NOTES INTRA 1 - Neurosciences Cognitives - 1978

**COURS 1** **Neurosciences cognitives **=\> Nouvelle discipline à l'intersection de la **science cognitive** et de la **neuroscience** - Applique diverses méthodes de recherche et paradigmes expérimentaux pour développer des **modèles computationnels** des **processus mentaux** et du **...

**COURS 1** **Neurosciences cognitives **=\> Nouvelle discipline à l'intersection de la **science cognitive** et de la **neuroscience** - Applique diverses méthodes de recherche et paradigmes expérimentaux pour développer des **modèles computationnels** des **processus mentaux** et du **comportement** \-\-- En **1978**, **G.A. Miller** a soumis une demande à la Alfred P. Sloan Foundation pour créer un programme de subvention favorisant l'interdisciplinarité, qu\'il appelait la science cognitive. - Cette demande a été acceptée, et **Michael S. Gazzaniga** a reçu une des plus petites subventions de ce programme pour développer la neuroscience cognitive. L'expression **« neuroscience cognitive »** a émergé à cette époque, **à la fin des années 1970**. - Plus précisément, comme le mentionnent Gazzaniga, Ivry et Mangun dans Cognitive Neuroscience: The Biology of the Mind : « One of us (M.S.G.) was riding with the great cognitive psychologist Georges A. Miller on the way to a dinner meeting at the Algonquin Hotel. The dinner was being held for scientists from Rockefeller and Cornell universities, who were joining forces to study how the brain enables the mind --- a subject in need of a name. Out of that taxi ride came the term, cognitive neuroscience \[...\] And so the term took hold in the scientific community. » **Michael S. Gazzaniga** est un psychologue qui a fait son doctorat sous la direction de Roger Sperry à Caltech au début des années 1960. Roger Sperry, neurobiologiste --- ou plutôt neuroscientifique aujourd'hui ---, a reçu le prix Nobel de physiologie en 1981 pour ses travaux sur les patients « split-brain ». **George A. (Armitage) Miller** est un psychologue et l'un des fondateurs de la psychologie cognitive puis de la science cognitive. Ensemble, ils incarnent parfaitement ce qu'est la neuroscience cognitive : l'intersection de la neuroscience, de la science cognitive et de la psychologie. **Structuralisme** - **1879:** **Wilhelm Wundt** crée le premier laboratoire de psychologie scientifique à Leipzig - Influencé par le mouvement des « élémentistes » - E.g. la matière peut être comprise en termes de la structure moléculaire la constituant. - Technique introspective - E.g. Qu'est-ce qu'une pomme? Sucré, rond, croquant, tiède, etc \-\-- - Étude scientifique des **processus mentaux et du comportement**, née en Allemagne au 19e siècle. **Pionniers :** **Hermann Ebbinghaus** : Connu pour la loi de l\'oubli. **Hermann von Helmholtz** : Théoricien de la théorie trichromatique de la couleur, une avancée qui a notamment permis le développement des écrans d\'ordinateur. Il a aussi développé le concept de l\'inférence inconsciente, parmi d\'autres contributions. Un véritable génie universel, Helmholtz était à la fois physicien, philosophe et neuroscientifique avant l\'heure, une figure rare en raison de l\'ampleur des connaissances dans chacune de ces disciplines. **Ernst Heinrich Weber** : Auteur de la loi de Weber, stipulant que le plus petit changement perceptible dans l'intensité d'un stimulus est proportionnel à son intensité initiale. **Gustav Theodor Fechner** : Connu pour la loi de Weber-Fechner, selon laquelle la perception est proportionnelle au logarithme de l\'intensité du stimulus. Il est souvent considéré comme le père de la psychophysique. **Les gestaltistes :** **Max Wertheimer** : Découvreur du mouvement apparent ou effet béta --- fondement du cinéma. **Kurt Koffka** : Célèbre pour avoir formulé l\'axiome emblématique de la Gestalt : « Le tout est différent de la somme des parties. » **Wolfgang Köhler** : Étudiait la résolution de problèmes chez les chimpanzés **Behaviorisme** - **John B. Watson** publie « Psychology as the Behaviorist Views It » (1913) - La science doit être basée sur des **phénomènes observables** - les émotions, la conscience, la perception, la mémoire, les raisonnements sont exclus - Manipuler les stimuli (S) et mesurer les réponses (R) - Étude de l'association entre S et R - Deux principaux mécanismes - Conditionnement classique (S -\> R) - Conditionnement opérant (R -\> S) \-\-- **John B. (Broadus) Watson** Watson a étudié à l\'Université de Chicago sous la tutelle de John Dewey, le célèbre philosophe pragmatique américain. Il s\'inspirait des théories des empiristes anglais, notamment Francis Bacon, Thomas Hobbes, John Locke et David Hume. Il est particulièrement connu pour l\'expérience du **« petit Albert »**, menée avec **Rosalie Rayner** à l\'Université Johns Hopkins. Cette expérience portait sur le conditionnement de la peur, en utilisant un rat comme stimulus conditionné, et démontrant une généralisation de cette peur à d\'autres stimuli, comme un lapin. Watson est également associé à l\'idée controversée, aujourd\'hui largement remise en question en neurosciences cognitives, que l\'esprit humain est une « tabula rasa » : \"Give me a dozen healthy infants, well-formed, and my own specified world to bring them up in and I\'ll guarantee to take any one at random and train him to become any type of specialist I might select -- doctor, lawyer, artist, merchant-chief and, yes, even beggar-man and thief, regardless of his talents, penchants, tendencies, abilities, vocations, and race of his ancestors.\" (J. B. Watson) Il appliqua ces principes à l\'éducation de ses quatre enfants, issus de deux mariages. Tragiquement, trois d\'entre eux ont tenté de se suicider, et l\'un d\'eux a réussi. Sa petite-fille, l\'actrice Mariette Hartley, attribuait ses propres troubles mentaux, notamment son trouble bipolaire, aux méthodes éducatives rigides de son grand-père. **Ivan Pavlov** était un médecin et physiologiste russe, lauréat du prix Nobel de physiologie en 1904. Dès 1889, Pavlov a mené des recherches sur la salivation des chiens dans le cadre d\'un programme sur la digestion. Il effectuait une incision dans la joue des chiens et insérait un tube pour recueillir la salive produite par leurs glandes salivaires. Ensuite, il introduisait de la viande en poudre dans la gueule des chiens et observait leur réaction. Il remarqua que, après plusieurs essais, un chien se mettait à saliver avant même d\'être nourri, simplement en voyant la pièce où il était habituellement nourri, le plat contenant la nourriture, la personne qui la lui donnait, ou même en sentant l\'odeur de la viande. Pavlov a nommé ce phénomène réflexe conditionné, également connu sous le nom de **réflexe de Pavlov**. Pavlov s'est consacré à l'étude de ce phénomène pour le reste de sa carrière, posant ainsi les bases du **conditionnement classique**, un concept fondamental en psychologie. Avant le conditionnement : Stimulus neutre → Aucune réponse Stimulus inconditionnel → Réponse inconditionnelle Pendant le conditionnement : Stimulus neutre + Stimulus inconditionnel → Réponse inconditionnelle Après le conditionnement : Stimulus conditionné → Réponse conditionnée **B. F. (Burrhus Frederic) Skinner** Après avoir obtenu une licence en littérature anglaise au Hamilton College en 1926 (et avoir écrit un roman de science-fiction intitulé « Walden 2 », en réponse au « Walden » du philosophe américain Thoreau), Skinner décide de poursuivre des études en psychologie à l\'Université Harvard, où il obtient un doctorat en 1931. Il y retourne en 1948 et y poursuit sa carrière jusqu\'à sa retraite en 1974. Sa contribution théorique principale est le **conditionnement opérant**. Alors que le conditionnement classique entraîne une réponse par la manipulation des stimuli, le conditionnement opérant forme une réponse en manipulant les contingences