PL_Plan Cours Reseaux neuroniques 081120
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Le système nerveux, un réseau cellulaire de communication<br />
I. La morphogenèse du système nerveux et la mise en place d’un réseau de<br />
cellules interconnectées<br />
A) Le développement d’un système hiérarchisé et polarisé<br />
1) De la plaque neurale au tube neural chez les vertébrés : l’individualisation<br />
d’un territoire particulier<br />
2) Le développement polarisé du système nerveux<br />
3) Le développement d’une structure multi-couches<br />
B) Le développement d’un système connecté<br />
1) Les migrations cellulaires<br />
2) La formation des connexions neuronales et des circuits neuronaux<br />
C) La diversité cellulaire du système nerveux<br />
1) Les neurones des cellules polarisées<br />
2) Les cellules gliales<br />
a) Astrocytes<br />
b) Les oligodendrocytes (ou cellules de Schwann)<br />
c) La microglie<br />
II. Les neurones, des cellules excitables, à la fonction de communication<br />
A) La genèse des potentiels d’action, des signaux informatifs<br />
1) Le potentiel de repos des cellules et les propriétés électriques des<br />
membranes<br />
a) Mesure d’une ddp transmembranaire<br />
b) Schéma électrique équivalent de la membrane<br />
c) L’inégale répartition des ions à l’origine du potentiel de repos<br />
d) Le maintien de l’inégale répartition des charges : l’activité de la<br />
pompe Na+/K+ ATP dépendante<br />
2) Le potentiel d’action : une dépolarisation brève de la membrane<br />
a) Caractéristiques d’un potentiel d’action<br />
b) Les mouvements ioniques à l’origine du potentiel d’action<br />
c) Les canaux ioniques voltage dépendants (ou dépendants de la<br />
tension)<br />
B) La conduction des potentiels d’action<br />
1) Les courants locaux et la conduction des potentiels d’action : un processus<br />
entretenu/régénéré<br />
a) La conduction de proche en proche<br />
b) L’unidirectionnalité de la conduction<br />
2) Les facteurs modulant la vitesse de conduction<br />
a) Le diamètre des fibres<br />
b) La myélinisation des fibres<br />
C) La transmission des messagers nerveux : la transmission synaptique<br />
<strong>Cours</strong> Réseaux <strong>neuroniques</strong> – plan p. 1/1<br />
CAPES SVT – Paris 7-12 - novembre 2008 J. Segarra
1) Les synapses électriques<br />
2) Les synapses chimiques<br />
a) La mise en évidence d’une transmission chimique<br />
b) Les critères de la neurotransmission<br />
c) Organisation d’une synapse chimique<br />
d) Libération des neuromédiateurs<br />
e) Bilan de la transmission chimique<br />
3) Diversité des neurotransmetteurs et des récepteurs aux neurotransmetteurs<br />
a) Différentes familles de neurotransmetteurs<br />
b) Les différents types de récepteurs aux neurotransmetteurs<br />
c) Un exemple de récepteur ionotropique : le récepteur nicotinique<br />
de l’acétylcholine<br />
d) Des exemples de récepteurs métabotropiques : diversité des<br />
couplages récepteur – canaux ioniques<br />
4) Intégration synaptique et genèse de messages nerveux uniques/nouveaux<br />
a) Du PPS au PA<br />
b) Sommations spatiale et temporelle<br />
c) Equilibre des PPS et genèse d’un message nerveux<br />
III. Le système nerveux, un réseau cellulaire dynamique et doué de<br />
plasticité<br />
A) Etablissement et changements des réseaux neuronaux de la naissance à l’âge<br />
adulte – importance de l’activité nerveuse<br />
1) L’établissement des colonnes de dominance oculaire : importance du<br />
développement post-natal<br />
a) Les colonnes de dominance oculaire du cortex visuel<br />
b) L’importance de l’activité dans l’établissement des colonnes<br />
c) Profils d’activité et compétition<br />
d) Quelques éléments du mécanisme d’action : renforcement<br />
synaptique<br />
2) La modification des cartes somesthésiques à l’âge adulte – lien avec l’activité<br />
nerveuse<br />
a) Le cortex somesthésique primaire : la projection des<br />
informations sensorielles<br />
b) Les changements des cartes somesthésiques<br />
B) La plasticité synaptique et la modification à long terme de la force synaptique<br />
1) La mise en évidence du phénomène de potentialisation à long terme (LTP)<br />
2) Les propriétés de la LTP de l’hippocampe (quelques données)<br />
3) Les mécanismes moléculaires de la LTP<br />
a) Le glutamate et ses récepteurs<br />
