Spécialité SVT - thème 4 :
Neurophysiologie :


Thème 1 (quaternaire), Thème 2 (géologie), Thème 3 (génétique), Thème 4 (neurophysiologie), Thème 5 (pression artérielle) retour cours
modèles de la cellule // mécanismes ioniques du PRM et du PA // biochimie synaptique

Deux parties bien séparées au programme :
* les mécanismes ioniques à la base du potentiel de repos et du potentiel d'action
* la biochimie de la transmission synaptique.
Au moins les sujets sont clairement défini.
Si on se contentait du titre du programme il n'y aurait aucun problème. Mais il y a les cellules. A quelles cellules fait-on référence ? Aux cellules nerveuses sans aucun doute. Mais aussi à toutes les cellules excitables. Donc le sujet concerne la théorie membranaire, actuellement utilisée par la plupart des biologistes, expliquant les variations de potentiel de la cellule par des courants ioniques franchissant les membranes et régulés sélectivement par des pompes ou des canaux intramembranaires (cette théorie est citée dans les commentaires officiels du programme). Cette théorie se heurte à de nombreux problèmes non résolus et il existe notamment d'autres théories comme la théorie des phases élaborée dans les pays de l'Est (voir Pascale Mentré). Comme l'élève de terminale est avant tout un candidat au bac il est évident que je présenterais d'abord la théorie membranaire, puis les problèmes et une ouverture sur d'autres réponses. Le deuxième problème vient bien évidemment de la limite des compétences de l'enseignant (je ne suis pas tout à l'aise avec toutes ces techniques et je ne suis certainement pas le seul... ) : il est évident que l'effort de mise à jour demandée par l'exposé de ces théories relève parfois du défi pour un bénéfice très restreint quand à la formation de l'élève.


Les sources bibliographiques pour cette partie sont les suivantes : Biologie moléculaire de la cellule, Alberts et al. , 1994, Médecine-Sciences, Flammarion (le pire de tous : très fort sur les modèles mais vraiment peu complet sur les résultats expérimentaux ; ce livre est pour moi l'exemple type du mauvais ouvrage tant recherché par les étudiants : on y trouve de superbes schémas et des explications à tout sans que les bonnes questions soient posées : c'est par contre sans aucun doute un excellent instantané des dogmes scientifiques du moment, c'est un peu le miroir aux alouettes de la science... de toute façon c'est un ouvrage incontournable), Physiologie animale , M. Rieutort, tome 1 : les cellules dans l'organisme, Masson , 1982 (je n'ai pas la nouvelle édition, en tout cas cette édition est très claire sur le voltage-clamp) ; Physiologie animale; adaptation et milieux de vie, Knut Schmidt-Nielsen, Dunod, 1998...(c'est clair et basé sur des expériences bien décrites) ; L'eau dans la cellule, Pascale Mentré, 1995, Masson (une vision non conformiste passionnante à découvrir absolument pour bien se rappeler que la théorie membranaire n'est qu'une théorie ; j'y ai abondamment puisé ...mais comme je sais bien que je suis loin d'avoir tout compris, et que j'ai même peut-être fait des grossières erreurs d'interprétation, je ne peux que vous demander de vous y reporter).
Pour ce qui est de l'histologie à laquelle il faut sans cesse revenir, deux ouvrages parmi tant : Histologie fonctionnelle, Manuel et Atlas, Wheater, Burkitt et Daniels, MEDSI, 1979 (une référence pour moi) et Ultrastructure cellulaire et tissulaire, approche fonctionnelle, Cross et Mercier, De Boeck-Université, 1995 (un superbe ouvrage à destination des étudiants de médecine de 1ère année de Standford... ils sont gâtés).
Je vais être amené à critiquer les manuels scolaires car effectivement il y a beaucoup à dire. Ce ne sont plus des outils mais des documents très interprétés quasiment inutilisables tels quels. Si les livres scolaires pouvaient nous donner essentiellement des expériences, quelques guides d'interprétation et les séparer franchement des modèles... notre travail serait grandement simplifié... Ni le Bordas ni le Nathan n'échappent à la tentation de tout vouloir expliquer. Les expériences sont la plupart du temps données comme des illustrations qui, au mieux, justifient le modèle ...On en revient toujours au problème de compétence. Qui suis-je pour critiquer ces interprétations ? Et pourtant elles sont parfois incohérentes et il est hors de question de les enseigner sans les comprendre.

