcomplètement inactivés et que la pompe Na-K ait rétabli les concentrationsinitiales pour que la fibre se repolarise.



F. Exercice d'application N°3

Un nerf sciatique de grenouille est stimulé avec une électrode de surface par deschocs électriques de 1 ms d'intensité croissante. Les résultats sont les suivants.


Tracez la courbe montrant l'évolution de la réponse du nerf en fonction del'intensité de stimulation. Interprétez le phénomène observé.


Pourquoi le nerf n'obéit-il pas à la loi du tout ou rien ?


Le nerf est ensuite soumis à l'action de la tétrodotoxine. Il est alors impossibled'enregistrer la moindre réponse. Quelle en est la raison ?



Amplitude de réponse (mV)1 0,02 0,03 0,04 0,05 3,06 5,57 9,08 13,09 18,010 22,511 26,512 32,013 35,014 44,515 48,016 50,517 53,018 61,519 67,020 71,021 71,022 71,023 71,024 71,0

Intensité de stimulation (µA)

G. Exercice d'application N°4

On mesure les concentrations axoplasmiques de sodium et de potassium d'unaxone amyélinique géant de calmar au repos et suite à une stimulation.


Quelles remarques pouvez-vous faire sur les flux ioniques consécutifs à lastimulation ?


On recommence alors l'expérience précédente mais en ajoutant dans un cas de latétrodotoxine (TTX) et dans l'autre du tétraéthylammonium (TEA). Commentez lesnouvelles mesures effectuées. Permettent-elles de préciser l'action de cesdrogues ?


Que pouvez-vous en déduire à propos des canaux qui permettent au sodium et aupotassium de traverser la membrane ?



H. Excitabilité et conductibilité

Excitabilité et conductibilité sont deux propriétés inséparables du neurone. Lapremière lui permet d'émettre un potentiel d'action à la suite d'une excitationsupraliminaire, la seconde de propager ce même potentiel d'action jusqu'àl'arborisation terminale de l'axone sans atténuation.

Dans l'organisme, le potentiel d'action peut apparaître de deux façons selon quel'on se trouve en périphérie ou dans le névraxe.

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 àl'origine du potentiel d'action. Si le stimulus atteint une valeur suffisante, ilprovoque une variation de potentiel local, dénommée potentiel derécepteur, qui, à partir d'un seuil critique, génère un potentiel d'action dansla fibre nerveuse issue du récepteur qui sera ensuite véhiculé jusqu'aunévraxe.Dans le second cas, les contacts synaptiques permettent au neurone derecevoir plusieurs informations en provenance d'autres neurones qui setraduisent soit par des dépolarisations (synapses excitatrices) soit par deshyperpolarisations (synapses inhibitrices). Ces variations locales depotentiel, ou potentiels post-synaptiques se propagent ensuite jusqu'aucorps cellulaire où s'effectue la sommation algébrique des dépolarisations etdes 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 potentield'action apparaisse. Si c'est le cas, son amplitude est alors d'emblée maximale (loidu 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, ilest impossible de la dépolariser à nouveau. Il faut donc attendre que le potentiel demembrane retrouve une valeur inférieure au seuil critique pour pouvoir l'exciter unenouvelle fois. On est ainsi amené à distinguer deux périodes qui caractérisent sonexcitabilité.

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 secondpotentiel d'action peut être émis à la condition que la dépolarisation produitepar l'excitation atteigne le seuil critique, ce qui implique qu'elle soit plusimportante puisque la valeur du potentiel de repos n'a pas encore étérestaurée.



On peut mettre en évidence ce cycle d'excitabilité en stimulant expérimentalementune fibre nerveuse par deux chocs successifs d'intensité supraliminaire.

Si le deuxième choc est porté pendant la période réfractaire absolue, onn'observe pas de deuxième potentiel d'action.Par contre, si le deuxième choc est porté pendant la période réfractairerelative, un second potentiel d'action apparaît mais il faut attendre que lesconcentrations ioniques soient entièrement restaurées pour que sonamplitude soit maximale.Enfin, si le deuxième choc est porté une fois que la fibre a retrouvé sonpotentiel de repos, le second potentiel d'action est identique au premier.



Le second potentiel d'action se propage alors comme le premier jusqu'àl'arborisation terminale de l'axone, sans atténuation et à la même vitesse. Lavitesse de conduction, tout comme la durée des périodes réfractaires, est eneffet :

variable d'une fibre à une autre,fonction de son diamètre,



mais identique en tous points d'une même fibre.

La propagation peut s'effectuer de deux manières :

Dans le cas d'une fibre amyélinique, la dépolarisation se propage de procheen proche par l'intermédiaire de courants locaux qui s'établissent de partet d'autre de la membrane.