b) Le rôle du calcium<br />
C) La neurogenèse chez l’adulte et dynamique des réseaux <strong>neuroniques</strong><br />
1) La neurogenèse chez l’adulte a lieu dans certaines régions du cerveau<br />
2) Etude de la genèse des neurones chez les mammifères : l’origine gliale des<br />
cellules souches<br />
3) Rôles du renouvellement et du remplacement des neurones dans le SN adulte<br />
<strong>Cours</strong> Réseaux <strong>neuroniques</strong> – plan p. 2/2<br />
CAPES SVT – Paris 7-12 - novembre 2008 J. Segarra
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Formation du tube neural dans l ’embryon de poulet<br />
(observation au microscope électronique à balayage)<br />
(A) Modelage et début du repliement de la plaque neurale.<br />
(B) Courbure de la plaque neurale (apparition des régions charnières : sillons ventral et médians).<br />
(C) Rapprochement des régions latérales (convergence) et début de fermeture du tube neural.<br />
(D) Fermeture du tube neural (surmonté de l ’épiderme); délamination et migration des cellules de la crête neurale.<br />
(Developmental Biology, Gilbert SF., 6 e édition, 2000)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Morphogenèse rostrocaudale du système nerveux des vertébrés<br />
(Neurophysiologie tome 2, Richard D. et Orsal D., Nathan, 2001)<br />
Origine embryologique des différentes structures du système nerveux central<br />
(Neurophysiologie tome 2, Richard D. et Orsal D., Nathan, 2001)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Les dérivés de la crête neurale<br />
La crête neurale forme tout ou partie de nombreuses structures nerveuses et non nerveuses.<br />
Le mésectoderme désigne l’ensemble des structures, normalement d ’origine mésodermique, qui<br />
constituent notamment dans les régions céphaliques des dérivés de la crête neurale.<br />
(Le Douarin, Des chimères, des clones et des gènes)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition, 1999)<br />
Formation des couches du cortex cérébral par migration des cellules à partir de la zone<br />
ventriculaire : formation en « inside-out »<br />
Des injections de thymidine radioactive sont réalisées régulièrement au cours de la gestation du singe rhésus (165 jours).<br />
Les divisions cellulaires finales des précurseurs neuraux sont déterminées par l’incorporation maximale de la thymidine<br />
radioactive administrée à la mère gestante. Chaque trait horizontal représente la position d’un neurone fortement<br />
marqué par la thymidine radioactive injectée à la mère au temps indiqué par la ligne verticale. Les chiffres, à gauche,<br />
désignent les couches du cortex visuel (d’après Rakic, 1974).<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition, 1999)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
(Principes de développement, Wolpert L. et coll., Dunod, 1999)<br />
Les travaux de Sperry<br />
et la formation des cartes<br />
topographiques<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition, 1999)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Voies de migration des précurseurs des neurones<br />
sympathiques<br />
Section transversale au niveau du tronc (10.5 dpc chez la souris).<br />
Les précurseurs sympathiques sont issus des crêtes neurales. Ils<br />
s ’agrègent juste après leur migration aux environs de l ’aorte dorsale.<br />
Les signaux BMP (Bone Morphogenetic protein) sont essentiels au bon<br />
développement des précurseurs sympathiques.<br />
(Goridis C., Nature Reviews Neuroscience 3, p.534, 2002)<br />
Réseau de régulation contrôlant le<br />
développement du phénotype<br />
noradrénergique dans les neurones<br />
sympathiques : facteurs intrinsèques et<br />
extrinsèques<br />
Le signal inducteur initial est dû aux BMP (BMP2,<br />
4, 7). Deux gènes sont en amont de la cascade:<br />
Mash1 et Phox2b. Ils régulent les gènes Phox2a,<br />
dHand, Gata3. La synthèse des enzymes<br />
responsables de la production de la noradrénaline<br />
(Tyrosine Hydroxylase et Dopamine β-hydroxylase)<br />
est régulée par Mash1, Phox2b, et Gata3. La<br />
plupart des ces gènes (sauf Gata3) sont aussi<br />
impliqués dans la genèse des propriétés générales<br />
des neurones sympathiques.<br />
(Goridis C., Nature Reviews Neuroscience 3, p.534, 2002)<br />
Les phases neurogéniques et<br />
gliogéniques dans le développement<br />
du système nerveux des vertébrés<br />
