Neurophysiologie http://neurobranches.chez.tiscali.fr/systnerv/indexsn.html http://www.lecerveau.mcgill.ca/flash/index_a.html

Plan Introduction 1. Les grandes divisions du système nerveux 2. La cellule nerveuse : le neurone 3. Les nerfs 4. Substance grise et substance blanche 5. Création et propagation de l’influx nerveux: Canaux ioniques - Potentiel de repos Potentiels gradués Potentiels d’action 6. Transmission d’un neurone à un autre (synapse) 7. Neurotransmetteurs 8. Intégration nerveuse

Système nerveux et système endocrinien Maintien de l’homéostasie par : Système endocrinien (hormonal) : Sécrétion d’hormones dans le sang Action lente, mais soutenue Système nerveux : Influx nerveux Action rapide, mais brève

Comportement modifié /Action en retour sur l’environnement Le système nerveux = système de communication qui permet de mettre l’organisme en relation avec le monde extérieur. Entrées d’informations Les récepteurs sensoriels transforment les informations en signaux électriques (= transduction) Transmission par les voies afférentes (centripètes) Centres nerveux (encéphale, moelle épinière) pour les traiter et coder. Envoi d’ordres moteurs par les voies efférentes Résultat des traitements envoyé vers la périphérie Comportement modifié /Action en retour sur l’environnement Organes effecteurs = muscles et glandes endocrines

Mode d ’action du système nerveux 1. Réception de l’information Milieu intérieur Milieu extérieur 2. Intégration : analyse des informations, mémorisation et prise de décision 3. Action Organes internes Muscles volontaires (comportement)

1. Les grandes divisions du système nerveux

Vision simplifiée du Système Nerveux Central Encéphale = 4 structures bilatérales, symétriques + cavités (= ventricules + aqueduc) hémisphères cérébraux (= cortex+substance blanche+ noyaux basaux) diencéphale tronc cérébral cervelet cerveau

Vision simplifiée du Système Nerveux Central 100 milliards de cellules nerveuses Les hémisphères cérébraux = 83% de la masse de l’encéphale 4 grandes lobes à la surface + 1 à l’intérieur frontal temporal pariétal occipital insulaire = circonvolutions cingulaires

Lobe occipital Cortex visuel = décodage de l’information visuelle → forme, couleur, mouvement

Lobe frontal Centre du raisonnement et de la planification Module les émotions et impliqué dans la personnalité Mouvements volontaires (zone postérieure=aire motrice primaire) Transformation des pensées en mots (=aire motrice du langage)

Lobe temporal Permet de distinguer l’intensité, la tonalité des sons de comprendre le sens des mots Impliqué dans la mémoire : droit (mémoire visuelle) gauche (mémoire verbale)

Lobe pariétal Partie antérieure : perceptions sensorielles (goût, toucher, température, douleur) Intègre signaux auditifs et visuels + relation avec mémoire Permet compréhension du langage parlé et écrit

Lobe de l’insula + Régions centrales Aires associatives viscérales Réponses psychosomatiques qui accompagnent les réactions émotives (fréquence cardiaque, taille de pupille, …)

2. La cellule nerveuse : le neurone Neurones (10%) Cellules gliales (90%) Caractéristiques des neurones: Ne se reproduisent pas (sauf rares exceptions). Grand longévité. Cellules excitables. Métabolisme    (5% du poids du corps, 20% de la consommation d ’énergie)

Structure des neurones Chaque neurone est formé : D’un corps cellulaire Prolongements De prolongements fins = axone et dendrites

L'influx se dirige vers corps cellulaire Dendrites Noyau Axone Axone, l'influx s'éloigne du corps cellulaire

dendrite axone

Prolongements peuvent être très ramifiés Dendrites Axone

Axones longs souvent recouverts d’une gaine de myéline. Formée de cellules gliales qui s’enroulent autour de l’axone.

Dendrites Corps cellulaire Axone recouvert de myéline

Espaces entre les cellules de Schwann = nœuds de Ranvier

Myéline formée de: Cellules de Schwann (système nerveux périphérique) Oligodendrocytes (SNC)

Classification structurale Neurone bipolaire Neurone multipolaire Neurone unipolaire

Classification fonctionnelle Neurone sensitif Neurone moteur Neurone d ’association (ou interneurones)

Neurone sensitif (neurone unipolaire) Neurone moteur (neurone multipolaire

La névroglie (cellules gliales) Soutien Remplissent tous les vides entre les neurones (tout ce qui est en noir sur ce dessin).