Dans le cas d'une fibre myélinisée, la myéline jouant le rôle d'isolant, ladépolarisation ne peut se déplacer que de nœud de Ranvier en nœud deRanvier, seules régions où l'axone est à nu. La dépolarisation « saute » ainside nœud en nœud – on dit que la conduction est saltatoire – ce qui permetau potentiel d'action d'avancer plus rapidement. En effet, plus la myéline estépaisse, plus les nœuds de Ranvier sont éloignés les uns des autres. Ilexiste ainsi une corrélation entre diamètre et vitesse de conduction.

Ici encore, il est plus facile de déterminer la vitesse de conduction d'une fibrenerveuse 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 delatence t (à l'aide d'un oscilloscope) mis par la dépolarisation pour atteindrel'électrode de réception suite à une excitation supraliminaire. La vitesse v est alorségale au rapport d/t et, selon l'habitude, exprimée en mètre par seconde (m/s). Detelles mesures ont permis d'établir une classification des fibres nerveusespériphériques et ont par ailleurs montré que des fonctions physiologiques précisesétaient affectées aux différentes catégories.

Classification des fibres nerveuses de mammifèreCatégorie

Diamètre VitesseEfférences Afférences

Myélinisées

Ia et b 12 – 20 µm 70 – 120 m/sII 5 – 12 µm 30 – 70 m/sIII 2 – 5 µm 12 – 30 m/s

B - < 3 µm 1 – 15 m/sAmyéliniques C IV < 1,2 µm < 2,3 m/s

AαΑβ et γ

Aδ



I. Exercice d'application N°5

Pour étudier l'excitabilité du nerf sciatique de grenouille, on porte deux excitationssupraliminaires distantes d'un intervalle ∆t et on mesure l'amplitude du potentield'action généré par le deuxième choc. Les résultats sont les suivants.


Tracez la courbe représentant l'amplitude du deuxième potentiel d'action enfonction de ∆t. Que met-on en évidence ?


Quelles espèces ioniques sont impliquées dans ce phénomène ?


La même observation aurait-elle pu être faite sur une fibre isolée ?

J. Exercice d'application N°6La stimulation supraliminaire d'un nerf moteur de mammifère permet d'enregistrerun potentiel d'action complexe présentant trois pics successifs.



0,5 01,0 01,5 02,0 23,0 64,0 125,0 216,0 337,0 478,0 549,0 65

10,0 6911,0 7012,0 7013,0 7014,0 70

∆t (ms) Amplitude du 2ème PA (mV)


Pourquoi le potentiel d'action est-il qualifié de « complexe » et à quoi correspondentces pics ?


Le temps mis par les trois pics pour apparaître est respectivement de 0,4 ms, 0,9ms et 1,7 ms. Calculez les vitesses de conduction des trois contingents de fibressachant que la distance séparant l'électrode de stimulation de l'électrode deréception est de 3,1 cm. À quelles catégories appartiennent-elles ?


Comment pourrait-on s'assurer que la vitesse de conduction est constante tout aulong du nerf ?

K. Codage des messages nerveux

Selon leur origine et/ou leur destination, les messages nerveux véhiculés par lesaxones sont de trois ordres. Ils peuvent être :

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 potentielsd'action ne variant pas en raison de la loi du tout ou rien et la vitesse depropagation étant constante pour une fibre donnée, l'information est codée par :

le nombre de potentiels émis, leur fréquence, leur organisation en salves,

la durée du message.

Le nombre de potentiels émis et la durée du message sont généralement enrapport avec la quantité d'information à transmettre. Ainsi, une fibre sensorielle oumotrice peut décharger pendant plusieurs minutes et émettre des centaines, voiredes milliers de potentiels d'action à la suite d'une stimulation prolongée ou poursoutenir une contraction musculaire. Mais ce n'est pas toujours le cas. Certainsrécepteurs sensoriels, par exemple, s'adaptent très vite et cessent de décharger aubout de quelques secondes alors que la stimulation est maintenue.

La fréquence, qui s'exprime en nombre de potentiels d'action par seconde, est elleaussi en rapport avec la quantité d'information à transmettre. Ainsi, plusl'information est importante, plus la fréquence augmente jusqu'à une limiteimposée par les périodes réfractaires de la structure. Toutefois, certains récepteurssensoriels et certains neurones du névraxe présentant une activité spontanée, enraison de canaux ioniques électrodépendants au calcium et au potassiumparticuliers qui leur permettent de générer régulièrement des potentiels d'action,toute perturbation peut se traduire par une augmentation ou une diminution de leurfréquence de décharge.



L'organisation en salves est un phénomène plus complexe qui varie en fonctiondes structures concernées et des messages véhiculés. Les potentiels d'action d'unmême message peuvent en effet être émis sous forme de salves, plus ou moinsespacées dans le temps, dont la durée, le nombre de potentiels et la fréquencediffèrent d'une salve à une autre. On parle également de rafales, de trains depotentiels ou de bouffées d'activité.

