Communication nerveuse
Introduction
Le système nerveux est formé de deux parties :
– le système nerveux central, constitué par l’encéphale et la moelle épinière située dans le canal rachidien. Son rôle est de recevoir, enregistrer, interpréter les signaux qui parviennent de la périphérie, et l’organiser la réponse à envoyer.
– le système nerveux périphérique, constitué par les nerfs crâniens et les nerfs spinaux qui sont rattachés au système nerveux central. Son rôle est de conduire jusqu’au système nerveux central les informations issues des récepteurs périphériques et de transmettre les ordres moteurs émis par les centres nerveux.
- Quelles sont les propriétés des nerfs et des fibres nerveuses ?
- Quelles est la nature du message nerveux ?
- Comment se transmet le message nerveux d’un neurone à un autre ?
1 – Les propriétés du nerf
1 – 1 – Mise en évidence des propriétés du nerf
On isole le nerf sciatique de la patte postérieure gauche d’une grenouille décérébrée et démédullée, puis on excite le bout périphérique de ce nerf, le résultat obtenu est indique sur le document suivant.
1 – En exploitant le document, déduire les propriétés du nerf.
1- Après l’excitation du bout périphérique du nerf sciatique le muscle de la patte gauche se contracte. L’excitation du nerf sciatique a généré un influx nerveux qui a été transmis au muscle. Le nerf est caractérisé donc par deux propriétés essentielles : l’excitabilité et la conductibilité.
1 – 2 – L’excitabilité
On applique a un nerf des excitations d’intensité croissante et on détermine pour chaque excitation le temps nécessaire à la réponse du nerfs. Le tableau suivant montre les résultats obtenus :
1 – Tracer la courbe d’excitabilité du nerf, Intensité = f(Temps) . ( prendre comme échelle : 1cm=1mV, 1cm=0,3ms).
2 – Représenter sur le graphe :
a – Le seuil d’excitabilité ou rhéobase.
b – Le temps utile ( la durée minimale d’une stimulation efficace dont l’intensité est égale à la rhéobase).
c – La chronaxie ( la durée minimale d’une stimulation efficace dont l’intensité est égale au double de la rhéobase).
3 – En exploitant le graphe, déduire les conditions d’excitabilité du nerf.
1- 2 –
3 – La courbe délimite deux zones : une zone des excitations efficaces et une zone des excitations inefficaces.
Pour qu’une excitation soit efficace, il faut que l’excitant utilisé présente certaines caractéristiques : l’intensité de l’excitation, la durée de l’excitation et le seuil des excitations efficaces.
- L’intensité de l’excitation
L’intensité de l’excitant doit être supérieure ou égale au seuil minimal ou intensité liminaire.
- La durée de l’excitation
Pour toute valeur de l’intensité supérieure au seuil, l’excitation n’est efficace que si le courant est appliqué pendant un temps suffisant. Ce temps minimal d’application de la rhéobase pour obtenir une réponse du nerf est appelé temps utile.
- Seuil des excitations efficaces
Un excitant d’intensité I égale à la rhéobase agissant pendant une durée inférieure au temps utile ne provoque aucune stimulation efficace. Cependant cette durée étant fixe, on peut provoquer à nouveau une stimulation efficace en augmentant la valeur de I.
1 – 3 – La conductibilité
La conductibilité d’un nerf est sa capacité à transmettre l’influx nerveux. Cette propagation est caractérisée par une vitesse qui varie suivant certains facteurs ( température, concentration d’O2 , le pH du milieu le type des fibres nerveuses …
La transmission de l’influx nerveux est interrompue par les anesthésiques ou lorsque les nerfs sont coupés.
Pour mesurer la vitesse de conduction de l’influx nerveux, on porte une stimulation sur la fibre nerveuse et on recueille la réponse grâce à une électrode réceptrice placée à une distance (d1) des électrodes de stimulation. Puis on éloigne l’électrode réceptrice à une distance (d2) du même lieu de stimulation. Ensuite, on fait coïncider les artéfacts de stimulation des deux ondes obtenues et on effectue des projections à partir des spikes.
2 – La nature du message nerveux
2 – 1 – Les phénomènes électriques qui accompagnent l’activité du nerf
Pour enregistrer l’activité du nerf, on utilise l’oscilloscope illustré dans le document suivant :
a – Principe du fonctionnement de l’oscilloscope cathodique
Un canon à électrons produit et accélère des électrons à très grande vitesse, dans un tube où règne un vide poussé.
L’arrière de l’écran est en effet recouvert d’une substance fluorescente. Les électrons arrivent au centre de l’écran et laissent une trace appelée spot.
