Bases des neurosciences et système nerveux

Bases des neurosciences

• Le cerveau humain est extrêmement complexe en raison de sa connectivité étendue et de son fonctionnement en réseau.

Introduction

• les neurosciences étudient le système nerveux et ses troubles à tous les niveaux, des molécules aux organes.
• Les neurosciences cognitives étudient bases biologiques de la cognition et de l'action (psychologie, anatomie, physiologie, etc.)
• Les neurosciences combinent plusieurs disciplines, dont la psychologie biologique, la psychologie cognitive et la neuropsychologie
• Neurosciences affectives et sociales sont des domaines actuels.

Système nerveux (SN)

• Système nerveux central : protégé par la boîte crânienne et la colonne vertébrale, comprenant l'encéphale et la moelle épinière.
• Système nerveux périphérique : constitué des nerfs crâniens (12 paires) et rachidiens (31 paires).
• Le sillon central divise le cerveau en deux parties principales : le cortex moteur primaire et le cortex somatosensoriel.
• La partie inférieure du cerveau contrôle la partie supérieure du corps, et inversement.

Régions rachidiennes

• Il existe 31 paires de nerfs rachidiens réparties en quatre régions spinales : cervicale, thoracique, lombaire et sacrée.
• Région cervicale : innerve le buste, la tête, le cou, les épaules, les bras et les mains.
• Région thoracique : relie les muscles dorsaux, abdominaux et intercostaux.
• Région lombaire : dessert le bas de l'abdomen, les cuisses et les jambes.
• Région sacrée : innerve les jambes, les pieds, les régions anales et génitales.

Aires cérébrales de Brodmann

• Aires 1, 2 et 3 : impliquées dans les sensations tactiles (somesthésie) ; situées dans le cortex somatosensoriel primaire (lobe pariétal).
• Aire 4 : responsable des mouvements volontaires et du traitement des informations tactiles (pression, chaleur, douleur) ; située dans le cortex moteur primaire (lobe frontal).
• Aires 5 et 7 : impliquées dans la perception sensorielle et la coordination des informations tactiles et spatiales ; situées dans le cortex somatosensoriel secondaire (lobe pariétal).
• Aire 6 : responsable de la planification des mouvements ; située dans le cortex prémoteur et l'aire motrice supplémentaire (lobe frontal).
• Aire 8 : impliquée dans les mouvements des yeux ; située dans les champs oculaires centraux.
• Aires 9, 10, 11 et 12 : responsables des fonctions cognitives supérieures (raisonnement, mémoire de travail, décision) ; situées dans le cortex préfrontal.
• Aire 17 : responsable de la vision primaire (traitement initial des informations visuelles) ; située dans le cortex visuel primaire (lobe occipital).
• Aires 18 et 19 : impliquées dans l'interprétation visuelle (reconnaissance des formes, couleurs, mouvements) ; situées dans le cortex visuel secondaire.
• Aire 22 : responsable de la compréhension du langage parlé et écrit ; située dans l'aire de Wernicke (lobe temporal gauche chez les droitiers, et inversement).
• Aires 39 et 40 : impliquées dans l'intégration sensorielle et le langage (lecture, écriture, calcul) ; situées dans le gyrus angulaire et supramarginal.
• Aires 41 et 42 : responsables de l'audition primaire (sons et fréquences) ; situées dans le cortex auditif (lobe temporal).
• Aires 44 et 45 : responsables de la production du langage ; situées dans l'aire de Broca (lobe frontal gauche).

Les Méninges

• Les méninges protègent le système nerveux grâce à leurs trois membranes.
• Le cerveau comprend quatre ventricules interconnectés (gauche et droit, troisième et quatrième).
• Le liquide céphalo-rachidien présent à l'intérieur des ventricules protège le cerveau des chocs, assure l'élimination des toxines, la circulation des hormones, apporte des nutriments et combat les infections.

Utilité des neurosciences en psychologie

• Comprendre les mécanismes neurobiologiques qui sous-tendent les fonctions psychiques, tels que l'activité mentale et les comportements (sensation, perception, émotions, sentiments, raisonnements, jugement, conscience, sexe, alimentation, etc.).
• Étudier les maladies mentales et les troubles du système nerveux et du comportement, ainsi que le développement normal et pathologique (vieillesse).
• Sensibiliser aux problèmes éthiques soulevés par les avancées des neurosciences.
• Comprendre les bases neurales des comportements complexes.
• Il est de plus en plus possible de modifier les individus en agissant sur leur cerveau (neurotechnologies), ce qui pose des problèmes éthiques et philosophiques.