Pour visualiser ces messages, on est donc amené à modifier la vitesse de balayagede l'oscilloscope de manière à ce que le spot qui se déplace sur l'écran de gauche àdroite mette plus de temps à effectuer le même parcours et permette d'observerdes séquences plus longues. Les potentiels d'action se trouvent ainsi moins étaléset réduits au seul pic de dépolarisation – on parle parfois de spike (de l'anglaisspike = 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 del'organisme en fonctionnement, les enregistrements se font le plus souvent in situet l'expérimentateur ne peut que constater l'activité de tel ou tel neurone. Il peutnéanmoins provoquer ou modifier cette activité, par exemple en stimulant unrécepteur et en enregistrant le message sensoriel véhiculé par le neurone afférentqui en est issu ou en déclenchant artificiellement une réponse musculaire par voieréflexe et en enregistrant le message moteur généré dans le neurone efférent.

Ajoutons toutefois que les techniques modernes permettent aujourd'hui d'isoler unrécepteur et sa fibre in vitro, de manière à étudier son comportement suite à unestimulation, ou de réaliser des cultures de neurones et d'analyser lescommunications qu'ils établissent entre eux.



L. Exercice d'application N°7

On enregistre l'activité de quatre fibres nerveuses issues de différents récepteurssensoriels suite à une stimulation supraliminaire.


Pourquoi le récepteur A est-il dit à adaptation rapide ?


Pourquoi le récepteur B est-il dit à adaptation lente ?


Quelle particularité présente le récepteur C ?


Pourquoi le récepteur D est-il qualifié de on-off ?



M. Exercice d'application N°8

Un corpuscule de Pacini (un récepteur sensoriel cutané sensible à la pression) estisolé avec son afférence in vitro et soumis à des pressions croissantes. Unemicroélectrode implantée dans la fibre permet d'enregistrer les messages sensorielsqui en sont issus.


Analysez ces messages sensoriels. Que pouvez-vous en conclure ?


Qu'obtiendrait-on si la pression portée était supérieure à 8 g.cm–2 ?


Quelle serait l'allure des enregistrements si on augmentait la vitesse de balayagede l'oscilloscope ?



V - La transmissionsynaptique

V

Fonctionnement de la synapse chimique 44



Intégration post-synaptique 51


Pendant longtemps, l'organisation même du système nerveux fut matière àdiscussion et vit s'affronter deux théories :

une conception réticulariste selon laquelle les neurones formaient ungigantesque réseau où ils étaient en continuité les uns avec les autres ;

une conception neuroniste selon laquelle les neurones étaientindépendants les uns des autres et n'entretenaient entre eux que desrelations de contiguïté.

La controverse ne sera finalement résolue qu'avec l'avènement du microscopeélectronique dans les années 1950 qui montrera clairement que les neurones sontdes cellules indépendantes et qu'elles communiquent entre elles au niveau derégions particulières dénommées synapses. Le terme, emprunté au grec sunapsis(= point de jonction), fut proposé dès 1897 par le neurophysiologiste britanniqueSir Charles Scott Sherrington (1857-1952) qui partagea par ailleurs le prix Nobel dephysiologie et de médecine avec son compatriote Edgar Adrian (1899-1977) pourleurs travaux sur la physiologie du système nerveux et le fonctionnement duneurone en 1932.

Toutes les synapses interneuronales (on dit également neuro-neuroniques)présentent invariablement la même organisation de base :

un élément présynaptique appartenant à un premier neurone,

une fente synaptique séparant les deux neurones,

un élément post-synaptique appartenant à un deuxième neurone.

Toutefois, en fonction de critères morphologiques et fonctionnels, on est amené àopérer plusieurs distinctions.

Sur un plan morphologique, on distingue :

des synapses axo-dendritiques (entre l'axone de l'un et la dendrite del'autre),

des synapses axo-somatiques (entre l'axone de l'un et le soma del'autre),


des synapses axo-axoniques (entre deux axones),

beaucoup plus rarement des synapses somato-somatiques, somato-dendritiques et dendro-dendritiques.

Sur un plan physiologique, on distingue :

des synapses électriques au fonctionnement très simple,

des synapses chimiques au fonctionnement beaucoup plus complexe.

Les premières, assez rares chez les Vertébrés supérieurs, sont en fait constituéespar des canaux jonctionnels (gap junctions) que deux neurones contigus établissentaprès avoir accolé leurs membranes et qui leur permettent d'échanger des ions etdes petites molécules. Elles assurent également le couplage électrique entre lesdeux cellules de sorte que les potentiels d'action puissent passer rapidement del'une à l'autre sans intermédiaire.

Les secondes nécessitent en revanche l'intervention de médiateurs chimiques (cequi 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 post-synaptique) et peuvent être excitatrices ou inhibitrices.