de renforcement ou de punition. Il a en réalité développé la **loi de l\'effet d\'Edward Thorndike (1911),** un autre psychologue américain de l\'Université Columbia : une réponse est plus susceptible d\'être reproduite si elle entraîne une satisfaction pour l\'organisme et d\'être abandonnée si elle provoque une insatisfaction. Pour étudier le conditionnement opérant, Skinner a utilisé la célèbre « boîte de Skinner » **Renforcement :** Conséquence d\'un comportement qui rend ce comportement plus probable à se reproduire. **Punition :** Conséquence d\'un comportement qui rend ce comportement moins probable à se reproduire. Ces conséquences peuvent être : **Positives :** ajout d\'un stimulus agissant sur l\'organisme. **Négatives :** retrait d\'un stimulus agissant sur l\'organisme. Exemples : Renforcement positif : votre colocataire fait sa part du ménage → vous écoutez ses plaintes au sujet de son ou sa partenaire. Renforcement négatif : votre colocataire fait sa part du ménage → vous arrêtez de faire jouer de la musique qu'il ou elle déteste. Punition négative : votre colocataire ne fait pas sa part du ménage → vous arrêtez de faire ses biscuits préférés. Punition positive : votre colocataire ne fait pas sa part du ménage → vous laissez vos chaussures malodorantes dans l\'entrée de l\'appartement. Article de G.A. Miller (2003) à lire : Une histoire de la naissance de la science cognitive par l\'un de ses principaux acteurs. À ce symposium du « Special Interest Group in Information Theory » participent : George A. (Armitage) Miller (qui parle du chunking), John Swets et Theodore Birdsall (qui traitent de l'application de la théorie de détection de signal à la perception), Noam Chomsky (qui présente ses travaux sur les structures syntaxiques), Alan Newell et Herbert Simon (qui dévoilent leur Human Problem Solver ; Simon recevra le prix Nobel d'économie en 1978), Nat Rochester (qui discute de ses simulations computationnelles de la théorie des assemblées cellulaires de Donald Hebb). Mais 1956, c'est aussi : Jerome Bruner, Jackie Goodenough et George Austin qui publient « A Study of Thinking », George A. Miller qui publie son article « The Magical Number 7 Plus or Minus 2 », John McCarthy et Marvin Minsky (qui fonderont le AI Lab au MIT en 1959) qui organisent un atelier sur l'intelligence artificielle à Dartmouth College. Je note que **Marvin Minsky,** bien qu\'il soit décédé en 2016, a récemment fait parler de lui dans les médias en raison de son amitié avec Jeffrey Epstein. Minsky a été accusé d\'avoir eu des relations sexuelles avec des mineures chez Epstein. En 2019, Joi Ito, alors directeur du Media Lab du MIT, a démissionné après avoir menti sur les dons importants qu\'Epstein avait faits au Media Lab, même après qu\'Epstein ait été déclaré délinquant sexuel en 2013. Plus récemment, Melinda Gates aurait demandé le divorce de son mari, Bill Gates, après 27 ans de mariage, en partie à cause de son amitié avec Epstein. Autre événement majeur de cette période : **Noam Chomsky** publie en **1959** sa critique du livre « Verbal Behavior » de B.F. Skinner. Pour beaucoup, cette critique marque la fin du behaviorisme. La science cognitive a été multidisciplinaire, voire interdisciplinaire, dès ses débuts. Étude du traitement de l'information associé avec des fonctions mentales comme la perception, la mémoire et la prise de décision. On connaît **Alan Turing** grâce au film The Imitation Game, qui retrace ses efforts pour briser le code « Enigma » utilisé par la marine allemande pendant la Seconde Guerre mondiale. Ce film est basé sur la biographie de Turing intitulée « Alan Turing: The Enigma », écrite par Andrew Hodges. Turing est également connu pour le prix Turing, souvent considéré comme le Nobel de l'informatique, créé en 1966 et décerné en 1969 à Marvin Minsky. Parmi les récipiendaires du prix en 2019 se trouve Yoshua Bengio de l'Université de Montréal. En 1936, Turing démontre que certains énoncés mathématiques sont « indécidables », c'est-à-dire qu'il n'existe pas de procédure mécanique -- une machine \-- capable de déterminer si ces énoncés sont vrais ou faux en un nombre fini d'étapes, dans son article « On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungs problem ». Le problème de la « décidabilité » des mathématiques faisait partie des problèmes les plus importants à résoudre énoncés par David Hilbert en 1928. Turing imagine non pas une machine matérielle, mais un « être calculant », qui peut être un appareil logique très simple ou un humain appliquant des règles de manière disciplinée --- comme le faisaient les employés des bureaux de calcul ou les artilleurs de l'époque. Cette machine abstraite est appelée la **« machine de Turing ».** Turing introduit également le concept de « machine universelle de Turing », une machine capable d'accomplir les tâches de n'importe quelle autre machine, ce qui a conduit, entre autres, au développement de l'ordinateur programmable. L'idée sous-jacente est que tout ce qui est « calculable » ou pensable par un humain l'est aussi par une machine de Turing. C'est la thèse de Church-Turing. En science cognitive, des scientifiques de toutes les disciplines ont fait de la thèse de Church-Turing leur cri de ralliement. L'esprit humain est désormais compris comme une machine de Turing, c'est-à-dire qu'une théorie en science cognitive devient une machine de Turing ou, ce qui revient au même, un programme d'ordinateur. C'est le cas du « Human Problem Solver » de Newell et Simon ou des automates de Chomsky. Au départ, on se trouve dans l'état 0 et la tête de lecture-écriture occupe une position donnée. Bien que cela ne soit pas nécessaire, pour simplifier la liste des quintuplets, nous ajouterons un symbole d'arrêt --- « f » pour « fin ». Lorsque la tête de lecture-écriture lit ce symbole, elle s'arrête. \*une machine de Turing a un quintuplet et une condition donnée -- peut pas avoir deux quintuplets identiques \*peut voit condition-conséquence comme si... alors... \*la machine est dans l'état 0, elle lit 0 alors elle écrit 1, elle va à droite et tombe (de nouveau) dans l'état 0 Quel est le lien entre le cerveau et la thèse de Church-Turing ? En **1943, Warren S. (Sturgis) McCullough et Walter Pitts** montrent dans un article intitulé « A Logical Calculus of the Ideas Immanent in Nervous Activity que des **réseaux de neurones (simplifiés) sont équivalents à des machines de Turing**. Ils ont, en quelque sorte, créé un pont entre la neuroscience et la science cognitive, 35 ans avant l'heure ! Nous avons donc tous les éléments théoriques nécessaires à la naissance de la neuroscience cognitive. **COURS 2** **Orientation anatomique** **Antérieur ou rostral (rostrum** = bec en latin): vers l'avant, le nez. **Postérieur ou caudal (cauda** = queue en latin): vers l'arrière, la queue. **Ventral**: vers le bas, vers le ventre **Dorsal**: vers le haut, vers le dos - Il est important de toujours visualiser le SNC de l'humain comme s'il était dans la position pour faire des pompes comme l'animal, quand on utilise ces termes. **Ligne médiane** : La ligne de partage, lorsqu'on regarde le SNC du dessus. - **Médian**: les structures les plus proches de la ligne médiane sont qualifiées de médianes. - **Latéral**: les structures qui sont plus éloignées de la ligne médiane sont qualifiées de latérales. (E.g.: le nez occupe une position médiane par rapport aux yeux et ceux-ci sont médians aux oreilles) **Ipsilatérales**: structures qui sont du même côté de la ligne médiane l'une par rapport à l'autre **Controlatérales**: structures qui sont de côtés opposés de la ligne médiane **Plan de coupe** Même si on peut faire un nombre infini de coupes, on réalise habituellement des coupes parallèles à l'un des trois plans anatomiques suivant: **sagittal,** **coronal** ou **horizontal**. **[Plan sagittal (de « sagitta » qui veut dire « flèche] » en