Bio pour tous 5 - Manuel - Chapitre 3

POUR TOUS

Martine DELVIGNE

Michel FAWAY

Rosa-Caterina MARCHESINI Patrick VERHAEGHE

Eric WALRAVENS

Table des matières

Comment utiliser BIO pour tous ? 3

Les compétences terminales et savoirs requis en sciences de base ................................... 4

Les compétences terminales et savoirs requis en sciences générales 5

Chapitre 1 Le vivant : ce que tu sais déjà

1 Définir le vivant 10

1.1. Les vivants sont organisés ................................................................ 10

1.2. Les vivants ont une composition chimique commune : C H O N P S 10

1.3. Les vivants utilisent de la matière et de l’énergie qu’ils prélèvent dans l’environnement 12

1.4. Les vivants régulent leur milieu intérieur 13 1.5. Les vivants ressentent et réagissent ....................................................... 13 1.6. Les vivants transmettent la vie 13

1.7. Les vivants croissent et se développent 14 1.8. Les vivants s’adaptent et évoluent 15

1.9. Les êtres vivants sont bâtis sur le modèle cellulaire 15

2 La cellule, structure de base des êtres vivants................................................... 16

2.1. Deux grands types cellulaires se rencontrent dans le monde vivant 16 2.2. La cellule est structurée 17

2.3. La cellule dans l’échelle du vivant 18

3 Toute cellule provient d’une autre cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3.1. La division cellulaire avec mitose .......................................................... 19

3.2. La méiose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

3.3. La fécondation 22

4 Le vocabulaire anatomique 22

4.1. L’orientation 22

4.2. Les plans et les coupes .................................................................. 22 4.3. Les positions 22

5 Le vocabulaire relatif aux savoirs et savoir-faire 23

Chapitre 2 L’organisme se protège

1 Un milieu de vie idéal : le liquide interstitiel ..................................................... 28

2 Le système lymphatique 29

3 Des microorganismes 30

3.1. Les unicellulaires parasites 31

3.2. Des mycètes pathogènes 31

3.3. Les bactéries ........................................................................... 32 3.4. Les virus 32

3.5. Comment se multiplient les bactéries ? 33

3.6. Comment se multiplient les virus ? 33

4 Premières lignes de défense 34

4.1. Les barrières mécaniques ................................................................ 36

4.2. Les barrières biochimiques 36

4.3. Les barrières biologiques 36

5 Les premières lignes de défense sont franchies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

5.1. L’intrusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

5.2. L’immunité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

5.3. Les défenseurs : les leucocytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

5.4. Les leucocytes reconnaissent les agents pathogènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

5.4.1 Le soi doit s’identifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

5.4.2 Comment identifier le non-soi ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

5.4.3 Le système de reconnaissance est-il infaillible ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

6 Le champ de bataille : la lésion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

7 Une défense ciblée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

7.1. Les lymphocytes : des défenseurs spécialisés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

7.2. Comment se déroule la réponse immunitaire humorale ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52

7.3. Comment se déroule la réponse immunitaire cellulaire ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52

7.4. Quel est le rôle des lymphocytes T4 ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52

7.5. Comment se conserve le souvenir des agresseurs ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52

7.6. Comment modéliser la réponse immunitaire humorale ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53

7.7. Comment modéliser la réponse immunitaire cellulaire ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54

7.8. Quelles sont la structure et la spécificité des anticorps ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

8 Les aides apportées à l’organisme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56

8.1. Le renforcement des frontières : l’antisepsie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60

8.2. L’entraînement des troupes : la vaccination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60

8.3. Comment apporter du renfort aux troupes ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

8.4. Comment se débarrasser des microbes ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

8.5. Peut-on soulager la douleur liée à l’inflammation ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

8.6. Se protéger des microbes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

Activités complémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76

Chapitre 3 Percevoir, décider et agir

1 Voir le ballon et l’attraper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80

2 L’organisation du système nerveux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81

3 L’organisme perçoit le monde extérieur par les organes sensoriels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85

4 Le tissu nerveux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86

4.1. Le nerf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87

4.2. La fibre nerveuse et le neurone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88

4.3. Des fibres blanches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90

4.4. N’y a-t-il que des neurones dans le tissu nerveux ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91

5 L’information circule le long des fibres nerveuses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

5.1. Les neurones : des cellules excitables et conductrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97

5.2. Comment les ions passent-ils à travers la membrane ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99

5.2.1 Transport passif d’un soluté. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99

5.2.2 Transport actif d’un soluté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99

5.3. Pourquoi existe-t-il un potentiel de repos ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100

5.4. Comme naît le potentiel d’action ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101

5.5. Comment se propage le potentiel d’action ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103

5.6. De quoi dépend la vitesse de l’influx nerveux ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104

5.7. Comment transmettre les différentes intensités des stimuli ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106

6 L’information se transmet d’une cellule à l’autre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108

6.1. D’un neurone à l’autre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110

6.2. D’un neurone à un muscle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112

6.3. Qu’est-ce qui provoque la migration des vésicules synaptiques ? 113

6.4. Comment le neurone post-synaptique intègre-t-il les informations ? 114

6.5. Le fonctionnement des synapses chimiques peut être perturbé 117

6.5.1 Des perturbateurs 117

6.5.2 Le mode d’action des drogues ..................................................... 118

6.5.3 La toxicomanie 119

7 L’information est traitée par le système nerveux central 121

7.1. L’encéphale 122

7.2. Le cerveau perçoit, décide et agit 125

7.3. Les autres parties de l’encéphale ......................................................... 129

7.4. La moelle épinière 129

7.5. Le comportement : résultat de l’activité du système nerveux 132

7.5.1 Les réflexes 135

7.5.2 On ne fait pas que répondre ! 137

7.5.3 Comment tenir debout ? .......................................................... 138

7.5.4 Que nous a appris Pavlov ? 140

7.6. L’homéostasie 141 Activités complémentaires 148

Chapitre 4 La transmission de la vie

1 Les sexes sont séparés 152

1.1. Le cycle de développement de l’humain 152

1.2. Les caractères sexuels 154

1.2.1 Les caractères sexuels primaires 154

1.2.2 Les caractères sexuels secondaires ................................................. 155

1.2.3 La puberté chez les garçons 156 1.2.4 La puberté chez les filles 157 1.2.5 Il n’y a pas que le corps qui change 158

1.3. Les systèmes reproducteurs 159

1.3.1 Anatomie du système reproducteur masculin ........................................ 159

1.3.2 Anatomie du système reproducteur féminin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160

1.4. Les gamètes 161

1.4.1 Les spermatozoïdes 161

1.4.2 Les ovules 162

1.4.3 Comment l’homme produit-il ses spermatozoïdes ? ................................... 164

1.4.4 Comment la femme produit-elle ses cellules reproductrices ? 166

2 Physiologie des systèmes reproducteurs 172

2.1. Le système endocrinien 172

2.1.1 Les glandes endocrines 172

2.1.2 Les hormones ................................................................... 172

2.1.3 Quel est le mode d’action des hormones ? 173

2.1.4 Le complexe hypothalamo-hypophysaire pilote le système reproducteur 174

2.2. Physiologie du système reproducteur masculin 175

2.3. Régulation hormonale des testicules 176

2.4. Physiologie du système reproducteur féminin ............................................. 178

2.5. Les cycles sexuels de la femme sont contrôlés 183

3 Les sexes sont réunis 188

3.1. Le rapport sexuel 188

3.2. La période de fécondité 188

3.3. De la fécondation à la nidation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190

3.4. Quelles sont les différentes étapes de la fécondation ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191

3.5. La grossesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193

3.5.1 Les premiers jours. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194

3.5.2 Les tests de grossesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194

3.5.3 Le développement de l’embryon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194

3.5.4 Les annexes embryonnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195

3.5.5 Le développement du fœtus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197

3.5.6 L’hygiène de la grossesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197

3.5.7 Le suivi médical de la grossesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198

3.6. L’accouchement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200

4 Une sexualité responsable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202

4.1. La contraception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202

4.2. L’interruption de la grossesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209

4.3. Il est parfois bien difficile d’avoir un enfant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210

4.3.1 Les stérilités d’origine féminine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213

4.3.2 Les stérilités d’origine masculine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215

4.3.3 Les étapes de la FIV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214

5 Sexualité et éthique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215

Activités complémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216

Documents 221

1 L’utilisation du microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .222

2 Le dessin d’observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224

3 L’oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225

Index 226

3

À LA FIN DE CE CHAPITRE, TU SERAS CAPABLE DE…

L’organisme est continuellement confronté à des signaux venant de l’extérieur. Le système nerveux reçoit ces signaux en permanence, les trie, les traite et coordonne une réponse adéquate. Il participe aussi au bon fonctionnement intégré des organes.

a. Définir et utiliser les termes potentiel de repos, potentiel d’action et les mots-clés apparaissant en rouge dans ce chapitre.

b. Décrire l’organisation générale du système ner veux et associer une fonction aux organes du système nerveux.

c. Citer et localiser les organes des sens et situer leurs récepteurs.

d. Citer les tissus qui protègent le système nerveux.

e. Décrire la structure du nerf et citer les types de nerfs.

f. Schématiser et décrire la structure du neurone.

g. Citer les différents types de neurones des points de vue morphologique et fonctionnel.

h. Citer les propriétés du neurone.

i. Caractériser une fibre nerveuse myélinisée.

j. Citer les différents constituants du tissu ner veux et donner leurs rôles.

k. Expliquer les modes de transports au niveau de la membrane cytoplasmique.

l. Citer les paramètres qui influencent la vitesse de propagation de l’influx nerveux.

m. Schématiser la structure d’une synapse chimi que et expliquer son fonctionnement.

n. Expliquer l’intégration des informations par le neurone postsynaptique.

o. Expliquer comment la fibre nerveuse transmet les différentes intensités des stimuli.

p. Expliquer l’action de certaines substances per turbant la transmission synaptique.

q. Citer les différentes parties de l’encéphale et les localiser.

r. Citer les trois types d’aires du cortex cérébral.

s. Schématiser et décrire la structure de la moelle épinière.

t. Modéliser un réflexe médullaire.

u. Caractériser les réflexes acquis.

Percevoir, décider et agir ÉditionsVANIN

v. Donner le rôle du système nerveux végétatif et montrer la complémentarité entre les sys tèmes parasympathique et sympathique.

a. Décrire les principales fonctions du système nerveux à partir de situations concrètes.

b. Construire un schéma fonctionnel des interve nants et du trajet de l’influx nerveux lors de la réalisation de différentes activités.

c. Observer, analyser des documents photogra phiques ou des coupes microscopiques, iden tifier les différentes structures nerveuses et réaliser un schéma.

d. Interpréter des documents montrant la pro pagation de l’influx nerveux le long de la fibre nerveuse et au niveau de la synapse.

e. Relever des informations, comparer des don nées expérimentales et concevoir un modèle explicatif d’une pathologie ou du mode d’action de perturbateurs du système nerveux.

f. Expliquer, sur base de documents, la notion de plasticité cérébrale.

g. Réaliser une dissection de l’encéphale et identi fier les différentes structures.

h. Rassembler et organiser des informations relatives à la communication nerveuse sous une forme qui favorise la compréhension et la communication.

SAVOIR FAIRE

1) Schématise les réactions qui s’enchaînent dans les trois situations suivantes, en précisant l’élément déclencheur, les organes mis en jeu et leur rôle, ainsi que les moyens de communication entre les organes.

a) Tu vois des fleurs et tu les cueilles.

b) Le médecin frappe d’un coup sec sur ton tendon rotulien et tu étends la jambe.

c) Tu danses sur une musique.

2) Propose un modèle unique pour toutes ces situations.

Tout au long de l’étude de ce chapitre, tu pourras corriger, améliorer et préciser tes schémas et ton modèle.

1 Voir un ballon et l’attraper

L’action d’attraper un ballon paraît banale. Pourtant, elle nécessite l’action coordonnée d’un ensemble d’organes : les yeux, des nerfs, le cerveau et des muscles. Et tous ces organes réagissent en un temps très court !

2 L’organisation du système nerveux

Le système nerveux central (SNC) est formé de centres nerveux, l’encéphale et la moelle épinière, et a pour rôle d’intégrer les informations sensitives et de commander les réponses motrices. Il est connecté au système nerveux périphérique (SNP) qui comprend les nerfs et des cellules sensorielles disséminées dans l’organisme, notamment au sein des organes des sens.

Le système nerveux périphérique se subdivise en système nerveux somatique qui est respon sable des relations de l’organisme avec son envi ronnement et en système nerveux végétatif (ou autonome) qui accorde le fonctionnement des organes internes ou viscères au maintien de l’homéostasie.

Le système nerveux périphérique se compose d’une division sensitive et d’une division motrice. La division sensitive comprend des cellules spécialisées formant les récepteurs sensoriels, des nerfs sensitifs soma tiques dont le rôle est d’amener les informations des organes des sens, de la peau et des muscles vers le SNC, et des nerfs sensitifs viscéraux qui font de même pour les organes internes. La division motrice permet au SNC de donner des informations aux organes rattachés au mouvement et à la posture via le système nerveux somatique et des informations aux organes internes via le système nerveux végéta tif. La division motrice du système nerveux végétatif comporte deux divisions : la division sympathique et la division parasympathique.

Le système nerveux central, formé de tissus parti culièrement fragiles, est protégé des chocs par les os du crâne et de la colonne vertébrale ainsi que par des membranes, les méninges. Les méninges et diverses cavités du tissu nerveux contiennent du liquide céphalorachidien amortit les chocs.

On distingue 3 méninges. La dure-mère est la plus externe ; elle est épaisse et résistante. L’arachnoïde, composée de fibres évoquant une toile d’araignée, est gorgée de liquide céphalorachidien. La pie-mère est la méninge la plus interne ; elle est fine, richement vascularisée et en contact direct avec l’encéphale et la moelle épinière.