A. Fonctionnement de la synapse chimique

Les synapses chimiques étant toujours polarisées et fonctionnant à l'aide d'unneurotransmetteur, elles présentent à la fois une asymétrie de structure et uneasymétrie fonctionnelle.

[Nous nous limiterons ici à décrire celles où l'élément présynaptique est un axoneet qui sont les plus répandues.]

Au niveau présynaptique, la terminaison axonale forme un petit renflement oubouton terminal qui présente trois caractéristiques :

il est riche en mitochondries ;

il renferme de nombreuses vésicules qui peuvent contenir plus de 10 000molécules de neurotransmetteur ;

sa membrane présente un matériel dense aux électrons, la grille synaptique,qui correspond à une organisation particulière du cytosquelette impliquédans les processus d'exocytose.

Au niveau post-synaptique, l'élément nerveux (dendrite, soma ou axone) nerenferme pas de vésicule mais présente également une région sous-membranairedense aux électrons qui est due à une organisation particulière du cytosquelettepermettant l'ancrage des récepteurs sur lesquels se fixent les neurotransmetteurs.

Quant à la fente synaptique, qui occupe l'espace entre les deux régionsmembranaires présentant un matériel dense aux électrons, distantes en moyennede 20 à 50 nm, elle ne présente pas de différenciation morphologique particulière.


La transmission synaptique

Schématiquement, la transmission synaptique comprend cinq étapes :

la synthèse du neurotransmetteur dans l'élément présynaptique,

le stockage du neurotransmetteur dans la terminaison présynaptique,

la libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique,

la combinaison du neurotransmetteur avec les récepteurs post-synaptiques,

l'inactivation du neurotransmetteur après dissociation du complexerécepteur-neurotransmetteur.

Le neurotransmetteur est généralement synthétisé dans les boutons terminaux àpartir de précurseurs qui ont pénétré localement dans la terminaison ou qui ontmigré par transport axonal antérograde à partir du soma avec les enzymesnécessaires à la synthèse. Il est ensuite stocké dans les vésicules synaptiques où ilest à l'abri d'une éventuelle destruction enzymatique. Le plus souvent, il se répartiten deux compartiments :

l'un immédiatement libérable (en général le plus récemment synthétisé),

l'autre de réserve (en général lié à des protéines intravésiculaires).

L'arrivée d'un potentiel d'action dans la terminaison présynaptique vadéclencher plusieurs phénomènes qui aboutiront à la libération duneurotransmetteur, à sa fixation sur les récepteurs post-synaptiques et à leuractivation.

En premier lieu, la dépolarisation membranaire provoque l'ouverture decanaux électrodépendants au calcium. Celui-ci rentre alors dans la cellule enraison du gradient électrique et de son gradient de concentration de sorteque la dépolarisation se traduit par une augmentation de la concentration decalcium intracellulaire (il ressortira, comme le sodium, par un mécanisme detransport actif).



La présence de calcium à l'intérieur de la cellule permet alors d'activer laphosphorylation de certaines protéines assurant la liaison entre lecytosquelette et les vésicules synaptiques, ce qui provoque leur migrationjusque la membrane. Une fois en contact avec la membrane, elles libèrentleur contenu par exocytose de sorte que la dépolarisation aboutit à lalibération du neurotransmetteur dans la fente synaptique.

Le neurotransmetteur présentant une forte affinité avec les récepteurs de lamembrane post-synaptique, il s'y fixe par complémentarité stérique. Or cesrécepteurs sont des protéines-canaux chimiodépendantes, c'est-à-dire queleur ouverture dépend de la présence d'une substance chimique, enl'occurrence ici le neurotransmetteur. La combinaison d'une (souvent deux)molécule(s) de neurotransmetteur avec le récepteur ouvre donc le canal etpermet 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 demodifier localement le potentiel de membrane de l'élément post-synaptique.



Selon le type de synapse considéré, la combinaison neurotransmetteur-récepteur setraduit par une dépolarisation ou une hyperpolarisation de la membrane post-synaptique.

Dans le cas d'une synapse excitatrice, le neurotransmetteur ouvre uneprotéine-canal au sodium ou au calcium. Il s'ensuit une augmentation decations intracellulaires ce qui a pour effet de provoquer une dépolarisationlocale qu'on qualifie de potentiel post-synaptique excitateur (PPSE).

Dans le cas d'une synapse inhibitrice, le neurotransmetteur ouvre uneprotéine-canal au chlore ou au potassium ce qui a pour effet de provoquerune hyperpolarisation locale (par entrée de chlore ou sortie de potassium)qu'on qualifie de potentiel post-synaptique inhibiteur (PPSI).



