Partie III - Le système nerveux PDF

III – Le système nerveux Le potentiel d’action La propagation du potentiel d’action La myéline Les synapses Les agents externes L’évolution du système ner...

III – Le système nerveux Le potentiel d’action La propagation du potentiel d’action La myéline Les synapses Les agents externes L’évolution du système nerveux Le système nerveux des vertébrés Le système nerveux central Le cerveau Le système nerveux d’un calamar La moelle épinière © Nat Clarke Mouvements reflexes et réponses automatiques Le cortex cérébral  Le changement de polarité est le résultat d’un changement Cellules excitables : capables de dans le mouvement des ions à travers la membrane changer le potentiel de leur membrane pour engendrer des signaux électriques Une seule porte pour les canaux Deux portes différentes Quelques définitions importantes potassium qui s’ouvre en pour les canaux sodium réponse à une dépolarisation Potentiel de repos : Le potentiel de la membrane Seuil du Période de ces cellules au repos, il dépend du type de la Ouverture avec Au repos potentiel réfractaire cellule. d’action un retard Potentiel d’action : inversion électrique de la membrane cellulaire pour la transmission rapide de signaux dans les cellules excitables. Le seuil de déclenchement de ce potentiel varie selon les cellules. Potentiel Dépolarisation: processus qui rend l'intérieur de de repos Hyperpolarisation la cellule moins négatif par rapport à l'extérieur. Porte Ouverture Fermeture de Porte Porte Cela se produit généralement en réponse à un d’activation d’activation de la porte la porte d’inactivation d’activation d’inactivation stimulus, entraînant l'ouverture de canaux ioniques spécifiques qui permettent aux ions de Canaux thermiques : se déplacer à travers la membrane. Si la répondent à des dépolarisation atteint un certain seuil, cela peut 1. Canaux voltage-dépendants : variations locales de déclencher un potentiel d'action. s’ouvrent ou se ferment en 1 2 3 réponse à des changements du température. Repolarisation: processus de retour à l'état de potentiel de la membrane. polarisation après une dépolarisation. 2. Canaux chimio-dépendants Hyperpolarisation : un état où la membrane d'un : vont changer de neurone devient plus polarisée que pendant son conformation en réponse à la état de repos. Ça contribue à la période liaison avec un messager réfractaire d'une cellule excitable (empêche la chimique Canaux de fuite génération immédiate de nouveaux potentiels (ouvert en d'action). 3. Canaux à porte mécanique : Canaux à porte permanence) répondent à des étirements ou (ouverture / fermeture régulée) déformations mécaniques  +40 Au pic du potentiel la porte 4 1 Le potentiel graduel : modification locale d’activation des canaux Les ions vont dans le sens de du potentiel de membrane qui varie en sodium se ferment et la porte d’inactivation l’équilibre osmotique. intensité en fonction de la force du Potentiel de membrane (mV) s’ouvre. Au même  [Na+] extérieur > [Na+] intérieur stimulus. L'amplitude du potentiel de moment la porte membrane diminue avec la distance à  [K+] extérieur < [K+] intérieur d’activation des partir du site du stimulus, mais ils canaux potassium peuvent s’additionner entre eux. s’ouvre (entrée K+) 2 Le potentiel d'action : signal électrique Na+ rentre dans la cellule 3 Le potassium quitte la cellule rapidement rapide et de grande amplitude qui se 0 provoquant la repolarisation vers le provoquant une dépolarisation 5 rapide potentiel de repos propage sur de longues distances à travers la membrane. Il est généré lorsque La porte le potentiel de membrane atteint un seuil d’activation de de potentiel. canaux sodium s’ouvrent La porte d’activation Phénomène « tout ou rien »: une fois le (entrée Na+) 2 des canaux sodium potentiel d’action initié, il va se propager se