Faire travailler ses méninges pour résoudre un problème…

« Faire travailler ses méninges » est une expression couramment utilisée lorsqu’on veut signifier à quelqu’un de réfléchir. Or, justement, ce ne sont pas les méninges qui travaillent, mais bien le cortex cérébral (couche superficielle du cerveau).

Toutes les activités ne demandent pas le même travail au cortex : la résolution de nouveaux problèmes nécessite une plus grande activité cérébrale que la résolution de problèmes déjà rencontrés. Mais les méninges n’ont aucun rôle direct dans l’action de réfléchir !

Quand les méninges sont attaquées

Bien que le premier rôle des méninges soit la protection du système nerveux central, il arrive qu’elles soient elles-mêmes la cible d’infections. C’est la méningite. La méningite bactérienne est rare, mais dangereuse. La méningite virale est plus fréquente, mais moins dangereuse. Le seul moyen de distinguer l’une de l’autre est de procéder à une analyse du liquide céphalorachidien prélevé par une ponction lombaire.

ÉditionsVANIN

Opération ou accouchement sous péridurale L’espace péridural se situe entre la dure-mère et l’os des vertèbres. La péridurale est une technique qui consiste à introduire un tube fin et flexible appelé cathéter dans l’espace péridural, afin d’y injecter une substance qui supprime la douleur, un analgésique. Cette technique peut se réaliser soit dans le bas du dos, au niveau lombaire, soit plus haut, au niveau thoracique et même cervical dans le cadre d’infiltrations. Le but est de faire disparaître la douleur tout en permettant de garder une partie de la sensibilité et de la motricité en fonction des besoins. Les effets de la péridurale disparaissent dans les heures qui suivent l’injection.

Depuis les années 1970, la péridurale est devenue le standard de la prise en charge analgésique pendant l’accouchement. Elle permet de limiter les douleurs liées aux contractions sans altération de la conscience, ni modification du déroulement de l’accouchement. Si un geste obstétrical comme la césarienne est nécessaire, une réinjection de produits anesthésiques dans le cathéter évite, dans la plupart des cas, l’anesthésie générale.

Des techniques de pointe permettent de visualiser les zones du cortex cérébral utilisées lors d’une activité simple.

Martin Witte

3

L’organisme perçoit le monde extérieur par les organes sensoriels

Les organes des sens contiennent des récepteurs sensoriels qui captent les stimuli venant de l’environ nement : l’énergie électromagnétique de la lumière, la chaleur des sources chaudes, l’énergie mécanique du son et de la pression, les molécules transportées par l’air inspiré ou dissoutes dans la salive.

Les récepteurs sensoriels, cellules et terminaisons nerveuses, transforment le stimulus en un message nerveux ; en fonction du stimulus capté, on distingue des photorécepteurs, des thermorécepteurs, des mécanorécepteurs et des chimiorécepteurs. On dit traditionnellement que l’Homme possède cinq sens, mais il y en a en réalité davantage.

4

Le tissu nerveux

ACTIVITÉ 2

Tu vas observer des préparations microscopiques achetées dans le commerce. Pour te rafraîchir la mémoire avant de commencer les observations, lis les documents suivants :

1 > L’utilisation du microscope (p. 222)

2 > Le dessin d’observation (p. 224)

Observe les fibres nerveuses d’un nerf dilacéré

Préparation 1, colorée à l’acide osmique

Un nerf est isolé, disposé sur une lame porte-objet et brossé dans le sens de la longueur afin de le dilacérer le plus possible. Cette préparation est colorée à l’acide osmique qui colore, en noir, les graisses dans les coupes histologiques. Au fort grossissement, tu vois des fibres nerveuses. Suis leur trajet. À certains endroits, tu observes des étranglements : il s’agit des nœuds de Ranvier. La fibre n’est cependant pas interrompue à cet endroit.

Sélectionne une fibre nerveuse isolée présentant un nœud de Ranvier et réalise un dessin.

Observe un nerf de mammifère en coupe transversale

Préparation 2, colorée à l’hémalun éosine

Au faible grossissement, on distingue les faisceaux de fibres nerveuses fortement colorés en rose et limités par une gaine conjonctive lamellaire appelée périnèvre. Ces ensembles baignent dans l’épinèvre constitué de grandes cellules adipeuses parmi lesquelles on distingue des veinules à paroi mince et des artérioles à paroi épaisse. La couche externe de l’épinèvre entoure tout le nerf.

Au fort grossissement, on peut observer les fibres nerveuses enveloppées dans un tissu conjonctif fibreux, l’endonèvre.

Réalise un dessin de la coupe transversale du nerf observée au faible grossissement et un dessin d’une partie d’un faisceau de fibres nerveuses au fort grossissement.

Préparation 3, colorée à l’acide osmique

L’acide osmique colore, en noir, les graisses dans les coupes histologiques. On peut faire des observations semblables à celles de la préparation précédente.

Quelle information nouvelle cette coloration t’apporte-t-elle ?

Si tu n’as pas observé la préparation précédente, réalise un dessin de la coupe transversale du nerf observée au faible grossissement et un dessin d’une partie d’un faisceau de fibres au fort grossissement montrant quelques fibres et un capillaire sanguin.

LE NERF EN MICROSCOPIE OPTIQUE – Utiliser le microscope, observer des préparations microscopiques, présenter sous une autre forme (réalité  dessin)

4.1 Le nerf

Les nerfs sont constitués de fibres nerveuses organisées en faisceaux. Chaque faisceau est limité par son périnèvre. À l’intérieur de chaque faisceau, entre les fibres nerveuses, se trouve l’endonèvre contenant des capillaires sanguins. L’ensemble des faisceaux est maintenu par l’épinèvre contenant des adipocytes (cellules graisseuses) et de nombreux vaisseaux sanguins. Endonèvre, périnèvre et épinèvre sont des tissus conjonctifs, formés de cellules qui ne sont pas accolées les unes aux autres, et de protéines fibreuses, notamment le collagène.

Modèle d’un nerf

Il existe 3 types de nerfs :

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• des nerfs sensitifs ou afférents qui ne contiennent que des fibres nerveuses sensitives véhiculant les informations des récepteurs sen soriels vers les centres nerveux ;

• des nerfs moteurs ou efférents qui ne contiennent que des fibres nerveuses motrices conduisant les informations des centres nerveux aux organes effecteurs ;

• des nerfs mixtes qui contiennent des fibres nerveuses sensitives et des fibres nerveuses motrices.

Coupe transversale colorée d’un nerf observée au microscope optique

Nerf dilacéré observé au microscope optique

4.2

La fibre nerveuse et le neurone

ACTIVITÉ 3

Tu vas observer une préparation microscopique achetée dans le commerce. Avant de commencer les observations, lis les documents suivants.

1 > L’utilisation du microscope (p. 222)

2 > Le dessin d’observation (p. 224)

Observe des cellules nerveuses dissociées

Un prélèvement de substance grise de moelle épinière est étalé sur une lame et coloré au bleu de méthylène.

Au faible grossissement, on observe la présence d’éléments de forme étoilée qui sont des neurones multipolaires. Les noyaux foncés, tout autour du corps cellulaire, appartiennent aux cellules gliales, autres cellules du tissu nerveux.

L’examen au fort grossissement montre qu’un corps cellulaire possède deux types de prolongements : des prolongements qui vont en s’amincissant, les dendrites, et un prolongement de diamètre à peu près constant sur toute sa longueur, l’axone, trop long pour être visible en entier et toujours interrompu par une cassure. Dans le cytoplasme du corps cellulaire, on observe un gros noyau avec un nucléole très coloré et les microtubules du cytosquelette s’engageant dans les dendrites et dans l’axone. Réalise un dessin d’un neurone.

Les fibres nerveuses sont des prolongements de cellules nerveuses parfois associés à d’autres structures.

Les cellules nerveuses ou neurones présentent une grande diversité de formes et de tailles, mais elles ont toutes une structure de base similaire.

Le neurone possède un corps cellulaire volumineux qui contient le noyau et la plus grande partie du cytoplasme.

Le corps cellulaire porte de fins prolongements caractéristiques qui conduisent les messages nerveux. Il en existe de deux types : les dendrites et l’axone. Les dendrites sont des prolongements souvent fortement ramifiés qui permettent au neurone de recevoir des informations de nombreux autres neurones ou d’organes sensoriels.

L’axone permet au neurone de transmettre des informations à d’autres cellules. Chaque neurone porte un seul axone qui se ramifie à son extrémité. L’axone et la dendrite peuvent être longs, jusqu’à atteindre un mètre (dans le nerf sciatique qui innerve la jambe par exemple).

Au bout de chaque ramification axonale se trouvent les boutons synaptiques, qui sont des renflements en contact ou presque avec d’autres neurones ou avec un organe effecteur.

LE NEURONE EN MICROSCOPIE OPTIQUE – Utiliser le microscope, observer des préparations microscopiques, présenter sous une autre forme (réalité  dessin)

Neurone observé au microscope en immunofluorescence

Morphologiquement, on distingue trois types de neurones :

• les neurones multipolaires dont les nom breuses dendrites entourent le corps cellulaire ;

• les neurones bipolaires qui présentent une dendrite très longue opposée à l’axone ;

• les neurones unipolaires qui présentent une dendrite et un axone issus du même prolongement.

Fonctionnellement, on distingue :

• les neurones sensitifs qui amènent les infor mations sensorielles de la périphérie vers les centres nerveux ;

• les neurones moteurs qui contrôlent les actions des muscles et des glandes ;

• les neurones d’association qui font la jonction entre les neurones sensitifs et les moteurs, et qui demeurent confinés dans le système nerveux central.

Neurone multipolaire de la moelle épinière observé, après coloration spécifique, au microscope optique

Laboratoire Cellules et Tissus, NARILIS, UNamur

4.3 Des fibres blanches

Certains prolongements de neurone sont entourés d’une gaine blanchâtre riche en une graisse, la myéline. À intervalles réguliers, la gaine de myéline s’interrompt : ce sont les nœuds de Ranvier.

Fragment d’une fibre nerveuse avec nœud de Ranvier observé au microscope optique

Au niveau des nerfs, la gaine de myéline est fabriquée par les cellules de Schwann, productrices d’une énorme quantité de membrane qui s’enroule autour du prolongement du neurone plusieurs dizaines à plusieurs centaines de fois, conduisant ainsi à la formation de la myéline compacte.

Coupe transversale d’une fibre myélinisée d’un nerf sciatique (à gauche) et portion de la gaine de myéline (à droite) observées en MET

Formation d’une gaine de myéline autour d’un axone

Laboratoire Cellules et Tissus, NARILIS, UNamur

Deux grands types cellulaires constituent le tissu nerveux.

• Les neurones sont responsables de la conduction et de la transmission de l’information nerveuse.

• Les cellules gliales assurent diverses fonctions dans le système nerveux : soutien et protection des neurones, maintien d’un environnement stable et nutrition des neurones.

Les cellules gliales sont généralement plus petites que les neurones, mais beaucoup plus nombreuses. Elles représentent environ la moitié du volume du tissu nerveux. Contrairement à la grosse majorité des neurones, les cellules gliales peuvent se multi plier dans le système nerveux de l’adulte. On distingue différents types de cellules gliales. Les astrocytes de forme étoilée sont les plus grosses et les plus nombreuses. Ils soutiennent les neurones et les nourrissent en assurant le tri et le transport des nutriments depuis les capillaires sanguins.

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Coupe de cerveau observée, après coloration spéci fique, au microscope optique

Les astrocytes 1, colorés en noir, émettent de nom breux prolongements qui peuvent entourer les capil laires sanguins 2. Les noyaux 3 des neurones ou d’autres cellules gliales que les astrocytes sont visibles.

4.4 N’y a-t-il que des neurones dans le tissu nerveux ?

Coupe transversale de la moelle épinière observée, après coloration spécifique, au microscope optique

Le corps cellulaire d’un neurone, avec son noyau et son nucléole bien visibles, est entouré de nombreuses cellules gliales.

Laboratoire Cellules et Tissus, NARILIS, UNamur

Laboratoire Cellules et Tissus, NARILIS, UNamur

Les épendymocytes sont des cellules ciliées qui tapissent l’intérieur des cavités contenant du liquide céphalorachidien dont elles assurent la fabrication.

Coupe transversale de moelle épinière observée, après coloration spécifique, au microscope optique Les épendymocytes 1 entourent le canal de l’épendyme 2.

Les microgliocytes sont les macrophages spécifiques des centres nerveux. Elles phagocytent les microbes et les cellules nerveuses endommagées.

Les cellules de Schwann des nerfs et les oligodendrocytes des centres nerveux forment les gaines de myéline autour des prolongements des neurones. Les cellules de Schwann contribuent à la régénération des nerfs en cas de lésion.

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Coupe transversale d’un nerf sciatique observée au microscope électronique à transmission Une cellule de Schwann peut entourer de myéline un seul axone sur une longueur de 1 mm ou entourer une vingtaine d’axones sans les myéliniser.

Laboratoire Cellules et Tissus, NARILIS, UNamur

Laboratoire Cellules et Tissus, NARILIS, UNamur

ACTIVITÉ 4

LE TISSU NERVEUX – Organiser des informations de façon globale

À partir du texte des pages 86 à 92, construis une carte heuristique du tissu nerveux. Il s’agit d’un diagramme qui doit mettre en lumière les liens existant entre les cellules du système nerveux et leurs rôles respectifs.

5 L’information circule le long des fibres nerveuses

ACTIVITÉ 5

QUELLE EST LA NATURE DU MESSAGE VÉHICULÉ PAR LES FIBRES NERVEUSES ?

Analyser et interpréter des résultats expérimentaux

Tu vas interpréter des oscillogrammes (courbes affichées sur l’écran d’un oscilloscope). Le principe de l’oscilloscope t’est expliqué à la page 225.

1. Comprends-tu les oscillogrammes ?

Le metteur en page a tout mélangé ! Rends à chaque situation son oscillogramme.