Les cellules souches du neuroépithélium sont<br />
multipotentes et peuvent donner des neurones<br />
comme des cellules gliales. Néanmoins, pour<br />
une région donnée du tube neural, on observe<br />
le plus souvent la genèse et l’émergence de<br />
neurones avant la genèse de cellules gliales<br />
(existence d’une commutation dans la destinée<br />
des cellules du neuroépithélium).<br />
Les signaux neurogéniques induisent l’activation<br />
de gènes proneuraux qui par le biais de<br />
l’inhibition latérale, de l’arrêt du cycle<br />
cellulaire et de l’inhibition des programmes<br />
gliogéniques permettent l’émergence de<br />
progéniteurs neuronaux. Plus tard, au cours du<br />
développement, les signaux gliogéniques<br />
induisent les programmes gliogéniques et<br />
répriment l’activité des gènes proneuraux.<br />
(Bertrand, Castro and Guillemot, Nature Reviews<br />
Neuroscience, vol.3, 2002)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Myélinisation des fibres nerveuses<br />
(Histologie fonctionnelle Wheater, Arnette Blackwell, 3 e édition, 1993)<br />
Morphologie des cellules gliales du système nerveux central<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition, 1999)<br />
La myélinisation est effectuée par des enroulements successifs des cellules gliales (oligodendrocytes dans le système<br />
nerveux central, cellules de Schwann dans le système nerveux périphérique). Le cytoplasme est exclu en périphérie de<br />
la gaine, de telle sorte que les feuillets internes de la membrane plasmique fusionnent.<br />
A : axone; C: cytoplasme de la cellule de Schwann qui encercle la gaine de myéline<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition, 1999)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Flux net d’ions au travers d’une<br />
membrane<br />
Le flux net d’un ion au travers d’une<br />
m e m b r a n e e s t p r o p o r t i o n n e l à l a<br />
perméabilité de la membrane pour cet ion<br />
(notée P X ) à la valeur de la force<br />
électrochimique (combinaison entre la force<br />
électrique et la force osmotique). Le sens<br />
spontané de déplacement est imposé par la<br />
force électrochimique. L’importance du flux<br />
est liée à la perméabilité membranaire à<br />
l’ion considéré.<br />
Ainsi, au repos, le flux net de sodium dans la<br />
cellule est-il entrant, celui de potassium<br />
sortant, tandis que le chlore est à l’équilibre<br />
(flux net nul).<br />
(Neurophysiologie, Richard D. et Orsal D., Dunod,<br />
2 e édition, 2001)<br />
Analogie entre la membrane plasmique des<br />
cellules et un circuit électrique<br />
A. Les phopholipides électriquement isolants, constituent<br />
l’équivalent d’un condensateur de valeur Cm. Les protéines<br />
membranaires conductrices, opposent une résistance Rm au<br />
courant Im qui peut circuler sous l’influence de la force<br />
électromotrice. Un segment élémentaire de membrane peut<br />
être représenté par un circuit électrique élémentaire<br />
équivalent (à droite).<br />
B. La membrane d’une fibre nerveuse, dans son ensemble,<br />
peut être comparée à la juxtaposition de circuits élémentaires<br />
définis en A. Chaque unité est reliée à la suivante par des<br />
éléments de résistance longitudinale R L correspondant aux<br />
propriétés électriques du milieu intracellulaire.<br />
(Neurophysiologie, Richard D. et Orsal D., Dunod, 2 e édition, 2001)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Quelques arguments expérimentaux en faveur d’un transport actif couplé d’ions Na + et K +<br />
A. Un axone géant de calmar est chargé en sodium radioactif. On mesure la sortie de sodium radioactif (l’efflux)<br />
en fonction du temps. Cet efflux de Na + s’annule si le milieu est refroidi ou si l’on introduit du dinitrophénol (DNP;<br />
inhibiteur de la synthèse d’ATP).<br />
B. L’efflux de Na+ s’annule si le milieu extracellulaire est déplété en ions K+. La sortie de Na+ est à nouveau<br />
possible si du K+ est présent dans le milieu extracellulaire.<br />
(Neurophysiologie, Richard D. et Orsal D., Dunod, 2 e édition, 2001)<br />
Modèle du cycle réalisé par la pompe ATPase Na + /K +<br />
La liaison de 3 ions Na + sur leur site (1), face interne de la membrane, induit la phosphorylation de l’ATPase<br />
Na + /K + par hydrolyse d’ATP (2). La phosphorylation induit un changement de conformation de l’ATPase qui<br />
