Les neurones et la communication nerveuse
Les neurones et la communication nerveuse
Les neurones sont des cellules de notre système nerveux qui en compte environ 100 milliards, principalement dans notre cerveau, mais aussi dans la moelle épinière, les vertèbres, le dos et d’autres qui se prolongent en dehors de la moelle épinière. Les neurones sont des cellules très particulières, ils ont différentes formes et différentes tailles. En voici un exemple représenté sur le schéma suivant, dont on doit connaître la forme et l’organisation.
I. Organisation d’un neurone
Comme toutes cellules, les neurones possèdent une membrane plasmique ou cytoplasmique représentée en jaune avec un noyau. Le cytoplasme se trouve à l’intérieur de la membrane, est délimité par celle-ci, et contient de nombreux organites. La zone la plus à gauche est appelée corps cellulaire.
Ce neurone a une forme particulière en étoile et possède différents prolongements qui vont permettre de rentrer en contact avec d’autres cellules, comme par exemple d’autres neurones. Les petits prolongements autour du corps cellulaire se nomment des dendrites et la zone du grand prolongement sur la droite s’appelle axone ou encore fibre nerveuse.
Au bout de cet axone se trouvent différents replis de la membrane, soit d’autres prolongements. Cette zone s’appelle la terminaison. C’est l’ensemble de ces trois zones qui forme un neurone, c’est-à-dire une cellule nerveuse.
II. Principes de fonctionnement
Un neurone est une cellule capable de communiquer avec d’autres cellules, par exemple des cellules musculaires. Des messages se propagent sous forme électrique à l’intérieur du neurone, en général du corps cellulaire vers la terminaison.
Ces message sont appelés des potentiels d’action et circulent au sein de l’axone jusqu’à atteindre la terminaison où ils seront transmis par l’intermédiaire d’un contact entre deux neurones. Ce point de communication est une synapse. C’est un petit espace de quelque dizaine de nanomètres qui permet de faire passer des messages, non plus électriques, mais via des molécules chimiques.
Elles sont libérées par le neurone en jaune pour faire passer un message au neurone en noir. Ces molécules libérées dans la synapse s’appellent des neuromédiateurs.
Ils permettent d’avertir le neurone noir d’un certain message transmis par le neurone jaune. Il y a donc une communication nerveuse de type électrique lorsque le message se propage dans le neurone, et de type chimique, grâce aux neuromédiateurs, lorsque le message passe par la synapse entre deux neurones.
La stimulation nerveuse des cellules musculaires
Nos muscles sont capables de se contracter. Mais pour cela, ils ont besoin de recevoir des ordres. Pour simplifier, on dit que le cerveau envoie des ordres aux muscles qui leur disent de se contracter. Voyons comment se passe cette stimulation qui vient du cerveau et aboutit à la contraction du muscle, c’est-à-dire des cellules qui le compose.
Sur ce schéma, à droite est représenté un muscle et à l’intérieur de ce muscle se trouve un certain nombre de cellules musculaires qu’on appelle aussi des fibres musculaires. Ce sont des cellules capables de se raccourcir lorsqu’elles se contractent, elles sont donc contractiles.
Pour se contracter, elles ont besoin de recevoir un ordre nerveux porté par des neurones. Ces neurones, qui stimulent les cellules musculaires, sont appelés des motoneurones. Comme tous neurones, ils possèdent un corps cellulaire qui se trouve dans la moelle épinière (au sein de la colonne vertébrale).
L’axone, qui est le grand prolongement du neurone, passe dans un nerf qui va de la moelle épinière vers les muscles (l’ensemble des muscles de notre corps) et se termine par des petits prolongements appelés les terminaisons.
Les neurones sont capables de transmettre des messages sous forme électrique que l’on nomme potentiel d’action. Ces messages électriques sont transmis de la gauche vers la droite, c’est-à-dire de la moelle épinière vers la terminaison, soit dans le cas présent vers le muscle. Le neurone peut avoir été lui-même stimulé auparavant par des ordres qui venaient du cerveau. Lorsque les messages électriques véhiculés dans l’axone parviennent à la terminaison, il y aura une libération de molécules chimiques par le neurone. Ces molécules, appelées des neuromédiateurs, sont alors transmises à la fibre musculaire. Elles sont libérées dans de tous petits espaces de communication entre le neurone et la fibre musculaire : les synapses. Cette synapse très particulière entre le neurone et la fibre musculaire s’appelle une jonction neuro-musculaire.
Les neuromédiateurs sont captés par les fibres musculaires qui possèdent des récepteurs capables de les récupérer. Puis, lorsqu’elles fixent ces neuromédiateurs à leur surface, les fibres musculaires réagissent en une cascade de réactions de leur surface vers l’intérieur, ce qui aboutit à la contraction de chaque fibre et donc à la contraction musculaire.
Les potentiels d'action : des messages nerveux électriques
Les neurones sont des cellules particulières par leur nombre (il y en a 100 milliards dans notre organisme), particulières par leurs formes, particulières dans leur mode de fonctionnement.
Chez certaines espèces, il existe de très gros neurones qu’on peut prélever et manipuler. Nous sommes capables avec des appareils, notamment avec des micros électrodes (petites électrodes), d’enregistrer l’activité électrique (enregistrer une tension) avec un appareil appelé oscilloscope, qui permet de suivre l’activité électrique des cellules.