2. Activité électrique de la fibre nerveuse

Les calmars sont des mollusques céphalopodes décapodes marins. Ils possèdent huit bras et deux tentacules portant de larges ventouses. La coquille est réduite à une lame transparente appelée plume. Les calmars possèdent les fibres nerveuses dont le diamètre est le plus grand connu à ce jour. L’axone qui contrôle son système de propulsion peut avoir un diamètre de plus de 1 mm.

a) Un axone géant de calmar est placé dans une cuve contenant du liquide physiologique permettant de le maintenir fonctionnel. Les électrodes de l’oscilloscope sont placées sur la membrane de l’axone en deux points A et B.

Qu’observes-tu sur l’écran de l’oscilloscope ? Explique le tracé obtenu.

b) Les deux électrodes sont placées en A : l’une sur l’axone, l’autre enfoncée à l’intérieur de l’axone.

Qu’observes-tu sur l’écran de l’oscilloscope ? Explique le tracé obtenu. Schématise l’état électrique de la fibre nerveuse lorsqu’elle est au repos.

c) On conserve le montage précédent. À quelques centimètres de A, on place un stimulateur électrique sur l’axone. Après avoir donné une stimulation (t1), on enregistre sur l’écran le tracé suivant. La réponse de la fibre nerveuse à une stimulation est appelée potentiel d’action. La partie ascendante de la courbe observée sur l’écran de l’oscilloscope correspond à la phase de dépolarisation de l’axone, la partie descendante à la phase de repolarisation.

Qu’observes-tu sur l’écran de l’oscilloscope ? Explique le tracé obtenu. Schématise l’état électrique de l’axone au point A aux temps t1, t2 et t3

3. Influence de la stimulation sur la réponse

On conserve le même dispositif expérimental. On donne des excitations d’intensité croissante (E1 < E2 < E3 < E4 < E5) et on observe sur l’oscilloscope la réponse de l’axone. On regroupe sur un même graphique les différents tracés obtenus sur l’écran de l’oscilloscope. Interprète les résultats obtenus.

4. Nature du signal nerveux

Comment un neurone peut-il produire ces phénomènes électriques ? L’analyse des documents suivants va te permettre de répondre à cette question.

Document 1

(en mmol/L)

ions de part et d’autre

a) Comment les ions sont-ils répartis de part et d’autre de la membrane ?

b) Si la membrane était perméable aux ions K+, Na+ et Cl , que devrait-il se passer ?

Document 2

La membrane cytoplasmique possède des canaux qui permettent le passage de certaines molécules ou d’ions précis. Ces canaux s’ouvrent ou se ferment pendant le potentiel d’action illustré par l’oscillogramme suivant.

du potentiel d’action.

a) Que peux-tu observer quant à l’ouverture des canaux au cours du potentiel d’action ?

b) Que font les ions à ce moment par rapport à la situation de repos ?

c) Quels sont les ions dont le mouvement est responsable de la dépolarisation ?

d) Quels sont les ions dont le mouvement est responsable de la repolarisation ?

e) À présent, tu peux expliquer les différentes phases du potentiel d’action.

5.1 Les neurones : des cellules excitables et conductrices

La forme des neurones reflète leur spécialisation : transformer un stimulus en un message nerveux, propager ce message nerveux et le transmettre à d’autres cellules. Les messages nerveux étant de nature électrique, ils peuvent être mis en évidence avec un oscilloscope dont le principe est décrit dans le document 3 (page 225).

Au repos, la membrane du neurone est polarisée : l’extérieur de la cellule est positif par rapport à l’inté rieur. La différence de potentiel électrique (–70 mV) entre les deux faces de la membrane est le potentiel de repos.

Cet état est dû à une répartition inégale des ions, principalement des ions Na+ et K+, de part et d’autre de la membrane du neurone. Les Na+ sont plus abondants à l’extérieur alors que les ions K+ sont majoritaires à l’intérieur de la cellule.

L’excitation d’un neurone induit une dépolarisation temporaire de sa membrane : il s’agit du potentiel d’action.

On peut le visualiser sur l’oscilloscope. Le phénomène complet est très rapide : 3 à 5 milli secondes entre le début de la dépolarisation et le retour au potentiel de repos.

La dépolarisation de la membrane est un phénomène local : seule la zone stimulée se dépolarise. En se dépolarisant, elle stimule la zone voisine qui se dépolarise à son tour et ainsi de suite : l’influx nerveux est donc une onde de dépolarisation qui se propage le long de la fibre nerveuse.

Le long des fibres myélinisées, l’onde de dépolarisation se propage de nœud en nœud, ce qui permet à l’influx nerveux de circuler plus rapidement, jusqu’à 150 m/s.

Comme les autres cellules, le neurone est délimité par une membrane cytoplasmique qui forme une enveloppe continue limitant le contenu cellulaire. Elle sépare deux milieux fondamentalement différents. La membrane cytoplasmique contrôle le passage des substances d’un milieu à l’autre. Elle présente une perméabilité sélective : la membrane se laisse traverser par certaines substances, mais empêche le passage d’autres. Toutes les substances ne tra versent pas la membrane à la même vitesse. Quand une substance traverse la membrane sans que la cellule doive dépenser de l’énergie, on parle de transport passif. Quand la cellule doit fournir de l’énergie pour que la substance traverse la membrane, on parle de transport actif.

5.2.1 Transport passif d’un soluté

La répartition inégale des ions de part et d’autre de la membrane du neurone est à l’origine de gradients de concentration. Le gradient indique la variation de la concentration d’une substance entre deux endroits.

Le transport passif est basé sur le principe de la diffusion : passage du soluté à travers la membrane dans le sens de son gradient de concentration, c’està-dire de l’endroit où sa concentration est la plus élevée vers l’endroit où elle est la plus faible.

Les ions diffusent à travers la membrane par des protéines membranaires formant des canaux ioniques spécifiques à l’ion transporté et ouverts en permanence ; il s’agit de diffusion facilitée.

5.2.2 Transport actif d’un soluté

Des protéines membranaires permettent aux cel lules de faire passer des substances à travers la membrane à l’encontre de leur gradient de concen tration. Nécessitant un travail, ce mode de transport membranaire est actif. Les transporteurs protéiques sont spécifiques et consomment de l’énergie.

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La pompe à ions sodium-potassium est un transpor teur actif.

5.2 Comment les ions passent-ils à travers la membrane ?

Diffusion des ions Na+ par un canal protéique à ions sodium

5.3 Pourquoi existe-t-il un potentiel de repos ?

Les ions Na+ et K+ diffusent à travers la membrane suivant leur gradient électrochimique qui résulte de leur gradient de concentration et d’une différence de répartition des charges de part et d’autre de la membrane ; des charges de même signe se repoussent et des charges de signe contraire s’attirent.

Pour une différence de potentiel de –70 mV entre les deux faces de la membrane, les ions Na+ ont tendance à entrer dans la cellule et les K+ à en sortir. Ils le font en empruntant les canaux ioniques ouverts en permanence.

Le potentiel de repos est maintenu constant grâce aux pompes à sodium-potassium ; ce sont des protéines membranaires qui expulsent des ions Na+ de la cellule et y introduisent des ions K+. Ces pompes effectuent un transport actif contre le gradient électrochimique en utilisant de l’énergie.

L’ATP : le composé universel qui capture et redistribue l’énergie au sein de la cellule

La molécule d’adénosine triphosphate, ATP est constituée :

• d’une base azotée appelée adénine ;

• d’un sucre à cinq carbones, le ribose ;

• de trois groupes phosphate.

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La liaison chimique entre les deuxième et troisième groupes phosphate est très énergétique et peut se rompre. En cas de rupture, il y a libération d’énergie.

Inversement, la liaison peut se reformer si de l’énergie est fournie.

L’énergie libérée par la transformation de l’ATP en ADP  + P peut servir à activer une réaction qui nécessite un apport d’énergie, comme le transport actif de substances à travers la membrane cellulaire.

L’énergie nécessaire pour reformer de l’ATP à partir d’ADP et de P est fournie par d’autres réactions qui libèrent de l’énergie, notamment la respiration cellulaire.

5.4 Comment naît le potentiel d’action ?

Dans les membranes des cellules nerveuses, en plus des canaux ioniques ouverts en permanence, on trouve des canaux ioniques dont l’ouverture est provoquée par des variations du potentiel de membrane pour les canaux tensiodépendants, par la fixation d’un composé chimique pour les canaux chimiodépendants, par des variations de pression pour les canaux mécanodépendants et des variations de température pour les canaux thermodépendants. Les canaux chimiodépendants, mécanodépendants et thermodépendants se trouvent généralement dans les membranes des dendrites des neurones sensitifs où ils s’ouvrent suite à une stimulation chimique ou physique. Leur ouverture est proportionnelle à l’intensité de la stimulation et provoque une augmentation ou une diminution du potentiel de membrane.

Lorsque la dépolarisation atteint le seuil d’excitation (–55 mV), des canaux à Na+ tensiodépendants s’ouvrent brusquement et des ions Na+ diffusent vers l’intérieur du neurone, poussés par le gradient électrochimique.

Cette entrée massive d’ions Na+ fait passer le potentiel de membrane de –55 mV à +40 mV. À ce moment les canaux à Na+ se referment.

La dépolarisation qui atteint le seuil d’excitation provoque également l’ouverture de canaux à K+ tensiodépendants, mais leur ouverture étant plus

lente que celle des canaux à Na+, les ions K+ commencent à sortir lorsque le passage des ions Na+ est interrompu. La sortie des ions K+ provoque la repolarisation de la membrane. La sortie des ions K+ peut être suffisamment importante pour que le potentiel de membrane descende sous le potentiel de repos : c’est l’hyperpolarisation.

Une fois la membrane repolarisée, les canaux à K+ tensiodépendants se ferment et les pompes à sodium-potassium rétablissent l’équilibre ionique de repos.

Pendant cette phase de restauration, la membrane ne peut pas subir un nouveau potentiel d’action en ce point.

État de repos

Tant que le seuil d’excitation n’est pas atteint, les canaux tensiodépendants à Na+ et à K+ sont fermés. La membrane est polarisée.

Phase de dépolarisation

Une fois le seuil d’excitation atteint, les canaux tensiodépendants à Na+ s’ouvrent brusquement et des ions Na+ s’engouffrent dans le cytoplasme. La polarisation membranaire s’inverse.

Phase de repolarisation

Les canaux tensiodépendants à Na+ sont fermés et ceux à K+ largement ouverts, permettant une sortie massive d’ions K+. La polarité initiale de la membrane est rétablie.

Phase d’hyperpolarisation

Les canaux tensiodépendants à K+ se fermant lentement, des ions K+ sortent encore après la repolarisation ce qui entraîne une hyperpolarisation.

Les canaux tensiodépendants sont fermés les pompes ioniques rétablissent l’équilibre ionique initial.

5.5 Comment se propage le potentiel d’action ?

Lors de la phase de dépolarisation, les ions Na+ qui entrent repoussent les ions positifs du cytoplasme bordant la membrane et créent un courant lon gitudinal qui transmet la perturbation aux zones adjacentes. Mais la faible résistance électrique de la membrane permet des courants de fuite transver saux qui estompent la perturbation. Il en résulte que

la dépolarisation en un point d’une fibre nerveuse induit jusqu’à une certaine distance une variation du potentiel de membrane suffisante pour provoquer l’ouverture des canaux à Na+ tensiodépendants et l’apparition d’un nouveau potentiel d’action.

Comme la zone qui vient de subir un potentiel d’action est momentanément réfractaire à toute nouvelle excitation, la propagation de l’onde de dépolarisation est unidirectionnelle.

Propagation à sens unique de l’onde de dépolarisation dans une fibre nerveuse

Phase de restauration

La vitesse de propagation de l’onde de dépolarisation, ou vitesse de l’influx nerveux, dépend du diamètre de la fibre nerveuse. Plus la fibre nerveuse est grosse, moins elle offre de résistance aux courants longitudinaux, qui s’estompent donc moins rapidement. C’est pourquoi la vitesse de l’influx nerveux est plus élevée dans les fibres épaisses, variant de 0,5 m/s dans les fibres les plus fines à 10 m/s dans les fibres les plus épaisses. Comme la myéline est un bon isolant, la fibre nerveuse myélinisée ne peut être dépolarisée qu’au niveau des nœuds de Ranvier. L’onde de dépolarisation ne peut se propager que de nœud en nœud (progression saltatoire) ce qui augmente grandement la vitesse de l’influx nerveux le long de ces fibres, jusqu’à 150 m/s. La conduction plus rapide dans les fibres myélinisées s’explique aussi par la répartition des canaux tensiodependants, rares dans les zones recouvertes de myéline, nombreux au niveau des nœuds de Ranvier.

Propagation de l’influx nerveux dans une fibre sans myéline

Propagation de l’influx nerveux dans une fibre avec myéline

5.6

De quoi dépend la vitesse de l’influx nerveux ?

5.7

Comment transmettre les différentes intensités des stimuli ?

ACTIVITÉ 6

Nous sommes capables de faire la différence entre une caresse et une pincette. Différentes expériences ont été réalisées en vue de comprendre comment les nerfs et les fibres nerveuses sensitives transmettent l’intensité des stimuli.

1. Un axone géant de calmar est placé dans une cuve contenant du liquide physiologique. Les électrodes de l’oscilloscope sont placées sur la membrane de l’axone en deux points, A et B. Interprète le tracé affiché sur l’oscilloscope.

2. À quelques centimètres de A, on place un stimulateur électrique sur l’axone. Après avoir donné une stimulation suffisante, on enregistre sur l’écran le tracé suivant. Explique le tracé obtenu sur l’oscilloscope.

L’INFORMATION NERVEUSE  – Analyser et interpréter des résultats expérimentaux

3. On conserve le montage précédent, mais on donne des excitations d’intensité de plus en plus forte et on observe sur l’oscilloscope la réponse de l’axone. Interprète les résultats obtenus.