permet le transfert des ions Na + vers la face externe de la membrane (3). Deux ions K + peuvent se fixer sur<br />
leur site (désormais accessible et dans la bonne conformation) (4). La déphosphorylation (5) qui s’ensuit<br />
permet le retour à l’état initial et la libération des ions K + (6).<br />
La phosphorylation est dépendante de la fixation des ions Na + . La déphosphorylation est dépendante des ions<br />
K + . Les changements de conformation se produisent ainsi de manière ordonnée.<br />
(Molecular Biology of the Cell, Alberts et coll., 4 e édition, 2002)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Enregistrement d’un potentiel d’action sur un<br />
axone<br />
Le potentiel d’action correspond à une inversion<br />
momentanée de la ddp transmembranaire. Cette inversion<br />
est de courte durée (quelques ms). Elle se propage à<br />
l’identique le long de l’axone.<br />
L’artefact correspond à la conduction électrique du<br />
c ourant d e stimulation jusqu’aux é l e c t rodes<br />
d’enregistrement.<br />
(Neurophysiologie, Richard D. et Orsal D., Dunod, 2 e édition, 2001)<br />
Mouvements ioniques à travers la membrane de l’axone de calmar au<br />
repos et sous l’effet d’un voltage imposé<br />
Chaque cation est soumis à une force osmotique et à une force électrique. Cette<br />
dernière peut être modifiée par la technique du voltage imposé (Vi). La force<br />
résultante est la force électrochimique. Le potentiel de repos est de -60 mV. Les<br />
potentiels d’équilibre du Na+ et du K+ sont respectivement de +55 mV et de –75 mv.<br />
(Neurobiologie cellulaire Tome 1, Clos J. et Muller Y., Nathan, les cahiers de la 128, 1997)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck,<br />
1 ère édition, 1999)<br />
Etude des courants dans différentes situations<br />
de voltage imposé<br />
L’étude est menée sur un axone géant de calmar.<br />
A. Une dépolarisation de faible amplitude (5 mV) provoque<br />
l’apparition d’un courant transmembranaire. Celui peut<br />
s’interpréter à partir des seules propriétés électriques de la<br />
membrane: Ic (courant de décharge de la capacité<br />
membranaire) et Ir ( courant qui circule après la<br />
dépolarisation dans la résistance membranaire).<br />
B. Une dépolarisation plus importante (60 mV) entraîne<br />
l’apparition d’un courant biphasique, d’abord négatif puis<br />
positif, qui ne peut s’interpréter à partir du schéma<br />
électrique équivalent. Il faut envisager des changements de<br />
la perméabilité ionique de la membrane sous l’effet de la<br />
dépolarisation.<br />
(Neurophysiologie, Richard D. et Orsal D., Dunod, 2 e édition, 2001)<br />
Courants ioniques et séquence<br />
d’ouverture des canaux ioniques voltagedépendants<br />
Les changements de conformation, amenant à<br />
l’ouverture ou à la fermeture des canaux, sont<br />
d é p e n d a n t s d e l a v a l e u r d e l a d d p<br />
transmembranaire.<br />
(Neurophysiologie, Richard D. et Orsal D., Dunod, 2 e édition,<br />
2001)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Evolution des conductances et des<br />
courants au cours du potentiel d’action<br />
La technique de voltage imposé permet de<br />
mesurer l’intensité des courants sodique et<br />
potassique pour chaque valeur du potentiel de<br />
membrane. Cette correspondance permet de<br />
calculer le courant transmembranaire porté par<br />
le sodium ou le potassium à chaque instant du<br />
PA. Les valeurs prises par la conductance<br />
membranaire (g X ) ainsi que pour le courant (I X )<br />
sont calculées à partir des formules I X = g X .(E m -<br />
E X ). Les courants I X sont évalués à partir de la<br />
valeur de la ddp transmembranaire à l’instant<br />
précédent et du temps écoulé depuis le début de<br />
la dépolarisation.<br />
Le PA n’est possible que parce qu’il y a un léger<br />
décalage entre l’ouverture des canaux sodium et<br />
celle plus tardive des canaux potassium. Il faut<br />
également noter que la conductance au Na+ est<br />
maximale au sommet du PA, mais que, à ce<br />
moment précis, le Na + est à son équilibre et<br />
qu’aucun courant Na + ne devrait se produire. En<br />
réalité, le temps de passage à cette valeur de la<br />
ddp transmembranaire est tellement faible que<br />
le courant Na+ diminue, mais n’a pas le temps de<br />
s’annuler totalement.<br />
