PHYSIOLOGIE DES RECEPTEURS ET MODALITES DE CODAGE Cours 1 PHYSIOLOGIE DES RECEPTEURS ET MODALITES DE CODAGE

INTRODUCTION Notre contact avec le monde extérieur s'effectue par l'intermédiaire de structures nerveuses spécifiques: les récepteurs sensoriels C'est à leur niveau que les différents stimuli naturels sont transformés en signaux nerveux pertinents. Nous recevons en effet des stimuli de notre environnement mais aussi de notre propre corps (viscères, muscles). On distingue en général trois catégories : les extérocepteurs, les propriocepteurs et les intérocepteurs.

Les extérocepteurs sont sensibles aux stimuli externes et incluent la vision, l'audition, les sensations cutanées Les propriocepteurs donnent de l'information relative à la position respective des segments corporels les uns par rapport aux autres mais aussi relative à la position du corps par rapport à l'espace. Les intérocepteurs concernent tout ce qui touche le corps de façon interne comme par exemple la pression sanguine ou le taux de glucose sanguin. Contrairement aux deux précédents, les signaux des intérocepteurs n'atteignent pas l'état de conscience. Le système sensoriel somatique reçoit et traite des signaux provenant de la surface du corps mais aussi de tissus plus profonds ou de viscères.

Aussi et contrairement par exemple au système visuel qui est entièrement extéroceptif, le système sensoriel somatique englobe les 3 classes de récepteurs et se décompose en 4 modalités sensorielles principales: - les sensations tactiles sensibles aux stimulations mécaniques appliquées à la surface du corps - les sensations proprioceptives sensibles aux déplacements des muscles et des articulations - les sensations thermiques qui incluent de façon séparée les sensations du chaud et du froid - les sensations algiques sensibles aux stimuli nociceptifs. Chacune de ces modalités est assurée par une classe particulière de récepteurs.

I LES SYSTEMES SENSORIELS SONT ORGANISÉS DE FAÇON HIERARCHIQUE ET PARALLELE Les systèmes sensoriels sont organisés pour recevoir, traiter et relayer l'information relative au stimulus périphérique vers les niveaux les plus élevés du système nerveux. C'est parce que le système sensoriel somatique est organisé simplement qu'il constitue une bonne introduction pour l'ensemble des systèmes sensoriels. L'organisation du circuit permettant la perception sensorielle somatique peut se représenter schématiquement

Le premier neurone conduisant le signal de la périphérie vers le SNC est un neurone récepteur : ici, un ganglion de la racine dorsale. Les neurones récepteurs présentent la particularité de coder des stimuli naturels en signal nerveux. Seule la partie distale de la branche périphérique du ganglion de la racine dorsale code l'énergie du stimulus. La portion restante de l'axone est spécialisée pour conduire jusqu’au SNC l'information codée (PA). Le codage du stimulus et la transmission de l'information, pour les systèmes visuels et auditifs, sont assurés par des neurones différents. Un neurone récepteur code l'information sur une région définie : le champ récepteur. Il se définit comme étant la zone de la peau où un stimulus excite le récepteur.

Les systèmes sensoriels sont organisés soit en série soit en parallèle. Les neurones récepteurs dans ce système convergent vers des neurones dits de second ordre dans le SNC. Ces neurones ont également un champ récepteur dans la mesure où ils reçoivent des signaux afférents en provenance de certains neurones récepteurs. Ces neurones de second ordre, qui se trouvent dans la moelle épinière, se projettent à leur tour sur des neurones de troisième ordre qui, eux, se trouvent au niveau du thalamus. Enfin, ces derniers se projettent vers les lobes pariétaux du cortex cérébral.

En supplément de cette voie de perception consciente, l'information est transmise directement aux motoneurones (Mns), ou indirectement par le biais d'interneurones (Ins), de façon à permettre les réflexes. Le mouvement est ultérieurement contrôlé et modulé par des projections afférentes vers des structures supraspinales comme le cervelet. Les modalités sont généralement assurées par plusieurs voies. Pour le système tactile, il s’agit des colonnes dorsales (et du lemnisque médian) et du faisceau antéro-latéral. Ces voies représentent un exemple d'organisation en parallèle. D'un point de vue clinique, si l'un des faisceaux est lésé, l'autre peut le suppléer au moins partiellement.