latin)/longitudinal** : le plan de coupe traverse le sujet verticalement dans le sens antéro-postérieur, comme le ferait une flèche tirée par l'observateur) : - Quand on sépare le cerveau on deux parties égales on parle alors d'un plan de **coupe médiosagittal**. - Les coupes qui seront effectuées parallèlement à cette coupe seront sagittale: médiosagittal si s'approche de la ligne médiane, parasagittal si s'approche des côtés. Les deux autres plans sont **perpendiculaires** au plan de coupe sagittal et aussi l'un par rapport à l'autre. **[Plan horizontal/axial/transversal]**: est parallèle su sol. Par exemple, un plan qui passe par les yeux et les oreilles à la fois. Ce plan divise le cerveau en partie dorsale et ventrale. [**Plan coronal/frontale** (qui est relatif à une couronne)]: est perpendiculaire aux deux autres. Par exemple, un plan coronal passera par les deux yeux ou les deux oreilles, mais pas les deux à la fois. Ce plan sépare le cerveau en partie antérieure et postérieure. **Système nerveux central (SNC) :** encéphale et moelle épinière dans des structures osseuses (boîte crânienne et colonne vertébrale). - Encéphale protégé par boîte crânienne et moelle épinière est protégée par la colonne vertébrale - À l\'inverse du SNC, le SNP n\'est pas protégé par les os du crâne et de la colonne vertébrale ; il n\'est pas non plus protégé par la barrière hémato-encéphalique qui assure l\'isolation du SNC. **Système nerveux périphérique (SNP):** - Système somatique (somatosensoriel et somatomoteur) - Système autonome (ou viscéral) **Encéphale** (ou **cerveau**) : Possède 3 composantes chez tous les mammifères : 1. **Télencéphale** (principalement le **cortex cérébral** et les **ganglions de la base**) avec deux hémisphères cérébraux impliqués dans les sensations et les mouvements surtout des membres et des organes sensoriels **controlatéraux**. - Hémisphères séparés par **la scissure interhémisphérique (ou sillon cérébral longitudinal)** - Exemples : aire 4 (aire moteure primaire), aire 3 (aire somatosensorielle primaire) Contre-exemples : hémirétines, pas les yeux, projettent controlatéralement vers V1) - Mais aussi dans la pensée abstraite, les fonctions exécutives, le raisonnement, la mémoire, etc. 2. **Cervelet** : avec ses deux hémisphères, impliqués entre autres dans le mouvement des membres **ipsilatéraux** 3. **Tronc cérébral** : relais information de la moelle au cerveau et au cervelet et vice-versa. Contrôle certaines fonctions vitales comme respiration, température du corps, etc. Partie la plus primitive et la plus vitale du cerveau. Le **tronc cérébral** comprend le **diencéphale** (**thalamus** et **hypothalamus**), le **mésencéphale**, le **pont** et le **bulbe**. \*le tronc cérébral ne comprend pas le diencéphale (modification) **Moelle épinière** : Voie de transfert d'information sensorimotrice. **Système nerveux somatique** Supposons : structure A --\> structure B. On dit que l'axone qui relie les deux structures est une **afférence** (du latin « apporter vers ») de la structure B et qu'il est une **efférence** (« apporter de ») de la structure A. Par exemple, les fibres motrices sont des efférences du SNC alors que les fibres sensorielles sont des afférences du SNC. - **Nerfs spinaux** quittent la moelle épinière par des ouvertures entre les vertèbres de la colonne vertébrale. Ceux-ci appartiennent au SNP. (Jusqu'au début du 19^ième^ siècle on ne savait pas si l'information circulait à double-sens dans les fibres nerveuses. Les colonnes de la matière blanche de la moelle épinière.) Axones moteurs émergent de la partie ventrale de la moelle épinière (**Charles Bell**, médecin écossais). Corps cellulaires font partie du SNC et les axones pour l'essentiel du SNP somatique. (\*Découvert en sectionnant des nerfs chez les animaux -- étudier un comportement moteur facile chez les animaux -- ça parait si l'animal est paralysé) Axones sensoriels émergent de la partie dorsale de la moelle (**François Magendie**, physiologiste français). Corps cellulaires rassemblés à l'extérieur de la moelle dans les **ganglions des racines dorsales** ou ganglions rachidiens (1 ganglion rachidien par nerf spinal ou rachidien). Donc corps cellulaires et axones font partie du SNP somatique. 31 paires de nerfs spinaux (**8 cervicaux**---numéroté de 1 à 8 de rostral à caudal---**12 thoraciques**, **5 lombaires**, **5 sacrés** et **1 coccygien**) En plus, **12 nerfs crâniens** identifiés par un numéro romain (de rostral à caudal) et un nom (e.g. nerf crânien III ou nerf oculomoteur) et qui origines du tronc cérébral. Font partie du SNP à l'exception du nerf crânien II ou nerf optique (composé des axones des cellules ganglionnaires de la rétine) qui fait partie du SNC. (i.e. nerf crânien II---ou optique---et nerf crânien III---ou oculomoteur). **Système nerveux autonome** Les cibles du SNA couvrent toutes les régions du corps : glandes sécrétrices (salivaires, sudoripores, lacrimales, et diverses glandes sécrétant du mucus) cœur et les vaisseaux sanguin (contrôle de la pression artérielle et le flux sanguin)  bronches dans les poumons pour s'adapter aux besoins énergétiques  fonctions digestives et métaboliques du foie, du tractus gastro-intestinal et du pancréas  fonctions du reins, de la vessie, du gros intestin et du rectum  joue un rôle essentiel dans la réponse sexuelle des organes génitaux et de la reproduction  interagit avec le système immunitaire **Système sympathique :** Préparation à la réponse de lutte ou de fuite (fight or flight). **Système parasympathique **: Les deux systèmes ont des effets généralement opposés. E.g. le **système sympathique augmente le rythme cardiaque** et le **système parasympathique le diminue**. Ou encore le **système sympathique inhibe les muscles lisses du tractus gastro-intestinal** et le **système parasympathique les excite**. Mais il y a des exceptions : certains organes ne sont pas doublement innervés : les glandes **sudoripores** et les **vaisseaux sanguins** ne sont excités que par le **système sympathique**; alors que **les glandes lacrimales** ne sont innervées (excitatrices) que par le système **parasympathique**. Méninges (du grec « recouvrir ») se trouvent entre la boîte crânienne ou la colonne vertébrale et le SNC : **Dure-mère :** - A l'aspect du cuir. - **Espace sous-dural** où peut s'accumuler le sang de vaisseaux sanguins de la dure-mère rompus. Hématone sous-dural. Doit être drainé. **Membrane arachnoïdienne :** - **Liquide céphalorachidien** (ou **liquide cérébro-spinal**) dans **espace sous-arachnoïdien**, entre la membrane arachnoïdienne et la pie-mère. **Pie-mère :** - Fine membrane adhérant fortement à la surface du cerveau et de la moelle épinière. L\'**espace épidural**, aussi appelé espace **péridural** ou **extradural**, est une zone située entre d\'une part, les méninges qui enveloppent la moelle épinière, et d\'autre part, la cavité osseuse constituée par le canal vertébral. Il contient de la graisse, des filaments fibreux, des vaisseaux sanguins et lymphatiques et des rameaux nerveux. Cet espace peut être utilisé en médecine pour l\'injection de médicament, notamment au cours de l\'anesthésie épidurale, à laquelle on a parfois recourt pendant l'accouchement. **Système ventriculaire** - Cavités et canaux remplis de **liquide céphalorachidien (LCR) ** - Protège le cerveau qui flotte dans le LCR. Absorbe les chocs. - Système ventriculaire est aussi très utile pour se repérer anatomiquement. Le LCR est produit par le **plexus choroïde** dans les **ventricules latéraux du cerveau**. S'écoule vers le **tronc cérébral par une série de cavités**. Entre cervelet et tronc cérébral : cavités par lesquelles passe le LCR et **s'infiltre dans l'espace sous-arachnoïdien **: Là le LCR est absorbé par des vaisseaux sanguins via les **villosités arachnoïdiennes**. Si l'écoulement est interrompu, il y a un risque d'**hydrocéphalie** et de lésions, surtout chez l'adulte. Traitement : tube inséré dans les ventricules latéraux par un trou dans le crâne. Le surplus est drainé normalement dans la **cavité péritonéale** (**entre les deux couches du péritoine** qui recouvre les **organes contenus dans l'abdomen** --- foie, pancréas, rate, estomac, intestin grêle, etc.) **La neurulation** Au début l'embryon se présente sous forme de **disque plat** formé de l'**endoderme** (**viscères**), **mésoderme** (**muscles et squelette**) et de l'**ectoderme** (**peau et système nerveux**). **Neurulation** : le processus par lequel la plaque neurale (puis la gouttière neurale) devient le **tube neural**. Se produit entre **22ième et 23^ième^ journée de gestation** chez l'humain. a\) La plaque neurale dans l'ectoderme et deviendra le système nerveux tout entier. b\) Gouttière neurale se forme. c\) Les parois de la gouttière se rejoignent pour former le tube neural**.