Réponse de l’axone à une excitation de faible intensité

Réponse de l’axone à une excitation de plus forte intensité

4. On recommence l’expérience n° 3 en remplaçant l’axone géant par un nerf. Pour chaque intensité, on conserve la partie de l’oscillogramme correspondant à un seul potentiel d’action. Les différents tracés sont regroupés sur un même graphe.

a) Le nerf réagit-il de la même manière que l’axone à des stimulations d’intensité croissante ? Compare les réactions.

b) Comment pourrais-tu expliquer ces derniers résultats expérimentaux ?

Réponse du nerf suite à des excitations d’intensité croissante : E1 < E2 < E3 < E4 < E5

Le neurone obéit à la loi du tout ou rien : l’inten sité du stimulus doit atteindre un certain seuil pour générer un potentiel d’action. En dessous de ce seuil, le neurone ne répond pas ; au-dessus de ce seuil, le neurone réagit, mais toujours par le même potentiel d’action, quelle que soit l’intensité du stimulus. L’intensité plus forte d’une excitation sera traduite par une fréquence plus élevée des potentiels d’action.

Une excitation plus intense peut aussi stimuler plu sieurs neurones et donc mobiliser un plus grand nombre de fibres nerveuses.

La différence de potentiel mesurée au repos entre deux points de la surface d’un nerf est nulle. Le point A devient négatif par rapport à B lors du passage de l’influx nerveux en A, puis c’est le point B qui devient négatif par rapport à A lorsque l’influx nerveux passe en B.

La différence de potentiel augmente en fonction des stimulations croissantes S1, S2 et S3, donc du nombre de fibres nerveuses excitées.

La loi du tout ou rien ne s’applique donc pas au nerf.

Réponse du neurone à un stimulus de faible intensité

Réponse du neurone à un stimulus de plus forte intensité

6

L’information se transmet d’une cellule à l’autre

ACTIVITÉ 7 DE NEURONE À NEURONE – Analyser et interpréter des résultats expérimentaux

Tu as vu que l’information nerveuse se propage le long des fibres nerveuses sous la forme d’une onde de dépolarisation : l’influx nerveux.

Comment l’information nerveuse passe-t-elle d’un neurone à l’autre ?

1) La zone où un neurone communique par son bouton synaptique avec un autre neurone s’appelle une synapse. Sur le dessin ci-dessous, repère 3 synapses impliquant les différentes parties du second neurone et réalise un croquis de ces 3 synapses.

2) Au niveau de la synapse, y a-t-il contact entre les deux neurones ? Précise ta réponse.

3) Le document suivant va t’aider à comprendre comment l’information nerveuse passe d’un neurone, le neurone présynaptique, à l’autre, le neurone postsynaptique.

a) Interprète les deux oscillogrammes au temps t1

b) Décris ce qui se passe au temps t2

c) Décris ce qui se passe au temps t3

d) Sous quelle forme passe l’information nerveuse d’un neurone à l’autre ?

4) Cite et localise les différentes formes sous lesquelles l’information se propage au sein d’un réseau de neurones.

6.1 D’un neurone à l’autre

L’information nerveuse passe d’un premier neurone à un deuxième neurone au niveau d’une synapse. La synapse chimique est l’ensemble constitué par le bouton synaptique d’un premier neurone (présynaptique), la fente synaptique large de 10 à 20 nm et la membrane d’un second neurone (postsynaptique).

C’est le type de synapses le plus fréquent, qui permet le passage de l’influx nerveux via des molécules, les neurotransmetteurs contenus dans les vésicules du bouton synaptique

Les étapes de la transmission synaptique chimique

Le temps qui s’écoule entre l’arrivée du potentiel d’action sur la membrane présynaptique et la modification du potentiel de membrane de la cellule postsynaptique, le délai synaptique, est de 0,5 ms. La vitesse de passage des neurotransmetteurs à travers la synapse est de 40 µm/s, ce qui est de loin inférieur à la vitesse de l’influx nerveux le long de l’axone.

La synapse chimique ne fonctionne que dans un sens : du bouton synaptique à la membrane du neurone postsynaptique.

Dans un organisme vivant, un influx nerveux circule des dendrites excitées vers le corps cellulaire et du corps cellulaire vers l’axone puis vers le bouton synaptique qui pourra transmettre le message nerveux à un autre neurone : c’est la loi de polarisation dynamique du neurone.

Chaque cellule nerveuse établit de nombreux contacts avec d’autres cellules. Chez l’Homme, le nombre de contacts qu’un neurone établit avec d’autres cellules nerveuses va de 1 à 100 000 (10 000 en moyenne – 100 000 pour certaines cellules du cervelet).

Les neurotransmetteurs sont de petites molécules synthétisées par les neurones. On en dénombre actuellement près d’une centaine. Leur action spécifique est liée à leur forme complémentaire de celle des récepteurs postsynaptiques. Chaque type de neurotransmetteurs peut donc avoir une action ciblée. La nature du neurotransmetteur et son interaction avec ses récepteurs spécifiques déterminent la réponse de la cellule postsynaptique.

Lasynapse électrique

Dans la synapse électrique, la membrane du premier neurone et la membrane du deuxième neurone sont accolées et les cytoplasmes communiquent par des jonctions. Celles-ci permettent le passage direct des ions d’un neurone à l’autre, ce qui entraîne la modification de la polarité de la membrane postsynaptique et donc la propagation de l’influx nerveux. Les synapses électriques sont relativement rares dans le système nerveux adulte. Elles interviennent principalement entre des neurones qui agissent de manière coordonnée au cours de réactions très rapides. Chez les Vertébrés, ces synapses se trouvent dans le système nerveux central, la rétine et le muscle cardiaque.

DOCS + le système nerveux adulte. Elles interviennent princitème nerveux central, la rétine et le muscle cardiaque.

6.2 D’un neurone à un muscle

La synapse existe entre deux neurones, mais aussi entre une cellule nerveuse et une cellule musculaire. Ce dernier type de synapse est appelé synapse neuromusculaire.

Le fonctionnement est identique à celui de la synapse chimique entre neurones, mais l’excitation de la cellule musculaire postsynaptique entraîne la réaction de cette dernière. Le neurotransmetteur libéré dans les synapses neuromusculaires est l’acétylcholine.

Photographie au M.E.T. d’une jonction neuromusculaire, montrant la terminaison T de l’axone et la cellule musculaire M. La flèche désigne une concentration dense de neurotransmetteurs dans la fente synaptique.

Ramifications axonales et synapses neuromusculaires observées au microscope optique

DOCS +

Les cellules nerveuses établissent des contacts entre elles et avec les organes cibles. L’ensemble de ces contacts permet de constituer un réseau qui assure la circulation des informations, leur réception, leur traitement et l’élaboration des réponses. Deux flux d’informations circulent dans le réseau.

Le premier est centrifuge. Il est constitué par les potentiels d’actions qui cheminent dans les neurones et par les neurotransmetteurs qui assurent le passage de l’information d’un neurone à l’autre au niveau des synapses, jusqu’à atteindre les organes cibles. Sa vitesse varie de 1 à 100 m/s.

Le second est centripète. Il est constitué par les substances trophiques, le plus souvent des protéines

émises par les organes et qui cheminent dans les neurones, du corps vers le cerveau. Sa vitesse est de l’ordre de 200 à 400 mm/jour. Ces substances trophiques interviennent lors de la construction du système nerveux en permettant d’attirer les prolongements nerveux vers les organes cibles.

Elles interviennent aussi tout au long de la vie et entretiennent le dialogue entre les prolongements nerveux et les organes cibles. Les prolongements stimulent les organes cibles qui, en réponse, émettent des substances trophiques. L’absence de ces substances entraîne la dégénérescence progressive de la voie nerveuse. Certaines maladies du cerveau seraient liées à ce phénomène comme la maladie de Parkinson.

National Institutes of Health

6.3 Qu’est-ce qui provoque la migration des vésicules synaptiques ?

Lorsque l’onde de dépolarisation qui se propage le long de l’axone arrive dans un bouton synaptique, la phase de dépolarisation du potentiel d’action provoque l’ouverture de canaux tensio dépendants à Ca2+ qui permet la diffusion des ions Ca2+, plus concentrés dans le milieu extra cellulaire, vers l’intérieur du bouton synaptique. L’augmentation de la concentration en Ca2+ provoque la fusion de vésicules synaptiques avec la membrane cytoplasmique et l’exocytose des neurotransmetteurs.

Deux fibres nerveuses géantes de calmar sont plongées dans une cuve contenant de l’eau de mer. Elles sont disposées comme sur le schéma, se touchant presque. Un oscilloscope à double trace permet de tracer simultanément les variations du potentiel de membrane en un point A de la fibre 1 et en un point B de la fibre 2.

ACTIVITÉ 8

LE MESSAGE NERVEUX – Exploiter des documents, expliquer un phénomène

Différentes expériences sont menées.

1. Après avoir donné une excitation d’intensité suffisante en P (t = 0 ms), on enregistre sur l’écran l’oscillogramme 1 ci-dessous.

2. Lorsqu’on porte la même excitation en Q, l’oscilloscope enregistre l’oscillogramme 2 ci-dessous.

Oscillogramme 1

Oscillogramme 2

3. On retire tous les ions calcium de l’eau de mer dans laquelle sont plongées les fibres nerveuses puis on excite à nouveau le point P. Seule la voie 1 enregistre un potentiel d’action.

4. On laisse tomber une goutte d’acétylcholine entre les 2 fibres. Seule la voie 2 enregistre un potentiel d’action.

Quel est le phénomène mis en évidence dans ces expériences ? Justifie ta réponse.

Décris les principales étapes de ce phénomène en t’appuyant sur les résultats expérimentaux.

ACTIVITÉ 9

ÉditionsVANIN

Les mollusques sont un matériel de choix pour étudier le fonctionnement des neurones. Leur système nerveux est constitué de quelques centaines de milliers de neurones seulement, regroupés dans des ganglions. À l’aide de microélectrodes, on peut suivre le cheminement de l’information nerveuse de neurone en neurone au sein des ganglions.

L’aplysie Aplysia punctata est un mollusque marin que l’on nomme aussi lièvre de mer en raison de la présence des tentacules sensoriels, qui font penser à de longues oreilles. Se nourrissant d’algues, des individus ne dépassant pas 15 cm de longueur se rencontrent dans les mares qui apparaissent à marée basse.

6.4 Comment le neurone post-synaptique intègre-t-il les informations ?

LA COMMUNICATION NERVEUSE – Analyser et interpréter des résultats expérimentaux

Le montage suivant a été réalisé au niveau de cellules ganglionnaires d’aplysie.

Le tableau suivant résume les expériences réalisées et les oscillogrammes obtenus. Analyse et interprète les résultats.

Les neurotransmetteurs libérés dans la fente synaptique se fixent sur des récepteurs liés à des canaux chimiodépendants dont l’ouverture permet le passage d’ions à travers la membrane postsynaptique, ce qui engendre un potentiel membranaire postsynaptique (PPS).

Selon le neurotransmetteur, différents canaux s’ouvrent et différents ions se déplacent.

Un neurotransmetteur excitateur dépolarise la membrane en engendrant un potentiel postsynaptique excitateur (PPSE). Les PPSE résultent souvent de l’ouverture des canaux à Na+ permettant la diffusion de ces ions vers l’intérieur de la cellule.

Un neurotransmetteur inhibiteur hyperpolarise la membrane en engendrant un potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI). Les PPSI résultent de l’ouverture de canaux Cl ou des canaux à K+ permettant respectivement la diffusion des ions Cl vers l’intérieur de la cellule et des ions K+ vers le milieu extracellulaire.

La cellule postsynaptique reçoit des informations de plusieurs neurones présynaptiques qui libèrent des neurotransmetteurs excitateurs ou inhibiteurs.

Si la somme des PPSE et des PPSI dépasse le seuil d’excitation des canaux à Na+ situés à la base de l’axone, un potentiel d’action naît et un influx nerveux se propage le long de l’axone.

ACTIVITÉ 10

DES PERTURBATEURS – Transposer

Voici les informations trouvées dans un syllabus de 1er Bachelier en Psychologie.

• Le curare est un poison utilisé aujourd’hui encore par les Indiens d’Amazonie pour recouvrir la pointe de leurs flèches de façon à entraîner la paralysie de leurs proies. Le curare agit au niveau des synapses neuromusculaires en se fixant sur les récepteurs de l’acétylcholine mais, contrairement à l’acétylcholine qui stimule la contraction du muscle, le curare n’excite pas la cellule postsynaptique.

• Les insecticides organophosphorés inhibent l’acétylcholinestérase, enzyme responsable de la destruction du neurotransmetteur acétylcholine. Cette inhibition prolonge la durée de l’influx nerveux, ce qui conduit rapidement à la mort de l’insecte.

• La toxine tétanique produite par la bactérie Clostridium tetani est un neurotoxique qui agit au niveau des synapses du système nerveux central. Elle inhibe la fusion des vésicules synaptiques avec la membrane cytoplasmique dans le neurone présynaptique, empêchant de ce fait la libération des neurotransmetteurs dans la fente synaptique. Les cibles de la neurotoxine tétanique sont les neurones d’association situés dans la moelle épinière ou le cerveau et dont les neurotransmetteurs sont la glycine et l’acide γ-aminobutyrique (GABA). Il en résulte une hyperexcitabilité des neurones moteurs et des contractures localisées puis généralisées, permanentes et douloureuses des muscles squelettiques.

• La nicotine contenue dans les cigarettes se fixe sur les récepteurs de l’acétylcholine, jouant le rôle de cette dernière. De ce fait, la nicotine a un rôle excitant sur le système nerveux.

1) Schématise les principales étapes de la transmission de l’information nerveuse au niveau d’une synapse chimique.

2) Localise par une flèche de couleur l’action de chacune des quatre substances citées et précise son mode d’action : en noir, pour le curare ; en bleu, pour les insecticides organophosphorés ; en rouge, pour la toxine tétanique ; en vert, pour la nicotine.

6.5.1 Des perturbateurs

De nombreuses substances agissent sur la transmis sion synaptique : alcool, tabac, haschisch et autres drogues, des poisons comme le curare ou encore des médicaments.