II LES ETUDES DE PSYCHOPHYSIQUE SENSORIELLE PERMETTENT DE CORRELER LE COMPORTEMENT AVEC LA PHYSIOLOGIE La capacité sensorielle reflète l'intensité de stimulation nécessaire à la perception ainsi que la précision avec laquelle la zone de stimulation peut être perçue. Certaines parties du corps diffèrent largement d'autres du point de vue des capacités sensorielles. Les extrémités des doigts sont particulièrement sensitives. Quand le doigt se déplace sur une surface, leurs fibres afférentes informent le SNC de façon détaillée l’état de cette surface. A l'inverse la peau du coude ne permet qu'une discrimination limitée.

Le besoin de quantification a conduit au développement d'une branche de la psychologie expérimentale : la psycho-physique sensorielle. Ces investigations permettent d'établir un lien entre le comportement des récepteurs et des neurones. Trois propriétés peuvent être mises en évidence. 1) Les seuils de perception sensorielles et des fibres afférentes peuvent être identiques Le seuil sensoriel absolu correspond à la plus petite intensité de stimulus détectable et est déterminé statistiquement. Si l'on applique des stimuli d'intensités variables et croissantes, le seuil diffère légèrement dans chacune des séries.

Il est par conséquent plus commode de définir un seuil correspondant à une détection dans 50% des cas. Il est aussi possible de mesurer le seuil d'une classe particulière de fibres afférentes pour un stimulus donné. Vallbo et al (1979) ont pu montrer que le seuil sensoriel absolu pouvait coïncider avec celui de la fibre afférente. Dans cette situation, la détection du stimulus mécanique correspondait à l'activité d'une seule fibre afférente. Pourquoi le seuil psychophysique n'est il pas invariablement lié à l'activité d'une seule fibre afférente ? Certaines études ont montré la capacité des seuils sensoriels à être modifiés par le contexte dans lequel le sujet attend la détection du stimulus.

L'anxiété ou le danger peuvent par exemple diminuer le seuil de douleur alors qu'à l'inverse les compétitions sportives peuvent l’augmenter. Ces modifications des seuils sensoriels ne résultent pas de changements au niveau des seuils des récepteurs périphériques mais plutôt des seuils des neurones situés à l'intérieur du SNC. 2) L'évaluation de l'intensité du stimulus est corrélée avec la fréquence de décharge des fibres afférentes Non seulement le système sensoriel somatique détecte un stimulus, mais il est aussi capable de fournir des informations quant à son intensité.

Notre capacité à distinguer les stimuli qui diffèrent uniquement en intensité dépend de l'importance des stimuli. Considérons par exemple la discrimination de deux poids. Si chacun peut percevoir facilement une différence entre un poids de 1 kg et un de 2 kg, il n'en est pas de même par exemple entre un de 49 et un de 50 kg. Et pourtant la différence entre les deux est dans les deux cas de 1 kg. Ce phénomène a été mis en évidence dès 1834 par Weber qui établit une relation quantitative entre l'intensité du stimulus et la discrimination. DS = K x S où DS est la différence minimale d'intensité qui peut être perçue vis à vis d'un stimulus de référence S, K étant une constante.

Ainsi, plus l'intensité du stimulus de référence augmente, plus la différence en intensité nécessaire pour percevoir un second stimulus augmente. Une augmentation de la fréquence de décharge des fibres afférentes intervient en parallèle avec l'augmentation de l'intensité du stimulus. 3) La discrimination spatiale s'explique par la densité d'innervation des récepteurs Le travail initial de Weber a permis la prise de conscience de deux capacités : 1 - Celle de localiser la zone de stimulation 2 - Celle de différencier deux stimuli provoqués à partir de deux endroits proches.

Cette seconde capacité est quantifiée par la mesure de la distance séparant les deux points d'application. Cette distance est de 1 mm à l'extrémité du doigt et augmente considérablement dès lors que l'on se rapproche vers des parties plus proximales. A mesure que ce seuil augmente, on constate en parallèle une diminution de la densité des mécano-récepteurs.

III LES CARACTÉRISTIQUES DES STIMULI SONT CODEES ELECTRIQUEMENT PAR LES RECEPTEURS A la périphérie, les terminaisons amyélinisées d'une seule fibre afférente constituent un type de récepteur. Pour activer un récepteur, un stimulus doit être d'intensité suffisante (supérieure au seuil). L'élément clef pour comprendre la transduction sensorielle repose sur l'analyse du potentiel du récepteur qui est en fait un potentiel local de dépolarisation. Ce potentiel est produit par une ouverture des canaux par lequel transitent les ions Na+ et K+, de la même façon que les potentiels post synaptiques excitateurs (PPSE).