** D'abord **au milieu, ensuite antérieurement et finalement postérieurement**. \*Si pas fermé au niveau caudal : **spina bifida** (du latin « fendu à deux endroits »). 1 naissance/500. Dans la plupart des cas (\~90%) à cause d'une carence en acide folique, une vitamine, dans l'alimentation de la mère. (Au niveau rostral : **anencéphalie**---toujours mortelle.) d\) Une portion de l'ectoderme neural est repoussé à l'extérieur du tube neural --- c'est la **crête neurale** qui est à l'origine du SNP. **Les trois vésicules primitives du cerveau** Le processus par lequel les structures deviennent plus élaborées et se spécialisent au cours du développement s'appelle la **différentiation**. Toutes les cellules du système nerveux se forment sur les parois intérieures du tube neurale ---dans la **zone ventriculaire**---avant de migrer vers l'extérieur et de se différentier en neurones (toutes sortes) ou en cellules gliales. Cellules souches neurales (cellules multipotentes, non-différentiées). Des facteurs de transcription activent certains gènes et en désactivent d'autres. La première étape de cette différentiation du cerveau est le développement à l'extrémité rostrale du tube neural de 3 renflements--- les **vésicules primitives**. **Prosencéphale** ou **cerveau antérieur** (« en avant du cerveau », en grec) : Deviendra le **télencéphale** et le **diencéphale**. **Mésencéphale** ou **cerveau médian**. **Rhombencéphale** ou **cerveau postérieur** : Communique avec le tube neural postérieur qui va donner naissance à la moelle épinière. **Différenciation du cerveau antérieur** Des vésicules secondaires bourgeonnent de chaque côté du prosencéphale : les **vésicules télencéphaliques** et les **vésicules optiques** Entre les deux bourgeonnements : le **diencéphale**. **Vésicules optiques** croissent et se replient vers l'intérieur et deviennent les **pédoncules optiques** (qui deviendront les **nerfs optiques**) et les **coupelles optiques** (qui deviendront à leur tour les **rétines**). Donc appartiennent au SNC pas SNP. Les **vésicules télencéphaliques** forment ensemble le **télencéphale**. 1. Se développent postérieurement et latéralement. 2. Cellules des parois du télencéphale se divisent et se différentient de plus en plus en formant diverses structures. 3. Bulbe olfactif bourgeonne ventralement. 4. Substance blanche se développe aussi. Axones projetés depuis et vers le télencéphale. Différenciation du télencéphale et du diencéphale : - **Télencéphale** se différentie en 2 structures : 1. **Cortex cérébral** (structure la plus développée chez l'homme) 2. **Télencéphale basal** (qui deviendra les **ganglions de la base** impliqués dans le contrôle du mouvement et aussi dans la prise de décision). Mais aussi l'**amygdale** (l'émotion de la peur) - **Diencéphale** se différentie en 2 structures : 1. **Thalamus** (du grec thalamus qui veut dire « chambre intérieure »; relais de l'information visuelle, auditive et somatosensorielle) 2. **Hypothalamus** (contrôle système nerveux autonome, homéostasie---e.g. thermorégulation---motivation, agressivité). Matière blanche : **Substance blanche corticale** qui représente les axones qui naissent ou se projettent dans le cortex cérébral. **Corps calleux** : en continuité avec la substance blanche corticale. Pont axonal entre les hémisphères du cortex cérébral. **Capsule interne** : relie cortex cérébral au thalamus et à d'autres structures du tronc cérébral dans les deux sens. Par exemple, la douleur causée par l'enfoncement d'une punaise dans le pied droit sera transmise au thalamus gauche qui la transmettra au cortex cérébral gauche via la capsule interne. Cette information sera ensuite transmise à l'hémisphère droit via les corps calleux. Le cortex cérébral gauche commandera aux muscles fléchisseurs de la jambe droite de se contracter via la capsule interne en empruntant le faisceau corticospinal. Troisième ventricule** :** Repère important pour se retrouver dans le cerveau **Différenciation du mésencéphale** Surface dorsale : **tectum** (du latin « toit ») (**collicules supérieures** ---contrôle mouvements oculaires via nerfs crâniens III et IV---et **inférieures**---impliquées dans l'audition) Surface ventrale : **tegmentum**. Comprend **substance noire (substantia nigra)** et **noyau rouge**, impliqués dans le contrôle des mouvements volontaires. Mais aussi des noyaux comme l'**aire tegmentale ventrale** impliqués dans l'humeur, la motivation, le plaisir, la conscience et la prise de décision. **Aqueduc cérébral** : son aspect circulaire et étroit en fait un repère anatomique important. Beaucoup d'axones entre cortex cérébral et moelle épinière. Aussi des neurones impliqués dans les systèmes sensoriels, contrôle du mouvement, etc. **Différentiation du cerveau postérieur rostral (métencéphale)** Cerveau postérieur se différentie en 3 structures importantes : 1. **Cervelet** (rostralement et dorsalement) 2. **Pont** (rostralement et ventralement) On parle du **métencéphale**. 3. **Bulbe rachidien** (caudalement---on parle du **myélencéphale**) Ici on voit la différentiation du **métencéphale** : **Quatrième ventricule.** **Cervelet** (le petit cerveau) impliqué dans le contrôle ipsilatéral du mouvement volontaire. Mouvement désordonnés et inadaptés suivant une lésion du cervelet. Représente environ 10% du cerveau mais contient autant sinon plus de neurones que toutes les autres structures du cerveau mises ensembles. **Pont** : 90% des 20 millions de neurones descendant du mésencéphale font synapse dans le pont. Celui-ci envoie l'information au cervelet controlatéralement. Une grande partie des axones ne se terminant pas dans le pont continuent jusque dans la portion caudale du rhombencéphale et aboutissent dans la pyramide bulbaire---ce sont les axones du **faisceau corticospinal** ou **faisceau pyramidal**. (On parle aussi de la **voie corticosinale**.) **Différentiation du cerveau postérieur caudal (myélencéphale)** **Bulbe ou bulbe rachidien** (medulla en anglais) **Pyramide bulbaire** : **Décussation** des pyramides. Le **faisceau corticospinal** (ou **faisceau pyramidal**) croise d'un côté à l'autre de la **ligne médiane** à ce niveau. La **région bulbaire** contient aussi des noyaux comme les **noyaux cochléaires**, impliqués dans l'audition et qui projettent vers le colliculus inférieurs du tectum mésencéphalique. **Quatrième ventricule** prend une forme très caractéristique. **Différenciation de la moelle épinière** **Canal spinal** Matière blanche : **colonnes dorsales, ventrales et latérales** Matière grise ressemble à un papillon : **cornes ventrales**, **cornes dorsales** et **zones intermédiaires** (contiennent des interneurones impliqués dans des réflexes comme le réflexe rotulien). **Poids du cerveau humain** Change au cours de la vie sans cesse (à cause de la myélinisation, de la synaptogénèse, et de l'élagage synaptique). Mais à **2 ans le cerveau pèse 80%** du