Il reste ensuite à inactiver le neurotransmetteur pour éviter que la dépolarisationou l'hyperpolarisation qu'il a provoqué en se combinant avec les récepteurs post-synaptiques ne se prolonge et empêche la synapse de fonctionner normalement.Selon le type de neurotransmetteur, deux mécanismes sont responsables de cetteinactivation :

soit il est dégradé par une enzyme spécifique dans la fente synaptique ;

soit il est recapté (cas le plus courant) par la terminaison présynaptique etpeut ainsi être réutilisé.

Si toutes les synapses chimiques fonctionnent selon ce schéma, la réalité esttoutefois beaucoup plus complexe dans la mesure où la transmission metgénéralement en jeu d'autres mécanismes qui peuvent potentialiser la synapse,c'est-à-dire la rendre plus ou moins efficace dans le temps. Citons :

la coexistence de plusieurs neurotransmetteurs dans la terminaisonprésynaptique, pas forcément libérés en même temps ;

l'existence au niveau du bouton terminal de récepteurs présynaptiquessensibles à l'action du neurotransmetteur qui vient d'être libéré ;

la production de neuromodulateurs par la terminaison synaptique qui, unefois libérés par exocytose, modifient la sensibilité des récepteurs post-synaptiques vis-à-vis des neurotransmetteurs ;

la libération par l'élément post-synaptique de substances qui agissent enretour sur la terminaison présynaptique de manière à diminuer ou àaugmenter son activité ;

le renforcement ou l'affaiblissement de la transmission par les astrocytesprésents au niveau de la synapse après qu'ils aient été stimulés par un fluxd'ATP en provenance de la terminaison présynaptique.

Ajoutons qu'on connaît aujourd'hui plus d'une centaine deneurotransmetteurs et que la liste ne cesse de s'allonger. Parmi les plusrépandus, citons :



l'acétylcholine (Ach), une amine quaternaire excitatrice qui est dégradéedans la fente synaptique par l'acétylcholinestérase ;

l'aspartate et le glutamate, deux acides aminés excitateurs qui sontrecaptés ;

le GABA (acide γ amino-butyrique), un acide γ aminé (qui n'entre donc pasdans la composition des protéines) qui est le principal inhibiteur du systèmenerveux et qui est recapté ;

la glycine, un autre acide aminé inhibiteur également recapté ;

l'adrénaline, la noradrénaline et la dopamine, trois catécholaminessynthétisées à partir de la tyrosine qui peuvent être excitatrices ouinhibitrices et qui sont en grande partie recaptées ;

la sérotonine, une indolamine synthétisée à partir du tryptophane qui peutêtre excitatrice ou inhibitrice et qui est recaptée ;

la substance P, un petit peptide de onze acides aminés excitateur qui fut lepremier 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 A4déclenche l'ouverture de protéines-canaux au sodium, celle des axones A2 et A7l'ouverture de protéines-canaux au chlore, celle des axones A3 et A8 l'ouverture deprotéines-canaux au potassium et celle des axones A5 et A6 l'ouverture deprotéines-canaux au calcium.


Combien y a-t-il de synapses axo-dendritiques ?




Combien y a-t-il de synapses axo-somatiques ?


Combien y a-t-il de synapses axo-axoniques ?


Combien y a-t-il de synapses excitatrices ?


Combien y a-t-il de synapses inhibitrices ?


Au niveau de quelles synapses pourrait-on enregistrer des PPSE ?


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 étéreprésentés.


Quelle particularité présente l'axone du neurone A ?




À la suite d'une décharge unitaire du neurone A, que peut-on enregistrer dans lesoma du neurone C ? Citez un exemple de neurotransmetteur qui pourrait en êtreresponsable.


À la suite d'une décharge unitaire du neurone B, que peut-on enregistrer dans lesoma du neurone D ? Citez un exemple de neurotransmetteur qui pourrait en êtreresponsable.


Si seul le neurone A était activé, dans quels axones pourrait-on enregistrer despotentiels d'action ?


Si seul le neurone B était activé, dans quels axones pourrait-on enregistrer despotentiels d'action ?


L'immersion de la préparation dans de l'EGTA, un agent chélateur qui emprisonnetout le calcium disponible, bloque toutes les transmissions synaptiques. Quelle enest la raison ?


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 établissententre eux font que l'arrivée d'un potentiel d'action dans la terminaisonprésynaptique ne suffit pas à déclencher l'apparition d'un potentiel d'action dans leneurone post-synaptique. En effet celui-ci étant connecté à des centaines, voire àdes milliers de terminaisons présynaptiques, son arbre somato-dendritique reçoitautant de messages en un temps donné qu'il y a de synapses activées. Commechaque potentiel d'action présynaptique déclenche un PPSE ou un PPSI dansl'élément post-synaptique, selon que la synapse est excitatrice ou inhibitrice, c'estfinalement un grand nombre de dépolarisations et d'hyperpolaristions qui envahitl'arbre somato-dendritique et qui se propage vers le cône d'implantation de l'axone.