1. Quelques questions sur la cellule et ses modèles

Depuis les premières observations de Hooke en 1955, puis de De Vries (1884), la cellule végétale a d'abord été comparée à un petit osmomètre (avec sa vacuole centrale qui se remplit ou se vide comme on le fait découvrir à nos élèves dès le collège). La membrane plasmique étant inconnue on pensait que c'était le protoplasme qui formait un gel semi-perméable en laissant passer l'eau.
La mise en évidence de la membrane plasmique par microscopie électronique à transmission (Palade, Porter et Sjöstrand, 1952) fut précédée par des études essentielles mais qu'il est trop long de relater ici : certains auteurs parmi lesquels il est difficile de ne pas citer Overton (vers 1900), à l'aide d'expériences variées de pénétration de diverses substances dans la cellule, déterminèrent les propriétés de perméabilité de la cellule qui ne sont pas uniquement celles de la membrane, mais l'idée de membrane plasmique existait déjà. Par contre la cellule est toujours considérée comme un ensemble et les propriétés du cytosol sont comparées à celle d'un gel (modèle de gauche ci-dessous).
Certains chercheurs comme Hill (1930) eurent une influence déterminante en présentant la cellule comme un milieu liquide enfermé dans un petit sac semi-perméable (la membrane plasmique) (modèle de droite ci-dessous). La notion de pompe à Na+ date au moins de 1940 (Heppel) et les travaux de Hodgkin (1952) furent déterminants pour asseoir le modèle de pompe ionique. Mais il ne faut pas oublier que Hodgkin travaille sur un axone géant isolé (in vitro donc) et ultérieurement sur des axones perfusés (Hodgkin, 1958). On est loin de la cellule vivante. Il n'y a rien d'étonnant à ce que l'on observe des propriétés membranaires si l'on étudie plus qu'une cellule réduite à sa membrane (et une mince couche de cytoplasme qui "colle" à celle-ci) remplie d'une liquide contrôlé artificiellement. C'est encore plus évident avec la technique du patch-clamp (voir ci-dessous) ou encore avec l'utilisation d'hématies comme modèles cellulaires.


Deux modèles cellulaires... c'est celui de droite qui prédomine actuellement

Il est évident que ces deux modèles sont de toute façon simplistes si on considère l'extraordinaire complexité structurale du cytoplasme d'une cellule (on peut se référer à des ouvrages d'histologie structurale ou ultrastructurale cités en tête de page). L'axone n'est pas vide, il est même très encombré : reticulum, vésicules golgiennes en un incessant va et vient, microtubules et filaments variés, ribosomes "libres" (associés en polyribosomes, tout comme dans les corps de Nissl où ils alternent avec des ribosomes associés à des lamelles de reticulum disposées parallèlement...), mitochondries... Toutes les électronographies de qualité présentant des coupes longitudinales d'axone montrent bien cet encombrement (voir livres d'ultrastructures référencés ci-dessus par exemple).


Un essai de représentation d'un modèle biologique d'une cellule "théorique" comme "complexe moléculaire structuré"
(le schéma du cytoplasme est extrait et très modifié de Pascal Mentré, L'eau dans la cellule, Masson, 1995)

La membrane plasmique : les données de la microscopie électronique permettent de considérer que la membrane plasmique forme une double structure osmiophile d'épaisseur variant entre 5 et 9 nm. Ses spécialisations sont nombreuses, même au niveau des neurones : synapses, liens étroits avec les cellules gliales (dont les cellules de Schwann qui forment la gaine de myéline...). ...le modèle actuel est toujours celui d'une double couche phospholipidique de 5 nm d'épaisseur asymétrique (les glycolipides sont pointés habituellement vers le milieu extracellulaire), dont la fluidité dépend essentiellement de la teneur en cholestérol et de la présence de protéines qui augmentent nettement l'épaisseur de la membrane (intrinsèques si elles sont solidement accrochées aux lipides et ne peuvent être extraites par des traitements modérés (comme une modification du pH), extrinsèques dans le cas contraire ; enchâssées dans la couche lipidique (transmembranaires) et dépassent plus ou moins ; périphériques au cas où elles seraient juste accolées à l'une ou l'autre des faces de la membrane).
Il ne faut pas oublier que la connaissance des protéines membranaires passe souvent par leur extraction, purification, cristallisation puis diffraction aux rayons X, afin de déterminer leur structure tridimensionnelle. Il est évident que les modèles proposés ne sont jamais directement ceux des protéines en place ; je pense notamment aux protéines-canaux dont nous allons parler ci-dessous. La microscopie électronique permet aussi des voir les structures osmiophiles après certains traitement fixateurs, on est toujours dans le domaine d'une approche indirecte du vivant ; je renvoie à des discussions simples mais essentielles du cours de seconde (encore en cours d'élaboration...) sur les moyens d'observation à la disposition du biologiste. Il ne s'agit pas de dire que le vivant n'est pas connaissable, il s'agit simplement de bien cadrer les limites de chaque technique. La membrane plasmique est une structure qui n'est pas observable à l'œil nu, toute technique qui la met en évidence, ne permet qu'une approche partielle de sa structure. Chaque nouvelle technique nous permet d'affiner le modèle, mais il reste un modèle. Ne jamais oublier que la membrane plasmique est l'interface entre la cellule vivante et le milieu extérieur.