A l’intérieur du tube de l’oscilloscope, deux plaques métalliques (Y’Y) parallèles et horizontales peuvent être reliés à un générateur externe. La plaque positive attire le faisceau qui est ainsi dévié vers le haut ou le bas. De même, deux plaques (X’X) parallèles et verticales peuvent dévier le faisceau vers la gauche ou la droite. Si les plaques horizontales et verticales ne sont pas chargées, les électrons continuent en ligne droite.
b – Le potentiel de repos
Lorsqu’on pose les deux électrodes réceptrices R1 et R2 en surface du nerf, on obtient l’enregistrement OA, mais quand on introduit R2 dans le nerf, on obtient l’enregistrement AB. Le document suivant montre les résultats obtenus.
1 – En exploitant l’enregistrement, interpréter les résultats obtenus.
1- Lorsque les deux électrodes sont sur la surface du nerf, la différence de potentiel est nulle. On peut dire que tous points de la surface du neurone au repos sont au même potentiel. Alors que l’introduction de R2 dans le nerf, donne une différence de potentiel de -70 mV. Cela veut dire que deux points sur la surface du nerf ont la même charge alors que l’intérieur et l’extérieur du nerf ont des charges différentes. Cette différence de potentiel entre l’intérieur et l’extérieur d’un nerf au repos s’appelle potentiel de repos.
La surface du nerf est chargée positivement alors que l’intérieur est chargé négativement
c – Le potentiel d’action
Potentiel d’action diphasique
On pose les deux électrodes réceptrices R1 et R2 en surface du nerf, puis on stimule le nerf. Le document suivant montre l’enregistrement obtenu.
1 – En exploitant l’enregistrement, interpréter les résultats obtenus.
2 – Déduire l’effet de l’excitation sur la surface du nerf.
1- En A, c’est l’artéfact de stimulation ; il correspond au moment de la stimulation
Entre A et B, il ne se passe rien ; c’est le temps de latence qui correspond au temps que met l’influx nerveux pour arriver à la première électrode réceptrice R1
Entre B et C, la déviation du spot vers le haut indique que l’électrode réceptrice R1 est devenue négative, il y a alors une inversion de la polarité membranaire par rapport à l’état de repos : c’est la dépolarisation sous l’électrode réceptrice R1.
Entre C et D, la descente du spot montre un rétablissement des potentiels entre R1 et R2 : c’est la repolarisation sous l’électrode réceptrice R1.
Entre D et E, correspond au temps que met l’influx nerveux pour arriver à la deuxième électrode réceptrice R2.
Entre E et F, la déviation du spot vers le bas montre que maintenant, c’est l’électrode R2 qui devient négative : c’est la dépolarisation sous l’électrode réceptrice R2
Entre F et G, la déviation du spot vers le haut explique que l’électrode R2 tend à devenir positive : c’est la repolarisation de l’électrode réceptrice R2.
Entre G et H, c’est le retour à l’état initial car l’onde a dépassé les deux électrodes réceptrices R1 et R2.
Potentiel d’action monophasique
On pose une électrode réceptrice en surface du nerf et l’autre comme électrode de référence, soit en maintenant une électrode en surface et l’autre, à l’intérieur. Après stimulation du nerf, on obtient l’enregistrement illustré sur le document suivant.
1 – En exploitant l’enregistrement interpréter les résultats obtenus.
2 – Déduire l’effet de l’excitation sur l’intérieur du nerf.
1- En A, c’est l’artéfact de stimulation ; il correspond au moment de la stimulation.
Entre A et B, c’est le temps de latence qui correspond au temps que met l’influx nerveux pour arriver à la première électrode réceptrice R1.
Entre B et C, la déviation du spot vers le haut indique que l’électrode réceptrice R1 est devenue positive, il y a alors une inversion de la polarité membranaire par rapport à l’état de repos : c’est la dépolarisation sous l’électrode réceptrice R1.
Entre C et D, la descente du spot montre un rétablissement du potentiel de R1 : c’est la repolarisation sous l’électrode réceptrice R1.
Conclusion
Le potentiel d’action correspond à une inversion de polarité de la membrane, le compartiment intracellulaire devient positif alors que l’extérieur devient négatif, pendant un très court instant et sur une petite portion de la membrane.
2 – 2 – L’origine du potentiel de repos et du potentiel d’action
a – Origine du potentiel de repos
1 – En exploitant le document, déduire l’origine du potentiel du repos.
1- On observe une inégale répartition des ions et anions chargés de part et d’autre de la membrane plasmique de la fibre nerveuse. Le milieu extracellulaire est riches en Na+ et Cl- alors que le milieu intracellulaire est riche en K+ et des gros anions (-).
Le potentiel de repos est due à une inégale répartition des ions entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire.