(Neurophysiologie, Richard D. et Orsal D., Dunod, 2 e édition,<br />
2001)<br />
Probabilité d’ouverture du canal sodique<br />
L’enregistrement en patch-clamp d’un canal sodique<br />
sensible à la tension montre que sous l’effet d’une<br />
dépolarisation, le canal s’ouvre de façon aléatoire.<br />
A. La stimulation est répétée n fois. Chaque<br />
enregistrement correspond à une stimulation<br />
identique du même canal. On constate que le temps<br />
d’ouverture de ce canal est variable d’un<br />
enregistrement à l’autre.<br />
B. La comme 300 stimulations identiques à A permet<br />
d’obtenir une courbe semblable à elle du courant<br />
global enregistré en tension imposée (voltage clamp).<br />
Ainsi sous l’effet d’une dépolarisation de la<br />
membrane, chaque canal montre une probabilité<br />
d’ouverture variable en fonction du temps.<br />
(Neurophysiologie, Richard D. et Orsal D., Dunod, 2 e édition, 2001)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Les différentes configuration d’enregistrement avec la technique de Patch-clamp<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition, 1999)<br />
Modèle de « ball-and-chain » d’inactivation du canal Na + voltage-dépendant<br />
Le pore central est délimité par 4 grands ensembles transmembranaires.<br />
(a) Au repos, le canal est obstrué par la porte d’activation (« gate ») et le segment d’inactivation est libre dans<br />
le cytoplasme. Le canal présente quatre hélices α sensibles au voltage présentent des résidus chargés<br />
positivement qui sont attirés par la face interne de la membrane, électronégative, maintenant le canal ouvert.<br />
(b) La dépolarisation de la membrane entraîne un mouvement des hélices sensibles au voltage vers la face<br />
externe de la membrane. Le changement de conformation de la protéine ouvre le pore central du canal<br />
permettant le flux des ions Na + .<br />
(c) En moins d’une milliseconde, les hélices sensibles au voltage reviennent à leur position de repos et le<br />
segment d’inactivation bloque le canal empêchant tout flux ionique. Le canal est en position inactivé.<br />
Le domaine en forme de « balle » bloque le passage des ions. Il est lié au canal par la « chaîne » flexible.<br />
Lorsque la membrane est à nouveau repolarisée, la porte d’activation se referme et 1 à 2 ms plus tard, le<br />
segment d’inactivation revient en position ouvert.<br />
(Molecular Cell Biology, Lodish et coll., 4 e édition, 1999)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
A<br />
B<br />
Le canal K + : structure du filtre de sélectivité<br />
(A,B) Le canal potassique est constitué de 4 sous-unités qui présentent plusieurs hélices transmembranaires.<br />
L’ouverture du pore est plus large sur la face intracellulaire que sur la face extracellulaire. La région du canal,<br />
face intracellulaire, présente un diamètre plus large (10Å) dans lequel les ions K + restent hydratés (« solvatés »).<br />
Dans la partie la plus étroite du pore (3Å), l’ion K + « perd » ses molécules d’eau et interagit directement avec les<br />
groupements carbonyles (C=O) des acides aminés du pore. L’arrivée d’un autre ion K + dans le filtre de sélectivité<br />
crée des répulsions électrostatiques qui poussent le premier à l’extérieur du canal.<br />
(C) L’énergie de déshydratation (désolvatation) de l’ion K + est compensée par les interactions favorables avec les<br />
groupements carbonyles du filtre de sélectivité. Dans le cas de l’ion Na + , l’énergie de déshydratation n’est pas<br />
compensée par les interactions de l’ion Na + avec le filtre de sélectivité.<br />
Modèles établis à partir de l’étude de canaux potassiques bactériens.<br />
(A, C : Biochemistry,, Stryer et coll., 6 e édition, 2002; B : Molecular Biology of the Cell, Alberts et coll., 4 e édition, 2002)<br />
C
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
La conduction d’un potentiel d’action : un phénomène auto-entretenu<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 2 nd edition, 2001)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Cycle du neuromédiateur acétylcholine :<br />
de la synthèse à la dégradation<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition, 1999)<br />
Organisation de la jonction neuromusculaire<br />
(Pour la Science, n°25, 1979)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Quelques données sur les neurotransmetteurs<br />
= noradrénaline<br />