L’acétylcholine est un neurotransmetteur interve nant, entre autres, au niveau de la commande de la contraction musculaire. Beaucoup d’insecticides et de molluscicides (gra nulés anti-limaces) empêchent l’action de l’enzyme qui dégrade l’acétylcholine libérée dans la fente synaptique. En présence de ces poisons, les influx se transmettent de façon incontrôlable et provoquent des convulsions pouvant entraîner la mort.

Les granulés anti-limaces au métaldéhyde sont très nocifs pour la biodiversité. En effet, les limaces ainsi intoxiquées et moribondes empoisonnent les grives, crapauds ou hérissons qui les consomment. Il existe des alternatives plus écologiques.

6.5 Le fonctionnement des synapses chimiques peut être perturbé

Le botulisme est une intoxication alimentaire due à la bactérie Clostridium botulinum, présente dans des boîtes de conserve avariées. La toxine produite par cette bactérie empêche la libération d’acétylcholine et donc toute contraction musculaire. Diverses molécules peuvent s’accrocher aux récepteurs de l’acétylcholine, perturbant ainsi la commande musculaire : la muscarine, poison contenu dans l’amanite tue-mouches, est un excitateur qui provoque des contractions musculaires, alors que l’atropine, poison présent dans la belladone, est un inhibiteur bloquant les récepteurs synaptiques.

une douleur plus intense ou d’une plus longue durée comme le font les opiacés tels que la morphine.

6.5.2 Le mode d’action des drogues

ÉditionsVANIN

La morphine, extraite du pavot somnifère, agit comme analgésique. On sait aujourd’hui que notre organisme fabrique des neurotransmetteurs, les enképhalines, qui ressemblent à la morphine et qui s’attachent aux mêmes récepteurs. Ces enképhalines diminuent naturellement les douleurs aiguës en inhibant la transmission des potentiels d’action propageant la douleur jusqu’au cerveau. Le corps n’est cependant pas en mesure de supprimer

Depuis la nuit des temps, l’homme consomme des extraits de plantes ou de champignons pour provoquer des hallucinations ou pour ressentir du plaisir. La société contemporaine a vu se développer la consommation de diverses substances illégales appelées drogues, telles la marijuana (haschich, cannabis), l’ecstasy, la cocaïne, l’héroïne… Même s’ils sont légaux, l’alcool et le tabac font partie des substances psychotropes qui modifient l’état de conscience d’un individu et qui peuvent le rendre dépendant. À ce titre, ils méritent aussi le nom de drogue.

Au centre de l’encéphale se trouvent quelques structures qui constituent le système limbique. Celui-ci a un rôle majeur chez les mammifères, celui de rendre agréables des activités essentielles à la survie de l’individu ou de l’espèce et de les mémoriser : manger, boire, s’accoupler, fuir un prédateur…

Le fait de réaliser ces activités naturelles, voire la simple perspective de les réaliser, s’accompagne de la libération dans le système limbique d’un neurotransmetteur, la dopamine, le messager chimique du plaisir. Il s’établit ainsi un lien entre la sensation de plaisir engendrée par ces activités et l’augmentation de la concentration en dopamine du cerveau ; ce lien est mémorisé inconsciemment.

Les drogues détournent ce processus en augmentant artificiellement la sensation de plaisir, soit en induisant directement une augmentation de la production de dopamine (exemple : la cocaïne), soit indirectement en imitant des neurotransmetteurs

Amanite tue-mouches (Amanita muscaria)

Belladone (Atropa bella-donna)

Pavot somnifère (Papaver somniferum)

naturels (exemple : la nicotine) ou en renforçant leur action (exemple : l’éthanol).

6.5.3 La toxicomanie

Le système limbique, en rouge, regroupe différentes structures de l’encéphale.

L’addiction ou assuétude consiste en une dépendance au produit, due à une impossibilité d’oublier le plaisir attendu. Le toxicomane place alors au premier rang de ses préoccupations la recherche et la consommation du produit. Cet état s’accompagne parfois de réels malaises physiques (anxiété, douleur, dépression) lorsque la concentration de dopamine redevient normale ou même inférieure à la normale. L’accoutumance est installée et l’administration du produit ne vise plus tant à se donner du plaisir qu’à supprimer les effets désagréables du manque. Comme l’organisme essaie de s’adapter à la présence de ces substances étrangères, il peut devenir tolérant à la drogue ; des doses plus élevées sont nécessaires pour obtenir les mêmes effets. Dans les cas les plus graves (exemple : l’héroïne), cela peut mener à l’administration de quantités mortelles : c’est l’overdose

DOCS +

La perturbation de la transmission synaptique ne trouve pas toujours son origine dans des substances extérieures à l’organisme. Certaines maladies neurologiques sont en effet liées à des excès ou des manques endogènes de neurotransmetteurs.

Par exemple, la maladie d’Alzheimer est associée à un manque d’acétylcholine, l’un des neurotransmetteurs les plus importants.

La maladie de Parkinson, les troubles de l’humeur, la dépression, la schizophrénie, le trouble bipolaire… sont d’autres maladies dans lesquelles les patients montrent une quantité anormale d’un ou plusieurs neurotransmetteurs.

Certains de ces troubles peuvent se déclencher suite à la prise de drogues, qui perturbent la physiologie des neurotransmetteurs de manière irréversible.

ACTIVITÉ 11

LES EFFETS DE L’ALCOOL – Analyser des documents, interpréter

Comme tu le sais, l’alcool est une drogue légale, mais aux effets extrêmement graves tant sur le plan de la perturbation psychique que sur celui de la santé en général. Par l’analyse des documents suivants, tu vas comprendre le mode d’action de cette substance sur certains aspects du fonctionnement cérébral.

1) Prends connaissance des différents documents et légende les schémas du document 4 en :

a) donnant un titre à chacune des deux figures ;

b) associant le symbole utilisé pour chaque molécule à son nom ; c) associant chaque chiffre au nom de sa structure.

2) Relie les perturbations synaptiques aux effets cités dans le document 1.

Document 1

L’alcool agit de différentes manières sur le système nerveux, il interfère par exemple avec les récepteurs de différents neurotransmetteurs (GABA, glutamate, acétylcholine…), engendrant des effets divers suivant l’endroit de l’encéphale perturbé : la somnolence, l’amnésie, l’euphorie, la dépendance… L’alcool amplifie l’action du GABA en augmentant la durée d’ouverture des canaux ioniques et bloque les récepteurs au glutamate.

Document 2

Le glutamate est un neurotransmetteur excitateur présent dans 50 % des synapses encéphaliques ; il est associé à l’apprentissage et la mémoire.

Le récepteur spécifique du glutamate est porté par un canal à Ca2+. L’ouverture de ce canal, suite à la fixation du glutamate sur le récepteur, permet un afflux de Ca2+ dans le cytoplasme du neurone postsynaptique.

Document 3

Le GABA (ou acide γ-aminobutyrique) est un neurotransmetteur très répandu dans l’encéphale humain où il interviendrait dans 30 à 40 % des synapses. Il diminue l’excitabilité des neurones. La liaison du GABA à son récepteur spécifique provoque l’ouverture du canal à Cl et l’entrée de ces ions Cl dans le neurone postsynaptique.

Document 4

Les figures ci-dessous schématisent le fonctionnement des synapses à glutamate et à GABA. Les molécules d’alcool sont symbolisées par de petits triangles bleus.

7

L’information est traitée par le système nerveux central

ACTIVITÉ 12

LE SYSTÈME NERVEUX CENTRAL DES MAMMIFÈRES – Observer, présenter

L’encéphale et la moelle épinière forment le système nerveux central des mammifères. Tu vas observer et identifier les différentes parties d’un encéphale de veau.

Le terme veau désigne un jeune de moins de 18 mois du bovin Bos taurus, ses parents étant un taureau et une vache. Un mâle castré est nommé un bœuf.

Matériel

L’encéphale de veau vu du côté droit

Physique Biologique Chimique

– matériel de dissection

– bac à dissection

– papier absorbant – étiquettes et cure-dents

Mode opératoire

– un encéphale de veau frais ou partiellement décongelé

– eau du robinet

Les pages 122 à 124 du manuel t’aideront à repérer et identifier les différentes structures de l’encéphale.

Observation et identification des structures externes de l’encéphale

1. Prends l’encéphale de veau et couche-le sur le côté gauche dans le bac à dissection.

2. Sur l’encéphale, repère et identifie à l’aide d’étiquettes les structures suivantes : cerveau, hémisphères cérébraux, circonvolutions, scissures, lobe frontal, lobe pariétal, lobe occipital, lobe temporal, cervelet, tronc cérébral, moelle épinière. Demande à ton professeur de vérifier tes identifications, après quoi tu fixeras tes observations sur une photographie.

3. Place l’encéphale sur sa face dorsale, repère et identifie à l’aide d’étiquettes les structures suivantes : la moelle épinière, le bulbe rachidien, la protubérance annulaire. Les nerfs crâniens, souvent arrachés durant la préparation des encéphales, sont difficiles à identifier. Les nerfs olfactifs sont situés parallèlement l’un à l’autre et très antérieurement, tandis que les nerfs optiques, plus ventraux, se croisent à leur base et divergent. L’encéphale est recouvert par les méninges qui le protègent. Elles apparaissent légèrement transparentes et vascularisées à certains endroits.

(réalité

dessin)

Observation et identification des structures internes de l’encéphale

1. Replace l’encéphale de sorte que la face ventrale repose sur le fond du bac à dissection.

2. Si l’encéphale n’est pas déjà coupé sagittalement, à l’aide du scalpel, coupe doucement et superficiellement les méninges au niveau du sillon interhémisphérique. Les deux hémisphères sont toujours attachés et, en les écartant légèrement, tu vois apparaître une structure blanchâtre, le corps calleux.

3. Poursuis la section interhémisphérique de l’encéphale puis repère et identifie à l’aide d’étiquettes les structures suivantes : le corps calleux, le thalamus et l’hypothalamus situé un peu plus bas. L’hypophyse n’est plus présente, elle a été arrachée.

4. En introduisant un manche de scalpel sans lame, repère les ventricules latéraux se logeant dans chaque hémisphère.

5. Prends un des 2 hémisphères et réalise une coupe frontale. Sur celle-ci, repère et identifie à l’aide d’étiquettes la substance grise et la substance blanche. Traduis tes observations de la moitié gauche ou droite de cette coupe frontale par un schéma, en précisant les 2 types de tissus nerveux, qui se distinguent par leur couleur.

7.1 L’encéphale

L’encéphale est le principal centre nerveux.

Sa masse est d’environ 1,5 kg chez l’adulte. D’aspect gris-bleu, il apparaît plissé.

L’encéphale est composé de plusieurs parties.

• Le cerveau est constitué de deux hémisphères cérébraux symétriques (gauche et droit), séparés par une fissure longitudinale, le sillon interhémisphérique. La surface des hémisphères cérébraux présente de nombreux replis, les circonvolutions, séparés par des sillons dont les plus profonds sont appelés scissures. Ces  scissures délimitent quatre lobes dont le nom provient de l’os crânien qui les recouvre. À l’intérieur de chaque hémisphère se trouve un ventricule latéral rempli de liquide céphalorachidien. Le  corps calleux relie les deux hémisphères entre eux.

• Le cervelet occupe la partie dorsale inférieure de la boîte crânienne, sous le cerveau. Sa surface est plus finement et profondément striée que celle du cerveau.

• Le tronc cérébral essentiellement constitué de faisceaux de fibres nerveuses se termine par le bulbe rachidien qui s’unit à la moelle épinière.

• Le diencéphale surmonte le tronc cérébral et est caché par les hémisphères cérébraux. Il est formé notamment par le thalamus, l’hypothalamus et l’hypophyse.

Une coupe au niveau des hémisphères cérébraux et du cervelet montre deux couches distinctes.

• La couche externe ou cortex, plus foncée, est formée de substancegrise contenant principalement les corps cellulaires des neurones.

• La couche interne, plus claire, est formée de substance blanche. Elle est composée essentiellement de fibres nerveuses, myélinisées ou non, et de cellules de soutien et nourricières, les cellules gliales.

L’encéphale est en communication avec les différents organes par l’intermédiaire de la moelle épinière, mais aussi directement par 12 paires de nerfs crâniens. Les nerfs crâniens sont sensitifs, moteurs ou mixtes.

Coupe frontale de l’encéphale

Coupe sagittale de l’encéphale

Coupe sagittale de l’encéphale humain observée en imagerie par résonance magnétique (IRM)

Gérard Cohen

Coupe transversale de l’encéphale humain observée en imagerie par résonance magnétique

7.2

Le cerveau perçoit, décide et agit

ACTIVITÉ 13

1. De gauche à droite

Une technique d’imagerie médicale permet de visualiser l’activité d’un cerveau : les zones qui apparaissent en rouge sur les images obtenues sont les zones actives du cerveau.

On soumet une personne à des stimuli visuels venant de la gauche ou de la droite. Voici les images obtenues (le cerveau est vu de dos).

a) Quels hémisphères réagissent dans l’un ou l’autre cas ?

b) Quel est l’hémisphère qui gère le mécanisme de l’attention ? Justifie.

c) Quel hémisphère gère le champ de vision gauche et le champ de vision droit ? Justifie.

2. Écouter et parler

Les aphasies sont des troubles du langage au niveau de la compréhension ou de l’expression ; elles sont provoquées le plus souvent par des lésions du cortex cérébral. Le type d’aphasie correspond au nom de l’aire lésée.

Le tableau suivant reprend différents types d’aphasies, correspondant à différentes zones corticales.