Dans les conditions de repos, la membrane du mécano-récepteur ne permet qu’à peu d'ions Na+ de passer à cause de la taille réduite des canaux. Un étirement de la membrane augmente de façon sensible le diamètre de ces canaux, laissant ainsi passer davantage d'ions Na+ alors que de façon concomitante des ions K+ sortent. Un étirement de la peau dans le champ récepteur produit un potentiel de réception au niveau de la membrane réceptrice. Lorsque l'amplitude de ce potentiel de réception atteint le seuil de déclenchement, un PA est généré au niveau de la portion myélinisée de l'axone.

Parce que la zone où le PA se déclenche est proche de la membrane réceptive, le potentiel mesuré à cet endroit reflète la somme du potentiel récepteur et les potentiels d'action. A une distance plus éloignée de la membrane, seuls les PA sont enregistrés. Des stimuli au-dessus du seuil conduisent à des potentiels de réception avec des fréquences de dépolarisation plus élevées et des plus grandes amplitudes. Ces potentiels de réception déterminent à leur tour des trains de PA de fréquences de plus en plus élevées.

1) L'intensité du stimulus est codée en fréquence Dès les années 20, Adrian le premier a noté que la fréquence de décharge de n'importe quelle fibre afférente augmentait avec l'intensité du stimulus. Des stimulations plus importantes induisent de plus importants potentiels de réception qui à leur tour des PA de plus grandes amplitudes et de plus hautes fréquences. Des stimuli encore plus importants vont aussi activer un nombre plus important de récepteurs. Ainsi l'intensité du stimulus est également codée par la taille (et donc le nombre) de la zone des récepteurs impliqués dans la genèse des PA, et donc par l'activation d’un nombre de fibres plus important.

2) Les caractéristiques des récepteurs en termes de vitesse d'adaptation sont sélectives Une caractéristique importante de tous les récepteurs somatiques est qu'ils s'adaptent. Le potentiel de réception décroît invariablement en amplitude dès lors que le stimulus est maintenu constant, de façon plus ou moins rapide. Un exemple de récepteur à adaptation rapide est le corpuscule de Pacini, situé juste sous la peau, qui est sensible aux vibrations. Le corpuscule de Pacini répond de manière transitoire au début du stimulus et quelquefois également à la fin.

L'adaptation souvent résulte des propriétés particulières de la membrane du neurone sensoriel. Pour le corpuscule de Pacini, l'adaptation dépend de la structure qui entoure l'axone central non myélinisé. Cette structure est constituée de couches concentriques à l'image d'un oignon. Un stimulus ferme appliqué sur la couche la plus superficielle déforme l'axone central non myélinisé. Des glissements à l'intérieur des couches les unes sur les autres font qu'avec le temps, le stimulus arrivant sur l'axone tend à diminuer. La structure du corpuscule filtre les variations lentes des stimuli mécaniques rendant le récepteur sensible aux seules variations rapides de pression.

Comme l'ont montré Lowenstein et Mendelson (1965), l'enlèvement de ces couches a pour effet de transformer ce récepteur à adaptation rapide en un récepteur à adaptation lente Cette rapide adaptation du corpuscule de Pacini est un exemple, sous une forme simple, d'une adaptation sélective des neurones sensoriels vis à vis de certaines caractéristiques d'un stimulus. Lors d'un maintien ferme et continu, seuls en effet les instants d'apparition et d'arrêt du stimulus peuvent apparaître pertinents.

IV DIFFERENTES CATÉGORIES DE FIBRES AFFERENTES CONDUISENT LES POTENTIELS D'ACTION À DIFFERENTES FRÉQUENCES La vitesse avec laquelle une fibre afférente conduit un PA est lié à son diamètre. Pour les grosses fibres myélinisées, la vitesse de conduction en m/s est égale approximativement à six fois le diamètre (en micromètre). Pour étudier la composition des fibres afférentes des nerfs périphériques, il est nécessaire que les fibres efférentes soient éliminées. Le plus simple en la matière consiste à sectionner les racines ventrales au niveau de la ME.

Pour s'assurer de la dégénérescence complète des fibres distales, un délai de plusieurs semaines est requis avant de pratiquer à une étude histologique. Les fibres afférentes du nerf sont comptabilisées, leurs diamètres mesurés et l'histogramme de distribution des diamètres établi. Ces histogrammes permettent de montrer que les fibres afférentes innervant les muscles sont différentes de celles innervant la peau. Généralement, l'histogramme d'une fibre afférente innervant un muscle est composé de quatre pics, chacun de ces pics étant caractéristique d'un type de fibre.

Sur l'histogramme d'un nerf afférent d’origine musculaire on peut distinguer des grosses fibres myélinisées (I), des moyennes (II), des petites (III) et des non myélinisées (IV). Afin de différentier les fibres d’origine cutanée de celles d’origine musculaire, on peut attribuer aux premières une autre nomenclature basée sur des lettres grecques : Aa, Ab, Ad et C. A noter que l'histogramme pour un nerf cutané est dépourvu de fibres du groupe I (A).