poids du cerveau adulte et **à 5 ans pèse 90%** du poids du cerveau adulte Atteint un maximum vers la fin de l'adolescence. Poids adultes : \~**1.4 kg pour les hommes** et \~**1.3 kg pour les femmes**. Clairement le volume du cerveau n'est pas un bon indice des habiletés cognitives! Il faut tenir compte de la taille du corps aussi... E.g. plus gros -\> plus de peau -\> plus de récepteurs somatosensoriels, plus de muscles pour bouger le corps -\> plus de cerveau nécessaire pour traiter cette information. **Allométrie** (du grec « allo », qui veut dire « autre ») : terme créé en 1936 par **Julian Huxley** et **George Teissier** en tant que désignation conventionnelle en biologie des phénomènes de **croissance différentielle d\'organes**, de tissus ou d\'activité. L'idée derrière les mesures allométriques est que la relation reflète la machinerie neurale nécessaire au maintien d'un corps d'une certaine taille. Toute déviation positive---allométrie positive---donne la possibilité à l'animal d'utiliser du tissu nerveux à d'autres fins---e.g. de plus grandes habiletés cognitives. **L'allométrie positive** est une croissance relative plus rapide d'une partie d'un organisme par rapport à la croissance globale de cet organisme ou de d'autres organismes. **L'allométrie négative** est une croissance relative moindre d'une partie d'un organisme par rapport à la croissance globale de cet organisme ou de d'autres organismes. **L\'isométrie** est une croissance relative d'une partie d'un organisme identique à la croissance globale de cet organisme ou de d'autres organismes. Chez les mammifères placentaires (modernes) la relation allométrique est plus homogène. Les humains ont clairement une allométrie positive---à cause de la taille résiduelle de leur cerveau---par rapport aux autres mammifères placentaires ou même aux autres primates (points noirs). L'allométrie peut faire intervenir une partie du cerveau par rapport aux autres... **Particularités du cerveau humain** **Similarités** : toutes les structures dont nous avons parlées se retrouvent chez l'homme. **Dissimilitudes** : Comme nous l'avons déjà vu, une allométrie positive poids encéphale/poids corps par par rapport aux autres mammifères. Mais d'autres « allométries », pas toujours positives. 1\) Relativement petite taille du bulbe olfactif chez l'humain. 2\) Circonvolutions à la surface du cerveau (cortex cérébral). Sulcus (sulci au pluriel) = un creux. On parle aussi de sillon ou de scissure quand le sulcus très profond. Gyrus (gyri au pluriel) = une bosse. Causées par la formidable croissance de cette structure chez l'homme. Même épaisseur de cortex (\~2-4 mm) mais surface différente : 1100 cm\^2. 3\) Cortex replié sur lui-même comme une corne de bélier (au-dessus de l'os temporal du crâne). Lobe temporal sous la scissure de Sylvius. Finalement, de plus en plus **d'aires associatives** dans le cortex---ni strictement motrices, ni strictement sensorielles. \*quand on passe du rat à l'humain **Anatomie générale du cerveau humain** **Sillon central** ou scissure centrale (scissure = sillon = sulcus) **Gyrus post-central** : impliqué dans la perception somatosensorielle **Gyrus pré-central** : impliqué dans les mouvements volontaires **Gyrus temporal supérieur** : impliqué dans le traitement auditif Principales divisions anatomiques du cortex cérébral : **Lobe temporal** sous l'os temporal et ventral à la **scissure de Sylvius.** Impliqué dans l'audition et la compréhension des mots parlés (aire de Wernicke), entre autres. Cortex temporal médian: impliqué dans l'olfaction. **Lobe frontal** sous l'os frontal, antérieur au **sillon central.** Impliqué dans la pensée abstraite et la production des mots parlés (aire de Broca), entre autres. **Lobe pariétal**, sous l'os pariétal et postérieur au sillon central. Impliqué dans le toucher (cortex somatosensoriel), l'attention et l'intégration des différentes modalités sensorielles, entre autres. **Lobe occipital**, sous l'os occipital**.** Impliqué dans la vision. **Insula** ou **cortex insulaire** dans les replis de la scissure de Sylvius (en partie dans lobe frontal et en partie dans lobe temporal). Impliqué dans l'émotion du dégoût, et le goût (comprend le cortex gustatif), entre autres. Il existe un lien entre l'anatomie grossière du cerveau et la fonction cognitive de cette région. Un peu comme le croyait le phrénologistes **Franz Joseph Gall** à la fin du 18^ième^ siècle. Mais pas les mêmes fonctions... Carte cytoarchitectonique. Division basée sur l'organisation cellulaire. Coupes histologiques. Le nombre de couche de cellules. Le type de cellules. L'organisation des fibres de ces cellules. **Korbinian Brodmann** est un neurologue et neurophysiologiste allemand. À la fin du 19ième siècle, il divise le cortex cérébral de l\'homme en **52 aires différentes** selon la cytoarchitectonie, c\'est-à-dire la densité, la taille des neurones et le nombre de couches observées sur des coupes histologiques. Son intuition---la cytoarchitecture détermine la fonction---s'est avérée une bonne approximation de la réalité. \*Apprendre aire 3 et aire 4 pour l'examen Coupe médiosagittale en passant par la **scissure interhémisphérique.** **Tronc cérébral** : mésencéphale (tectum + tegmentum), pont et bulbe. **Glande pinéale** : sécrète la mélatonine; joue un rôle dans le cycle circadien Aussi **hypophyse** (ou glande pituitaire) sous l'hypothalamus. Porte-voix de l'hypothalamus. \*glande maîtresse des autres organes du cerveau **Structures du cerveau antérieur** **Amygdale** : régulation des états émotionnels (la peur en particulier). Aussi une fonction mnésique. **Hippocampe** : structure critique pour la mémorisation. **Gyrus cingulaire** : fait partie du système limbique (émotion, mémoire et apprentissage) **Corps calleux** : principale commissure (structure qui permet la communication entre les hémisphères cérébraux) \*(split brain patients - corps calleux sectionnés) **Fornix** : Faisceaux de fibres qui connecte l'hippocampe à l'hypothalamus; régularise les fonctions mnésiques. **Système ventriculaire** Système ventriculaire déformé par rapport à ce qu'on a vu chez le rat mais toujours un important repère anatomique. Ventricules latéraux (émergent comme des bois de cerfs du 3^ième^ ventricule; au niveau du télencéphale), Troisième ventricule (au niveau du thalamus et de l'hypothalamus), Aqueduc cérébral (au niveau du mésencéphale), Quatrième ventricule (au niveau du cervelet, pont et bulbe), Canal spinal (moelle épinière) **Vue ventrale :** **Corps mamillaires** : structures hypothalamiques qui font partie du système mnésique. Communique avec l'hippocampe via le fornix. **Nerf optique** : afférence visuelle des yeux **Chiasme optique** : décussation partielle de l'information visuelle en provenance du nerf optique **Tractus optique** : achemine l'information visuelle jusqu'au thalamus (corps genouillés latéraux) **Vue dorsale :** **Scissure interhémisphérique** ou **sillon cérébral longitudinal** **Corps calleux** Après avoir enlevé les hémisphères cérébraux, on découvre le cervelet --- les **hémisphères cérébelleux** et le **vermis cérébelleux** Après avoir enlevé le cervelet, on voit les **sections des pédoncules cérébelleux** On voit **le thalamus** Et la **glande pinéale** On découvre aussi le **mésencéphale** : le **tectum** : les **colliculus supérieurs**, les **colliculus inférieurs** **COURS 3** **Antoni van Leeuwenhoek** est un commerçant et savant néerlandais connu pour ses améliorations du **microscope optique (à 1 lentille)** et comme l\'un des précurseurs de la biologie cellulaire et de la microbiologie.  