LE CERVEAU NOUS PARLE – Analyser des résultats expérimentaux, interpréter

Région du cerveau affectée

Broca

Type d’aphasie

– incapacité de s’exprimer oralement – incapacité de répéter des phrases – compréhension des mots entendus – difficulté de nommer les objets

Transcorticale motrice

– incapacité de s’exprimer oralement – capacité de répéter des phrases – compréhension des mots entendus – incapacité de nommer les objets

Wernicke

– capacité de s’exprimer oralement – incapacité de répéter des phrases – incompréhension des mots entendus – incapacité de nommer les objets

Anomique

– capacité de s’exprimer oralement – capacité de répéter des phrases – compréhension des mots entendus – incapacité de nommer les objets

Sensorielle

– capacité de s’exprimer oralement – capacité de répéter des phrases – incompréhension des mots entendus – incapacité de nommer les objets

a) Quelles sont les aires responsables de :

• la compréhension des informations auditives ?

• la formation des paroles ?

b) Est-il possible qu’un patient comprenne ce qu’on lui dit, mais soit incapable de nommer les objets qu’on lui présente ou dont on lui parle ? Si oui, dans quels types d’aphasie ?

Les informations qui proviennent de chaque œil arrivent par le nerf optique dans le cortex de l’aire visuelle primaire située à l’arrière de chaque hémisphère. Comme les nerfs optiques se croisent en partie, l’hémisphère gauche traite certaines infor mations de l’œil droit et vice versa.

Ce n’est pourtant pas dans l’aire visuelle que l’identi fication de l’objet se fait. Les informations transitent vers des zones d’association, où les signaux sont traités et mis en relation avec la mémoire. La per ception et la reconnaissance de l’image se font. C’est ainsi que nous identifions le ballon qu’on nous lance. Reste à l’attraper !

La décision est prise au niveau d’aires d’association frontales. L’information quitte alors les aires d’asso ciation pour les aires motrices d’où partent des nerfs moteurs vers les différents muscles qui doivent se contracter.

Cet exemple montre que le cortex cérébral est orga nisé en aires de trois types différents, responsables de l’activité cérébrale

• Des aires sensitives reçoivent et interprètent les informations issues des organes des sens, des tendons et des muscles. Ces aires permettent de percevoir les informations sensitives reçues.

•

Des aires d’association remplissent des fonc tions d’intégration associées aux émotions, au raisonnement, à la mémoire, à la volonté… Cer taines interprètent les messages reçus au niveau des aires sensitives, d’autres engendrent des réponses motrices précises impliquant différents muscles.

•

Des aires motrices génèrent un signal nerveux pour la musculature.

Cartographie de l’aire sensitive somatique de l’hémisphère droit

Sur une coupe frontale au niveau de l’aire sensitive somatique, les différentes zones sont associées aux organes, dont les dimensions sont fonction de l’importance de l’innervation. L’aire sensitive somatique de l’hémisphère droit reçoit les influx sensitifs issus du côté gauche du corps.

Cartographie de l’aire motrice primaire de l’hémisphère droit

Sur une coupe frontale au niveau de l’aire motrice primaire, les différentes zones sont associées aux groupes musculaires représentés en fonction de leur innervation et de la précision des mouvements qu’ils réalisent. L’aire motrice primaire de l’hémisphère droit commande les muscles du côté gauche du corps.

7.3 Les autres parties de l’encéphale

• Le cervelet contrôle et coordonne les muscles impliqués dans l’accomplissement d’une action (marche, préhension, station debout). Il est responsable de l’équilibre spatial.

• Le tronc cérébral transfère les informations sensorielles au cortex et les informations motrices issues de l’encéphale vers les organes effecteurs. Il contrôle les comportements de survie tels que le vomissement, le rythme cardiaque, les cycles veille-sommeil…

• Le diencéphale

L’hypothalamus contrôle notamment la température corporelle. Il assure aussi la coordination entre le système nerveux et le système endocrinien. Le système endocrinien est composé de tissus et d’organes intervenant dans la fabrication et la sécrétion des hormones, molécules servant à la communication intercellulaire.

L’hypophyse est la glande endocrine maîtresse de l’organisme. Elle produit de nombreuses hormones qui régissent le fonctionnement d’autres glandes et est en relation avec l’hypothalamus.

7.4 La moelle épinière

ACTIVITÉ 14

Tu vas observer une préparation microscopique de moelle épinière d’un mammifère en coupe transversale, achetée dans le commerce. La technique de Cajal ne colore qu’une cellule parmi environ une centaine, ce qui permet de l’isoler visuellement. De plus, la coloration marque uniformément à la fois le corps cellulaire et l’ensemble de ses prolongements.

Pour te rafraîchir la mémoire avant de commencer les observations, lis les documents suivants :

1 > L’utilisation du microscope (page 222)

2 > Le dessin d’observation (page 224)

Au faible grossissement, on repère aisément la substance grise en forme de papillon, entourée de la substance blanche. La barre transversale du papillon est formée par la commissure grise au centre de laquelle se trouve le canal de l’épendyme. Les cornes ventrales et les cornes dorsales forment les ailes du papillon. Les cornes dorsales, généralement plus petites, s’étendent plus vers la périphérie. Les cornes ventrales et dorsales divisent la substance blanche de chaque côté en trois grandes régions, les cordons ventraux, dorsaux et latéraux.

Sur certaines préparations, il est possible d’observer en périphérie, d’autres structures. Les racines ventrales qui partent des cornes ventrales et les racines dorsales qui entrent dans la moelle épinière au niveau des cornes dorsales. Le ganglion spinal est un renflement de la racine dorsale. En s’éloignant de la moelle épinière, les deux racines se réunissent pour former un nerf rachidien. La substance grise et les ganglions renferment les corps cellulaires des neurones, tandis que la substance blanche et les nerfs sont formés de fibres. Les méninges entourent la moelle épinière et les racines.

Réalise un dessin de la coupe transversale de moelle épinière au faible grossissement.

OBSERVE LA MOELLE ÉPINIÈRE – Observer, présenter sous une autre forme (réalité

dessin)

Observe aux grossissements plus importants (100 × et 400 ×) les différentes parties de la moelle épinière.

Au niveau des cornes ventrales, on peut observer des corps cellulaires de neurones multipolaires, polyédriques, de grande taille. En dehors des corps cellulaires des neurones, seuls les noyaux des cellules gliales sont bien visibles ; les uns, relativement arrondis, volumineux et clairs, appartiennent à des astrocytes, les autres également arrondis, mais plus petits et plus sombres, à des oligodendrocytes et à des microgliocytes.

Sur le pourtour du canal de l’épendyme, les noyaux des épendymocytes sont bien visibles.

Dans la substance blanche ainsi que dans les racines, on peut observer des groupements serrés de disques clairs au centre coloré. Ce sont des fibres nerveuses. Le centre coloré correspond à l’axone coupé transversalement ; la couronne claire entourant l’axone correspond à la gaine de myéline vidée de son contenu par les solvants des graisses.

On peut également voir des fibres nerveuses coupées longitudinalement.

Hormis les informations nerveuses sensitives provenant des organes des sens localisés au niveau de la tête et les informations motrices émises vers les muscles de la face, la plupart des influx nerveux transitent par la moelle épinière. C’est un long cordon blanchâtre d’environ 45 cm de longueur pour un diamètre de 2 cm chez l’adulte, situé dans le canal vertébral.

Une coupe transversale de moelle épinière montre qu’elle est constituée, comme l’encéphale, de substance blanche et de substance grise. Contrairement à l’encéphale, la partie périphérique de la moelle

épinière est constituée de substance blanche alors que la substance grise occupe le centre. Celle-ci présente une forme typique de papillon. Au centre se trouve le canal de l’épendyme où circule le liquide céphalorachidien.

Au niveau intervertébral, la moelle épinière présente des prolongements, les racines ventrales et dorsales. La racine dorsale porte un renflement : le ganglion spinal. Les racines ventrale et dorsale confluent en un nerf rachidien ou nerf spinal. 31 paires de nerfs rachidiens quittent la moelle épinière ; ce sont des nerfs mixtes qui innervent les différents territoires du corps.

Coupe transversale dans la moelle épinière d’une souris, observée au microscope optique à faible grossissement après coloration

Coupe transversale de la moelle épinière à l’intérieur d’une vertèbre

La moelle épinière assure trois fonctions.

• Elle transmet à l’encéphale des informations sen sitives d’un territoire du corps : les informations sensitives véhiculées par les fibres sensitives du nerf spinal passent par la racine dorsale et sont transmises à l’encéphale.

• Elle transmet des informations motrices de l’encéphale vers un territoire du corps : les informations descendent le long de la moelle épinière avant de la quitter par la racine ventrale du nerf spinal innervant cette zone.

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• Elle permet la réalisation et la coordination des réflexes médullaires. Ce sont des réactions de protection comme retirer la main d’une plaque chauffante.

Coupe sagittale de la partie inférieure du crâne et de la partie supérieure de la colonne verté brale, observée en IRM

7.5

Le comportement : résultat de l’activité du système nerveux

ACTIVITÉ 15

LE CERVEAU, INCROYABLE ORGANE – Exploiter des documents, décrire et synthétiser

L’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une technique qui permet d’estimer de façon indirecte l’activité neuronale (cérébrale). Le principe de l’IRMf est basé sur les variations de concentration locale en dioxygène. Une augmentation de l’activité des neurones au sein du cortex entraîne une augmentation locale du métabolisme. Pour répondre à cette augmentation de la demande en dioxygène et en glucose, le débit sanguin cérébral local augmente, mais de façon excessive (marge de sécurité). Tout le dioxygène supplémentaire n’est pas consommé, ce qui entraîne une augmentation de la concentration locale en dioxygène. Cette légère hyperoxygénation est détectable par l’IRMf, en comparant la période de repos et la période d’activation.

Analyse chacun des documents. À partir des informations ainsi obtenues et de tes connaissances, détermine si le cerveau a la capacité de se modifier selon les événements vécus par l’individu.

Document 1

• L’activité cérébrale du cortex sensorimoteur primaire en réponse à des stimuli légers sur l’extrémité des doigts est mesurée chez des violonistes et chez des personnes ne jouant d’aucun instrument. Il faut savoir que chez le violoniste droitier, la main gauche, qui sélectionne la hauteur des sons en appuyant sur les cordes, est plus sollicitée que la main droite qui active l’archet.

Comparaison des zones du cortex de l’hémisphère droit contrôlant les doigts de la main gauche, chez un violoniste et chez un sujet non-musicien

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• L’activité cérébrale du cortex sensorimoteur primaire de l’hémisphère gauche ne montre aucune différence en ce qui concerne les représentations des doigts de la main droite chez les violonistes ou les nonmusiciens.

• Une estimation du nombre de dendrites actives lors d’une stimulation de l’auriculaire gauche a été réalisée sur un groupe de personnes jouant d’un instrument à cordes et sur un autre groupe ne jouant d’aucun instrument. Les résultats de cette étude sont présentés dans le graphique ci-après.

Document 2

Des scientifiques ont étudié les possibilités d’adaptation du cerveau lors de différents apprentissages.

Durant trois mois, deux groupes de volontaires ont été étudiés : un groupe a appris à jongler de manière intensive et l’autre groupe a servi de témoin et n’a pas appris à jongler.

Des IRMf ont été pratiquées sur chaque individu avant l’expérience, à la fin des trois mois et une troisième fois trois mois après l’arrêt de l’apprentissage.

Cette étude a montré que, dans le groupe expérimental entraîné, la taille des structures impliquées dans la coordination motrice et dans les fonctions visuospatiales permettant de s’orienter, de percevoir les objets et de les organiser augmentait. Dans les zones du cerveau impliquées, l’épaisseur du cortex a augmenté de 3 %. Trois mois après l’arrêt de l’apprentissage, l’expansion n’est plus que de 1 %. Dans le groupe témoin, aucune modification structurale au niveau du cerveau n’est observée durant les 6 mois.

Document 3

En 1996, Denis est amputé des deux mains suite à l’explosion d’une fusée artisanale. Denis perçoit encore la présence de ses mains de façon vive et précise. Il peut aussi commander les mouvements de ses mains fantômes. Ce ne sont pas des mouvements purement imaginaires car, bien que les doigts soient absents, les muscles des avant-bras sont bien présents et se contractent.

La capacité de percevoir des mouvements d’une partie du corps physiquement absente montre que les mains et les mouvements qui y sont associés sont, d’une certaine façon, encore présents dans le cerveau de Denis. Ces sensations sont inconstantes, variant d’un jour à l’autre. Elles diminuent progressivement au cours des semaines et années qui suivent et finissent par disparaître. En 2000, Denis est greffé par une équipe internationale de médecins.

Un premier examen d’IRMf est réalisé avant la greffe. Lorsque Denis veut bouger la main fantôme, l’IRMf montre une activité de la région motrice corticale correspondant au visage, mais pas aux muscles de la main. Après la greffe, Denis suit un programme de rééducation quotidienne intense. Jour après jour, il pratique une série d’exercices pour travailler la motricité et la sensibilité de ses deux mains. Après 6 mois, l’IRMf montre que les mouvements imposés aux mains réactivent les aires motrices normalement dédiées aux mains. Ceci est très encourageant : en effet, après amputation, la zone corticale dédiée à la main serait inhibée, mais demeurerait fonctionnellement prête.

Estimation du nombre de dendrites actives lors d’une stimulation de l’auriculaire gauche chez des violonistes et des non-musiciens

Document 4

Une expérience est menée durant 5 jours sur des volontaires à vision normale. Le premier groupe de volontaires porte en permanence un masque sur les yeux, le deuxième groupe n’a pas cette entrave. À raison de 4 à 6 heures par jour, ils sont tous soumis à des exercices mettant en jeu le sens du toucher, en particulier l’apprentissage du braille.

Les résultats de l’étude montrent que les personnes aux yeux bandés apprennent plus vite le braille. Les IRMf réalisées pendant et après la période d’entraînement montrent, chez les personnes aux yeux bandés, une activation importante du cortex visuel lors de stimuli tactiles ; ce dernier semble mobilisé pour analyser les informations venant du toucher. Cependant, 24 heures après le retrait du masque, la mobilisation du cortex visuel pour d’autres fonctions disparaît.

Document 5

Soudainement, monsieur Vanine a perdu partiellement les capacités motrices de sa main gauche.