ferme et la porte sans diminution de l'amplitude. d’inactivation -55 s’ouvre : c’est la 6 période réfractaire Seuil de potentiel L’amplitude diminue 1 avec la distance = propagation -70 décrémentielle Potentiel de repos Sortie supplémentaire d’ion 8 K+ par les canaux 1 La porte potassium qui Les canaux hyperpolarise la d’activation des voltage- membrane canaux potassium L’amplitude Hyper- se ferme et le ne diminue dépendants polarisation sont fermés potentiel revient à pas avec la sa valeur de repos distance 7 2 3 0 1 2 4 Temps (msec)  +40 Au pic du potentiel la porte 4 1 Le potentiel graduel : modification locale d’activation des canaux Les ions vont dans le sens de du potentiel de membrane qui varie en sodium se ferment et la porte d’inactivation l’équilibre osmotique. intensité en fonction de la force du Potentiel de membrane (mV) s’ouvre. Au même  [Na+] extérieur > [Na+] intérieur stimulus. L'amplitude du potentiel de moment la porte membrane diminue avec la distance à  [K+] extérieur < [K+] intérieur d’activation des partir du site du stimulus, mais ils canaux potassium peuvent s’additionner entre eux. s’ouvre (entrée K+) 2 Le potentiel d'action : signal électrique Na+ rentre dans la cellule 3 Le potassium quitte la cellule rapidement rapide et de grande amplitude qui se 0 provoquant la repolarisation vers le provoquant une dépolarisation 5 rapide potentiel de repos propage sur de longues distances à travers la membrane. Il est généré lorsque La porte le potentiel de membrane atteint un seuil d’activation de de potentiel. canaux sodium s’ouvre La porte d’activation Phénomène « tout ou rien »: une fois le (entrée Na+) 2 des canaux sodium potentiel d’action initié, il va se propager se ferme et la porte sans diminution de l'amplitude. d’inactivation -55 s’ouvre : c’est la 6 période réfractaire Seuil de potentiel -70 Potentiel de repos Sortie supplémentaire d’ion 8 K+ par les canaux 1 La porte potassium qui Les canaux hyperpolarise la d’activation des 3. 2 ions potassium à membrane canaux potassium voltage- Hyper- l’extérieur de la se ferme et le 1. 3 ions sodium dépendants polarisation cellule se lient à la potentiel revient à se lient à la sont fermés pompe qui retrouve Pompes sa valeur de repos pompe depuis 2. L’ATP permet d’activer la pompe : changement de sa conformation 7 Na+/K+ l’intérieur de la initiale et fait passer cellule conformation du canal qui les ions vers 0 1 2 3 4 permet d’exporter les 3 l’intérieur Temps (msec) ions vers l’extérieur  Stimuli nerveux 1. Zone d’entrée : Région active au pic reçoit les signaux en Région inactive adjacente vers Dendrite de potentiel d’action provenance d’autres laquelle la dépolarisation se neurones propage (et atteindra le seuil) Corps cellulaire = soma 2. Zone de déclenchement: initie le potentiel d’action Courants locaux dépolarisent Axone la région adjacente Signal Collet de l’axone électrique (riche en canaux sodium et potassium) Corps cellulaire Axone (de 1mm à plusieurs m) 3. Zone de conduction : Région initialement active en période réfractaire (fermeture de la porte Reste de l’axone encore au conduit les potentiels Parfois plusieurs d’inactivation des canaux sodium) potentiel de repos d’action de façon non axones pour un décrémentielle sur de neurone (notamment longue distance chez les Arthropodes et Céphalopodes) Sens de propagation du potentiel d’action Axone Terminaison synaptique 4. Zone de sortie: libère les neurotransmetteurs vers d’autres cellules Corps cellulaire Un nouveau potentiel Conduction contigüe d’action est généré  Endonèvre Axone (autour d’un axone) La myéline forme en gaine protectrice faite de lipides que les ions ne Gaine de myéline Fascicule peuvent pas traverser Périnèvre Les gaines de myéline se trouvent (autour du fascicule) chez tous les Vertébrés sauf les Epinèvre Nerf Cyclostomes (autour du nerf enter) 1mm Noyau Noyau Au lieu de se propager le long de Cellules de Schwann l’axone le potentiel électrique généré Axone au niveau du collet « saute » de nœud Gaine de Système Fibre myéline en nœud 50 fois plus rapidement que myélinisée Nœud de Nerveux Ranvier dans un neurone amyélinisé. Central Dépend aussi de la taille: plus de diamètre de l’axone est petit plus la propagation du Neurone Neurone Les cellules de Schwann amyélinisé : myélinisé : s’enroulent autour de l’axone pour signal électrique sera rapide 0,2m/s – 2 m/s 3m/s – 120 m/s former une gaine de myéline Cellule de Schwann Conduction saltatoire Système Nerveux Corps neuronal Gaine de myéline Périphérique Pas de gaine de myéline mais une gaine de cellules gliales (n’accélère pas la Axone Oligodendrocyte conduction du signal): permettent la Nœud de Ranvier : concentration en ions sodium au niveau seul endroit de l’axone qui comporte les de la membrane sans quoi il n’est pas canaux voltage- possible de générer un potentiel d’action dépendants Neurone 1. La dépolarisation du 2. Ions calcium déclenchent 3. Les neurotransmetteurs 4. Provoque l’ouverture des présynaptique bourgeon synaptique entraine la migration des vésicules traversent la fente synaptique et canaux ioniques : entrée l’ouverture des canaux vers la fente synaptique : se lient aux canaux chimio- d’ions dans le neurone calcium voltage-dépendants libération des dépendants du neurone postsynaptique qui entraine (entrée de Ca2+) neurotransmetteurs postsynaptique sa dépolarisation Synapses électriques: Axone Le cytoplasme des cellules adjacentes est en contact direct des jonctions gap Mitochondrie Sens du Ca+ (syncytium). Propagation du Vésicule message nerveux message extrêmement rapide. 1 synaptique Moins de 1% des cellules du corps humain Neurone Synapses chimiques : présynaptique Pas de contact direct entre les cellules pré- et postsynaptiques. La transmission du Canal calcium message se fait par neurotransmetteurs. voltage-dépendant Propagation lente du message Bouton Fente synaptique synaptique 2 Neuro- 3 transmetteur 4 Neurone Neurone postsynaptique postsynaptique Récepteur chimio- dépendant (Na+/K+ ou Cl-)  1. La dépolarisation du 2. Ions calcium déclenchent 3. Les neurotransmetteurs 4. Provoque l’ouverture des bourgeon synaptique entraine la migration des vésicules traversent la fente synaptique et canaux ioniques : entrée l’ouverture des canaux vers la fente synaptique : se lient aux canaux chimio- d’ions dans le neurone calcium voltage-dépendants libération des dépendants du neurone postsynaptique qui entraine (entrée de Ca2+) neurotransmetteurs postsynaptique sa dépolarisation Synapses excitatrices : potentiels Synapses inhibitrices: potentiels Axone postsynaptiques excitateurs (PPE) postsynaptiques inhibiteurs (PPI) Entrée d’ions chargés positivement Entrée d’ions chargés négativement dans le neurone postsynaptique qui ou sortie d’ion positifs dans le Mitochondrie entraine une dépolarisation neurone postsynaptique qui entraine Ca+ Vésicule (génération d’un potentiel d’action). une polarisation. 1 synaptique a. B. Neurone présynaptique Canal calcium voltage-dépendant Fente synaptique 2 Les PPE (en vert) et les PPI (en rouge) a. Sommation temporelle Neuro- 3 transmetteur peuvent s’additionner dans le temps b. Somation spatiale 4 (sommation temporelle) ou non loin les uns des autres (sommation spatiale) Neurone postsynaptique Récepteur chimio- dépendant (Na+/K+ ou Cl-)  Le fonctionnement des synapses chimiques peut être influencé par divers agents externes (toxines, polluants, drogues…) Cet animal est consommé, notamment au Ca+ Famille des japon sous la forme de « fugu », un plat Tetraodontidae mortel si il est mal préparé (1mg de TTX peut La tétrodotoxine (TTX) est tuer un homme adulte en bonne santé). une puissante neurotoxine