Le neurone post-synaptique effectue alors une sommation algébrique desdifférents signaux qu'il a reçu sur l'ensemble de son territoire en un temps donné.

Si la somme des PPSE et des PPSI aboutit finalement à unehyperpolarisation du potentiel de membrane, aucun potentiel d'action n'est



émis et l'axone reste silencieux.

En revanche, si la somme des PPSE et des PPSI aboutit à une dépolarisationet si celle-ci atteint le seuil critique, un potentiel d'action est émis etvéhiculé jusqu'à l'arborisation terminale de l'axone.

La réalité est toutefois plus complexe car d'une part, les messages nerveux sontconstitués de trains de potentiels plus ou moins rapprochés et d'autre part, cesactivités peuvent potentialiser les synapses qui vont devenir plus ou moinsréceptives dans la durée. À la sommation spatiale des PPSE et des PPSI, s'ajoutedonc une sommation temporelle dont dépend en fin de compte le signal qui seraémis par le neurone post-synaptique.

Il en résulte également que l'information véhiculée par un neurone n'est jamais lacopie parfaite du message qu'il a reçu (hormis bien sûr le cas limite où un neuronepost-synaptique ne serait activé que par un seul neurone présynaptique excitateur)mais la synthèse des différents signaux qui lui sont parvenus. C'est ce phénomènequi porte le nom d'intégration post-synaptique et qui permet à chaque neuroned'élaborer son propre message. Il n'y a donc pas conservation de l'information d'unneurone à un autre mais reconstruction de celle-ci à chaque franchissement desynapse.

E. Exercice d'application N°3Le neurone suivant présente comme caractéristiques électrophysiologiques d'avoirun potentiel de repos de – 68 mV et un potentiel critique de – 56 mV. On enregistreà l'aide de microéléctrodes les signaux qu'il reçoit au niveau de sept synapses à lasuite d'une décharge unitaire de chaque terminaison présynaptique.




Représentez l'enregistrement obtenu par la microélectrode M1. Comment s'appellele phénomène enregistré ?


Représentez l'enregistrement obtenu par la microélectrode M2. Comment s'appellele phénomène enregistré ?


Si les sept synapses sont activées en même temps, que pourra-t-on enregistrer àl'aide de la microlélectrode M8 ?


Même question si la synapse située au niveau de M7 reste silencieuse.



Solution desexercices de TD

> Solution n°1 (exercice p. 27)

Les concentrations sont constantes au cours du temps. Par ailleurs, le fait que laconcentration de potassium soit supérieure à celle de sodium montre que l'axonerenferme beaucoup plus de potassium que de sodium.


Les concentrations intracellulaire et extracellulaire étant connues, il suffitd'appliquer la loi de Nernst pour un cation monovalent à 20 °C.


La différence vient du fait que le potentiel de repos est du à l'ensemble des fluxioniques en présence et pas exclusivement aux mouvements de potassium.


Malgré tous les soins apportés aux préparations in vitro, il est impossible dereconstituer complètement les paramètres physiologiques et métaboliques dumilieu in situ. Ceci explique les quelques millivolts de différence entre les deuxmesures.


Tout simplement pour pouvoir le détecter et donc savoir ce qu'il devient une foisintroduit dans l'axone.


Au début de l'expérience, on s'aperçoit que le flux sortant de sodium radioactifdiminue régulièrement avec le temps. Cela montre que le 24Na+ introduit dansl'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 quetemporaire puisqu'une fois la préparation rincée et le DNP retiré du milieu, le fluxsortant de sodium retrouve sa pente initiale. C'est donc qu'en conditions normales


E =−58 log 40020

=−58 log 20=−75,4 mV le log de 20 est égal à 1,30 .

du sodium sort de la cellule et que cette sortie nécessite de l'ATP puisqu'elle estbloquée par un inhibiteur du métabolisme.


La sortie de sodium nécessitant de l'ATP, il s'agit d'un mécanisme de transport actifet on peut penser qu'il s'agit de la pompe Na-K.


Le cyanure, un autre inhibiteur du métabolisme, aurait exactement le même effetque le DNP en bloquant la production d'ATP. Par contre, l'ouabaïne, un inhibiteurspécifique de la pompe Na-K, bloquerait également le flux sortant de sodium maissans empêcher la production d'ATP.


En prenant 1cm pour 2 µA en abscisse et 1 cm pour 10 mV en ordonnée, on obtientla courbe suivante.

On constate tout d'abord que pour une intensité de stimulation inférieure à 5µA, lenerf ne répond pas. La stimulation est donc infraliminaire. En revanche, passé leseuil de 5 µA, l'amplitude de la réponse du nerf ne cesse de croître pour sestabiliser à une valeur de 70 mV. On peut donc en déduire que, contrairement àune fibre nerveuse, la réponse du nerf augmente avec la stimulation et qu'elle n'estpas d'emblée maximale.