= adrénaline<br />
(Fundamental Neuroscience, Zigmond et coll., 2 e édition, 2003)<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition, 1999)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Distribution des amplitudes des PPM –<br />
notion de quantum<br />
A. Enregistrement intracellulaire pratiqué in<br />
vitro dans la plaque motrice d’une fibre<br />
musculaire striée montre l’apparition aléatoire,<br />
notamment en l’absence de toute stimulation de<br />
la fibre nerveuse motrice, de dépolarisation de<br />
très petite amplitude (0,4 mV) : les potentiels<br />
miniatures.<br />
B. Dans un milieu pauvre en Ca2+, l’amplitude<br />
des potentiels de plaque motrice provoqués par<br />
la fibre nerveuse motrice est notablement<br />
réduite. Dans ces conditions, une étude<br />
statistique sur un grand nombre d’observations<br />
montre que les amplitudes des PPM réduits se<br />
répartissent autour de certaines valeurs qui sont<br />
toutes un multiple entier de de l’amplitude<br />
moyenne des potentiels miniatures (0,4, 0,8 ,<br />
1,2…).<br />
(Neurophysiologie, Richard D. et Orsal D., Dunod, 2 e édition,<br />
2001)<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition, 1999)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
La sécrétion des neuromédiateurs - les mécanismes d’exocytose<br />
Figure 1<br />
Figure 1. Les neurotransmetteurs sont stockés dans des vésicules (ex.: cotransport antiport avec des protons; le<br />
gradient de protons est entretenu par une ATPase à protons). Les vésicules migrent et sont ancrées à proximité<br />
de la membrane plasmique pré-synaptique. L’augmentation du Ca2+ intracellulaire (conséquence de l’arrivée<br />
d ’un train de potentiel d’action qui a dépolarisé la membrane pré-synaptique) provoque la fusion des vésicules<br />
avec la membrane plasmique et la libération des neurotransmetteurs dans la fente synaptique. Le contenu d ’une<br />
vésicule correspond à un quantum. Les vésicules « vides » sont recouvertes de clathrine et endocytées. Le<br />
manteau de clathrine se défait et les vésicules peuvent être à nouveau remplies de neuromédiateurs. Le cycle<br />
dure environ 60 s.<br />
Figure 2. L’arrimage des vésicules à la membrane plasmique est réalisée par l ’interaction entre des T-SNARE<br />
(syntaxin, SNAP25; du côté membrane plasmique) et des V-SNARE (VAMP; du côté membrane vésiculaire). La<br />
synaptotagmine est le principal « senseur » du Ca2+ qui permet de déclencher le processus de fusion des<br />
membranes.<br />
Figure 2<br />
(Molecular Cell Biology, Lodish et coll., 4 e édition, 1999)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Structure tridimensionnelle du récepteur<br />
nicotinique à l’acétylcholine<br />
Le récepteur est une structure pentamérique. La sous-unité β<br />
n’est pas représentée. L’hélice α transmembranaire M2 (ou<br />
TM2) borde le canal ionique. Des résidus aspartate et<br />
glutamate (acides aminés acides) sont situés aux extrémités de<br />
l’hélice TM2 et forment deux anneaux de charges négatives qui<br />
excluent les anions et attirent les cations dans le canal. La<br />
porte (« gate ») est ouverte par la fixation de l’acétylcholine<br />
sur les sous-unités α.<br />
Encadré: les sites de fixation de l’acétylcholine sont aux<br />
limites entre les sous-unités αδ et αγ. Ils sont situés à 3 nm de<br />
la surface membranaire.<br />
(Molecular Cell Biology, Lodish et coll., 4 e édition, 1999)<br />
Mode d’action des récepteurs muscariniques<br />
à l’acétylcholine<br />
(ex.: cellules du nœud sinusal cardiaque)<br />
Le récepteur muscarinique est un récepteur<br />
m é t a b o t r o p i q u e d u t y p e « 7 d o m a i n e s<br />
transmembranaires ». La liaison de l’acétylcholine au<br />
récepteur active une protéine G (type sα): la sous-unité<br />
α échange le GDP contre du GTP. Les sous-unités βγ se<br />
détachent et peuvent interagir avec les canaux<br />
potassiques. L’ouverture de ces canaux provoquent un<br />
flux sortant d’ions K+ à l’origine de l’hyperpolarisation<br />
des cellules nodales (d’où la diminution de la fréquence<br />
d e d é p o l a r i s a t i o n d e s c e l l u l e s n o d a l e s :<br />
cardiomodération).<br />
L’hydrolyse du GTP en GDP par la sous-unité α permet la<br />
réassociation avec βγ et la fin de l’effet.<br />
(Molecular Cell Biology, Lodish et coll., 4 e édition, 1999)<br />