trouvée dans les espèces marines comme les poissons-globes … mais elle peut aussi affecter directement les synapses chimiques en empêchant la liaison entre les La tétrodotoxine va bloquer récepteurs chimio-dépendants du les canaux sodium (Na+) neurone postsynaptique et les voltage-dépendants… neurotransmetteurs  Ganglion Cnidaires cérébroïde Système nerveux diffus Plathelminthes Arthropodes contenant des cellules Les Bilatériens marquent Chez les protostomiens, les sensorielles l’apparition d’un Système ganglions sont disposés le Nerveux Central long d’une ou deux chaînes Possèdent des cordons nerveux et l’impulsion nerveuse est Cordon unidirectionnelle nerveux longitudinaux et des ganglions (Système Nerveux Périphérique – SNP) couplés à des ganglions Chaîne nerveuse / ganglionnaire cérébroïdes plus grands au On ne parle pas de Système niveau de la tête Ganglion de la chaîne Nerveux Central dans ce cas Ganglion nerveuse Anneau cérébroïde nerveux Généralement , la proportion relative qu’occupe une structure dans le cerveau témoigne de l’importance de sa fonction chez l’animal Protocérébron Neuropile : intérieur du Intégration des informations ganglion formé uniquement visuelles et auditives Cerveau des axones et dendrites Deutocérébron Innerve entre autres les antennes Les différentes fonctions sont généralement assurées par différents ganglions Tritocérébron En relation avec le système digestif Chez certains protostomiens le Cerveau d’un insecte ganglion cérébroïde devient plus gros ce qui forme un cerveau  Chromatophore Cerveau Ganglion branchial Nerf de la poche à encre Corde nerveuse avec axone géant Fibre motrice Ganglion étoilé Le SNC permet la contraction de cellules musculaires Céphalopodes Lobe optique autour des chromatophores ce qui permet de coordonner le L’un des systèmes nerveux les changement de couleur et de texture Cerveau plus complexes des Métazoaires avec celui des Vertébrés Œil Les différents bras fonctionnent Cerveau Ganglion buccal de façon autonome et peuvent Lobe optique supérieur Nerf du bouger, acquérir des informations tentacule sensorielles et réagir à des stimuli Anneau nerveux sans l’intervention directe du SNC Chaîne nerveuse autonome Le sépion est une structure cartilagineuse autour des différents lobes du cerveau (souvent appelée « os de seiche »)  Eléphant Cachalot Morue Dauphin Cerveau plus grand Homme Baleine bleue qu’attendu par rapport Poids du cerveau à la masse corporelle Chimpanzé Cheval Hippopotame proportionnel à la masse Poids du cerveau (g) Macaque rhésus Cochon Grenouille corporelle des espèces Chien Chat Ecureuil Plusieurs hypothèses non Souris Rat Hérisson Cerveau plus petit exclusives qui pourraient Souris qu’attendu par rapport Singe expliquer l’évolution de la Musaraigne Musaraigne à la masse corporelle Chauve-souris taille du cerveau chez certains taxons : Masse corporelle (kg) MAMMIFERES Hypothèse sociale : les interactions sociales (donc le fait de vivre en groupe) demandent une capacité cognitive importante qui aurait pu favoriser l’évolution de la masse du cerveau Hypothèse écologique: un cerveau plus Chat volumineux confère un avantage sélectif par rapport aux changements environnementaux Oie Prosencéphale Hypothèse métabolique: un cerveau plus Cortex visuel gros est couteux en énergie, il faut donc que Cervelet l’avantage qu’apporte l’évolution de taille de cet organe compense la perte énergétique Moelle Mésencéphalon De nombreuses autres hypothèses… Crocodile Hypophyse ARCHOSAURIENS  Système nerveux somatique contrôle les actions volontaires Système nerveux central (SNC) Système nerveux (comme les mouvements des efférent (ou moteur) muscles squelettiques) 1. Cerveau qui transmet les commandes du SNC 2. Moelle épinière vers le reste du corps Système nerveux autonome qui Système nerveux (muscles et glandes gère