2. Mécanismes ioniques à la base du potentiel de repos et du potentiel d'action

On sait depuis le début du XIXème siècle (voir histoire de science : Bell et Magendie et Du Bois-Reymond et Matteuci) que des phénomènes électriques sont associés à la transmission d'un influx nerveux. Mais c'est surtout à partir des travaux d'Alan Lloyd Hodgkin et Andrew Fielding Huxley puis Katz, suivis par de nombreux autres chercheurs, travaillant sur l'axone géant de calmar (et aussi de crustacés), qu'une théorie membranaire ionique a été élaborée. La troisième étape dans l'avancée des connaissances en électrophysiologie est marquée par l'utilisation de la technique du voltage imposé ou voltage clamp qui permet de contrôler finement les processus de genèse du potentiel d'action en appliquant à la membrane de l'axone géant un voltage de signe opposé à toute variation du potentiel de membrane. Cette technique permet de mesurer finement les courants d'ions à travers la membrane. Enfin ce n'est que tout dernièrement que la technique du voltage imposé à pu être appliquée à des fragments de membranes conduisant à la variante du patch-clamp mise au point par Edwin Neher et Bet Sakmann (prix Nobel en 1991). Cette technique a confirmé les résultats obtenus sur des axones perfusés et conforté les hypothèses émises sur le fonctionnement des canaux et pompes ioniques. Les études cristallographiques des protéines membranaires vont bon train et des progrès sont réalisés en ce moment même.
Comme tout domaine à la pointe de la science notre compréhension des mécanismes ioniques à la base de la neurophysiologie sont à même d'être modifiés dans un avenir proche. Aussi, réaliser une synthèse est-il assez dangereux. Je voudrais cependant m'efforcer de montrer ici l'évolution des idées, directement liée à l'évolution des techniques.

Questions de base :
D'où viennent la polarisation et l'excitabilité d'une cellule nerveuse (ou musculaire...) et leur maintien dans le temps ?
Comment un potentiel d'action peut-il naître et être entretenu par une cellule afin d'être propagé sans atténuation ?

a. Résultats obtenus sur une cellule entière

La plupart des cellules eucaryotes sont polarisées, elle présentent une différence de potentiel (d.d.p.) entre leur cytosol et le milieu extracellulaire : cette d.d.p. est appelée potentiel de repos ou potentiel de repos membranaire ou encore potentiel membranaire. Pour éviter la confusion avec le potentiel de récepteur on utilisera le sigle PRM. A la suite d'une stimulation on observe un potentiel d'action (PA) qui est une dépolarisation brusque suivie d'une inversion de polarisation, puis un retour à la polarisation initiale souvent précédée d'une légère hyperpolarisation. Ce PA n'est pas observable sur toutes les cellules et en tout point de la membrane : les cellules pouvant générer ou/transporter des PA sont dites excitables. Pour un élève de TS il est suffisant de savoir que l'on peut le trouver au niveau des axones des neurones et de la membrane plasmique des cellules musculaires striées (appelé plasmalemme).
Ces mesures de potentiel sont mesurées avec des électrodes doubles dont les principes et les limites de fonctionnement ne sont pas neutres mais malheureusement sortent du cadre de ce cours (voir quelques éléments de discussion plus bas).

Animal
Fibre ou cellule
PRM (mV)
PA (mV)
PA (ms)
calmar (Loligo)
axone géant
60
120
0,75
ver de terre (Lumbricus)
fibre géante médiane
70
100
1
écrevisse d'eau douce (Cambarus)
fibre géante médiane
90
145
2
cellule réceptrice de l'étirement
70-80
80-90
2,5
crabe vert (Carcinus)
axone de la patte (30 µm)
71-94
116-153
1
grenouille (Rana)
axone du nerf sciatique
60-80
100-130
1
aplysie (Aplysia)
ganglion viscéral
40-60
80-120
10
escargot terrestre (Onchidium)
ganglion viscéral
60-70
80-100
9
blatte (Periplaneta)
fibre géante
70
80-104
0,4
poisson globe (Sphaeroides)
cellule supramédullaire
50-80
80-110
3
crapaud (Bufo)
ganglion de la racine dorsale
50-80
80-125
2,8
motoneurone spinal
40-60
40-80
2
lapin (Oryctogalus)
cellule du sympathique
65-82
75-103
4-7
chat (Felis)
motoneurone spinal
55-80
80-110
1-1,5
Quelques valeurs du PRM, de l'intensité et de la durée du PA, d'après Bullock et Horridge, 1965 in Schmidt-Nielsen, p 481

b. Résultats obtenus sur l'axone isolé mais entier (avec son contenu cytosolique)

