Tutorat Santé de Reims - UE44-EC1 - Physiologie - 2023-2024 PDF

Tutorat Santé de Reims UE44 – EC1 : Physiologie – Grandes fonctions du système nerveux central Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central Fiche de cours basée sur le cours du Professeur Loron...

Tutorat Santé de Reims UE44 – EC1 : Physiologie – Grandes fonctions du système nerveux central Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central Fiche de cours basée sur le cours du Professeur Loron Année 2023 – 2024 Réalisée par les tutrices & les tuteurs du Tutorat Santé de Reims Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. Contact : [email protected] Page 1 sur 16  Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central ORGANISATION FONCTIONNELLE DU SYSTEME NERVEUX CENTRAL AVEC L’ORGANISATION CORTICALE, RESEAUX NEURONAUX, BOUCLE THALAMO-CORTICALE Objectif : Survoler quelques grands principes d’organisation du tissu cérébral avec l’organisation au niveau cellulaire notamment autour du neurone puis l’organisation des grands réseaux au sein du cerveau d’une manière générale. On distingue : Le système nerveux central (en rose sur le schéma) : dans la boite crânienne le cerveau et la moelle épinière dans le canal rachidien qui est fait de l’empilement des différentes vertèbres. Le système nerveux périphérique : système Grandes subdivisions extrêmement diffus dans notre organisme. du système nerveux Initialement du tronc cérébral et de la moelle (épinière) sortent des racines. o Au niveau du tronc cérébral sortent les nerfs crâniens avec 12 paires. o Au niveau de la moelle sortent les nerfs rachidiens (ou spinaux) avec 31 paires. Puis les nerfs vont diffuser dans tout notre organisme vers nos muscles pour la motricité mais également vers nos artères pour la vasomotricité, vers la peau, les viscères puis revenir de tous ces organes vers le système nerveux central pour l’information sensorielle. 2 hémisphères (un droit et un gauche) Un diencéphale qui comprend les régions thalamiques (les deux thalami) et l’hypothalamus (qui est central et médian). Tronc cérébral (situé en dessous) qui est composé : o d’un pédoncule o du pont (=protubérance) o du bulbe (=moelle allongée) Cervelet (en arrière du tronc) La moelle épinière est en dessous et en continuité du bulbe du tronc cérébral. Différentes subdivisions du cerveau Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. 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Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. 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Cellule neuronale Cellule « fragile », très dépendante de son environnement et très gros catabolisme donc elle est dépendante d’un apport continu de nutriment et d’oxygène : ne supporte que quelques minutes d’anoxie (absence d’oxygène) après, elle subit des dommages irréversibles. 86 milliards de neurones dans notre système nerveux 4 zones : o Dendrites o Corps cellulaire o Axone o Bouton synaptique : lieu de connexion avec d’autres neurones Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. Contact : [email protected] Page 4 sur 16  Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central NEURONES : RAPPELS Non myélinisées Prolongements cytoplasmiques avec des petites Dendrites spicules Réception de signaux provenant d’autres neurones connectés (rôle) Lieu de la synthèse protéique ++ Corps cellulaire Cytosquelette (milieu) Contient le noyau Long prolongement cytoplasmique, en plusieurs parties : Cône (zone gâchette) en contact avec le corps Axone cellulaire (lieu de la genèse du potentiel action) 1 seul axone par cellule : ramification Terminaison axonale : bouton synaptique (élargissement et épaississement) Transmission électrique via le potentiel d’action le long de l’axone converti en transmission chimique via un Synapse neurotransmetteur qui est libéré dans la fente synaptique et va se connecter à la membrane post synaptique pour générer un courant électrique de l’autre côté. Les neurones sont des cellules qui présentent un potentiel de repos et une modification possible de ce potentiel de repos grâce à leurs équipements membranaires en canaux qui peuvent laisser entrer ou sortir sélectivement certains ions pour modifier ce potentiel de membrane. Au niveau des dendrites, les signaux qui sont reçus, vont être la source de potentiels post-synaptiques : Potentiels inhibiteurs PPSI s’il y a une hyperpolarisation de la portion de membrane. Transmission de Potentiels excitateurs PPSE s’il y a dépolarisation de la l’influx nerveux portion de membrane. Ces signaux en fonction de leur intensité se propagent plus ou moins le long du dendrite et vont parvenir s’ils sont suffisament puissants au corps cellulaire du neurone. Dans cette portion il n’y a pas de potentiel d’action, il s’agit simplement de dépolarisation locale qui se propage de proche en proche en fonction de leur puissance. Le corps cellulaire reçoit différents potentiels au même moment (différents signaux reçus par différents dendrites) qui s’ajoutent ou s’inhibent = phénomène d’intégration. Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. Contact : [email protected] Page 5 sur 16  Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central NEURONES : RAPPELS Si la somme dans le temps et l’espace de ces différents signaux est suffisament puissante au niveau de la zone gâchette (cône), cela va déclencher l’émission d’un ou plusieurs potentiel d’action. Les potentiels d’action se propagent le long de l’axone : Transmission de l’influx A amplitude constante en suivant la loi du « tout ou nerveux au niveau de rien ». l’axone Propagation unidirectionnelle : vont forcément du corps cellulaire vers la synapse (jamais de la synapse vers le corps) Jusqu’à parvenir au bout de l’axone au niveau du bouton synaptique avec le même nombre et la même amplitude de potentiel d’action qu’au niveau du cône. Lieu de communication entre deux neurones : L’axone se termine par un renflement, le bouton synaptique (présynaptique) La fente synaptique : espace entre les deux neurones qui ne sont pas connectés directement par des protéines membranaires de type gap jonction. L’autre côté, on a le neurone récepteur post synaptique avec un équipement enzymatique de récepteurs particuliers. Quand un potentiel d’action arrive via l’axone au bouton synaptique, il y a libération par exocytose de neurotransmetteurs (prêt à l’avance dans des vésicules) dans la fente synaptique, dont : Glutamate (excitateur) GABA (inhibiteur) Les neurotransmetteurs se lient aux canaux membranaires (récepteurs) post- synaptiques qui provoquent après ouverture l’entrée ou la sortie d’un ou plusieurs ions et vont être à l’origine d’une modification de membrane post-synaptique : potentiel Synapse post-synaptique inhibiteur (PPSI) ou excitateur (PPSE). Les neurotransmetteurs ne restent pas là en permanence ils nécessitent une régulation et sont donc rapidement recyclés voire détruits soit par le neurone présynaptique (recapture) soit par des cellules adjacentes. La transmission synaptique avec cette transmission chimique est plus lente que la transmission électrique le long de l’axone. Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. Contact : [email protected] Page 6 sur 16  Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central NEURONES : RAPPELS Les neurones sont très connectés les uns des autres (nombre considérable) : 86 milliards de neurones dans le système nerveux 10 à 16 milliards de neurones corticaux (dans le cortex) Chaque neurone établit 1000 à 30000 synapses avec d’autres neurones (chez l’Homme) De l’ordre de 1015 synapses Activation de moins de 150 synapses (nombre relativement faible) suffiraient à activer un neurone Puissance de calcul, concentration de réseau colossale Si on combine le nombre de synapse nécessaire par le nombre de neurone sur le nombre de synapse que chaque neurone établit : on a une immense capacité de calcul combinatoire : Estimation de 4.1011 unités de calcul pour le cortex Les neurones ont un circuit évolutif (ø figé), ils sont capables de subir : soit des modifications synaptiques de façon plus ou moins efficace soit établir de nouvelles synapses et de nouveaux réseaux = ce qui est la base de notre capacité d’apprentissage tout au long de notre vie. Modélisation d’un neurone pyramidal (présent dans le cortex), on voit l’arbre dendritique et si on zoome sur les dendrites, on voit qu’ils sont hérissés de spicules qui sont autant de petits prolongements cytoplasmiques : synapses. Quelques chiffres Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. Contact : [email protected] Page 7 sur 16  Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central RESEAUX NEURONAUX Il est encore impossible à l’heure actuelle de faire une cartographie de tous nos réseaux notamment dans le cortex. (manque de résolution et de capacité) mais on connait néanmoins des mini réseaux, d’assemblage de base. Neurones Se projettent hors des petits réseaux locaux principaux Interneurones Neurones qui restent localisés dans les réseaux locaux Ces neurones (principaux et interneurones) sont organisés en circuits : activation rétrograde Quelques inhibition rétrograde circuits simples convergence divergence réverbérant Un neurone principal va communiquer via une synapse avec un neurone de second ordre (= neurone suivant). En général dans les schémas les neurones activateurs sont représentés en blanc (ou en clair). /!