Éthique spécifique aux neurosciences

• G.Edelman (1992) : Les neurosciences pourraient entraîner une révolution sociale majeure.

Niveaux d'analyse des fonctions mentales (D. Marr)

• Niveau computationnel : analyse formelle et mathématique des problèmes résolus par le système.
• Niveau algorithmique : étude du fonctionnement du système.
• Niveau d'implémentation : étude de l'organisation matérielle et des mécanismes neurobiologiques du système.

Historique du cerveau (Préhistoire - XVIIIème siècle)

• Préhistoire : traces de trépanations et d'autopsies post-mortem datant du Mésolithique (environ 12000 ans).
• Les trépanations étaient réalisées sur des sujets vivants pour soigner les maux de tête, les convulsions et les troubles mentaux, ou pour des rituels magiques.
• Antiquité : les Égyptiens utilisaient un nom propre pour désigner le cerveau, comme le montre un fragment d'un traité de chirurgie datant du XVIIe siècle avant J.-C.
• Les textes égyptiens décrivent 48 cas de blessures à la tête et au cou, avec diagnostic et traitement.

Siège de l'âme (Cœur ou Cerveau ?)

• Deux conceptions s'opposent : les cardio-centristes (le cœur est le siège de l'activité physique) et les cérébro-centristes (le cerveau est le siège de l'activité psychique).
• Aristote considérait que le cœur était la source de la chaleur vitale et que le cerveau servait à refroidir les élans du cœur.
• Hippocrate affirmait que le cerveau était l'organe de l'esprit et qu'une blessure au cerveau pouvait affecter l'activité mentale.

Premiers anatomistes d'Alexandrie

• Hérophile (325-255 av. J.-C.) : a décrit le cerveau, le cervelet et les ventricules, qu'il associe à la psyché ; il distingue les artères/veines et les nerfs moteurs/sensitifs.
• Erasistrate (310-250 av. J.-C.) : a réalisé des études comparatives du cervelet et du cortex cérébral chez différentes espèces et a associé la capacité à courir vite à la taille du cervelet et l'intelligence au degré de gyrification des circonvolutions cérébrales.
• Galien (130-215) : a développé la théorie des humeurs et des esprits animaux, basée sur des vivisections et l'observation des réactions directes observables lors de la section des nerfs.

Théorie des humeurs aqueuses de Galien

• Les nerfs sont des tubes creux dans lesquels circulent des fluides.
• Les sensations et mouvements résultent d'un mélange de quatre humeurs qui circulent dans les ventricules.
• Les esprits vitaux, originaires du ventricule gauche, se transforment en esprits animaux en traversant les artères carotides et le réseau admirable avant d'atteindre les ventricules cérébraux.
• Les Pères de l'Église reprennent les idées de Galien et situent les fonctions cérébrales dans les ventricules.
• Le Moyen-Âge est considéré comme l'âge d'or de la théorie ventriculaire, mais les dissections sont interdites par l'Église, ce qui empêche les avancées.
• La Renaissance marque une redécouverte du corps et du cerveau grâce aux autopsies.
• Vésale (1514-1564) a réalisé des dissections publiques et a décrit précisément les ventricules, les nerfs et les vaisseaux sanguins du cerveau, en distinguant la matière grise de la matière blanche, et a corrélé l'intelligence et le poids du cerveau.

Avancées du XVIIe siècle

• Thomas Willis (1621-1675) : a réalisé des dissections sur des personnes décédées et a développé une théorie corticale, localisant la pensée dans le cortex cérébral.
• René Descartes (1596-1650) : a introduit le dualisme, distinguant l'esprit (substance immatérielle et immortelle) du corps.
• Baruch Spinoza (1633-1677) : a proposé le monisme, considérant le corps et l'esprit comme une seule entité avec deux niveaux d'explication différents.

Électricité Animale

• L'électricité animale : certains poissons produisent, stockent et déchargent de l'électricité ; Galvani (1791) a démontré que les "esprits animaux" sont en réalité de l'électricité.

Naissance de l'électrophysiologie neuronale (1850)

• Mesure de l'activité électrique avec un galvanomètre.
• E.D. Reymond : contractions musculaires = faible courant électrique.
• Hermann von Helmholtz (1821-1894): Appareillage qui permet de mesurer la vitesse de conduction nerveuse.
• Edgar Adrian (1889-1977) : identification de la forme du signal et son rôle dans l'encodage.
• Fréquence des potentiels d'action (PA) = message nerveux.
• Classe de sensation = voie nerveuse spécifique.
• Julius Bernstein (1839-1917) : a proposé que les fibres nerveuses sont polarisées électriquement même au repos (potentiel stationnaire).