Il développe la technique pour fabriquer des lentilles de microscope d'une qualité et d'une puissance inégalées à son époque. Jusqu'à x 300 de facteur grossissement, c'est-à-dire environ 10 fois plus puissant que les meilleurs microscopes de son époque. On a découvert en 2018 en utilisant la **tomographie par émission de neutrons**---des particules sans charge électrique---que c'est en raison de ses aptitudes exceptionnelles comme polisseur de lentilles. Dès 1674, il en tire de nombreuses et étonnantes observations --- découverte des protozoaires, des spermatozoïdes --- très en avance sur son temps. L'**histologie** (du grec ancien « tissu » et « discours ») est la branche de la biologie qui **étudie les tissus biologiques.** La **fixation** par un produit chimique comme le** formol** qui a pour effet de **polymériser les protéines** présentes dans l'organe. Cette technique est utilisée pour les coupes histologiques \"longues durées\" après **inclusion en paraffine**. Les organes, **trop épais pour laisser passer la lumière** nécessaire à la microscopie optique, doivent encore être **découpés en lamelles** extrêmement fines par un appareil appelé **microtome**. Les tissus biologiques présentent en eux-mêmes **très peu de contraste**, aussi bien en microscopie optique qu'en microscopie électronique. La **coloration** est utilisée aussi bien pour **augmenter le contraste** que pour mettre en valeur l'une ou l'autre structure en particulier. **Franz Nissl** psychiatre et chercheur en médecine allemand de la 2^ième^ moitié du 19^ième^ siècle**.** Découvre la **coloration de Nissl** (**violet de Crésyl**) : fait apparaître les **corps cellulaires** (**soma** ou **périkaryon**) de toutes les cellules et les **réticulum endoplasmiques rugueux** (aussi appellés corps de Nissl) entourant les noyaux des neurones. Permet donc de distinguer neurones des autres cellules du cerveau---les cellules gliales. **Corps cellulaire** des neurones ont un diamètre d'environ **20 µm** (micromètres; 20 \* 10^-6^ m). La limite du microscope optique : \~ 1 **µm.** **Camillo Golgi** est un biologiste italien, contemporain de Nissl, découvre la **coloration de Golgi** ou **réaction noire** (nitrate d'argent). Permis de mettre en évidence **les neurites** en plus des corps cellulaires : **axones** et **dendrites**. La coloration est sélective aux neurones et, pour des raisons encore inconnues, n'en révèle qu'un petit nombre au hasard. Axones ont une longueur entre 1 mm et \>1 m (\*peut être très long), entre le cortex cérébral et la moelle épinière, par exemple. Dendrites habituellement \< 2 mm de longueur. Théorie **réticulaire** de Golgi : les neurites fusionnent entre elles pour former un **réticulum continu** semblable aux artères et aux veines. **Santiago Ramón y Cajal **est un histologiste, neuroscientifique et artiste espagnol. C\'est en affinant la technique de coloration de Golgi (on parle aujourd'hui de la technique de **coloration de Cajal**) qu\'il contribua de façon décisive à la **théorie neuronale** en **opposition** avec la **théorie réticulaire**, soutenue par Golgi, son rival.  Il soutenait que les neurones étaient des entités cellulaires séparées par de fins espaces (que **Sherrington** nommera « **synapses** »), et non les fibres d\'un réseau ininterrompu. L'espace synaptique : **20 nm** (20 \* 10^-9^ m **ou 0.02 µm**) pour des **synapses chimiques** et **2 nm** pour des **synapses électriques**. Trop petit pour le microscope optique (limité au µm; 10^-6^ m); dû attendre développement puis le perfectionnement du **microscope électronique** dans les années 1950 (limité au nm) pour que la théorie neuronale de Cajal soit confirmée. Colauréat du prix **Nobel de physiologie** ou médecine en **1906** avec **Camillo Golgi** « en reconnaissance de leurs travaux sur la structure du système nerveux ». Recommande de devenir **expert** d'une technique. **Neurone** - Cellules qui transmettent **l'information nerveuse** (diamètre entre 4 et 100 µm, typiquement 20 µm). - \~85 000 000 000 (85 milliards) - Nombre de cellules gliales (nourriture, protection, support): \~85 milliards - Chaque neurone a typiquement 1000 à 10 000 synapses - Transmission chimique et électrique - **Unité de communication** dans le cerveau. - **Amitotique** lorsque différencié : ne se reproduit pas, sauf dans l'hippocampe. **Soma** Liquide à l'intérieur du soma : **cytosol**, solution salée riche en potassium. Nous y reviendrons. **Membrane** : 5 nm d'épaisseur ; contient de nombreuses protéines. Laisse passer certaine substance et pas d'autres. Sous la membrane, le **cytosquelette** : **microtubules** (20 nm de diamètre; impliqué dans la maladie d'**Alzheimer** par le biais de la protéine **tau**---normalement celle-ci est impliquée à maintenir les microtubules droits et parallèles, dans la maladie d'Alzheimer elle se détache des microtubules et s'accumule dans le soma), **neurofilaments** (10 nm) et **microfilaments** (5 nm de diamètre). **Organites** **Noyau** : Contient le code génétique (chromosomes) - 5-10 µm de diamètre - Entouré de l'**enveloppe nucléaire** tapissée de pores d'environ 0,1 µm. - Contient les 23 paires de chromosomes constitués d'**ADN** (**acide déxoyribonucléique**) qui représente le matériel héréditaire. - Semblable à celui des autres cellules du corps. Ce sont les fragments d'ADN---les **gènes**---qui sont exprimés qui diffèrent d'une cellule à l'autre. - Organites moins le noyau = **cytoplasme.** **Mitochondrie** : Produit de l'énergie à partir d'oxygène et de glucose - 1 µm de long. - Siège de la respiration cellulaire. Inspire de l'**acide pyruvique** (dérivé du sucre, de la digestion des protéines et des graisses) et de l'**oxygène**. Expire de l'**ATP** (**adénosine triphosphate**) - ATP est la source d'énergie de la cellule - Dans le cerveau, 70% de l'ATP est utilisé par les pompes ioniques Na+-K+ (sodium-potassium). - La pompe sodium-potassium comporte une enzyme qui hydrolyse l'ATP en **ADP** (**adénosine diphosphate**) en présence d'ions Na+ à l'intérieur de la cellule et libère de l'énergie. Cette énergie actionne la pompe qui expulse des ions sodium est introduit des ions potassium. **Réticulum endoplasmique rugueux** (ou corps de Nissl) : synthèse protéique par les ribosomes - Membrane sur laquelle sont attachés des **ribosomes** qui font la **traduction** de l'**ARNm** (**acide ribonucléique messager** ---qui transcrit les gènes) en **protéines** à partir de 20 **acides aminées**. \[transcription\] \[traduction\] - ADN -\> ARNm -\> protéine - Très nombreux dans les neurones ; plus que dans cellules gliales; ce sont les organites les plus colorés par la coloration de Nissl. En fait, le violet de Crésyl colore l'ARN. - Existe aussi des **ribosomes libres** dans les neurones **Réticulum endoplasmique lisse** : Synthèse de lipides - Ressemble à RE rugueux mais sans ribosome - Il a plusieurs fonctions : plier les protéines qui sortent des RE rugueux; synthèse des lipides; sert aussi à contrôler la concentration interne de calcium (particulièrement pour les cellules musculaires) **Appareil de Golgi** : Stockage des protéines synthétisées - Stocke les protéines nouvellement traduites par le RE rugueux et les classe selon la destination (soma, axone ou dendrites). Décrit par Golgi pour la première fois. **Axone** Contrairement aux structures vues jusqu'ici, les axones sont uniques aux neurones. L'origine des axones est le **cône axonique** ou **cône d'implantation**. C'est là que les **potentiels d'action**---les signaux nerveux---sont générés. (Génèse du potentiel d'action) Diffèrent du soma parce que : 1\. Pas de RE rugueux et pas de ribosomes libres (pour ça que pas marqué par coloration de Nissl) =\> pas de synthèse de protéines =\> les protéines de l'axone viennent du soma (ou au niveau synaptique) via le **transport axoplasmique** le long des microtubules de l'axone---soit **antérograde** (vers bouton terminaux) ou **rétrograde** (vers le soma) \*pas de ribosomes au niveau des boutons terminaux-- peut pas fabriquer des protéines. \*peut se faire en même temps (antérograde et rétrograde) 2\. Composition membranique complètement