Soutien Régulation de la composition du milieu cérébral Phagocytose des cellules mortes et des corps étrangers Gaine de myéline (oligodendrocytes et cellules de Schwann) Contrairement aux neurones, ces cellules peuvent se reproduire activement.

Astrocytes: = les plus nombreuses comblent les espaces entre les neurones Participent à la régulation du milieu extracellulaire Celliles microgliales (de la microglie): Phagocytose (?) Cellules de l ’épendyme = tapisse paroi des cavités joueraient un rôle dans la migration des cellules au cours du développement

3. Les nerfs Axone Les nerfs sont formés d’axones de neurones moteur et de neurones sensitifs (certains ne contiennent que des fibres sensitives). Nerf rachidien ~ 600 000 fibres nerveuses Le corps cellulaire est dans (ou tout près) du SNC. Vaisseaux sanguins

Axone Gaine de myéline Endonèvre Périnèvre Épinèvre Vaisseaux sanguins

On peut recoudre l'épinèvre d'un nerf sectionné

Neurone sectionné Neurone intact L'axone et une partie de la gaine de myéline en aval de la section dégénèrent L'axone peut repousser en empruntant le "tunnel" formé par la gaine de myéline et l'endonèvre (1 à 5 mm par jour) Dans un nerf, ce ne sont pas toutes les fibres qui parviennent à repousser correctement ou à emprunter "le bon chemin".

Nerfs sensitifs Ex. nerf auditif, nerf olfactif, nerf optique Nerfs mixtes La plupart des nerfs sont mixtes.

4. Substance grise et substance blanche formée surtout d ’axones myélinisés permet la liaison nerveuse entre les zones éloignées Substance grise : formée surtout de corps cellulaires et de prolongements courts

Quand la myéline dégénère Sclérose en plaque Syndrome de Guillain-Barré

5. Création et propagation de l’influx nerveux Luigi Galvani (1737 / 1798) Un courant électrique appliqué à un nerf provoque la contraction des muscles d'une grenouille morte. Une électricité animale circule dans les nerfs.

L'électricité est-elle l'explication de la vie? Certains l'ont cru au XIXe siècle.

1850 : l'Allemand H. von Helmholtz (1821 - 1894) mesure la vitesse de l'influx nerveux dans un nerf. Vitesse de quelques mètres par seconde seulement. C'est donc beaucoup plus lent que l'électricité circulant dans un fil métallique (~ vitesse de la lumière) La cellule, une pile électrique

Andrew Fielding Huxley (1917) Alan Hodgkin (1914 - 1998) Axones géant de calmar Expériences sur les neurones géants de calmar à la fin des années 30 et dans les années 40. Ganglion contenant les corps cellulaires

Potentiel de repos Potentiel de repos : -70 mV

Concentrations en ions de chaque côté de la membrane: Extérieur de la membrane: Ions positifs = Na+ surtout (un peu de K+ aussi) Ions négatifs = Cl- surtout Mais y a un léger surplus d ’ions + Intérieur du neurone: Ions positifs = K+ surtout (un peu de Na+ aussi) Ions négatifs = Protéines et ions phosphates Mais y a un léger surplus d ’ions -

Supposons que de part et d’autre d’une membrane on ait autant d’ions positifs que négatifs: Potentiel nul (autant de + que de -) 10 Cl- et 10 Na+ 10 K+ et 10 ions - Potentiel nul (autant de + que de -)

13 charges + et 10 - = +3 +3 -3 7 charges + et 10 - = -3 Que se passe-t-il si on ajoute des canaux permettant le passage des K+, mais pas des autres ions? ==> diffusion du potassium 13 charges + et 10 - = +3 7 charges + et 10 - = -3 10 Cl- 10 Na+ 3 K+ 10 ions - 7 K+ +3 -3

La diffusion ne se fera pas jusqu’à équilibre des concentrations du K+ Le K+ cherche à diffuser en suivant son gradient de concentration Le K+ est attiré par les charges - de l'intérieur et repoussé par les charges + de l'extérieur Le gradient électrique qui se forme arrête la diffusion.