Organisation des domaines<br />
transmembranaires du récepteur<br />
nicotinique à l’acétylcholine.<br />
(Fundamental Neuroscience, Zigmond et coll., 1 ère édition, 1999)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Mode d’action des catécholamines sur les récepteurs α2<br />
(Neurophysiologie, Richard D. et Orsal D., Dunod, 2001)<br />
Mode d’action des<br />
catécholamines sur les<br />
récepteurs β<br />
(ex.: cardiomyocytes)<br />
(Manuel de Biologie – Physiologie, BCPST 1 ère<br />
et 2 e années, Ellipses, 2006)<br />
Mode d’action des catécholamines<br />
sur les récepteurs α1<br />
(ex.: cardiomyocytes)<br />
(Manuel de Biologie – Physiologie, BCPST 1 ère et 2 e<br />
années, Ellipses, 2006)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Neurotransmetteur<br />
Acétylcholine Ionotropique<br />
(nicotinique)<br />
Type de récepteur Sous-types de<br />
récepteurs ou<br />
sous-unités<br />
métabotropique<br />
(muscarinique)<br />
Voies de transduction associées aux récepteurs des neurotransmetteurs<br />
(données extraites de<br />
Physiologie du neurone, Tritsch D. et coll., Doin, 1998<br />
Fundamental Neuroscience, Zigmond D. et coll., Academic Press, 1999<br />
Neuroscience, Bear MF. Et coll., LWW, 2006)<br />
Ions ou<br />
conductancesmajoritairement<br />
impliqués<br />
α, β, γ, δ, ε Na + , K + , Ca 2+<br />
GABA GABA A , GABA C α, β, γ, δ, ρ (GABA C ) Cl -<br />
Eléments de la voie<br />
de signalisation<br />
impliqués<br />
M1→M5 AMPc, IP3/DAG,<br />
GABA B K + , Ca 2+ Protéine G<br />
Glycine α, β Cl -<br />
Glutamate NMDA NR1, NR2A→NR2D Na + , K + , Ca 2+<br />
Noradrénaline/<br />
adrénaline<br />
AMPA, kaïnate GluR1→R7, KA1,<br />
KA2<br />
Na + , K + , Ca 2+<br />
métabotropique : mGlu mGluR1→R8 K + , Ca 2+ IP3/DAG, AMPc<br />
Récepteurs α et β α 1(A→D) , α 2(A→C) ,<br />
β 1 →β 3<br />
Sérotonine métabotropique 5-HT 1(A, B, C, D, E, F) ,<br />
5HT- 2 , 5-HT 4 , 5-HT 5 ,<br />
5-HT 6 , 5-HT 7<br />
ionotropique 5-HT3 Na + , K + , Ca 2+<br />
ATP ionotropique P 2X, 2Z Na + , K + , Ca 2+<br />
K + , Ca 2+ IP3/DAG, AMPc, protéine G<br />
métabotropique P 2Y, 2T, 2U IP3/DAG<br />
Dopamine métabotropique D 1 →D 5 K + , Ca 2+ IP3/DAG, AMPc, protéine G<br />
Opiacées<br />
(dynorphine, βendorphine,met/leuenképhaline)<br />
métabotropique µ, κ, δ K + , Na + AMPc/PKA, protéine G
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
A B<br />
Potentiels post-synaptiques et genèse d’un potentiel d’action<br />
A. L’ouverture des canaux chimio-dépendants, après la fixation du neurotransmetteur, provoque des mouvements<br />
d’ions. Ces molécules étant chargées électriquement, modifient localement la ddp transmembranaire en produisant<br />
une dépolarisation. Celle-ci provoque des lignes de courant électriques qui envahissent l’ensemble du volume<br />
conducteur constitué par le neurone. Les lignes de courant qui traverse le segment initial provoquent une<br />
dépolarisation locale qui, si elle est d’amplitude suffisante, active les canaux sodium et potassium responsables du<br />
PA. Un PA apparaît donc et est ensuite conduit de façon régénérative le long de l’axone.<br />
B. L’activation d’une synapse inhibitrice diminue localement la résistance membranaire. Les courants synaptiques<br />
créés par une synapse excitatrice utilisent alors préférentiellement cette voie pour sortir du neurone, plutôt que la<br />
voie efficace du segment initial. Il en résulte une diminution du courant sortant du segment initial et, par<br />
conséquent, une diminution de l’influence excitatrice sur le potentiel de membrane du segment initial.<br />
(Neurophysiologie, Richard D. et Orsal D., Dunod, 2 e édition, 2001)<br />
Sommation spatiale des PPS et genèse d’un PA<br />
A. Schéma d’enregistrement sur le corps cellulaire d’un neurone.<br />
B. Réponses électriques à l’activation des différentes synapses<br />
Stimulation d’une seule synapse excitatrice (E1, E2): PPSE infraliminaire, pas de PA<br />
Stimulation des deux synapses excitatrices (E1+E2): PPS supraliminaire qui permet l’émission d’un PA<br />
Stimultion d’une synapse inhibitrice (I): PPSI avec hyperpolarisation, pas de PA<br />
Stimulation des synapses excitatrices et inhibitrice (E1+E2+I) : PPS global reste infraliminaire, pas de PA<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition, 1999)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Cartographie du cortex somesthésique primaire sur deux aires (3b et 1)<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition., 1999)<br />