La vitesse de conduction est un élément important puisque déterminant le délai avec lequel le SNC reçoit l'information. En considérant que la distance séparant l'extrémité d'un doigt de la main de la ME est d'environ 1 mètre, le temps mis par le signal pour couvrir cette distance pourra aller de 0,02 s pour une fibre du groupe II (50 m/s) ou de 2 s pour une fibre de type C (0,5 m/s). Si un stimulus nocicepteur est véhiculé par une fibre C, le doigt risque d'être lésé bien avant que le SNC soit informé, surtout si l'on considère qu'un délai supplémentaire est également requis pour le traitement du signal.

V DIFFERENTES CLASSES DE RECEPTEURS SOMATIQUES SONT SENSIBLES À DIFFERENTS STIMULI Comment les fibres afférentes codent-elles la nature du stimulus? Cela dépend-il de la spécificité du récepteur (un seul type de récepteur pour détecter un type de stimulus) ou d'une organisation temporelle spécifique propre à chacun des types de stimuli ? Des techniques d'investigation électrophysiologiques ont montré qu'un type de récepteur et les fibres afférentes auxquelles il est lié présentent une spécificité dans la réponse.

La même sensation sera toujours provoquée que le récepteur soit activé par un stimulus naturel ou que sa fibre afférente soit activée artificiellement par une stimulation électrique. Pour illustrer ce principe: la stimulation électrique du nerf optique se traduit par une sensation de lumière. La stimulation vibratoire entraîne une sensation de mouvement. Sur la base de leur réponse sélective aux stimuli, trois classes principales de récepteurs somatiques peuvent être mises en évidence : les nocicepteurs, les thermorécepteurs et les mécanorécepteurs.

1) La douleur est détectée par les nocicepteurs Les nocicepteurs se divisent en trois catégories: - les nocicepteurs mécaniques qui sont seulement activés par de fortes stimulations mécaniques (objets tranchants). Aucune réponse ne survient si l'on applique fermement une aiguille émoussée sur la peau alors qu'un coup d'épingle ou un pincement amène une réponse brutale. - les nocicepteurs thermiques sensibles à la chaleur qui, chez l'être humain, répondent à partir de 45° C. - les nocicepteurs polymodaux qui répondent de façon égale à toute sorte de stimuli nocifs (mécanique, thermique, chimique).

D'un point de vue morphologique, les nocicepteurs sont des terminaisons nerveuses libres. On ne sait pas très bien cependant si les nocicepteurs répondent directement au stimulus nocif ou indirectement par le biais d'un ou de plusieurs transmetteur chimique libéré par le tissu lésé. 2) La sensation thermique est détectée par des récepteurs au chaud et au froid La sensibilité à la température est assurée par des petites zones de la peau (1mm de diamètre) correspondant à des zones discrètes d'innervation par lesquelles des stimulations thermiques engendrent la sensation de chaud ou de froid. Ces récepteurs thermiques sont des terminaisons nerveuses libres.

3) Les sensations tactiles sont détectées par des mécano-récepteurs à adaptation lente et rapide Une première classification peut être effectuée entre ceux qui s'adaptent lentement en répondant de façon constante à un stimulus constant et ceux qui s'adaptent rapidement en ne répondant qu'à la mise en jeu de la stimulation, voire à son retrait. La peau glabre (sans poil), comme à l'extrémité des doigts, possède deux types de mécanorécepteurs à adaptation rapide, chacun ayant une morphologie bien particulière : les corpuscules de Meissner et de Pacini. Les premiers se trouvent superficiellement au niveau du derme alors que les seconds se situent plus profondément

La peau glabre possède également deux types de mécanorécepteurs à adaptation lente, le récepteur de Merkel, qui est superficiel, et le corpuscule de Ruffini qui est situé plus en profondeur. Les dimensions des champs récepteurs varient. Généralement, les récepteurs de Merkel et les corpuscules de Meissner se caractérisent par des champs de réception plus petits que les corpuscules de Pacini et de Ruffini. Les mécanorécepteurs dotés de petits champs de réception permettent une meilleure discrimination spatiale. La peau recouverte de poils, qui recouvre la majeure partie du corps, comprend l'ensemble des récepteurs précités à l'exception des corpuscules de Meissner.