\ schéma simplifié à un seul neurone, + complexe avec mille à Exemple 30 mille connexions. de circuit à rétrocontrôle Le neurone principal émet son axone qui se ramifie rapidement, positif une branche est à destination du neurone de second ordre pour l’activer et une branche latérale pour stimuler un interneurone qui reste local. Et cet interneurone va venir exciter le neurone principal ; on a une boucle activatrice appelée rétrocontrôle positif.  inhibition rétrograde Le neurone principal a à nouveau deux branches de ramification, celle principale pour Exemple le neurone de second ordre et celle qui vient exciter un interneurone (en noir) qui de circuit à cette fois-ci est inhibiteur du neurone principal = contrôler l’activation du circuit. rétrocontrôle négatif Un même neurone ne peut pas sécréter à differentes terminaisons axonales des neurotransmetteurs différents. Il envoie le même neurotransmetteur à toutes ses communications. Cette fois-ci, l’interneurone ne va pas inhiber le neurone principal qui l’active mais un neurone voisin. Exemple  Retrouvé dans le système de perception somesthésique pour le sens du de circuit à toucher par exemple. inhibition latérale Donc on va pouvoir priviligier un circuit qui va être activé par rapport aux autres circuits latéraux et augmenter la perception d’un circuit au détriment des circuits voisins. Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. Contact : [email protected] Page 8 sur 16  Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central RESEAUX NEURONAUX Quelques exemples de circuits qui sont assez représentés au niveau du système nerveux central. Exemple Le neurone principal de premier ordre se ramifie et va venir apporter le même de circuit à message sur plusieurs neurones de second ordre. divergence Exemple Plusieurs neurones de premier ordre vont venir apporter le même type de de circuit à message sur un neurone de second ordre. convergence A noter : on a souvent une combinaison avec divergence puis convergence = processus d’amplification du signal. Avec un train de potentiel d’action sur le premier neurone qui va être réparti sur plusieurs neurones de 2e ordre et qui va a se concentrer sur un 3e neurone. (assemblage classique) On voit des neurones de 3 ordres (1e, 2e et 3e) Le neurone de 3e ordre envoie une collatérale vers un interneurone excitateur Exemple qui va venir par rétrocontrole exciter le neurone de 2e ordre et le neurone de de circuit 3e ordre. « réverbérant » Ce circuit permet de faire tourner une activation sur un circuit et est assez représenté au niveau du système nerveux central. Le nombre considérable de neurones s’organisent en petits réseaux au niveau du cortex mais également au niveau des noyaux gris et à d’autres endroits. (revu plus tard) Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. Contact : [email protected] Page 9 sur 16  Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central CORTEX EN 6 COUCHES Modélisation très fine d’IRM cérébrale (site Big brain) Le cortex est la substance grise qui tapisse la surface des hémisphères du cerveau. Elle contient : les corps cellulaires et les dendrites des neurones principaux un nombre considérable d’interneurones La substance blanche est en fait parcourue par les faisceaux des axones de ces neurones Généralités principaux qui vont aller se projeter sur d’autres zones. sur le cortex Plissement cortical (photos de gauche) : Dans les espèces comme les primates les plus évolués, l’Homme, le cortex est très plissé qui permet une augmentation considérable de la surface. Mais par exemple chez les rongeurs le cortex est lisse (contient également 6 couches) 6 couches de cortex individualisables Il mesure environ 2 à 5 mm (en fonction des régions considérées) et il abrite de l’ordre 10 milliards de neurones environs. Organisation en 6 couches du cortex individualisables : Couches I (+ superficielle), II et III : occupées par des réseaux corticaux, locaux. Couche IV : reçoit des connexions des afférences sensorielles qui proviennent de Organisation noyaux plus profonds au niveau du cerveau du cortex (noyau gris) qui apportent des informations des organes de nos sens Couche V : Efférences (émet) vers le tronc cérébral et la moelle Couche VI (+ profonde) : Efférences vers le thalamus (noyaux gris centraux) Il existe aussi des connexions locales avec des fibres horizontales sur les couches I, IV et V. On voit des associations de réseaux locaux et de connexions avec les structures plus profondes. Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. Contact : [email protected] Page 10 sur 16  Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central SPECIALISATION CORTICALE Il existe des zones de ce cortex qui sont spécialisées, on distingue plusieurs régions corticales avec chacune des rôles différents, il y a trois grandes classes : Cortex primaire Cortex secondaire Aire associative /!\ Il ne s’agit pas d’un niveau d’importance mais de l’ordre dans lequel les signaux sont traités. Donc des aires primaires, secondaires et associatives pour nos processus les plus complexes d’associations de perceptions de pensées, d’idéations… Zones corticales très spécialisées, aires qui sont très impliquées dans l’envoi ou la réception des signaux « bruts » : Visuel (aire primaire visuelle reçoit directement les informations provenant de la rétine) Olfactif (aire primaire olfactive) Auditif (aire primaire auditive) Cortex primaires Somato-sensoriel (aire primaire somesthésique reçoit directement les informations de notre proprioception, du toucher) Moteur (aire motrice primaire envoie les informations vers la moelle pour la motricité volontaire) C’est donc le premier ou dernier niveau de communication avec les organes sensoriels (des sens) et le système moteur. C’est le premier niveau d’élaboration, élabore ses réceptions, par exemple pour le cortex Cortex secondaires visuel c’est la capacité à reconnaitre l’orientation ou le déplacement d’une forme…  Associer entre elles les informations sensorielles perçues par les cortex primaires. Ces aires associatives vont associer différentes composantes de nos sensations, on en distingue deux grandes : Aires associatives Pariéto-temporo-occipitale (de grande taille) : intègre les sensations du toucher, de l’audition et de la vision pour nos représentations internes. Préfrontale Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. Contact : [email protected] Page 11 sur 16  Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central BOUCLE THALAMO-CORTICALE Les zones de cortex ne travaillent pas en autonomie, seules elles n’assument pas cette fonction mais elles font partie d’un réseau qui inclut notamment les noyaux gris centraux. Il y a beaucoup de connexions entre les deux. Les différentes régions corticales sont spécifiquement reliées à des portions des noyaux en profondeur (les noyaux gris centraux dont les thalami). On appelle ça les boucles cortico-thalamo-corticales. Il existe véritablement des boucles qui vont du cortex aux thalami et en retour des thalami au cortex de chaque côté. Les deux thalami exercent un rôle activateur/excitateur sur le cortex. Les thalami envoient des connexions vers les couches corticales (couche IV et les couches les plus superficielles) et le cortex en retour envoie des connexions vers le thalami. Il existe plusieurs grandes boucles pour les systèmes notamment moteur, visuel. Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. 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Aire auditive primaire : reçoit les signaux de nos oreilles internes Aire auditive secondaire (entoure l’auditive primaire) : est impliqué dans un premier Lobe temporal assemblage de ces signaux. (en arrière et en bas) Grande aire associative pariéto-temporo-occipitale On retrouvera notamment des aires du langage et des aires associatives impliquées dans nos fonctions de cognition. Aire somesthésique primaire : reçoit l’information de notre proprioception, du toucher et du goût (situé juste en face du sillon central, l’aire motrice primaire). Lobe pariétal Aire somesthésique secondaire (derrière) Grande aire associative pariéto-temporo-occipitale en continuité avec le lobe temporal Aire visuelle primaire Lobe occipital Aires visuelles secondaires Ces distinctions « corticales » ne doivent pas faire oublier qu’il y a en-dessous de grands faisceaux de substance blanche qui relient les zones corticales entre elles et des boucles thalamo-corticales. Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. Contact : [email protected] Page 13 sur 16  Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central SPECIALISATION DROITE/GAUCHE Nous avons une spécialisation droite et gauche de nos hémisphères qui ne sont pas exactement spécialisés de la même façon. Même si les grandes subdivisions entre les aires primaires, secondaires et associatives sont retrouvées à droite comme à gauche, les fonctions qu’elles portent notamment pour les aires associatives ne sont pas exactement les mêmes.  Cerveau est « croisé » Aire motrice primaire qui va commander la motricité de l’hémicorps droit o Plus précis et habile dans la motricité chez 90% des gens (hémisphère gauche dit dominant, individus « droitiers » qui est plus habile en motricité fine au niveau de l’hémicorps droit) Hémisphère gauche Fonction du langage (niveau du lobe temporal gauche) Raisonnement analytique, logique (niveau des aires associatives) Champ visuel droit (niveau du cortex visuel) Piloter la motricité volontaire de hémicorps gauche Raisonnement empirique, émotionnel, artistique, intuition (contraire de Hémisphère droit l’hémisphère gauche, dû aux spécialisations des aires associatives) Champ visuel gauche EN RESUME On a vu des principes d’organisations à deux niveaux, au niveau cellulaire en reprenant quelques principes de fonctionnement du neurone en insistant sur le nombre de ces neurones (8,6.1010). Le neurone est l’unité de base Ces neurones sont articulés en quelques réseaux simpliste locaux (plus complexe dans la réalité), via de très nombreuses connexions entre les neurones via les synapses (1015), modifiables. Et analyser de façon plus globale comment les zones corticales étaient spécialisées et le cortex était organisé en : Aires primaires Aires secondaires Aires associatives Ces zones plus spécialisées sont connectées par des réseaux à plus longue distance : Entre elles (entre zones corticales) Avec noyaux gris centraux profonds notamment les thalami via des boucles thalamo corticales, Vers le tronc cérébral et la moelle o Il y a des informations qui descendent comme le cortex moteur envoie des gros vaisseaux vers la moelle pour notre motricité. Et la moelle remonte des gros vaisseaux pour les informations par exemple de toucher et de proprioception pour aider le cerveau à percevoir notre position dans l’espace. Puis on a terminé avec les spécialisations de ces zones corticales en fonction de la droite et de la gauche avec la plus grande partie des fonctions qui sont croisées comme pour la motricité, le champ visuel et également des fonctions notamment pour nos aires associatives avec le cerveau gauche logique et le cerveau droit émotionnel et empirique. Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. Contact : [email protected] Page 14 sur 16  Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central Auto-évaluation - Séquence 1 - Principes d'organisation fonctionnelle du système nerveux central 1. Relier les aires corticales à leur fonction (chez un individu droitier) : Propositions : langage, champ visuel gauche, motricité volontaire hémicorps droit, motricité hémicorps gauche, champ visuel droit, sensibilité hémicorps droit - Cortex associatif temporo-pariéto-occipital gauche - Aire primaire occipital droite - Aire primaire frontale droite - Aire frontale primaire gauche - Aire primaire occipitale gauche - Aire pariétale primaire gauche 2. Le nombre de couches corticales varie selon la zone corticale considérée - Vrai - Faux 3. Chaque neurone est connecté à un seul autre neurone - Vrai - Faux 4. Des potentiels d'action sont générés au niveau de la membrane post-synaptique - Vrai - Faux 5. Dans les circuits élémentaires, le rétrocontrôle est positif ou négatif selon la fonction activatrice ou inhibitrice de l'interneurone impliqué - Vrai - Faux Réponses : 1. Cortex associatif temporo-pariéto-occipital gauche → Langage Aire primaire occipitale droite → Champ visuel gauche Aire primaire frontale droite → Motricité hémicorps gauche Aire frontale primaire gauche → Motricité volontaire hémicorps droit Aire primaire occipitale gauche → Champ visuel droit Aire pariétale primaire gauche → Sensibilité hémicorps droit 2. Faux 3. Faux 4. Faux 5. Vrai Tutorat Santé de Reims. Tous droits réservés. Contact : [email protected] Page 15 sur 16  Chapitre 1 : Principes d’organisation fonctionnelle du système nerveux central Comment utiliser ce document ? Cette fiche de cours a été réalisée à partir des cours des enseignants. Elle reprend les informations importantes et les points clés. Toutefois, elle ne remplace pas le visionnage du e-learning : c’est une fiche d’aide à la prise de notes. Nous vous conseillons de regarder les cours en annotant ce document. 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