Graphiques et différence de potentiel électrique
Les deux graphiques suivants représentent cette activité. Dans ces graphiques, on suit la différence de potentiel électrique, il s’agit donc d’une tension (son unité sera le milli volt) en fonction du temps (le temps est donné ici en milliseconde). Si on enregistre avec ces microélectrodes ce qui se passe à l’intérieur du neurone, on se rend compte qu’il y a une tension qui varie au niveau de la membrane plasmique ou membrane cytoplasmique du neurone. Quand les neurones son actif, ils propagent le long de leur axone des potentiels d’action. Un potentiel d’action est schématiquement représenté sur le graphique.
Graphique 1
Lorsque le neurone est au repos, la tension enregistrée avec le microélectrode est d’environ -60 millivolt.
Si le neurone est actif, il transmet un certain nombre de messages qui se caractérisent par une variation de la différence de potentiel électrique. On décompose cette variation en deux phases. D’abord on observe une augmentation du potentiel de membranes qui s’appelle la dépolarisation puis on observe un retour vers la situation de repos qui s’appelle repolarisation.
Ce schéma représente donc un potentiel d’action qui correspond à une variation de la tension de la membrane du neurone au cours du temps. On observe sur le graphique qu’il dure environ 2 millisecondes.
Graphique 2
Maintenant, si on suit l’activité d’un neurone, il est capable de générer et de propager beaucoup de potentiel d’action.
Lorsqu’on stimule un neurone, il répond par une activité électrique. Si la stimulation est faible, et si on suit toujours la différence de potentiel au cours du temps, on observe, par le neurone, quelques potentiels d’action relativement éloignés les uns des autres dans le temps.
Attention ! L’échelle utilisée dans les deux graphiques présentés n’est pas la même. Dans le deuxième, une graduation correspond à 10 milli secondes alors que dans le premier c’est 1 milli seconde.
Ainsi pour un neurone peu stimulé avec une activité faible, on a quelques potentiels d’action relativement écartés. On dit que leur fréquence est faible.
En revanche, si on stimule fortement un neurone, il répond en générant et en propageant le long de son axone beaucoup de potentiels d’action, qui seront donc plus rapprochés les uns des autres dans le temps. On observe dans cette configuration, quatre potentiels d’action successifs dans un temps relativement court.
Stimulation faible = quelques potentiels d’action éloignés les uns des autres dans le temps.
Stimulation forte = beaucoup de potentiels d’action rapprochés les uns des autres dans le temps.
Ces potentiels d’action, qu’ils soient de potentiel faible ou fort, ont toujours la même forme et la même taille. On dit qu’ils ont la même amplitude. Ce qui change, c’est qu’ils sont éloignés ou rapprochés dans le temps, selon que l’activité du neurone est faible ou forte.
Les neurones et la transmission synaptique
On considère qu’il y a environ 100 milliards de neurones dans notre système nerveux et nous allons étudier la communication qui existe entre un neurone et un autre. Le neurone est une cellule nerveuse, donc il se trouve par exemple dans notre cerveau.
La zone la plus à droite est appelée le corps cellulaire, on reconnait son noyau. Sur la droite de celui-ci, le grand axe est appelé l’axone qui a au bout des ramifications qu’on appelle la terminaison ou terminaison synaptique. Deux neurones communiquent au niveau d’un point presque de contact, où les membranes de la cellule jaune à gauche et de la cellule noire à droite, sont très proches l’une de l’autre. Ce point de contact est appelé synapse.
Fonctionnement d’une synapse
Les informations se transmettent sous forme de signaux électriques représentés par le biais d’une flèche jaune. Ils voyagent le long de l’axone du neurone, on parle de potentiel d’action.
Dans ce schéma, on change complètement d’échelle : on zoome sur la synapse, soit sur la zone de communication entre les deux neurones. Ici en bleu, on reconnaît la membrane du neurone qu’on appelle le neurone pré-synaptique (pré pour avant la synapse). En noir, en dessous, est représenté la membrane du neurone post-synaptique. Les informations sont transmises du haut vers le bas comme elles étaient transmises de la gauche vers la droite dans le schéma précédent. La synapse est donc ce point de communication entre les deux neurones et en particulier cette fente, cet espace de rapprochement important des membranes qu’on appelle la fente synaptique.
Première étape
Un message nerveux, représenté ici par des signaux électriques, arrive au bout de l’axone du neurone bleu.
Deuxième étape
Il y a libération dans la fente synaptique de molécules chimiques particulières stockées dans le neurone pré-synaptique. Elles vont se retrouver libérées dans la fente synaptique. Ces molécules, représentées en rouge, s’appellent des neuromédiateurs. Ce sont des molécules chimiques, naturelles, produites par le corps, qui jouent le rôle de messager.
Troisième étape
Ces molécules, libérées dans la fente, vont se fixer sur ce qui est représenté en noir à la surface du neurone post-synaptique, les récepteurs. Ces récepteurs sont des molécules, des protéines qui ont les propriétés de fixer, d’accrocher le neuromédiateur. Lorsque le neuromédiateur est fixé, le neurone post-synaptique va réagir.
Quatrième étape
Il y a une cascade de réactions qui peut aboutir à la naissance de nouveaux signaux électriques représentés par la seconde flèche jaune.
Cinquième étape
Pour terminer, une fois ce message chimique transmis, le neuromédiateur en rouge est recapturé et détruit par le neurone pré-synaptique. Il y a un recyclage de ces messagers qui pourront à nouveau être stockés dans ces petites poches qu’on appelle des vésicules et utilisés lors de la transmission d’un nouveau message.
Ces étapes 1, 2, 3, 4 et 5 correspondent à la transmission synaptique d’informations sous forme chimique d’un neurone à un autre.