1 – En exploitant le document, expliquer la répartition des ions de part et d’autre de la membrane de la fibre nerveuse.
1- En raison de la différence de concentration entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire, les ions K+ ont tendance à diffuser de l’intérieur vers l’extérieur de la cellule, alors que les ions Na+ ont tendance à pénétrer dans la cellule. En réalité deux catégories de protéines membranaires prennent en charge le passage des ions à travers la membrane de la fibre nerveuse : ce sont des « canaux» et des « pompes » à ions.
– Les canaux à K+ et à Na+, ouverts en permanence, permettent une diffusion passive des ions K+ et Na+ dans le sens décroissant de leur gradient de concentration.
Cependant, le potentiel de membrane disparaîtrait progressivement si les canaux agissaient seuls : on aboutirait en effet, à une égalisation des concentrations en Na+ et K+ de part et d’autre de la membrane.
– La « pompe à Na+/K+» assure le maintien de la dissymétrie ionique entre le milieu intra et extracellulaire. Cette pompe est en effet une enzyme protéique (ATPase) capable à la fois d’hydrolyser l’ATP et d’utiliser l’énergie ainsi libérée pour assurer le transfert d’ions Na+ et K+ contre leur gradient de concentration : une pompe à Na+/K+ expulse plus de sodium dans le milieu extracellulaire qu’elle ne fait entrer de potassium dans la fibre.
b- Origine du potentiel d’action
1 – En exploitant les documents, interpréter les résultats obtenus pour expliquer à quoi sont dues les différentes phases du potentiel d’action.
1- L’excitation de la membrane cytoplasmique provoque instantanément et localement une augmentation de la perméabilité de la membrane cytoplasmique aux ions Na+ par ouverture locale des canaux de Na+ voltage dépendants.
La diffusion de Na+ du milieu extra cellulaire vers le milieu intra cellulaire est le responsable de l’inversion de la polarité de la membrane cytoplasmique et de l’apparition de la charge négative à sa surface.
Après, la perméabilité à Na+ diminue rapidement, puis une augmentation de la perméabilité à K+, due à l’ouverture des canaux K+ voltage dépendants, qui diffuse du milieu intra cellulaire vers le milieu extra cellulaire, ramenant la polarité initiale de la membrane cytoplasmique et provoquant la disparition locale de la charge négative. Les canaux K+ voltage dépendants restent ouverts un peu plus longtemps, et les ions K+ continuent leur sortie vers le milieu extérieur provoquant une hyperpolarisation. Pour revenir à la répartition initiale des ions Na+ et K+ à travers la membrane cytoplasmique, la cellule utilise la pompe Na+/ K+ qui consomme de l’énergie (ATP) pour faire sortir Na+, et faire entrer K+ contre leurs gradient de concentration.
3- Structure du tissu nerveux
4- Comparaison des réponses du nerf et de la fibre nerveuse
On excite une fibre et un nerf avec un courant d’intensité croissante : I1, I2, I3, I4, I5, I6. L’enregistrement A représente les réponses de la fibre nerveuse et l’enregistrement B celles du nerf
1 – En exploitant les enregistrements, interpréter les résultats obtenus.
1- On constate que lorsqu’on applique les intensités I1, I2, on n’enregistre pas de réponse car ces intensités sont inefficaces (infraliminaires).
Avec une intensité I3, on commence à enregistrer un potentiel d’action: c’est l’intensité seuil ( liminaire ).
Si le seuil est dépassé, deux cas peuvent se produire :
– S’il s’agit d’une fibre nerveuse, la réponse demeure maximale avec la même amplitude : on dit que la fibre obéit à la « loi du tout ou rien ».
– S’il s’agit d’un nerf, l’amplitude de la réponse augmente avec l’intensité de l’excitation. Cependant à partir de I5, l’amplitude reste constante malgré l’augmentation de l’intensité : c’est le phénomène de recrutement, qui est dû au fait qu’un nerf est constitué de plusieurs fibres nerveuses qui n’ont pas toutes le même seuil d’excitabilité. Ainsi une intensité peu élevée permet d’exciter les fibres de seuil faible; un courant plus intense excite les fibres à seuil plus élevé. En fin de compte, l’amplitude maximale de la réponse à partir de l’intensité I5, représente la somme des réponses des différentes fibres qui composent le nerf.
5- Le codage du message nerveux
Pour connaitre se fait le codage du message nerveux, on propose l’expérience suivante :
Dans la peau, on peut observer des des récepteurs sensibles à la pression (mécanorécepteurs) appelés corpuscules de Pacini. L’un d’eux est isolé et placé dans une cuve contenant un liquide physiologique. On applique différentes pressions sur ce corpuscule de Pacini, et on enregistre les réponses de la fibre nerveuse à ces stimulations.
la figure a représente le dispositif d’enregistrement alors que la figure b montre les enregistrements obtenus.