Il ne faut pas oublier qu'un nerf contient des centaines, voire des milliers de fibresnerveuses qui, en fonction de leur position, ne sont pas toutes immédiatement


Annexes

atteintes par la stimulation. Par conséquent, lorsque la stimulation est justesupraliminaire, seules quelques fibres périphériques réagissent et il faut augmenterl'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'ellen'est maximale qu'une fois toutes les fibres recrutées. On enregistre donc uneactivité globale et non un potentiel d'action unitaire, comme c'est le cas avec uneseule fibre.


La tétrodotoxine bloquant les canaux au sodium, celui-ci ne peut plus rentrer dansles cellules. Il devient donc impossible de les dépolariser, ce qui explique que lastimulation reste sans effet.


À la suite de la stimulation, on constate à la fois une rapide augmentation de laconcentration axoplasmique de sodium pendant 2,5 ms et une diminution un peuplus tardive de celle en potassium, de moindre amplitude et plus étalée dans letemps. Le retour à la normale pour les deux concentrations s'effectue au bout de 6ms. La stimulation a donc déclenché deux flux temporaires : un flux entrant desodium, presque immédiat, de forte amplitude et de courte durée, suivi d'un fluxsortant de potassium de plus faible amplitude mais de plus longue durée.


Oui, les nouvelles mesures permettent de préciser l'usage de ces drogues. Avec laTTX, la stimulation reste sans effet et ne déclenche aucun flux. On peut donc endéduire que la TTX agit au niveau des canaux au sodium en empêchant leur entréedans 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 leflux entrant de sodium étant inexistant, celui, sortant, de potassium n'a pas deraison d'être. Inversement, avec le TEA, le flux entrant de sodium est normal maisle flux sortant de potassium n'apparaît pas. On peut donc en déduire que le TEA estsans effet sur les canaux au sodium et qu'il agit exclusivement sur ceux aupotassium.


La TTX bloquant sélectivement les canaux au sodium et le TEA ceux au potassium,on peut en conclure que ces canaux sont distincts.


En prenant 1 cm pour 1 ms en abscisse et 1 cm pour 10 mV en ordonnée, onobtient la courbe suivante.

Annexes


On constate que pour un intervalle entre les deux chocs de stimulation inférieur à 2ms, il est impossible d'obtenir un second potentiel d'action. Le nerf est donc enpériode réfractaire absolue (PRA) et la deuxième stimulation, qui intervient pendantsa dépolarisation, reste inefficace. Puis, pour un ∆t compris entre 2 et 11 ms, ledeuxième potentiel d'action apparaît et son amplitude ne cesse de croître. Le nerfest donc passé en période réfractaire relative (PRR) mais n'ayant pas encorepleinement restauré son équilibre ionique, le potentiel d'action n'atteint pas sonamplitude maximale. Ce n'est qu'au delà de 11 ms que le nerf retrouve sonexcitabilité normale et qu'un nouveau potentiel d'action, vraisemblablementidentique au premier, peut être émis.


Le sodium et le potassium. Pour que le nerf retrouve son excitabilité normale, il fautque le sodium entré lors de la dépolarisation ressorte des cellules et que lepotassium sorti lors de la repolarisation réintègre les cellules de manière à ce queles concentrations initiales extracellulaire et intracellulaire soient restaurées.


Oui. Les périodes réfractaires étant une des caractéristiques de l'excitabiliténerveuse, on aurait pu les observer sur une fibre isolée. Elles auraient simplementété plus courtes que pour le nerf entier.


Par rapport à un potentiel d'action classique, celui-ci présente trois dépolarisationssuccessives – d'où sa qualification de complexe – au lieu d'une seule. Cela est duau fait que le nerf étant constitué de plusieurs fibres nerveuses, on enregistrel'activité de ces différentes fibres et non un potentiel d'action unitaire. Parconséquent, si toutes les fibres du nerf ne conduisent pas à la même vitesse, ellesne se dépolariseront pas en même temps et l'on enregistrera autant de pics dedépolarisation qu'il y aura de catégories de fibres nerveuses à l'intérieur du nerf.


Annexes


Après conversion des millisecondes en seconde et des centimètres en mètre, lestrois vitesses v1, v2 et v3 sont les suivantes :

Toutes sont des fibres myélinisées et appartiennent à la catégorie A puisqu'il s'agitd'efférences (nerf moteur).


Il suffit de modifier la distance séparant l'électrode de stimulation de l'électrode deréception et de recommencer les mesures. Si les vitesses calculées sont identiquesaux précédentes, c'est que les fibres composant le nerf possèdent une vitesse deconduction constante le long de leur trajet (du moins dans la portion de nerfétudiée).


À la suite de la stimulation, on enregistre une courte salve de cinq potentiels dontla fréquence diminue avec le temps et qui s'interrompt avant la fin de lastimulation. Le récepteur s'est donc vite habitué à la situation et on peut parler derécepteur à adaptation rapide.