  1. Le potentiel de repos de l'axone géant de calmar étudié par Hodgkin et Huxley est d'environ -60 mV. Le chiffre négatif indiquant que l'intérieur de l'axone est polarisé négativement par rapport à l'extérieur.
  2. l'utilisation de traceurs radioactifs par Hodgkin et Keynes en 1955:
    un axone de calmar isolé mais entier est plongé dans l'eau de mer contenant du 24Na+ radioactif. On doit ensuite le stimuler (car il reste excitable pendant plusieurs heures) pendant 5 minutes. L'axone est rincé et placé dans de l'eau de mer non radioactive. On observe que l'eau de mer devient radioactive. Le flux d'ions sortant de 24Na+ est dépendant de la concentration en K+ de l'eau de mer et est sensible au DNP (bloquant de la chaîne respiratoire mitochondriale conduisant à la synthèse d'ATP par la mitochondrie) et à la température. (courbe du Bordas p 38, cadre 1)
    les expériences présentées dans le Nathan p 26, cadre 1 : me semblent difficiles à comprendre. Je ne les ai trouvées nulle part. En absence de toute stimulation la membrane cellulaire est très peu perméable aux ions et il est peu probable qu'en quelques heures on puisse avoir une réelle pénétration des ions... ces schémas demandent confirmation. Celles du cadre 2 de la même page font référence à des expériences sur l'hématies... les propriétés d'excitabilité de l'hématie me paraissent peu convaincantes pour le sujet à traiter...
  3. La technique du voltage imposé ou blocage de potentiel ou voltage-clamp ou encore voltage-clamping est souvent réalisée sur l'axone géant et nécessite d'une part une électrode insérée dans l'axone qui maintient le potentiel membranaire à une valeur fixe choisie (sur les tracés, elle correspond à l'enregistrement supérieur indiquant le voltage imposé). La deuxième électrode insérée dans l'axone est une électrode de mesure qui enregistre toute variation de courant. Cette électrode est elle-même associée à un dispositif de commande qui applique à la membrane de l'axone un courant d'intensité identique et de signe opposé à la variation observée. On peut alors modifier la concentration du milieu extérieur en tel ou tel ion et relier le signal obtenu à la migration de tel ou tel ion à travers la membrane.
  4. Quelques expériences de voltage-clamping

    la TTX ou tétrodoxine est une toxine isolée du foie et des ovaires du tétrodon, elle annule la conductance au Na+,
    l'ion TEA ou tétraéthyl ammonium bloque le courant K+ uniquement lorsqu'il est appliqué à l'intérieur de l'axone
    Il n'y a pas d'unité sur l'axe des ordonnées mais j'ai trouvé des valeurs de conductance de l'ordre de quelques dizaines de milliSiemens par cm2
    Il faut ajouter que, pour les axones géants de Calmar et chez divers Crustracés chez lesquels la méthode est appliquée, on refroidit le milieu afin de ralentir les processus chimiques en jeu. (Rieutort, p 101)
    Voici l'analyse de ces courbes:
    *
    courbe complète en conditions normales
    - dès l'application du voltage annulant la dépolarisation membranaire, on observe un courant sortant qui semble correspondre à la décharge de la capacité membranaire (ce signal a été enlevé de certaines courbes présentées au baccalauréat)
    - immédiatement fait suite un courant sortant, très rapide, correspondant à la recharge de la capacité membranaire,
    - puis un courant entrant rapide qui atteint un maximum en une fraction de la milliseconde
    - enfin un courant sortant important , continu et progressif qui ne cesse qu'à l'arrêt du voltage imposé,
    - l'arrêt du voltage imposé est suivi d'un retour à un courant nul lié à la recharge de la capacité membranaire.
    *
    courbe avec le Na+ remplacé par de la choline dans le milieu extracellulaire:
    - après la décharge puis recharge de la capacité membranaire, immédiate
    - le courant observé est alors uniquement un courant sortant progressif et continu. Ce courant est INTERPRÉTÉ comme un flux d'ions K+ sortant.
    * courbe avec la TTX (tétrodotoxine), connue pour supprimer les transferts membranaires de Na+ (on dit couramment qu'elle "bloque les canaux sodium" mais en fait il existe beaucoup d'autres interprétations sur les mécanismes qui lui permettraient d'empêcher les transferts de sodium). Cette courbe est la même que la précédente.
    *
    courbe avec l'ion TEA (tétraéthylammonium), connu pour bloquer sélectivement les transferts de potassium. Le TEA n'agit que s'il est appliqué à l'intérieur de l'axone de Calmar.
    - la courbe obtenue, après décharge et recharge de la capacité membranaire, est celle d'un courant entrant rapide qui atteint son maximum en une fraction de milliseconde,
    - suivi par un courant sortant progressif et continu qui ne cesse qu'à l'arrêt de l'imposition du voltage. Ce courant est INTERPRÉTÉ comme un flux de Na+ entrant massivement dans l'axone, suivi par une sortie progressive.
    -

c. Résultats obtenus avec des axones géants de calmar vidés de leur contenu cytoplasmique et perfusés par des solutions contrôlées (Hodgkin, 1958, Baker, 1961, Tasaki, 1982) :

  1. une solution de perfusion à base de sulfate de potassium permet d'obtenir une réponse de l'axone perfusé qui a quasiment les mêmes propriétés que le PA
    On peut donc en déduire que les propriétés d'excitabilité de l'axone sont dues à celles de sa membrane et éventuellement de la couche cytoplasmique limite au voisinage de la membrane qui n'est pas retirée lors de la perfusion. Le liquide de perfusion aurait pour seul rôle de maintenir les conditions électriques de fonctionnement de l'ensemble membrane plus cytoplasme.
  2. Remarques:

d. Résultats obtenus sur le cytosol isolé

Les concentration ioniques (en mmol.L-1 = mM) mesurées chez le calmar par Hodgkin (1955) sont données dans le tableau ci-dessous avec pour comparaison les valeurs classiques des concentrations intracellulaires (intra-) et extracellulaires (extra-) pour une cellule de mammifère (in Biologie moléculaire de la cellule, tableau 11-1) :

ion
calmar
eau de mer
cellule de mammifère

cytoplasme

sang

intra-

extra-

K+ (potassium)