Une IRMf réalisée après 48 h a révélé un accident vasculaire cérébral au niveau de l’aire motrice primaire de l’hémisphère droit.

Un accident vasculaire cérébral (AVC) est un arrêt de la circulation sanguine d’une région du cerveau. Il survient à la suite de l’obstruction ou de la rupture d’un vaisseau sanguin et provoque la mort des cellules nerveuses, privées de dioxygène et des éléments nutritifs essentiels à leurs fonctions.

Monsieur Vanine a bénéficié de séances de rééducation lui permettant de récupérer partiellement les fonctions motrices perdues. Des IRMf ont été réalisées au cours de ce processus de récupération.

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IRMf de coupes frontales au niveau de l’aire motrice primaire, montrant les zones corticales activées lors de deux activités Les zones activées chez un témoin sont figurées en jaune, celles activées chez monsieur Vanine sont figurées en rouge. L’hémisphère droit est situé à droite sur les images.

La plupart des comportements sont des réponses à des stimuli de l’environnement. Une caractéristique du système nerveux est sa capa cité à apprendre. C’est un mécanisme qui n’est pas encore complètement élucidé. Au niveau du cer veau, l’apprentissage est en partie lié à la création de nouvelles connexions entre des neurones de différentes aires. Il existe de nombreuses formes

d’apprentissage. Elles nous permettent de nous adapter rapidement à notre environnement. Le cerveau se transforme considérablement pen dant le développement embryonnaire et chez le jeune en croissance ; même après la maturité, l’orga nisme conserve une certaine plasticité cérébrale qui permet de nouveaux apprentissages y compris en cas de lésion.

7.5.1 Les réflexes

ACTIVITÉ 16 À LA DÉCOUVERTE DE LA MOELLE ÉPINIÈRE – Modéliser

Actuellement, les grenouilles sont protégées. C’est pourquoi il est inutile et interdit de refaire les expériences relatées dans cette activité.

Une grenouille mise sur le dos se retourne et saute. Jetée dans l’eau, elle nage et explore son environnement.

Si on lui enlève le cerveau, elle conserve ces mêmes réactions tout en étant plus lente.

Une grenouille dont l’encéphale a été détruit ne se retourne plus, ne saute plus, ne nage plus, mais conserve certaines réactions involontaires, appelées réflexes.

1. Des expériences historiques

À la page suivante, on donne les résultats d’expériences réalisées par le passé qui ont permis de mettre en évidence les structures nécessaires au fonctionnement de la moelle épinière. Toutes ces manipulations ont été réalisées sur des grenouilles dont l’encéphale avait été détruit.

a) Interprète ces observations.

b) Modélise le fonctionnement autonome de la moelle épinière.

Grenouille rieuse (Pelophylax ridibundus)

Expériences

1.On anesthésie l’extrémité de la patte postérieure droite en la plongeant dans un anesthésiant.

a) On stimule électriquement le pied gauche.

Les membres postérieurs fléchissent.

b) On stimule le pied droit.

Pas de réaction

2.On sectionne le nerf sciatique droit au niveau de la moelle épinière.

a) On stimule le pied gauche.

La patte gauche fléchit, le membre droit ne réagit pas.

b) On stimule le pied droit.

Pas de réaction

c) On stimule l’extrémité du nerf sciatique encore attachée à la moelle épinière.

Le membre postérieur gauche fléchit.

d) On stimule au niveau de la cuisse le nerf sciatique sectionné.

Le membre postérieur droit fléchit.

3.On enfonce dans le canal vertébral une tige de fer afin de détruire la moelle épinière.

a) On stimule le pied gauche.

Pas de réaction

b) On stimule le pied droit.

Pas de réaction

2. Des observations cliniques

Fréquemment, des accidentés de la route arrivent aux urgences des hôpitaux en présentant des lésions du système nerveux. L’observation de ces lésions permet de comprendre le trajet suivi par l’influx nerveux et l’organisation de la moelle épinière.

a) Interprète ces observations sachant qu’une cellule coupée en deux voit la partie contenant le noyau survivre alors que la partie anucléée dégénère.

b) Complète ton modèle précédent en précisant les structures cellulaires intervenant dans le fonctionnement autonome de la moelle épinière. Tu réalises ainsi un modèle de l’arc réflexe.

1.Un nerf spinal est sectionné.

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Types de lésions et pathologies observées

Le membre innervé par ce nerf est insensible et paralysé.

La portion du nerf séparée de la moelle épinière dégénère.

2.La racine ventrale d’un nerf spinal est sectionnée.

Le membre innervé par ce nerf reste sensible, mais est paralysé.

Une partie du nerf spinal et la partie de la racine ventrale séparée de la moelle épinière dégénèrent.

3.La racine dorsale d’un nerf spinal est sectionnée entre le ganglion spinal et le nerf rachidien.

Le membre innervé par ce nerf est insensible, mais est toujours capable de mouvement.

Une partie du nerf spinal et la partie de la racine dorsale séparée de la moelle épinière dégénèrent.

4.La racine dorsale d’un nerf spinal est sectionnée entre la moelle épinière et le ganglion spinal.

Le membre innervé par ce nerf est insensible, mais il peut bouger.

La partie de la racine entre le ganglion spinal et la moelle épinière dégénère.

Les réflexes sont des réactions involontaires déclenchées par une sensation inconsciente. Certains réflexes sont innés ; ils sont communs aux individus d’une même espèce, comme par exemple la déglutition ou le retrait du pied lors d’une piqûre. Des réflexes innés ne nécessitent que l’intervention de la moelle épinière ; ils sont appelés réflexes médullaires. D’autres, les réflexes crâniens, passent par le tronc cérébral et font intervenir les nerfs crâniens.

D’autres réflexes sont acquis ; ils doivent faire l’objet d’un apprentissage, comme marcher ou rouler à vélo.

La connaissance du neurone et de la moelle épinière permet de préciser le trajet suivi par l’information nerveuse dans le cas d’un réflexe médullaire. Il fait intervenir au moins deux neurones, un sensitif et un moteur, dont l’activité constitue l’arc réflexe.

7.5.2 On ne fait pas que répondre !

Toute une série de comportements peuvent se réaliser de manière consciente et spontanée : voir le ballon et l’attraper, décider de s’asseoir à son bureau pour étudier, sortir jouer avec des amis. Ce type de comportements est très complexe : le système nerveux central génère une activité selon le contexte, les éléments qu’il possède en mémoire, les besoins du moment… L’organisme n’est pas une simple machine à répondre à des stimuli !

L’arc réflexe

7.5.3 Comment tenir debout ?

Rester debout en attendant le moment idéal pour attraper le ballon est le résultat de la contraction de certains muscles en même temps que du relâchement d’autres.

Mais le maintien de cette position nécessite un réajustement permanent de l’état de contraction des muscles extenseurs et fléchisseurs.

Le réflexe myotatique, qui correspond à la contraction d’un muscle en réponse à son propre étirement, est l’élément principal du maintien de la posture. C’est un réflexe inné.

1. L’étirement du muscle stimule le récepteur sensoriel neuromusculaire qui se prolonge par une fibre nerveuse jusqu’au corps cellulaire du neurone sensitif situé dans le ganglion spinal.

2. L’axone de ce neurone sensitif est directement en contact avec un neurone moteur dont l’activation provoque la contraction du muscle initialement étiré.

L’arc réflexe est ici monosynaptique et le réflexe est donc très rapide.

Ainsi, lorsqu’une personne debout se penche vers l’avant, les muscles du mollet s’étirent et le réflexe myotatique provoque leur contraction et le redressement du corps.

Toutefois, pour que la contraction du muscle soit efficace, il faut qu’il y ait relâchement simultané du muscle antagoniste.

L’axone du neurone sensitif est en relation synaptique avec un neurone d’association ; l’activation de ce dernier provoque la libération de neurotransmetteurs inhibiteurs au niveau du neurone moteur qui commande la contraction du muscle antagoniste.

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ACTIVITÉ

COMMENT LOCALISER UN BALLON ET L’ATTRAPER ?

Schématiser, modéliser

Prends connaissance du texte ci-dessous et réalise des schémas fonctionnels reprenant le nom des struc tures impliquées et leur rôle.

Réaliser un mouvement intentionnel semble banal, mais cela nécessite l’intervention de nombreuses structures du cerveau et d’autres centres nerveux de l’encéphale, ainsi qu’une intégration à tout instant de diverses informations sensitives qui permettent d’abord de localiser le ballon, ensuite de préparer les mouvements à effectuer pour enfin attraper le ballon.

Reconnaître le ballon et le localiser

Les informations nerveuses provenant des cellules sensibles de la rétine des yeux sont acheminées jusqu’au thalamus qui trie les messages venant des organes des sens et décide quelles informations seront dirigées vers le cortex pour une perception consciente. Elles parviennent à une aire sensitive, l’aire visuelle primaire, qui contribue à la perception de la forme, des couleurs et du mouvement de l’objet vu. L’aire d’association visuelle, qui reçoit des influx nerveux de l’aire visuelle primaire, reconnaît la situation visuelle et la compare avec des situations visuelles passées. Elle nous permet d’obtenir une image du ballon qui s’approche. C’est dans le cortex temporal que le ballon sera reconnu et dans le cortex pariétal qu’il sera localisé dans l’espace.

Programmer le mouvement

Il faut décider de la manière d’attraper le ballon : quand, comment ? Pour cela, il faut utiliser toutes les informations sensorielles (visuelles, mais aussi posturales) et faire appel à ses expériences passées, donc utiliser des informations mémorisées.

Cette programmation met en jeu le cortex frontal qui organise les séquences comportementales préalables à la réalisation du mouvement et confère au mouvement son caractère intentionnel. Le cortex frontal communique avec les aires motrices d’où partiront les ordres moteurs, mais aussi avec des centres souscorticaux et le cervelet qui contrôlent les mouvements volontaires en agissant à leur tour sur les aires motrices.

Attraper le ballon

Attraper le ballon nécessite la stimulation des muscles innervés par les neurones moteurs de la moelle épinière. Ces derniers sont activés par des voies descendantes, directes ou indirectes, provenant du cortex cérébral.

Les voies directes sont formées par les axones des neurones dont les corps cellulaires se trouvent dans le cortex moteur primaire. Ces voies directes monosynaptiques sont rapides et interviennent surtout dans la commande des muscles responsables des mouvements fins et précis comme la préhension du ballon.

Les voies indirectes sont formées de fibres nerveuses qui proviennent de neurones situés dans d’autres aires motrices, principalement dans le cortex prémoteur. Ces voies passent par différents noyaux de l’encéphale où elles forment des relais synaptiques. Les informations y circulent plus lentement, elles commandent plutôt des mouvements d’ensemble et interviennent dans le contrôle de la posture lors de la préhension du ballon.

Le cervelet, structure branchée en parallèle sur les grandes voies sensitives et motrices, reçoit en permanence des informations venant du cortex moteur et des informations sensitives venant des yeux, de la peau, des canaux semi-circulaires et des muscles. À tout moment, il compare l’intention motrice à son exécution et transmet au cortex moteur les corrections éventuelles permettant à ce dernier d’ajuster le mouvement.

7.5.4 Que nous a appris Pavlov ?

Le conditionnement étudié par Pavlov est un type d’apprentissage qui consiste à faire associer par un animal deux stimuli pour produire une nouvelle réponse. L’animal conditionné réagit à un stimulus qui, à priori, n’a aucun lien avec le comportement concerné. La réaction se fait même en l’absence du stimulus originel. L’association entre les stimuli peut se faire grâce à la création de nouvelles voies nerveuses dans le cerveau.

1. Au départ, le réflexe inné

Chez tous les chiens, la nourriture déposée sur la langue (stimulus gustatif) entraîne la salivation ; c’est un réflexe inné qui met en jeu les bourgeons du goût (récepteur), le nerf gustatif (fibres sensitives), le centre salivaire du bulbe rachidien (centre nerveux), le nerf sécréteur (fibres motrices) et les glandes salivaires (effecteur).

Pendant quelques jours, on fait retentir une sonnette juste avant de nourrir un chien.

Dans un premier temps, des récepteurs sensoriels, les bourgeons du goût, envoient des influx sensitifs vers le centre salivaire du bulbe rachidien. De là, des influx moteurs sont envoyés vers les glandes salivaires qui produisent une quantité importante de salive. C’est le réflexe salivaire inné. En même temps, une liaison s’établit avec l’aire gustative.

2. Une période d’apprentissage

On agite une clochette avant de nourrir le chien. À force d’entendre chaque fois le tintement avant d’avoir la nourriture sur la langue, une association naît entre l’aire gustative et l’aire auditive.

3. Le réflexe acquis

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Après quoi, on soumet ce chien au bruit de la sonnette sans lui donner de nourriture. Il se met à saliver au seul son de la sonnette. Ce chien possède un nouveau réflexe : c’est un réflexe acquis Mais ce réflexe n’est pas immuable. Si à plusieurs reprises, on fait retentir la sonnette sans apport de nourriture, le chien salive de moins en moins et finit par ne plus saliver au bruit de la sonnette. L’établissement du réflexe salivaire acquis chez le chien se résume en trois étapes.

Du fait de l’association précédente, en l’absence d’aliment et donc de stimulus gustatif, le simple tintement de la clochette suscite le réflexe de salivation. Le stimulus auditif aboutit à l’aire auditive, se transmet à l’aire gustative puis au centre salvataire, qui déclenche la production abondante de salive.

Ivan Petrovitch Pavlov (1849 - 1936), prix Nobel de physiologie ou médecine en 1904, et un de ses chiens (animal naturalisé)

7.6 L’homéostasie

Le système nerveux n’assure pas seulement les relations entre l’organisme et le milieu extérieur. Il contrôle également les fonctions internes et contribue ainsi à l’homéostasie, qui est la capacité de l’organisme à maintenir l’équilibre physico-chimique de son milieu interne malgré les perpétuelles variations de son environnement.