1 – En exploitant les enregistrements, déduire comment se fait le codage du message nerveux.
1- On observe que lorsqu’on applique une pression de 0,2g, il y a absence de potentiel d’action, mais lorsqu’on augmente l’intensité de la pression, la fréquence des potentiels d’action augmente elle aussi, avec la même amplitude quelle que soit l’intensité de la pression exercée. Cela veut dire que l’intensité de la stimulation est traduite par une modulation de la fréquence des potentiels d’action qui se propagent sur la fibre nerveuse.
Le message nerveux est donc codé en fréquence de potentiels d’action.
6- La propagation du message nerveux
On sait que les zones membranaires qui viennent de subir un potentiel d’action sont réfractaires et ne peuvent pas en produire un autre immédiatement. En conséquence, le seul sens de propagation du potentiel d’action est celui qui est opposé à la zone de la membrane qui vient d’être excitée.
6.1. Fibres amyélinisées
Pour les fibres amylinisées, la conduction de l’influx nerveux se fait de proche en proche grâce au courant local.
6.2. Fibres myélinisées
Le manchon de myéline sert d’isolant (absence de canaux à fuite à ions) et la zone myélinisée de l’axone présente une concentration en Na + faible : les PA ne se produisent donc pas les segment de membrane recouvert de myéline.
En revanche, les zones non myélinisées qui sont également riche en canaux Na+ sont des zones excitables et elles sont localisées au niveau des nœuds (étranglement) de Ranvier.
Ainsi, Le PA saute d’un étranglement de Ranvier à un autre, la conduction est alors dite saltatoire.
la conduction saltatoire permet une conduction plus rapide du PA dans la fibre myélinisée par rapport à une fibre amylinisée du même diamètre.
7- La transmission du message nerveux d’un neurone à l’autre (la transmission synaptique)
Des milliards de neurones constituant notre système nerveux sont capables de communiquer les uns avec les autres au niveau de région spécialisées que l’on nomme des synapses, en effet. Cette synapse sera un passage obligé pour la transmission du message nerveux. Elle est appelée :
– Jonction interneuronale (neuro-neuronale) entre 2 neurones.
– Jonction neuro-musculaire entre un neurone moteur (motoneurone) et une cellule musculaire.
– Jonction neuro-glandulaire entre un neurone et une cellule glandulaire.
7 – 1 – L’ultrastructure d’une synapse.
A : Neurone (Présynaptique ) B : Neurone (Postsynaptique)
- Canal calcique voltage dépendant
- Vésicule synaptique contenant le neurotransmetteur
- Fente synaptique
- Récepteur du neurotransmetteur
7 – 2 – Le fonctionnement d’une synapse.
Le document suivant montre des observations au microscope électronique (X 70 000) d’une synapse avant et après stimulation du neurone présynaptique.
1 – A partir du document, décrire les modifications constatées au niveau de la synapse suite à l’arrivée de potentiels d’action sur la fibre nerveuse du neurone présynaptique.
1- On observe que la stimulation du neurone présynaptique a provoquée la migration et la fusion des vésicules synaptiques avec la membrane présynaptique, ce qui va provoquer la libération des neurotransmetteurs contenus dans ces vésicules.
7 – 3 – Les étapes de la transmission synaptique.
Le document ci-dessous et le lien montrent des animations qui résument les étapes de la transmission synaptique.
1 – A partir des documents, dégager les étapes de la transmission synaptique.
1- La transmission synaptique se fait en plusieurs étapes :
– Arrivée d’un message nerveux présynaptique (potentiel d’action )
– L’entrée des ions calcium ce qui provoque la migration des vésicules synaptiques et leur fusion avec la membrane présynaptique.
– Libération et diffusion du neurotransmetteur dans la fente synaptique
– Fixation du neurotransmetteur sur les récepteurs membranaires postsynaptiques et apparition immédiate d’un potentiel d’action postsynaptique
– Séparation du neuromédiateur du récepteur membranaire et son dégradation puis sa recapture par la membrane présynaptique
Il y a plusieurs types de neurotransmetteurs comme : GABA · Glutamate · Acétylcholine · Dopamine · Sérotonine · Adrénaline · Noradrénaline · Ocytocine.
Mais il y a des synapses dans lesquelles la transmission entre le premier neurone et le second neurone n’est pas produite par la sécrétion d’un neurotransmetteur, comme cela se produit dans les synapses chimiques, mais par le passage d’ions d’une cellule à l’autre par des jonctions lacunaires, on les appelle des synapses électriques.