différente (permet la transmission des potentiels d'action vers d'autres neurones). Mesurent entre 1 mm et \>1 m de longueur. Diamètre de 1 à 25 µm; régulier sur toute la longueur de l'axone. Parfois **collatérale axoniques**; **collatérales récurrentes** quand elles reviennent vers le neurone d'origine. Sont parfois recouvert d'une **gaine de myéline** qui accélère la transmission des signaux nerveux. La fin des axones sont les **boutons terminaux** ou **terminaisons axoniques** **Bouton terminal** : site ou l'axone entre en contact avec---**innerve**---d'autres neurones --- la **synapse**. Cytoplasme des boutons terminaux diffère de celui du reste de l'axone : 1. Pas de microtubule 2. Contient des **vésicules synaptiques** de diamètre de 50 nm. 3. Revêtement dense sur la surface intérieure de la membrane qui fait face à la synapse 4. Beaucoup de mitochondries =\> besoin de beaucoup d'énergie **Synapses** - Élément présynaptique : boutons terminaux - Fente ou espace synaptique - Élement post-synaptique : dendrite ou soma d'un autre neurone Les **neurotransmetteurs** sont libérés dans la **fente ou espace synaptique** et captés par des récepteurs sur la dendrite ou soma d'un autre neurone. Constitue la **transmission synaptique**, **chimique.** **Dendrites** - Dendrites signifie « arbre » en grec. - **Arborisation dendritique** désigne l'ensemble des dendrites d'un neurone. Peu varier beaucoup - Dans le cortex cérébral : **Cellules pyramidales** : couche VI --- output vers thalamus **Neurones en étoile** : couche IVC --- input du thalamus **Cellule de Purkinje** du cervelet - **Récepteurs** : site d'action spécifique à un neurotransmetteur - Présentent parfois des **épines dendritiques** dans les neurones appelés « neurones épineux ». Corrélation entre retard mental et nombre d'épines dendritiques. - **Cytoplasme** **comparable** à celui des **axones** mais on a découvert récemment qu'il contient des **polyribosomes** (chaines de ribosomes), souvent sous des épines, ce qui suggère la capacité de synthétiser des protéines à ce niveau. **Cellules gliales ou névroglies (cellules de soutien)** - Pourraient participées au traitement de l'information. Sont les oubliées des neurosciences **Microglies :** - Assurent la **défense immunitaire** du système nerveux central - Elles sont capables de **phagocythose** c'est-à-dire qu'elles peuvent éliminer des particules étrangères solides comme des débris laissés par les neurones ou cellules glaires. - Décrites pour la première fois par le chercheur espagnol **Pío del Río Hortega**, les microglies **se caractérisent par leur extrême mobilité**.  **Astrocytes :** - Les cellules gliales les plus nombreuses - Comblent l'espace entre les neurones - Réduisent la diffusion des neurotransmetteurs libérés, passivement et activement - Contrôlent la concentration extracellulaire de certaines substances - Apportent du glucose et de l'oxygène aux neurones, grâce à leur contact avec les capillaires - Impliqués dans la vasomodulation - Environ 20 nm de diamètre. - Impliqués avec les microglies dans la maladie d'Alzheimer. Quand ces cellules deviennent sénescentes, la protéine tau commencerait à s'accumuler dans le soma des neurones. **Oligodendrocytes / cellules de Schwann :** **Gaine de myéline axonale :** La vitesse conduction axonale saltatoire (d'un nœud de Ranvier à l'autre) est supérieure à celle d'un axone non-myélinisé - **Oligodendrocytes = SNC** - **Cellules de Schwann = SNP** **Potentiel de repos** Intérieur du soma est une **cathode** (attire les **cations** particules chargées positivement). **Ions** = atomes ou molécules chargée électriquement **Cations** = ions chargés positivement (e.g. Na+, K+, Ca2+) **Anions** = ion chargé négativement (e.g. Cl-) Un état membranaire polarisé (milieu intracellulaire : pôle négatif) Différence de potentiel électrique entre les milieux intra et extra-cellulaires en absence de stimulation L'intérieur est plus négatif que l'extérieur Quatre catégories d'ions contribuent principalement au potentiel de repos : - Na+ (sodium) - K+ (potassium) - Cl- (chlore) - Ca^2+^ (calcium) Deux forces physiques sont en cause dans le potentiel de repos. **Force de diffusion** **Gradient de concentration** =\> **Force de diffusion** Les molécules ont tendance à se distribuer également dans un milieu 1. La membrane est imperméable. Faite d'une **bicouche de phospholipides**. 2. Des canaux ioniques permettent le passage soit des ions sodiques ou des ions chloriques. À forte différence de concentration (**gradient de concentration**), la force de diffusion va entraîner les ions de la région de forte concentration vers la région de faible concentration. La température est la force sous-jacente. 3. En l'absence d'autres facteurs, comme ici, la diffusion cessera quand les concentrations ioniques seront les même de part et d'autre de la membrane perméable. **Force électrique** Les ions positifs ou **cations** (e.g. Na+) sont attirés par la **cathode**; les ions négatifs ou **anions** (e.g. Cl-) par l'**anode**. Le courant est positif dans le sens du mouvement des charges positives (donc vers la cathode). Deux facteurs déterminent l'amplitude du courant (I, exprimé en ampères), c'est-à-dire ici le déplacement des ions : 1. **La différence de potentiel** (V, exprimé en volt) Le voltage ou la différence de potentiel est la force exercée sur une particule chargée et reflète la différence de charge entre l'anode (négative) et la cathode (positive). Plus cette différence est grande, plus le courant passera. 2. **La conductance** (g, exprimé en Siemens ou son inverse, la résistance, exprimée en Ohms). **La loi d'Ohm dit : I = g\*V** La conductance correspond à la facilité avec laquelle les ions traversent la membrane. Essentiellement, le nombre de canaux ioniques spécifiques à cet ion. a\) Champ électrique est appliqué mais une membrane imperméable sépare l'anode et la cathode. g=0, donc pas de courant électrique. b\) On ajoute des canaux ioniques Na+ et Cl- (g\>0), un courant est créé. **Potentiel d'équilibre** Retour au potentiel de repos. Cas hypothétique: a\) Forte concentration relative de K+ et d'anions (indiqué par « A- » ici) du côté gauche. Membrane imperméable. b\) Ouverture de canaux perméables aux ions K+ (potassium). Pas de différence de différence de potentiel (voltage) au début donc par de courant électrique. Mais sous l'effet de la **force de diffusion** il y a transfert de ion K+ de l'intérieur vers l'extérieur de la cellule. Ceci augmente la charge négative à l'intérieur (qui devient une cathode) de la cellule par rapport à la charge extérieure (qui devient une anode). Ceci tend à ralentir le passage d'ions K+ de l'intérieur à l'extérieur de la cellule en raison du voltage. Autrement dit, la force de diffusion s'oppose à la force électrique. c\) Éventuellement, le **potentiel d'équilibre** est atteint. Les deux forces sont égales et opposée. L'**équation de Nernst** permet de calculer le potentiel d'équilibre en fonction de la **concentration d'un ion à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule** (à l'équilibre), de la **charge de l'ion**, et de la **température**. À 37°C, l'équation se réduit à ceci pour le K+: 61.54 mV \* log10(\[K+\]e / \[K+\]i) = -80 mV. Il faut tenir compte de l'ensemble des potentiels d'équilibre pour calculer le **potentiel de la membrane au repos**. L'**équation de Goldman** permet d'effectuer ce calcul exactement. Elle tient compte de la **conductance** ou de la perméabilité relative aux différents ions. **Permet de trouver -65 mV**. **Pompe sodium-potassium** D'où viennent ces gradients de concentration? Ils dépendent du **travail actif** des **pompes ioniques**, notamment de la **pompe sodium-potassium**. Utilise **70% de l'énergie** stockée dans l'ATP du cerveau pour pomper **2 ions K+** (potassium) dans le cytosol et évacuer **3 ions Na+** (sodium) vers le