Ce rôle de régulation interne est assuré par le système nerveux végétatif, qui commande les sécrétions des glandes, l’activité des muscles cardiaques et celle des muscles lisses présents dans les organes des systèmes digestif, vasculaire et excréteur. Cette régulation est généralement involontaire et inconsciente, et fait souvent intervenir les actions antagonistes du système sympathique et du système parasympathique.

Lors de la digestion ou pendant le repos, le système parasympathique domine. Il libère un neurotransmetteur, l’acétylcholine qui ralentit le rythme cardiaque, contracte les pupilles, provoque une diminution de la glycémie…

Une technique simple, efficace et très ancienne de lutte contre le stress

Le yoga est une démarche qui remonte à la nuit des temps et trouve sa source en Inde. Il n’est pas possible en quelques lignes de présenter l’ensemble de la méthode, mais quelques exercices simples inspirés du yoga permettent de retrouver le calme. Une pratique régulière permet même la prévention du stress.

Exercice fondé sur la prise de conscience

Couché sur le dos ou assis avec le dos droit, ferme les yeux. Prends lentement conscience de ton corps en le parcourant mentalement, en commençant par les pieds, puis en remontant via les chevilles, les mollets, les cuisses, les hanches, la taille, la poitrine, les doigts des mains, les avant-bras, les bras, la nuque, la mâchoire, les yeux, le front.

En cas de stress, le système sympathique prend le dessus.

Le stress est une adaptation permettant de réagir en urgence à un élément agressif du milieu comme le bruit, une lumière vive, le froid, la chaleur, des substances nocives… Le système sympathique mobilise les capacités de réaction du corps par des décharges de noradrénaline. Le rythme cardiaque augmente, les pupilles se dilatent, les mouvements respiratoires s’intensifient, le foie libère du glucose dans le sang… Toute l’énergie étant mobilisée pour la réaction, l’activité des organes non impliqués est inhibée : la musculature du système digestif se relâche, la gorge est sèche faute de salivation… À priori, le stress est donc une bonne chose. Cependant, une longue exposition à des stimuli stressants a des effets négatifs sur la santé. L’activité permanente du système sympathique provoque le maintien des organes en état d’excitation et une consommation importante des ressources énergétiques. Il s’ensuit de la fatigue pouvant conduire à une dépression nerveuse, qui se traduit par un état de tristesse et d’apathie durable finissant par interférer avec les capacités de concentration, la vie sociale et même la capacité de trouver du plaisir dans une activité.

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À chaque étape, vérifie si cette partie est contractée et relâche-la.

Exercice fondé sur le contrôle respiratoire

Couché sur le dos ou assis avec le dos droit, ferme les yeux. Décrispe-toi en prenant conscience des différentes parties de ton corps.

Expire lentement et profondément par le nez, en faisant partir l’expiration du ventre.

Ensuite, inspire normalement, sans précipitation, mais

sans chercher à allonger l’inspiration.

Recommence autant de fois que tu en éprouveras le besoin.

Exercice fondé sur la contraction-décontraction Debout, couché sur le dos ou assis avec le dos droit, ferme les yeux.

Contracte consciemment tout ton corps : serre les poings, contracte les muscles des mollets, serre les mâchoires…

Reste ainsi 3 ou 4 secondes, puis relâche-toi. Recommence l’exercice une deuxième fois.

Reste ensuite quelques instants immobile en prenant conscience de ton relâchement.

Effets des stimulations nerveuses des systèmes sympathique (en rouge) et parasympathique (en bleu) sur différents organes

ACTIVITÉ 18

IL N’Y A PAS QUE LES OREILLES QUI TRINQUENT – Analyser, exploiter des documents

1) Prends connaissance du document 1. Dans chacun des témoignages du document 2, identifie les symptômes, les différentes causes des problèmes de santé évoqués et leurs conséquences sur le quotidien.

2) En te basant sur les documents 3 à 7, a) donne les facteurs qui expliquent ou aggravent la perte d’audition ; b) explique en quoi consiste la perte auditive.

3) Propose quelques précautions à prendre pour préserver son capital auditif.

Document 1

Une augmentation de 10 dB (décibels) dans l’échelle des niveaux sonores correspond à un son 10 fois plus puissant, une augmentation de 20 dB à un son 100 fois plus puissant, 30 dB à un son 1 000 fois plus puissant, etc. Une multiplication de la puissance d’un son par 10, donc une augmentation de 10 dB, sera généralement perçue comme une multiplication par 2 du volume sonore. Un audiogramme est un graphique qui permet de visualiser la capacité auditive d’un sujet ; il résulte d’examens pratiqués chez un ORL.

Document 2 – Témoignages

En avril 2016, Brian Johnson s’est exprimé via un communiqué sur les raisons de son départ du groupe AC/DC. Le 7 mars, après une série d’examens par des spécialistes de la perte de l’audition, on m’a dit que si je continuais de jouer dans de grandes salles, je risquais une perte auditive importante, voire la surdité totale, car le volume sonore va au-delà de ce que je peux tolérer. Cette nouvelle m’a horrifié, mais cela faisait un moment que j’avais remarqué que j’avais du mal à entendre les guitares sur scène et, parce que je ne pouvais pas entendre clairement les autres musiciens, j’avais peur que la qualité de mes performances soit compromise. Enfin, je tiens à assurer aux fans que je ne prends pas ma retraite. Mes médecins m’ont dit que je pouvais continuer à enregistrer en studio. Pour le moment, je me concentre sur les traitements médicaux qui amélioreront mon audition. J’espère que cela réussira et que je pourrai remonter sur scène. Le résultat est incertain, mais je reste optimiste.

Silvano 19 ans J’étais à l’anniversaire d’une amie. Tout se passait bien jusqu’au moment où un copain a actionné une corne de brume près de mon oreille gauche. J’ai ressenti immédiatement et durant plusieurs semaines une vive gêne, des vertiges ainsi que des sifflements. Ensuite, la gêne s’est atténuée, mais j’entends moins bien et je souffre d’une hypersensibilité de l’oreille gauche. À cause de ce problème, je ne peux plus faire la fête avec mes amis, aller en concert, au cinéma, travailler dans un environnement bruyant. Récemment, je suis allé en boîte en portant des bouchons d’oreilles, mais ça n’a pas suffi, c’est trop tard. Bref, ma vie sociale est sérieusement perturbée.

Noëlle

J’ai été victime d’un traumatisme sonore sur mon lieu de travail, à la gare de péage de Saint-Arnoult. Un routier a klaxonné dans mon oreille gauche. Le niveau sonore a été estimé à 120 dB.

L’oreille interne est atteinte. J’entends 24 heures sur 24 un bruit de moteur à l’arrière de la boîte crânienne, un bourdonnement dans le fond de l’oreille et un sifflement à l’entrée de celle-ci lorsque les fréquences sont élevées. Je souffre d’hyperacousie : tous les sons du quotidien me font souffrir, comme l’aspirateur, le sèche-cheveux, le chant des oiseaux, la télé, le frigo, l’ordinateur…

Diagnostic : la cochlée est définitivement abîmée.

Document 4 – Quelques audiogrammes

Document 5 – Les cellules ciliées

Chez l’Homme, la cochlée renferme environ 16 000 cellules sensorielles ciliées qui constituent les récepteurs de l’ouïe. Le nombre de cellules ciliées est fixé bien avant la naissance et les cellules ciliées endommagées au cours de la vie ne sont pas remplacées.

Document 6 – La législation européenne

Document 7 – La surdité

ACTIVITÉ

LA RÉGULATION DU RYTHME CARDIAQUE – Expliquer un phénomène, utiliser les ressources et communiquer

Le cœur est un muscle à fonctionnement automatique. Privé de toute innervation externe, le cœur continue de battre grâce au tissu nodal qui produit des influx nerveux véhiculés dans tout le myocarde. Bien que le fonctionnement cardiaque soit automatique, il adapte son rythme aux besoins de l’organisme. Au repos, le rythme cardiaque est en moyenne de 72 pulsations par minutes. On parle de tachycardie lorsque le rythme cardiaque est supérieur à 100 pulsations/min et de bradycardie lorsqu’il est inférieur à 60 pulsations/min. Lors d’une activité physique intense, il peut atteindre 180 à 200 pulsations/min. L’analyse et l’exploitation des documents suivants doivent te permettre de comprendre comment le système nerveux adapte le rythme cardiaque aux besoins de l’organisme.

1) Rédige un texte expliquant la régulation nerveuse du rythme cardiaque en précisant les informations des documents utilisées.

2) Précise le rôle des différentes structures représentées sur le schéma du document 1 qui interviennent dans cette régulation.

Document 1 – Innervation du cœur

Document 2 – Expériences sur des souris

1.Stimulation modérée du noyau bulbaire 1

Tachycardie

2.Anesthésie du noyau bulbaire 1

Bradycardie

3.Stimulation modérée du noyau bulbaire 2

Bradycardie

4.Stimulation intense et prolongée du noyau bulbaire 2

Arrêt cardiaque

5.Anesthésie du noyau bulbaire 2

Tachycardie

6.Stimulation modérée de la région médullaire 3

Tachycardie

7.Anesthésie de la région médullaire 3

Bradycardie

8.Section de la moelle épinière entre le bulbe rachidien et la région médullaire 3, suivie d’une stimulation du noyau bulbaire 1

Bradycardie

9.Section de la moelle épinière entre le bulbe rachidien et la région médullaire 3, suivie d’une stimulation du noyau bulbaire 2

Bradycardie

10.Stimulation du nerf vague

Bradycardie

11.Section du nerf vague Tachycardie

12.Stimulation du nerf sympathique Tachycardie

13.Section du nerf sympathique

Bradycardie

14.Stimulation des nerfs sinoaortiques

Bradycardie

15.Section des nerfs sinoaortiques suivie d’une stimulation du bout proximal

Bradycardie

16.Section des nerfs sinoaortiques suivie d’une stimulation du bout distal

Aucun effet

Activités complémentaires

SAVOIR

1) Donne une légende à chaque lettre de l’illustration.

2) Les neurones sont des cellules excitables, conductrices et capables de transmettre un message à une autre cellule. C’est grâce à ces neurones que je peux savoir si une personne m’écrase le pied.

a) Quelles sont les parties du neurone sensitif responsables de l’excitabilité, de la conduction et de la transmission du message nerveux ?

b) Quels sont les acteurs membranaires de la cellule nerveuse qui interviennent dans la naissance du message nerveux, dans sa propagation et dans sa transmission ? Explique brièvement leurs interventions.

c) Comment perçois-tu que l’excitation provient du pied ?

SAVOIR FAIRE

1) On dispose une fibre nerveuse (non myélinisée) géante de Calmar dans une cuve contenant du liquide physiologique. Les deux électrodes de l’oscilloscope sont placées en C, l’une extracellulaire, l’autre intracellulaire.

Après avoir donné, au même moment, des excitations d’intensité suffisante en deux points A et B distants de 5 cm, on enregistre le tracé suivant sur l’écran de l’oscilloscope.

a) Interprète l’oscillogramme obtenu.

b) Calcule la vitesse de l’influx nerveux.

c) Obtiendrait-on le même oscillogramme si on répétait l’expérience avec une fibre nerveuse myélinisée ? Si oui, justifie. Si non, qu’observerait-on sur l’oscilloscope ?

2) Peut-être as-tu déjà été interpellé par des bénévoles proposant l’achat de tablettes de chocolat au profit de la « Ligue contre la sclérose en plaques ». Sais-tu de quoi il s’agit ?

La sclérose en plaques est une maladie auto-immune qui se déclare chez de jeunes adultes. Elle évo lue par des poussées imprévisibles séparées par des périodes de stabilisation. Les zones atteintes étant très différentes selon les malades, les symptômes sont aussi très diversifiés, mais consistent généralement en des troubles de la sensibilité ou de la motricité. Actuellement, des médicaments permettent d’allonger les périodes de stabilisation, mais aucune guérison n’est possible.

Rédige un texte ex pliquant la cause de la maladie et ses conséquences en t’appuyant sur une compa raison des deux parties du schéma suivant.

3) Sur un rat décérébré, on dissèque la région lombaire afin d’accéder aux racines d’un nerf spinal. On réalise le montage suivant.

ÉditionsVANIN

Après avoir donné une excitation suffisante en P, les trois oscilloscopes enregistrent un potentiel d’action quelque peu décalé dans le temps. Lorsque la même excitation est portée en Q, seuls les oscilloscopes 2 et 3 enregistrent un potentiel d’action.

Interprète ces résultats en t’appuyant sur les structures cellulaires mises en jeu, que tu rappelles à l’aide d’un schéma légendé.

4) Tu sais qu’un coup sur le tendon rotulien provoque une extension involontaire de la jambe, appelée réflexe rotulien. Tu vas mieux comprendre comment cela fonctionne. La stimulation d’un nerf sensitif par la percussion du tendon de la rotule génère un arc réflexe à l’origine de la contraction du muscle extenseur de la jambe. Cette extension s’accompagne du relâchement complet du muscle antagoniste fléchisseur. Celui-ci n’était pas parfaitement relâché auparavant, alors qu’on pouvait le croire au repos. En effet, les nerfs moteurs amènent en permanence des messages vers les muscles, provoquant leur légère contraction, même quand ils sont au repos. Ce n’est que lorsqu’un muscle ne reçoit plus d’ordre de son nerf moteur que le relâchement musculaire est complet. Si on est sur ses gardes, le réflexe peut cependant être atténué volontairement. Le schéma ci-dessous illustre différents circuits neuronaux intervenant dans les réactions décrites précédemment. Les différents neurones sont désignés par les lettres A à F.

a) Nomme le plus précisément possible les structures désignées par les lettres minuscules sur ce schéma.

b) Le réflexe rotulien est un réflexe monosynaptique. Cite les neurones intervenant dans ce réflexe.

c) Cite les neurones indispensables pour illustrer l’explication donnée au réflexe rotulien. Comment ces neurones interagissent-ils ?

d) Cite les neurones qui permettent d’atténuer volontairement la réponse réflexe. Par quels mécanismes ces neurones interviennent-ils dans la réponse réflexe ?