À l ’équilibre: Les charges positives en surplus s ’accumulent sur la membrane +3 -3 Les charges négatives en surplus s ’accumulent sur la membrane N.B. un peu de Na+ parvient à pénétrer

La polarité de la membrane est donc due: Différence de concentration en ions entre l’intérieur et l ’extérieur. Perméabilité sélective de la membrane (laisse passer le potassium, mais à peu près pas les autres ions). La polarité se maintient même si du Na+ parvient à pénétrer: pompes à sodium / potassium.

Forces qui maintiennent le potentiel de repos Le potentiel de repos est maintenu par les propriétés de perméabilité de la membrane plasmique et par des pompes dans la membrane qui font entrer les ions K+ et sortir les ions Na+.

Création et propagation de l’influx nerveux Les neurones communiquent entre eux au moyen de 2 types de signaux électriques: - Les potentiels d’action (PA) : courtes et longues distances, - Les potentiels gradués (PG) : courtes distances seulement. Production de ces signaux repose sur 2 caractéristiques fondamentales de la membrane plasmique des cellules excitables soit: - Existence d’un potentiel de repos, - Présence de canaux ioniques spécifiques.

Canaux ioniques Types de canaux ioniques: Production de PA et de PG due à la présence de nombreux canaux ioniques dans la membrane plasmique des neurones. Canaux s’ouvrent et se ferment en réponse à des stimuli particuliers. Bicouche lipidique des membranes plasmiques = bon isolant → passage par les canaux ioniques pour traverser la membrane. Types de canaux ioniques: Passifs (ouverts en permanence) Actifs (s’ouvrent par intermittence): Voltage-dépendant (sensibles au voltage) Ligand-dépendant (activés par un ligand) Mécanique-dépendant (activés par une stimulation mécanique) Chaque type de canal est sélectif: Ex : un canal à potassium ne laisse passer que des ions potassium

Canal voltage-dépendant

Canal ligand-dépendant

Dépolarisation et hyperpolarisation de la membrane plasmique

Potentiels gradués Modification locale et de courte durée du potentiel de membrane; surtout dans les dendrites et le corps cellulaire Produit suite à une stimulation des canaux ioniques actifs (ligand- et mécanique-dépendants); Varie en intensité selon la force du stimulus; Pour la communication à courtes distances; Réponse = dépolarisation (polarisation moins négative) ou hyperpolarisation (polarisation plus négative).

Mécanisme d’un potentiel gradué stimulus région dépolarisée membrane plasmique

Potentiel d’action ou influx nerveux Seules les cellules excitables (neurones et myocytes) peuvent engendrer des PA (dans les neurones: PA= influx nerveux; seulement dans les axones des neurones); Ne diminue pas avec la distance; pour communication sur de courtes ou de longues distances; = succession rapide d’événements qui ↓ le potentiel de membrane (le rend moins négatif) jusqu’à ce qu’il s’inverse, puis qui le ramènent à sa valeur de repos; 2 types de canaux ioniques voltage-dépendants s’ouvrent et se ferment pendant un PA : les canaux de Na+ ( entrée de Na+:dépolarisation), les canaux de K+ (sortie de K+: repolarisation)

Le potentiel d'action Les neurones peuvent réagir à un stimulus (excitabilité). Réaction = ouverture de canaux à sodium de la membrane Baisse d ’ions + à l’extérieur Hausse d ’ions + à l’intérieur

Entrée massive de Na+ ==> baisse de la polarité là où les canaux à sodium se sont ouverts. - 70mV  - 60mV  - 50 mV  ... Au point stimulé, la polarité s'inverse.