Quel stimulus mécanique est à même de mettre en évidence les propriétés des différents récepteurs? Une façon simple d'activer à la fois les récepteurs à adaptation lente et rapide et de soumettre la peau à un stimulus brusque et de longue durée. Après la sensation de contact, qui peut être détectée par les deux types de récepteurs, seuls les récepteurs à adaptation lente continueront à décharger. Des stimuli mécaniques sinusoïdaux permettent eux de différencier le comportement des récepteurs à adaptation rapide. Du point de vue des seuils fréquentiels de détection, les corpuscules de Meissner sont particulièrement sensibles aux variations de basse fréquence alors que ceux de Pacini le sont à ceux de plus haute fréquence.

Bien que chaque récepteur a sa spécificité en matière de stimulus, il faut considérer que notre vie de tous les jours s’appuie sur des stimuli naturels plus complexes. Il est rare en effet qu'un stimulus naturel n'affecte qu'un seul type de récepteur. En général, il s'agit plutôt d'une combinaison de plusieurs catégories de mécanorécepteurs. 4) La proprioception est transmise par des fibres afférentes musculaires La proprioception correspond au sens de la position et des mouvements segmentaires. La plupart du temps, les sensations proprioceptives surviennent suite à un mouvement, volontaire ou réflexe.

De ce fait, la proprioception segmentaire a longtemps été perçue comme dépendant de signaux provenant de régions du cerveau contrôlant la motricité segmentaire. Selon cette façon de voir, les commandes du mouvement en provenance d'une structure centrale sont également envoyées vers d'autres régions du cerveau dans le but de les renseigner sur la commande. Pour tester cette hypothèse, on peut modifier l'efficacité du signal nerveux entraînant la contraction en bloquant la circulation sanguine. Cette action a pour effet d'empêcher progressivement, sur la partie distale du membre, la conduction des PA aussi bien au niveau des voies afférentes et efférentes.

Goodwin et al. (1972) ont montré que le nerf devenant anoxique, les habilités à déplacer le segment et à percevoir le mouvement étaient différemment affectées. La perception du mouvement volontaire diminue d'abord, suggérant que la conduction des PA dans la partie afférente soit bloquée avant celle de la partie efférente. Ces résultats indiquent que les sens de la position segmentaire et du mouvement sont assurés par les récepteurs périphériques et non par une commande centrale. Une autre procédure est de comparer les sensations provoquées par des modifications passives de la position d'un segment avec celles résultant d’un acte volontaire.

Des études ont montré que le sens de la position segmentaire et la kinesthésie étaient bien présentes même en l'absence de mouvement actif. Ainsi, au repos, l'angle du genou peut être évalué à 0,5 degrés près. Trois catégories de récepteurs périphériques sont capables de signaler la position immobile d'un segment, la vitesse et la direction d'un mouvement segmentaire : 1- les mécanorécepteurs situés au niveau des capsules articulaires 2- les mécanorécepteurs cutanés 3- les mécanorécepteurs des muscles sensibles à leurs variations de longueur.

Les études (Burgess et Perl, 1973) menées sur le sens de la position immobile ont montré que chez le genou du chat, les afférences articulaires ne déchargeaient que pour les positions extrêmes alors que c'est pour les positions intermédiaires que le sens de la position immobile est le plus développé. D'autres études sur des articulations artificielles chez des patients ont montré que ces derniers avaient malgré tout un sens de la position immobile tout à fait normal. Ces résultats suggèrent que les afférences articulaires, ne jouent pas un rôle déterminant dans le sens de la position au repos. On peut par conséquent se demander quel rôle jouent ces récepteurs articulaires.

Les patients avec prothèse complète de hanche sont néanmoins encore capables de détecter la direction de mouvements segmentaires passifs. Cependant, le seuil de détection est plus élevé que la normale. Tout comme les récepteurs articulaires, les récepteurs cutanés ne sont pas nécessaires pour une détection précise des mouvements ou de la position segmentaire. Ainsi une anesthésie de la peau autour du genou n'a pas de réel effet sur l'estimation de l'angle de cette articulation. En fait, l'estimation des angles articulaires s'effectue par l'intermédiaire des informations de longueur données par les récepteurs des fuseaux neuromusculaires.

Matthews (1972) a produit des illusions de mouvement par des vibrations musculaires. Ces dernières, appliquées sur la peau, avaient pour effet de stimuler les corpuscules de Pacini mais surtout les fuseaux neuro-musculaires, particulièrement sensibles à des variations de faibles longueurs mais de fréquences élevées. On peut constater dans ce cas un important écart entre le mouvement réel et le mouvement perçu par le sujet. Du fait des signaux des fuseaux neuromusculaires, le mouvement est toujours perçu plus ample par rapport à la réalité.