Plasticité des cartes somesthésiques<br />
(a, b) Les doigts de la min d’un singe hibou sont<br />
représentés par une carte à la surface du cortex<br />
somesthésique (SI).<br />
(c) Si le 3 e doigt est enlevé, le cortex se réorganise<br />
progressivement: les surfaces représentant les doigts<br />
2 et 4 s’étendent.<br />
(d) Si les doigts 2 et 3 sont sélectivement stimulés, la<br />
surface de leur représentation corticale est<br />
augmentée.<br />
(Neuroscience, Bear MF et coll., LWW, 3 rd edition, 2006)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
Les effets d’une privation visuelle monoculaire sur les<br />
colonnes de dominance oculaire du singe<br />
Deux semaines avant le sacrifice de l’animal, on a injecté dans l’œil<br />
gauche des acides aminés radioactifs. Ces acides aminés ont<br />
« remonté » toute la voie visuelle jusqu’au cortex (transport<br />
transsynaptique).<br />
Une autoradiographie, sur fond noir, du cortex visuel primaire au niveau<br />
de la couche IV est ensuite réalisée. Le cliché est un assemblage de<br />
plusieurs autoradiographies.<br />
(a) Singe normal<br />
On note une alternance de bandes de largeur à peu près égales (les<br />
bandes blanches matérialisent les zones radioactives liées à l’œil<br />
injecté; les bandes noires les colonnes liées à l’autre oeil).<br />
(b) Singe dont un œil a été privé de stimuli visuels pendant 22 mois à<br />
partir de l’âge de 2 semaines.<br />
L’œil non privé a été injecté avec le traceur radioactif. Il présente des<br />
colonnes de dominance visuelles étendus par rapport à la situation<br />
contrôle.<br />
(Neurosciences, Bear MF. et coll., LWW, 3rd edition, 2006)<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition, 1999)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
(Hippocampe et mémoire, Pour la<br />
Science, hors-série n°31, 2001)<br />
(Les mécanismes de la mémoire, Pour la Science, hors-série n°31, 2001)<br />
(Neurosciences, Purves D. et coll., DeBoeck, 1 ère édition, 1999)
Réseaux <strong>neuroniques</strong> – CAPES SVT - J. Segarra<br />
A. B.<br />
C.<br />
La neurogenèse chez l’adulte<br />
A. Coupe sagittale d’un cerveau de souris adulte.<br />
Deux sites majeurs de neurogenèse adulte sont connus : la zone sous-ventriculaire (SVZ) autour du ventricule<br />
latéral (LV) et la zone sous-granulaire (SGZ) du gyrus denté (DG) dans l’hippocampe.<br />
Les cellules générées dans la SVZ empruntent un trajet appelé RMS (Rostral Migratory Stream) jusqu’au bulbe<br />
olfactif (OB) où elles migrent radialement et se différencient en interneurones. Les cellules générées dans la SGZ<br />
restent dans le gyrus denté.<br />
A = Antérieur, V = Ventral.<br />
B. Organisation cellulaire de la zone sous-ventriculaire (SVZ)<br />
Coupe frontale de cerveau de souris adulte.<br />
La zone sous-ventriculaire borde le ventricule latéral. On observe quatre types cellulaires :<br />
• les neuroblastes (A) associés en chaîne qui migrent dans un tunnel glial formé par les<br />
• les astrocytes (B) de la SVZ.<br />
• Des cellules, avec un fort taux de divisions sont associées aux neuroblastes : les cellules C (« transit-amplifying<br />
cells »).<br />
• Des cellules épendymaires (E) séparent la SVZ du ventricule latéral.<br />
Les astrocytes (B) sont les cellules souches dans cette région. Elles génèrent des neuroblastes. Le nombre de<br />
neuroblastes est augmenté par les multiplications importantes et rapides des cellules C.<br />
C. Modèle du lignage des cellules souches dans le système nerveux de l’embryogenèse à<br />
l’état adulte<br />
Les cellules souches du système nerveux pourraient être associées au lignage schématisé : neuroépithélium/glie<br />
radiaire/astrocyte (SVZ, SGZ). A partir du neuroépithélium initial, des cellules comme la glie radiaire qui guident<br />
la migration des neurones peuvent aussi générer des neurones. A l’état adulte, les astrocytes semblent représenter<br />
les progéniteurs des cellules nerveuses.<br />
La progression des cellules souches selon ce lignage glial pourrait représenter une progression par défaut en<br />
l’absence de signaux de différenciation neuronale.<br />
(Doetsch F., Nature Neuroscience vol.6, 1127, 2003)