Le point dépolarisé reprend rapidement sa polarité: Fermeture des canaux à sodium. Ouverture de canaux à K+ qui étaient fermés ==>  perméabilité au K+ ==>  sortie de K+ = potentiel d ’action

Potentiel d ’action Pointe 0mV Dépolarisation Repolarisation -70mV ENa Pointe Potentiel d ’action Fermeture des canaux Na+ Ouverture des canaux K+ 0mV Dépolarisation Entrée de Na+ Repolarisation sortie de K+ Fermeture des canaux K+ Ouverture des canaux Na+ Seuil -55mV -70mV Repos EK

Période réfractaire Période réfractaire absolue Période réfractaire relative Dépolarisation Potentiel d’action Entrée de Na+ Repolarisation Sortie de K+ Hyperpolarisation tardive Seuil d’excitation Potentiel de repos Temps

Propagation de l’influx nerveux Une fois déclenché, le PA se propage de lui-même tout le long de l’axone à une vitesse constante sans perdre son intensité (loi du tout ou rien); Le mouvement des ions positifs crée un courant local qui dépolarise les régions inactives adjacentes de la zone active et donne naissance à un PA dans une zone initialement inactive; ≠ des potentiels gradués (↓ d’intensité avec la distance et ne peuvent pas se régénérer ↔ peu de canaux ioniques voltage-dépendants dans les endroits où ils sont générés = dendrites et corps cellulaire); La période réfractaire assure la propagation à sens unique du PA loin de l’endroit où il est né (= zone gâchette) vers les terminaisons axonales.

Potentiels gradués Potentiel d’action Ont lieu dans les dendrites et le corps cellulaire; Hyperpolarisation ou dépolarisation (pas inversion des charges); Déclenchés par un stimulus Canaux ioniques ligand-ou mécanique-dépendants; Variation du potentiel en fonction de l’intensité du stimulus (amplitude variable de 1mV à 50 mV); Durée de quelques ms à quelques minutes; Diminue avec la distance; Communication sur de courtes distances; Pas de période réfractaire; Capables de sommation Ont lieu dans l’axone Dépolarisation uniquement (avec inversion des charges); Loi du tout ou rien (ne varie pas d’intensité, d’amplitude, 100 mV le plus souvent); Déclenché par une dépolarisation jusqu’au seuil par la propagation d’un potentiel gradué; Canaux ioniques voltage-dépendants; Durée courte: de 0,5 à 2 ms; Ne diminue pas avec la distance; Communication sur de longues distances; Période réfractaire; Pas de sommation.

La stimulation de l’extrémité de l’axone entraîne la dépolarisation de la membrane à cet endroit

Le point dépolarisé va rapidement se repolariser Après la repolarisation, la membrane demeure inerte un certain temps (les canaux à sodium ne peuvent pas s ’ouvrir) = période réfractaire.

L'influx nerveux Potentiel d’action en un point de la membrane ==> potentiel d’action au point voisin: Les canaux à sodium vont s ’ouvrir ici

déplacement d ’un potentiel d’action le long de la membrane du neurone Influx nerveux = déplacement d ’un potentiel d’action le long de la membrane du neurone Même principe que la vague dans un stade

Les anesthésiques locaux bloquent les canaux à sodium.

La tédrodoxine, une neurotoxine abondante dans les viscères (intestins, foie, ovaires surtout) de certains poissons agit aussi en bloquant les canaux à sodium. Au Japon, certains restaurants servent du Fugu, un poisson riche en tetrodoxine que seuls certains cuisiniers certifiés peuvent apprêter (un seul poisson contient assez de toxine pour tuer 30 personnes). Tout l'art du cuisinier consiste à servir la chair du poisson sans la contaminer avec la toxine. Voir aussi: Fugu - the fatal fish

Vitesse de déplacement de l ’influx ~ 3 Km / heure (~ 1 m/s) à ~ 300 Km / heure (~ 100 m/s) Vitesse dépend: Diamètre de la fibre nerveuse :  diamètre ==>  vitesse Présence de myéline ==>  vitesse

La conduction saltatoire « Une fibre non myélinisée devrait avoir un calibre de plusieurs centimètres pour conduire l'influx à la même vitesse (100 m/s) qu'une fibre myélinisée de 20 micromètres de diamètre. » Le cerveau à tous les niveaux

dépolarisation repolarisation dépolarisation repolarisation dépolarisation

Loi du tout ou rien Pour qu’il y ait potentiel d’action, la dépolarisation au point stimulé doit dépasser un certain seuil (~ - 50 mV). Si la dépolarisation ne dépasse pas le seuil : la membrane reprend sa polarisation normale et il n ’y a pas d’influx. Si la dépolarisation dépasse le seuil ==> la dépolarisation se poursuit jusqu’à + 40 mV : dépolarisation et repolarisation = potentiel d’action ==> influx nerveux Peu importe l’intensité du stimulus, la dépolarisation ne dépassera pas + 40 mV

Loi du tout ou rien Pour qu’il y ait potentiel d’action, la dépolarisation au point stimulé doit dépasser un certain seuil (~ - 40 à ~ - 50 mV ). Le stimulus 1 (S1) est plus petit que S2 qui est plus petit que S3. Seul S3 provoque une dépolarisation qui atteint le seuil du neurone.