400

20

10
140
5

Na+ (sodium)

50

450

470
5-15
145

Cl- (chlorure)

40

570

550
5-15
110

Ca2+ (calcium)

très faible pour le Ca libre

10

10
très faible
1-2

Mg2+ (magnésium)

10

55

54
0,5
1-2
Quand on sait la difficulté de mesurer des potentiels et des concentrations in vivo (c'est un géochimiste qui parle) et la date à laquelle ces résultats ont été obtenus, il est évident que l'on doit rester prudent avec ces chiffres. Le degré de liberté de ces ions est loin d'être clairement établi et toutes les interprétations que l'on fait des mouvements en fonction des gradients exige d'abord de mettre en évidence ces gradients ce qui est loin de faire l'unanimité.

e. Résultats obtenus sur des membranes isolées

Remarque importante :
lorsque l'on arrache à une cellule un fragment de membrane il est évident que la membrane n'est pas seule mais comporte une couche de cytoplasme qui adhère à sa face interne. De la manière, la face externe comporte des éléments du milieu extracellulaire. Les propriétés d'une membrane biologique isolée ne sont jamais celles d'une membrane théorique. C'est pour cela que les interprétations qui ne tiennent compte que de la double couche phospholipidiques et des protéines du modèle sont insuffisantes pour décrire la membrane biologique, même supposée "isolée".

  1. les mesures de perméabilité membranaire (Nathan, p 25) donnent en mesure relative par rapport au K+ :

    K+

    Cl-

    Na+

    Ca2+

    1

    0,45

    0,04

    0

  2. Les mesures de conductance (en mS.cm-2 avec S=Siemens) ou de résistance (la résistance est l'inverse de la conductance et est mesurée en Ohm= ) (Nathan p 29, Bordas p 39)... je ne les ai trouvées dans aucun livre de physiologie, je crains que ce ne soient des modèles théoriques d'une conductance dans le cadre d'une interprétation biochimique avec des canaux spécifiques...
  3. Les techniques de patch-clamp ne sont qu'une application de ces techniques de voltage imposé à des petits fragments membranaires isolés (patch) à l'extrémité d'une pipette. On arrive à isoler ainsi des fragments de membranes si petits (1 à 2 µm de diamètre à comparer aux 5 nm minimum d'épaisseur de la membrane et à la taille d'un canal ionique supposé d'une dizaine de nm au maximum...) qu'on on estime pouvoir observer le fonctionnement de quelques unités de canaux ioniques (dont l'existence est supposée).

    Attention à l'échelle...
    le patch est un fragment de membrane plasmique de l'ordre de 10 nm d'épaisseur pour 100 nm de long (1 µm2)
    et comporte une couche cytoplasmique...

    Les courbes sont données dans le Bordas p 42-43 et le Nathan p 29. Je n'ai pas le temps de me référer aux publications originales mais il est évident qu'il y a un problème avec les courbes du Bordas. Peut-on réellement isoler un fragment de membrane avec un seul type supposé de canaux (alors que leur existence n'est même pas prouvée) ? Je pense que l'équipe du Bordas a souhaité simplifier les résultats dans un but pédagogique et que les courbes présentées sont obtenues avec la TTX et le TEA, comme cela est correctement présenté dans le Nathan...


    Tracés expérimentaux (redessinés de façon imprécise) et schématiques du Bordas (p 42).

    En présence de TEA le courant entrant immédiat est interprété comme une entrant massive de Na+ qui persiste pendant enviton 6 ms. Il est suivi par un arrêt complet du courant entrant malgré la persistance du voltage imposé.
    En présence de TTX, le courant sortant qui est mesuré apparaît avec un délai de quelques millisecondes. Cette phase est suivie d'une persistance du courant sortant à sa valeur maximale pendant toute la durée de l'application du voltage imposé. Cependant des brefs épisodes de courant entrant suivi par un courant sortant compensateur apparaissent au cours de cette phase d'apparente stabilité. Ces courants sortants sont interprétés comme des sorties de K+.

  4. l'ouabaïne (ou strophantine) provoque la dépolarisation progressive de l'axone et une arrêt de la sortie de Na+...

f. Modèles électrochimiques

La modélisation chimique se base d'une part sur l'équation de Nernst qui prédit dans un modèle simple à un seul ion la répartition de cet ion de part et d'autre d'une membrane semi-perméable et d'autre part sur les travaux de Goldman (1943) qui aboutit à l'équation dite de Goldman et qui tient compte de la présence simultanée de plusieurs ions (mais qui repose en définitive aussi sur l'équation de Nernst).
Pour ne pas passer trop de temps à ce qui n'est qu'un modèle purement électrochimique et non biologique on peut résumer les résultats en quelques points (calculs réalisés à partir des valeurs de perméabilité et de concentration ioniques de l'axone de calmar et très bien présentés pour ce que j'en comprends dans le Nathan p 24-25) :

Globalement la membrane théorique se comporte donc comme si elle était perméable au Cl-, faiblement perméable au Na+ (qui rentre peu) et fortement perméable au K+ (qui sort un peu du fait de son mouvement à contre gradient) ; le flux de Na+ étant supérieur à celui du K+ dans un rapport d'environ 3/2.