les fonctions involontaires entérique agit notamment) du corps (comme la fréquence uniquement sur le cardiaque, la digestion, etc). système digestif Système nerveux Système nerveux périphérique (SNP) afférent (ou sensoriel) chargé de 1. Nerfs transmettre les informations Système sympathique Système parasympathique 2. Ganglions nerveux sensorielles vers le (système « combat ou fuite ») (système « repos et digestion ») SNC via les neurones afférents. Effet excitateur : Effet inhibiteur : SNC Augmente la Diminue la fréquence fréquence cardiaque cardiaque et la force de Neurone afférent contraction (récepteur sensoriel) Captent les stimuli de l’environnement (environ Interneurone Invitation duale : La plupart des organes 10% des neurones) sont innervés à la fois par le système Analysent et intègrent des sympathique et parasympathique informations sensorielles et Neurone efférent assure la coordination des (moteurs) Transmettent les réponses motrices (environ messages nerveux du SNC 80% des neurones, vers les organes effecteurs exclusivement dans le SNC) (environ 10% des neurones)  Dure-mère Feuillet externe Les neurones : cellule excitable Dans le Système Nerveux Central Feuillet interne constituant l'unité fonctionnelle Périoste de la base du système nerveux Peau Les microglies : macrophages du SNC. Représentent 10-15% des cellules gliales Os Les astrocytes : rôle de soutien structurel et métabolique pour les neurones. Constituent environ 50% des cellules gliales Pie-mère Les oligodendrocytes : Arachnoïde responsable de la formation de myéline. Environ 20% Sinus sagittal des cellules gliales. supérieur Les cellules épendymaires délimitent la cavité interne du La dure-mère, la pie-mère et l’arachnoïde SNC et produisent le liquide forment les méninges : une membrane qui céphalo-rachidien (fluide cérébro- entoure le cerveau et la moelle épinière spinal) qui agit comme protection mécanique contre les Neuroglie traumatismes physiques tissu de soutien et de protection pour les cellules neuronales Sont aussi des précurseurs de nouveaux neurones dans certaines zones du SNC  Substances Dans la plupart des liposolubles Capillaires Jonction serré (pas de pore) Barrière hémato- capillaires du corps. Transport médié par des du cerveau encéphalique limite le transporteurs spéciaux passage de la majorité des (glucose, acide aminés) Cellule Différents Différents substances chimiques du formant la mécanismes de mécanismes sang vers le cerveau paroi cellulaire transport Pore aqueux de transport (permet le passage Substances des molécules) Processus liposolubles astrocytaires Thalamus Hypothalamus 3. Cerveau antérieur  Le diencéphale qui inclut le thalamus (relais Différentes structures qui Glande pour les informations sensorielles qui sont constituent l’ensemble de pituitaire dirigées vers le cortex cérébral) et l’encéphale l’hypothalamus (régule les fonctions autonomes) Cerveau antérieur (Prosencéphale)  Les hémisphères cérébraux : siège des fonctions complexes Télencéphale (planification, perception, Diencéphale compréhension du langage) Cerveau moyen (Mésencéphale) 2. Cervelet Coordination Mésencéphale motrice et équilibre 1. Tronc cérébral Cerveau postérieur Relais entre le  Cérébellum vestibulaire (équilibre, mouvements oculaires) (Rhombencéphale) Midbrain  Cérébellum spinal (tonus musculaire et coordination des cerveau et la Pont mouvements volontaires) Métencéphale moelle épinière Médulla  Cérébellum cérébral (planification et exécution, stockage de la mémoire procédurale) Myélencéphale  Toutes les informations ne remontent pas jusqu’au cerveau : la Dorsal Tronc cérébral moelle épinière est aussi le centre de traitement de l’information de certains reflexes autonomes (actions réflexes rapides et localisées) Nerfs Disque Moelle épinière rachidiens vertébral Vertèbres Vertèbres RACINE