Perception de l’intensité du stimulus Le SNC peut faire la différence entre un stimulus faible et un stimulus fort même si le potentiel d’action est le même dans les deux cas: 1. Un stimulus fort fait réagir plus de neurones qu’un stimulus faible

2. La fréquence des potentiels produits est plus grande si le stimulus est fort.

Temps contact léger eau chaude pression ferme eau brûlante Seuil d’excitation infraliminaire liminaire Temps

6. La synapse Synapse = point de « connexion » entre deux neurones 1 mm3 de substance grise du cortex peut contenir 5 milliards de synapses.

Le cerveau est formé de circuits neuroniques Des neurones établissent des connections avec d’autres neurones. C’est un phénomène plastique. L’apprentissage est fortement lié à l’établissement et à la disparition de circuits.

Deux types de synapses Synapse neuro-neuronale Jonction entre deux neurones 2) Synapse neuro-effectrice Jonction entre un neurone (moteur) et une cellule effectrice: - Cellule musculaire - Cellule sécrétrice d’une glande

Anatomie de la synapse Neurone présynaptique Neurone postsynaptique Neurone présynaptique Neurone postsynaptique

Dépolarisation de la membrane du bouton synaptique Libération par exocytose du neurotransmetteur dans la fente synaptique Le neurotransmetteur se fixe sur son récepteur sur le neurone postsynaptique La fixation du neurotransmetteur provoque l’ouverture de canaux ioniques

Le canal à sodium s’ouvre lorsque le neurotransmetteur se fixe sur le récepteur.

La liaison du récepteur avec le neurotransmetteur peut avoir deux effets (selon le neurotransmetteur): Ouverture de canaux à sodium ==>  polarité de la membrane ==> potentiel d ’action (si la dépolarisation > seuil) ==> influx Ouverture de canaux à Cl- ou de canaux supplémentaires à K+ ==>  polarité de la membrane (-100 à la place de -70, par exemple) ==> neurone plus difficile à dépolariser (seuil plus difficile à atteindre)

Le glutamate est un neurotransmetteur Le GABA est un neurotransmetteur inhibiteur

Ouverture de canaux à Cl - ==> entrée de Cl- dans le neurone ==>  polarité de la membrane (l’intérieur devient plus négatif et l’extérieur plus positif)

Ouverture de canaux à K+ supplémentaires ==>  perméabilité au K+ ==>  diffusion du K+ vers l’extérieur ==>  polarité Un neurone hyperpolarisé est plus difficile à dépolariser jusqu’au seuil. Tant qu’il est hyperpolarisé, il est moins sensible.

Effet du neurotransmetteur dépend: Sorte de neurotransmetteur Sorte de récepteur Neurotransmetteur excitateur ==> dépolarise la membrane  le neurone est plus sensible ==> PPSE (potentiel post-synaptique excitateur) Neurotransmetteur inhibiteur ==> hyperpolarise la membrane  le neurone est moins sensible ==> PPSI (potentiel post- synaptique inhibiteur)

Chaque neurone reçoit des terminaisons excitatrices et des terminaisons inhibitrices Ex. neurone moteur S’il y a plus de PPSE que de PPSI, le neurone moteur est dépolarisé au-delà du seuil et il y a influx. S’il y a plus de PPSI que de PPSE le neurone moteur ne se dépolarise pas jusqu’au seuil. Il n’y a pas d’influx.

Ex. modulation de la douleur Si le neurone inhibiteur est actif, le neurone d’association devient peu sensible (plus difficile à dépolariser)

Zone gâchette Seuls les axones peuvent former des potentiels d'action. Les potentiels d'action prennent toujours naissance en un point de l'axone appelé zone gâchette. La zone gâchette est généralement située à la racine de l'axone, près du corps cellulaire. Si la polarité de la membrane du corps cellulaire dépasse le seuil, alors la zone gâchette déclenche un potentiel d'action qui se transmettra dans l'axone.