Le modèle électrochimique pour le potentiel d'action est directement déduit des résultats obtenus à partir des techniques de voltage imposé. Lors d'un PA, la perméabilité au Na+ augmente brusquement et transitoirement (moins d'1 ms). Avec un décalage, d'une durée de l'ordre de la fraction de ms, la perméabilité au K+ augmente à son tour. L'entrée du Na+, dans le sens du gradient éléctrique et de du gradient de concentration, est responsable de la brusque dépolarisation membranaire. La sortie retardée du K+ est responsable de la repolarisation et de l'hyperpolarisation transitoire.

f. Modèles biochimiques

  1. modèle élaboré à partir de la théorie membranaire
  1. points importants et problèmes liés à ce modèle :
    * la pompe Na+/K+ existe-t-elle ? Cette pompe est devenue une question très délicate. Je pensais naïvement lors de mes études que son existence était prouvée, que c'était une enzyme connue, isolée et que sa cristallisation et cartographie structurale était en cours. Quelle ne fut pas ma surprise de découvrir que cette pompe n'avait pas d'existence prouvée. Elle est partout supposée. Je ne veux pas entrer dans la polémique je précise simplement qu'elle n'est encore qu'une hypothèse qui, certes, en arrangerait beaucoup (voir par exemple Pascale Mentré p 245). Elle pourrait très bien aussi exister et servir à tout autre chose que maintenir le PRM.
    * dans le même style : les canaux de fuite, les canaux voltage-dépendants existent-ils ? Pour l'instant il n'y a pas de preuve. Il faut absolument souligner que l'on considère comme hautement probable leur existence mais que l'on ne les a pas vus et encore moins isolés (pour ce que j'en sais).
    * les quantités d'ions impliquées dans ces transferts sont extrêmement faibles et ne changent pas les concentrations cytosoliques.... ce point est très difficile à comprendre pour moi. Comment imaginer que l'on change la polarisation d'une membrane en permettant le mouvement de quelques ions. Les chiffres donnés par Rieutort (p103) par exemple à partir des estimations réalisées grâce à la technique du voltage-clamp, sont les suivants : 1 ion K+ sur 3.000 transite à travers la membrane lors d'un PA pour un axone de 1µm de diamètre. Ce qui correspond à moins d'1 ion sur 10 millions dans une tranche d'axone supposée de l'épaisseur d'un ion....
    En fait je pense qu'il faut avant tout comprendre que ce ne sont pas les volumes mais les surfaces qui présentent des différences de potentiel. Ensuite qu'il faut comprendre la nature de l'électrode utilisée (et la définition d'un potentiel d'électrode) et la technique de mesure de la différence de potentiel membranaire de repos (voir par exemple Pascal Mentré p 256). Je ne me sens pas capable d'enseigner ces notions. Je m'en remets donc aux conclusions des spécialistes.
  2. vers d'autres modèles...
    Je ne peux que citer la théorie des phases qui propose un interprétation des variations de potentiel électrique des cellules sans faire appel à des mouvements d'ions mais uniquement à des équilibres entre les formes chélatées et les formes libres. C'est un changement d'accessibilité qui causerait la ddp. Cette théorie implique la propagation de changements configurationnels des macromolécules et de l'eau (voir pour une première approche Pascal Mentré p257).
    En guise de conclusion et pour montrer combien je suis persuadé que l'on retrouve la philosophie à tous les coins de paillasse, je recopie quelques lignes de Pascal Mentré (c'est moi qui souligne): «Les grandes découvertes de la biochimie ont été faites in vitro dans des conditions d'application de la loi d'action de masse, à des dilutions bien plus faibles que celles qui existent dans les cellules. Leurs extraordinaires conséquences sur la compréhension de la vie de la cellule firent oublier aux chercheurs pendant des décennies que les macromolécules dans la cellule forment un monde incomparablement plus dense et hétérogène que dans le tube à essai. Il s'y produit des interactions puissantes, de nature physique, qui donnent un tout autre profil aux phénomènes. Il semble qu'il y ait eu chez la majorité de ces biologistes une répugnance tenace à passer du simple au complexe, du déterminé à l'incertain. La cause en est peut-être la formation cartésienne, mécaniste, réductionniste, dont, même aujourd'hui, ils ne sont pas encore vraiment affranchis.»

 

3. Biochimie de la transmission synaptique

Nous ne nous intéresserons qu'aux seules synapses chimiques, qui mettent en jeu la libération d'un neurotransmetteur.

a. Le signal calcium

Dans le cadre de la théorie membranaire on suppose l'existance de de canaux calciques (à Ca2+) voltage-dépendants (réglés par la tension) dont voici un modèle illustratif.