À la suite de la stimulation, on enregistre cette fois une salve plus importante (16potentiels) dont la fréquence diminue également avec le temps mais qui persistealors que la stimulation s'est arrêtée. Il faut donc attendre un certain temps avantque le récepteur ne cesse de décharger et on peut parler de récepteur à adaptationlente.


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 ladoublant pendant toute la durée de la stimulation.


Ce dernier récepteur réagit en émettant deux courtes salves de cinq potentiels

Annexes


v1 = dt1

= 3,1 x 10−2

0,4 x 10−3 = 77,5 m /s m.s1

v 2 =dt2

=3,1 x 10−2

0,9 x 10−3 = 34,4 m/s m.s1

v3 = dt3

= 3,1 x 10−2

1,7 x 10−3 = 18,2 m /s m.s1

chacune, la première juste au début de la stimulation, la seconde une fois que lastimulation s'est arrêtée. Le récepteur décharge donc à l'ouverture (on) et à lafermeture (off) de la stimulation d'où son appellation.


On constate qu'une pression de 0,2 g.cm–2 n'engendre aucune activité de la part durécepteur. Cette première stimulation est donc insuffisante, elle est infraliminaire.Puis, au fur et à mesure que l'on augmente l'intensité de stimulation, on observeque le message véhiculé par la fibre démarre de plus en plus tôt, qu'il s'étend àtoute la durée de la stimulation, qu'il est de plus en plus fourni (on passe de troispotentiels pour une pression de 0,4 g.cm–2 à plusieurs dizaines pour une pressionde 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 dePacini augmente avec l'intensité de la pression et qu'elle cesse dès l'arrêt de lastimulation.


On peut supposer que le message démarrerait encore plus tôt, qu'il serait encoreplus fourni et que sa fréquence augmenterait tant que la limite imposée par lapériode réfractaire de la fibre ne serait pas atteinte.


En augmentant la vitesse de balayage, les potentiels d'action seraient plus étalésmais on ne pourrait observer l'ensemble du signal sur l'écran de l'oscilloscope.


Cinq (A1, A3, A4, A5, A6).


Trois (A2, A7, A8).


Aucune.


Ce sont celles qui provoquent des dépolarisations par entrée de sodium ou decalcium, donc quatre (A1, A4, A5, A6).


Ce sont celles qui provoquent des hyperpolarisations par entrée de chlore ou sortiede potassium, donc quatre (A2, A3, A7, A8).


Annexes


Au niveau des synapses excitatrices, soit A1, A4, A5 et A6.


Au niveau des synapses inhibitrices, soit A2, A3, A7 et A8.


Il présente une collatérale.


Un PPSE. L'acétylcholine, l'aspartate ou le glutamate.


Un PPSI. Le GABA ou la glycine.


Dans son axone et sa collatérale. Par ailleurs, les synapses qu'il effectue avec lesneurones C et D étant excitatrices, on pourrait également enregistrer des potentielsd'action dans les axones de ces neurones à la condition que la dépolarisationprovoquée par le neurone A dans leurs somas ait été suffisante pour atteindre leseuil critique.


Exclusivement dans son axone. En effet, l'unique synapse qu'il effectue avec leneurone D étant inhibitrice, elle ne pourra pas induire de dépolarisation dans lesoma de ce neurone.


Le calcium extracellulaire devenant indisponible, il ne pourra plus pénétrer àl'intérieur des terminaisons présynaptiques suite à une dépolarisation consécutive àl'arrivée d'un potentiel d'action. Par conséquent, comme la concentrationintracellulaire de calcium n'augmentera pas, l'exocytose des vésicules synaptiquesn'aura pas lieu et les neurotransmetteurs ne seront pas libérés.


La tétrodotoxine. En bloquant les canaux au sodium, elle empêche toutedépolarisation et rend donc impossible l'apparition d'un potentiel d'action.

Annexes



On obtient un PPSE de 8 mV.


On obtient un PPSI de 5mV.


Si les sept synapses sont activées en même temps, le bilan des dépolarisationsenregistrées par M1, M3, M4 et M7 sera de 29 mV et celui des hyperpolarisationsenregistrées 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, ilsera possible d'enregistrer un potentiel d'action au niveau de M8.


Cette fois, la dépolarisation nette étant de 6mV, le seuil critique ne sera pas atteintet aucun potentiel d'action ne sera émis. La microélectrode M8 étant située endessous du cône d'implantation de l'axone, elle n'enregistrera donc que le potentielde repos.


Annexes

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Biologie PHYSIOLOGIE DU NEURONE - passeport.univ …passeport.univ-lille1.fr/site/biologie/Neurone/Neurone.pdf · tissus vivants) moderne est née. ... partageront le prix Nobel de