Differences de voltage

• La différence de voltage s'explique par le fait que le corps baigne dans du fluide extracellulaire salé qui ne contient pas d'électrons libres pouvant transporter le courant.
• Les lois de la physique et de la chimie expliquent certains aspects du contrôle du comportement et du fonctionnement de l'esprit.
• A. Hodgkin et A. Huxley ont démontré que le potentiel d'action dépend de la quantité d'ions Na+ dans le milieu extérieur de la fibre nerveuse.

PA (Potentiel d'Action en résumé)

• Aucune stimulation si la dépolarisation dépasse -50mV
• Ouverture des canaux Na+ -> dépolarisation jusqu'à +40mV -> repolarisation -> fermeture canaux NA+ -> Ouverture Canaux K+ -> Retour au potentiel de repos
• Si production, le PA se propage.

Maintenir et Remettre PA

• Mise en évidence d'une pompe NA+/K+ par Jens Christian Skou, 1957.
• Cette pompe transporte des ions K+ et NA + ce qui rétablit et nécessité de l'énergie (ATP).
• Échange des ions sodiums et potassiums pour maintenir une charge negative

Les axones myélinisés

• La conduction saltatoire accélère propagation message
• Les PA ne se déclenchent qu'au niveau des nœuds de Ranvier

Activité électriques des nerfs

• R. CATON -> Stimulations sonore et lumineuses associés à l'apparition d'une activité électrique au nv du cortex cérébral
• 1924 -> enregistrement activité cerebrale

structure du cerveau

• La structure du cerveau est : Organes -> Organes, cellules, organites,bactéries -> Cellules bactéries, molécules

Naissance de l'hostologie

• La vie est la mm qualité essentielle qui distingue les organismes vivants des objets non vivants.
• Propriétés essentielles du vivant mentionnées dans les diff définitions : Autoréplication, Evolution, Auto-organisation, Compartimentage, Croissance

En 1858, Louis Pasteur réfute la génération spontanée d'Aristote

• Réfuté que les êtres peuvent naitre diret de la matière inanimée ou en décomposition sans reproduction.

Distinction des 2 types de cellules (E.CHATTON)

• procaryotes et eucaryotes : Différence de tailles, de matériel génétique, et des composants
• Chez Louis Pasteur, il est réfutable que GS = certain êtres peuvent naitre direct de matière inanimée.

Jan Evangelista Purkinje, 1837

• Jan Evangelista Purkinje, 1837 a décrit un neurone après des observations au microscope: le soma et les dendrites.

Neurones

• Otto Deiters: Il décrit le corps cellulaire, des extensions cytoplasmiques, et le cylindre axial
• R. REMAK, 1844 suggère le cortex cérébral = 6 couches neurones, théorie réticulaire

La synapse: Zone de communication entre deux neurones (axodendritique ou axosomatique)

• C. SHERRINGTON introduit ce terme en 1897 et découvre la proprioception
• 1920 et 1er neurotransmetteur: L'acétylcholine

les événements de messages

• Le transmetteur est synthétisé puis stocké dans des vésicules
• Un potentiel d'action envahit la terminaison présynaptique
• La dépolarisation de la terminaison présynaptique provoque l'ouverture des canaux calciques activés par le voltage.
• Entrée de Ca2+ par les canaux
• Les canaux ioniques de la synapse chimique sont activés par un ligand
• Le neurotransmetteur est un peu comme une clé, elle produiera un effet dans celui-ci
• Deux types de canaux ioniques :Canaux ioniques ionotropes et activées par un ligand

Le neurotransmetteur

• ses propriétés : Produit à l'intérieur d'un neurone et retrouvé dans ses boutons terminaux
• Largué à l'arrivée d'un PA, et plus de 100 molécules répondent à ces critères
• La synapse électrique se transmet sans neurotransmetteur, connexion entre neurones pré et post synaptiques: Passage des ions et dépolarisation membranaire
• Intégration post-synaptique: La variation du potentiel de membrane se propage depuis le site d'origine jusqu'aux zones voisines le membrane plasmique.

le neurotransmetteur dépend de:

• type de neurotransmetteur et type de récepteur
• Effet inhibiteur : Ouverture canaux chlore (Cl-) et Hausse de la polarité membranaire