Une illustration du fonctionnement d'un "canal calcique voltage dépendant (réglé par la tension)".

Le Ca2+ libre dans la cellule est quasiment inexistant (moins de 10-7 M) car il est toujours lié à des protéines fixatrices (calmoduline, qui est considérée comme un récepteur intracellulaire du Ca2+) ou stocké dans des compartiments comme des vésicules golgiennes (ou les saccules du reticulum (citernes) dans la cellule musculaire striée par exemple, ou encore les mitochondries).

On pense donc que le Ca2+ serait LE signal qui permettrait le passage d'un PA à une variation de concentration ionique dans la cellule (ce que ne font pas les éventuels canaux Na+ et K+ qui ne modifient que des potentiels de membrane et non des concentrations cytoplasmiques). Le Ca2+ jouerait alors le rôle d'un second messager dans le sens où il activerait divers mécanismes enzymatiques conduisant notamment à l'exocytose des vésicules synaptiques (mécanismes variés encore mal connus faisant intervenir des protéines de laison : les annexines, et des protéines de fusion...).

En absence de précisions, il semble que le signal Ca2+ soit considéré comme la seule explication valable au changement de nature du signal ("transduction" d'un signal électrique (ddp) en signal chimique (concentration ionique) ), généralisée pour toutes les synapses chimiques.

b. Les récepteurs de la membrane post-synaptique

Les notions de "canal voltage-dépendant" et de "canal chimiodépendant" me semblent inutiles car de toute façon, actuellement, un seul type de canal, le récepteur-canal à Ach, donc chimiodépendant, semble avoir été trouvé avec certitude. Nous préfererons donc la terminologie liée aux types de récepteur.
On considère actuellement qu'il existe deux types des récepteurs qui ne s'excluent pas l'un l'autre pour un type de neurotransmetteur ...:

neurostransmetteurs agissant sur des récepteurs ionotropiques
neurotransmetteurs agissant sur des récepteurs métabotropiques
H3C-CO-O-CH2-CH2-N+-(CH3)3

acétylcholine

H3N-CH2-CH2-CH2-COO-

GABA
(acide gamma-aminobutyrique)

Arg-Pro-Lys-Pro-Gln-Gln-Phe-Phe-Gly-Leu-Met

Substance P

H3N-CHCOO--CH2-CH2-COO-

glutamate

H3N-CHCOO--CH2-COO-

aspartate

Tyr-Gly-Gly-Phe-Met * Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu

Met-enképhaline * Leu-enképhaline

H3N-CH2-COO-

glycine

Monoamines
(@ désigne un cycle aromatique en C6):

Tyrosine ---> Dopa ---> Dopamine ---> NAdr

OH-@-CH2-CHCOOHNH2
--------------OH-@OHCH2-CHCOOHNH2
----------------------------OH-@OHCH2-CHCH2NH2
-----------------------------------OH-@OHCHOH-CHCH2NH2

Un petit panorama sur les canaux des membranes neuroniques ou musculaires plus conformes à la présentation du livre Bordas de spécialité pour aider certains élèves à se situer...
Des canaux....... HYPOTHÉTIQUES
Un seul canal connu
types de canaux
rôle
type
rôle

canaux de fuite toujours ouvert à Na+ et K+
(pas de canaux à Cl-)

génèse du potentiel membranaire de repos (PRM) des cellules esxcitables

récepteur (à ACh) canal ionotropique à Na+ (Ca2+ et K+)

PPSE de la jonction neuromusculaire (potentiel de plaque) et d'autres synapes rapides à ACh

Remarque:
Le PRM est supposé être entretenu par une pompe Na+/K+ ATP dépendante

canaux voltage dépendants (réglés par la tension) à Na + et à K+

génèse et maintien du potentiel d'action (PA)

canal voltage dépendant (réglé par la tension) à Ca2+

signal calcium (exocytose des vésicules synaptiques...)

canaux chimiodépendants ou récepteurs canaux métabotropiques inhibiteurs (à Cl-) ou excitateurs ( à Na+)

PPSE et PPSI des membranes postsynaptiques

c. L'intégration neuronale

Pour un neurone central recevant d'innombrables afférences la théorie actuelle considère que c'est le corps cellulaire qui somme (intégre) les PPS inhibiteurs et excitateurs essentiellement au niveau du cône axonal ou cône d'implantation (axone hillock) où est reçu le PPS global à in instant donné. La propagation des PPS reste assez mystérieuse mais semble très rapide mais par contre l'amplitude du signal semble s'atténuer rapidement dès que l'on s'èloigne du lieu de leur naissance. On explique la naissance d'un PA, à partir d'un certain seuil, par la présence en ce seul endroit (du corps cellulaire et des dendrites car bien évidemment ils seraient présents tout le long de l'axone) des "canaux voltage-dépendants" responsables de la génèse et de la propagation du PA.