milieu extracellulaire. Résultat : **20 x plus de K+ à l'intérieur** de la cellule qu'à l'extérieur **10 x plus de Na+ à l'extérieur** de la cellule qu'à l'intérieur La pompe calcium transporte les ions Ca2+ en dehors du cytoplasme. Il y a 10 000 x plus de Ca2+ à l'extérieur de la cellule! En fait d'autres mécanismes contribuent à cette faible concentration de Ca2+ intracellulaire. **Potentiel d'action** Le **potentiel d'action** est le signal atomique transmis par un neurone. À droite, mesurer **intracellulairement** et **extracellulairement** (chez les participants humains) à l'aide d'une électrode et présenté sur un oscilloscope. Il correspond à une **dépolarisation** transitoire du potentiel membranaire --- le passage d'une différence de potentiel négative au repos (-65 mV) à une différence de potentiel positif (40 mV). En tout dure environ **2 ms**. Il a toujours la même forme et la même amplitude. On dit qu'il s'agit d'un signal **tout-ou-rien** : **Potentiel de repos** : -65 mV **Phase ascendante** **Dépassement** (overshoot) : brève portion positive; sommet 40 mV **Phase descendante** **Hyperpolarisation** (undershoot) : moins de -65 mV **Retour au potentiel de repos** sous l'effet de la pompe sodium-potassium. Le message transmis par un neurone dépend de la fréquence de ses potentiels d'action davantage que la présence ou de l'absence d'un potentiel d'action. Effet de l'injection d'un courant continu positif dans le soma d'un neurone = Une salve (une série) de potentiel d'action identiques. Si peu de courant : seuil pas atteint, pas de potentiel d'action. En augmentant le voltage du courant injecté, on augmente la **fréquence des potentiels d'action** (nombre de potentiels d'action à la seconde). 1 Hertz (Hz) = 1 potentiel d'action à la s. **Période réfractaire absolue** : 0 à 1 ms après le commencement d'un potentiel d'action. Impossible de déclencher un potentiel d'action pendant cette période. Commence avec l'atteinte du seuil et se poursuit jusqu'à la fin de la repolarisation de la membrane du neurone. Donc fréquence maximale est 1000 Hz. Mais très variable d'un neurone à l'autre. La **période réfractaire relative** suit et dure environ 1 ms. Pas impossible mais plus difficile d'atteindre le seuil. Correspond à la période d'hyperpolarisation. **Origine du potentiel d'action** Cas simplifié et théorique. Juste des ions K+ et Na+. \(a) La membrane est essentiellement perméable seulement aux ions K+ au repos. Ceux-ci entrent et sortent sans cesse. Donc **le potentiel de la membrane est le potentiel d'équilibre des ions K+ (-80 mV).** \(b) Quand la membrane se dépolarise sous l'effet des **potentiels post-synaptique excitateurs (PPSE)**, par exemple, des **canaux sodiques dépendants du potentiel** s'ouvrent (augmentation transitoire de la conductance sodique) et, quand suffisamment de canaux sodiques sont ouverts (relativement au nombre de canaux potassiques ouverts), une **force électromotrice** importante s'exerce sur les ions Na+ qui entrent rapidement dans le neurone. \*à partir du seuil (-65mV) **Force électromotrice** : différence entre le potentiel membranaire (ici le potentiel de repos) et le potentiel d'équilibre des ions Na+ (62 mV). Cette force électromotrice repose ici sur **une force de diffusion** (concentration de 10:1 à l'avantage de l'extérieur) et **un voltage** (intérieur de la cellule est plus négatif que l'extérieur). Donc le **potentiel membranaire tend vers le potentiel d'équilibre des Na+** (62 mV)**.** \(c) Canaux sodiques dépendants du potentiel se ferment après 1 ms (c'est l'**inactivation**---doivent retourner au potentiel de repos pour s'ouvrir à nouveau). **Les ions K+ sortent de la cellule sous l'effet d'une force électromotrice** (force de diffusion \[concentration de 20:1 à l'avantage de l'intérieur\] et voltage \[intérieur de la cellule plus positif que l'extérieur\]). \(d) Retour au potentiel membranaire de repos. **Hodgkin** et **Huxley** ont reçu le **Nobel en physiologie** en **1963** pour avoir proposé un modèle mathématique du potentiel d'action semblable à ce que nous venons de décrire informellement. Ils ont utilisé la méthode du **potentiel imposé** (**voltage-clamp)** pour étudier empiriquement le fonctionnement de canaux ioniques membranaires. Ils ont stabilisé le potentiel membranaire d'un axone et mesurer le courant traversant la membrane et en ont déduit la conductance membranaire pour les différents ions (i.e. g = I/V). Leur proposition pour expliquer l'augmentation transitoire de la conductance sodique---c'est-à-dire l'existence de canaux sodiques dépendant au potentiel---est demeurée une hypothèse pour 20 ans. Ch. 4: p\. 90, dernier para. p\. 92, premier para. p\. 93, encadré Au milieu des années 1970, **Sakmann** et **Neher** mirent au point une méthode qui permis de tester cette hypothèse---la méthode du **patch-clamp**. Ils reçurent le **Nobel en physiologie en 1991** entre autres pour avoir développé cette méthode. Permet d'enregistrer les courants ioniques au travers d'un canal unique. Descendre une fine électrode de verre de **1-5 µm** de diamètre jusqu'à la membrane d'un neurone. Ensuite, sceller le milieu intérieur de l'électrode sur la membrane en pratiquant une légère succion. Si on retire l'électrode, on arrache ce morceau de membrane et, avec un peu de chance, on peut mesurer les courants ioniques à travers 1 seul canal sodique dépendant au potentiel à divers voltages imposés. **Autour de 1980, Neher** et son équipe ont découvert que, dans cette situation, quand le voltage imposé passe de -65 mV, le potentiel de repos, à -40 mV, les canaux sodiques s'ouvrent rapidement pendant environ 1 ms avant de se refermer rapidement---c'est l'**inactivation**. Ils ne peuvent pas s'ouvrir à nouveau avant que le potentiel membranaire retrouve une valeur proche de la valeur de repos. **Le poisson Fugu** Le poisson Fugu contient une neurotoxine nommée **tétrodotoxine** (TTX). Bloque les canaux sodiques dépendants au potentiel et donc les potentiels d'action. Mortelle si ingérée. Pourtant très apprécié en sushi au Japon. **Potentiel d'action** **Seuil** : le potentiel membranaire auquel un nombre suffisant de canaux sodiques dépendants du potentiel s'ouvrent de sorte que la perméabilité ionique soit en faveur des ions Na+ (sodium) plutôt que des ions K+ (potassium). **Phase ascendante** : lorsque l'intérieur de la membrane présente un potentiel négatif, une importante force électromotrice (force de diffusion + voltage) s'exercent sur les ions Na+ qui pénètrent dans la cellule. Ceci entraîne une **dépolarisation rapide de la cellule**. **Dépassement** (overshoot) : le potentiel de la membrane atteint **40 mV**, un potentiel près du potentiel d'équilibre des ions Na+ (62 mV). Mais pas tout à fait à cause des autres ions présents de part et d'autre de la membrane. **Phase descendante** : les canaux sodiques dépendants du potentiel sont désactivés (après 1 ms). Des canaux potassiques dépendants du potentiel s'ouvrent. Une importante force électromotrice (force de diffusion + voltage) pousse les ions K+ à l'extérieur de la cellule et le potentiel membranaire redevient négatif. **Période réfractaire absolue** : les canaux sodiques dépendants du potentiel sont inactifs lorsque la membrane est fortement dépolarisée. Le potentiel de la membrane devra être suffisamment négatif pour que les canaux sodiques dépendants du potentiel soient réactivables**.** \*(à peu près à - 40 mV) **Hyperpolarisation** (undershoot) : la membrane atteint un potentiel proche du potentiel d'équilibre des ions K+ (qui est inférieur à -80 mV, ici, en raison des canaux potassiques dépendant au potentiel). Les canaux potassiques dépendants du potentiel se ferment. Retour au potentiel de repos. **Période réfractaire relative** : tant que les canaux potassiques dépendants du potentiel sont ouverts, plus difficile de dépolariser la cellule.