DORSALE Moelle épinière Ventral NERF SPINAL / RACHIDIEN Canal rachidien RACINE VENTRALE Substance grise : Substance blanche : corps cellulaire des les fibres nerveuses neurones myélinisées (axones) Ganglion spinal Corps cellulaire du (ou de la racine dorsale) neurone afférent Cauda Voie afférente : véhicule les equina informations sensorielles vers le cerveau Les axones sortent par les foramens intervertébraux Voie efférente : véhicule les instructions motrices du cerveau vers le corps Interneurone  Réflexe spinal / arc réflexe Le chemin à parcourir par l’information est bien plus court que si Neurone afférent celle-ci devait passer Réflexe extenseur croisé par le cerveau Inhibition de la Permet le maintien de l’équilibre contraction du et de la posture muscle antagoniste Stimulus douloureux Neurones efférents  Interneurones excitateurs : amplifient le signal pour Neurone permettre le réflexe de retrait afférent Neurones Le même processus permet efférents les différents mouvements  Interneurones inhibiteurs : durant la marche Activation inhibe le signal pour empêcher (=contraction) la contraction des muscles du muscle antagonistes Flexion du Extension muscle du muscle Réaction quasi immédiate à un Obstacle déclenche Extension stimuli sans Flexion du le réflexe spinal du muscle l’intervention du muscle cerveau Coordination des muscles des deux jambes  Gyrus (singulier de gyri) Cortex associatif (fonctions cognitives Sulcus supérieurs tels que le langage, la prise de décision) (singulier de sulci) Permet d’augmenter la surface disponible Cortex moteur primaire (production des mouvements) sans changement du Principalement volume de la boite Cortex somato-sensoriel (sens du dédié au traitement touché, pression, température, douleur) crânienne sensoriel Fort accroissement en Lobe frontal Lobe pariétal taille et en complexité Traite les informations sensorielles chez les mammifères Impliqué dans le raisonnement, la planification, certains types de (touché, pression, température) et mémoires, les émotions et le l’intégration spatiale. contrôle des mouvements volontaires Air de Broca : impliqué dans le langage articulé Neuroplasticité : capacité du cerveau à se modifier en réponse à Lobe occipital l'expérience, l'apprentissage, Lobe temporal Traitement visuel l'environnement et les blessures. Reconnaissance des objets, visages, mémoire à long terme Air de Wernicke : impliqué dans la Réorganisation et compensation compréhension du langage entre les différentes régions Redondance de certains réseaux Différence de taille du cortex neuronaux Même si il existe une régionalisation des fonctions, cela reste une cérébral chez les vertébrés Importance du stade de simplification des fonctions des différents zones du cerveau humain développement  I II Une organisation en 6 couches où chacune joue III un rôle dans diverses Thalamus fonctions cognitives et sensorielles IV Cortex cérébral Structures V analogues Midbrain Cervelet IV Myélencéphale Comparaison Pallium de taille Cortex Le pallium des oiseaux est préfrontal composé de noyaux denses = des groupes de neurones qui forment des structures en forme d’îlots répartis à travers le cerveau Thalamus Nidopallium Midbrain caudolatéral Fort accroissement en taille Myélencéphale Cervelet et en complexité chez les oiseaux, mais l’organisation Différence de taille du cortex est différente et il n’y a pas Capables d’effectuer des tâches cognitives similaires Le siège des fonctions cognitives cérébral chez les vertébrés de gyrification (notamment résoudre des problèmes complexes) complexes n’est pas identique chez les malgré des différences structurelles importantes. mammifères et chez les oiseaux Bonnes révisions! Pour vos révisions, pensez à:  Respirer profondément  Garder un rythme cardiaque stable  Utilisez correctement votre système nerveux