Sommation spatiale et sommation temporelle Purves et al., Life, Sinauer Associates, Inc. p. 788

7. Quelques neurotransmetteurs Acétylcholine Neurotransmetteur de nombreux neurones dans le SNC. Neurotransmetteur des jonctions neuromusculaires.

Acide gamma aminobutyrique (GABA) Acétylcholine Adrénaline et noradrénaline Dopamine Sérotonine Endorphines et enképhalines

Sérotonine Une baisse de l'activité des neurones à sérotonine, et donc de la transmission sérotoninergique centrale, serait associée à certaines formes de dépression.

milieu central fluctuant L'élimination du neurotransmetteur Dégradation par enzymes de le fente synaptique. Recaptage par des cellules gliales ou par le bouton synaptique. Diffusion hors de la fente synaptique Tous les neurones baignent dans une « soupe » de neurotransmetteurs dont la composition varie sans cesse = milieu central fluctuant

Mode d'action des drogues Effet antagoniste La drogue bloque le récepteur du neurotranmetteur. La drogue a le même effet que le neurotransmetteur. Effet agoniste Inhibiteur de recaptage La drogue empêche le recaptage du neurotransmetteur.

Blocage du récepteur = Effet antagoniste Ex. Curare ou cobratoxine aux jonctions neuromusculaires (antagonistes de l’acétylcholine). Antipsychotiques (antagonistes de la dopamine). Activation du récepteur = Effet agoniste Ex. Opiacés se fixent sur les récepteurs des endorphines et agissent de la même façon.

Inhibiteurs du processus d’élimination (recaptage) Cocaïne et amphétamines = inhibiteur du recaptage de la dopamine ISRS (Prozac) = inhibiteur du recaptage de la sérotonine Gaz de combat (organophosphorés) = inhibiteur de l’acétylcholinestérase, l’enzyme qui élimine l’acétylcholine dans les jonctions neuromusculaires.

Dopamine Inhibition du recaptage Recaptage Récepteurs de la dopamine

8. Intégration nerveuse Arc réflexe simple (réflexe patellaire) signal sensoriel→ neurone primaire sensitif (monosynaptique, excitateur)→ corne antérieure de la moelle → synapse avec motoneurone → corne ventrale → en simultané : contraction du muscle quadriceps + inhibition du muscle antagoniste par un interneurone

Hiérarchie de la régulation motrice L’exécution d’un mouvement coordonné est une tâche complexe à laquelle participent les nerfs, les muscles et les os Dans le SNC, les neurones participant à la régulation des muscles squelettiques sont organisés de façon hiérarchique

Hiérarchie de la régulation motrice Le niveau supérieur Les aires qui ont un rôle dans la mémoire et les émotions, l’aire motrice supplémentaire, le cortex associatif. Toutes ces structures reçoivent et comparent l’input de plusieurs autres structures. Il forme des plans complexes selon les intentions du sujet et communique au niveau intermédiaire par l’intermédiaire des neurones de commande

Hiérarchie de la régulation motrice Le niveau intermédiaire Le cortex sensorimoteur, le cervelet, des parties du noyaux gris centraux, certains noyaux du tronc cérébral Il transforme les plans complexes conçus au niveau supérieur en certain nombre de programme moteurs plus simples qui déterminent le programme de l’activité nerveuse nécessaire pour exécuter le mouvement

Hiérarchie de la régulation motrice Ces programmes sont décomposés en sous-programmes. Les voies descendantes transmettent les programmes et sous programmes, souvent, depuis le cortex jusqu’au niveau inférieur de la régulation

Hiérarchie de la régulation motrice Le niveau inférieur Les niveaux du tronc cérébral et de la moelle épinière d’où est issu le motoneurone Il détermine la tension des muscles et l’angle des articulations nécessaires à l’exécution des programmes et sous-programmes

Mouvements Mouvements volontaires Mouvement exécuté de façon consciente en sachant ce que nous faisons et pourquoi nous le faisons. Notre action se porte sur l’action ou sur son but Mouvements involontaires Mouvements automatique, inconscient et réflexe

Unité motrice = Ensemble formé par un motoneurone alpha+ son axone +les fibres musculaires qu’il innerve Le motoneurone alpha est le dernier relais des commandes motrices