Des études fines sur le cône axonal on fait découvrir en fait plusieurs types de perméabilités ioniques en rapport avec la dépolarisation membranaires :

d. Le contrôle de la transmission synaptique

Les données cytologiques sont rares pour l'homme mais, du fait de l'unité du vivant, il est intéressant de présenter des comparaisons avec les organismes chez qui certaines structures ont été mises en évidence :
* des synapses réciproques (dans les deux sens) dendro-dendritiques par exemple chez certains Cnidaires (au niveau d'une même zone de contact synaptique on observe des vésicules synaptiques dans les deux zones qui se font face : on pense que la transmission d'un influx nerveux peut se faire dans l'un et l'autre sens)
* des synpases axo-axonales qui sont interprétées comme des synpases modulées par d'autres synpases
* des synapses multiples : pour une même cellule nerveuse des terminaisons entrent en contact avec plusieurs types de cellules différents comme par exemple certaines fibres musculaires de crustacés.


Quelques structures synaptiques de contrôle...

Les données expérimentales sont encore très fragmentaires et sur des matériels très hétéroclites :
* le modèle de prédilection des neurophysiologistes a longtemps été l'Aplysie, un petit Mollusque Gastéropode marin qui peut atteindre une vingtaine de centimètres de long. Le mécanisme étudié est celui de la rétraction du siphon qui, après une série de stimulation répétée, présente une accoutumance qui peut être supprimée par un choc ou un bruit violent. L'animal devenant alors sensibilisé car il reste sensible à un contact. Ceette étude est franchement hors-programme (Voir Biologie Moléculaire de la cellule par exemple). On connaît aussi chez l'Aplysie un comportement que l'on qualifie d'apprentissage associatif qui est une liaison mémorisée de deux stimuli différents.
* la drosophile présente elle des mutants chez qui on retrouve cette interprétation d'apprentissage associatif entre un choc électrique et une odeur....
* chez les mammifères les études sont innombrables et divergentes ; l'hippocampe, région du cortex cérébral, semble jouer un rôle particulier dans l'apprentissage... Un mécanisme classique est celui de la transmission de la douleur au niveau de la moelle épinière mais le modèle présentant la substance P comme neuromédiateur est fortement remis en question. On trouvera un dossier très bien fait sur le site de l'INRP: www.inrp.fr/Acces/biotic/neuro/douleur/accueil.htm. Il semblerait que le neurotransmetteur principal soit le glutamate, assurant une transmission rapide de l'information douloureuse depuis le neurone sensitif (NS) jusqu'au neurone médullaire (NM) ayant des prolongements vers l'encéphale. Le contrôle se ferait par des neurones de contrôle (NC) en relation avec des neurones centraux cérébraux et par l'intermédiaire de neuromodulateurs du type enképhalines qui seraient libérées soit au niveau de la terminaison présynaptique (NS-NM) soit au niveau du corps cellulaire du neurone post-synaptique (NM). La substance P interviendrait essentiellement dans la modulation de la transmission NS-NM sans que l'on sache exactement comment.

Les données biochimiques sont là encore difficilement accessibles pour des non spécialistes. La plupart des études font référence à des maladies qualifiées de psychiques et les modèles utilisés sont des modèles psychologiques, quand ils ne sont pas psychanalytiques. On est souvent loin de la biologie.
Pour un élève de terminale il est simplement nécessaire de comprendre que la plupart des substances chmiques utilisées actuellement soit comme stupéfiants soit comme médicaments dits "de l'esprit", semblent tous agir notamment sur la synapse. Je vous renvoie aux pages du Bordas (46-47) et Nathan (44-45, 46-47).
Le programme mal défini est encore une fois traité par raccroc de façon inadaptée et sans vision d'ensemble du fait du peu de cohérence des connaissances actuelles... L'effort fait par les manuels est louable. Mais le fait que des documents de ce type soit tombés et bac alors qu'ils ne nécessitaient qu'une unique LECTURE par les candidats sans aucune réflexion sur les techniques ou sur les résultats montre combien l'exercice de type bac s'éloigne du domaine expérimental. C'est fort regrettable.

Conclusion
Il faut encore et toujours revenir aux cellules. Si l'on veut un jour comprendre de façon plus approfondie le fonctionnement du neurone, il faut revenir à des concepts de base : le neurone naît, croît et vit, puis meurt. De plus, il n'est pas seul mais il fait partie d'un système de cellules de même origine et de même fonction, et enfin il appartient à un organisme.

Dessin schématique ultrastructural
et
électronographies
(extraites de Biologie moléculaire de la cellule, Alberts et al., volontairement très modifiées afin d'éviter une autre utilisation que celle d'illustration de mon propos)

présentant :

  • d'une part les innombrables boutons synaptiques autour des dendrites et du coprs cellulaire (illustrant la complexité de l'intégration neuronale)
  • et d'autre part les cellules de Schwann (illustrant le rôle essentiel des cellules gliales, même pour les axones dits "nus").

Le tissu nerveux, neurones et cellules gliales, forme un tissu spécialisé, d'origine embryonnaire qui semble très délimitée (cellules souches du tube et des crêtes neurales), les interations entre cellules, notamment pendant la période de croissance et de maturation du système nerveux chez l'enfant, sont déterminantes . Les synapses sont des structures dynamiques qui s'établissent et dégénérent en permanence (guidées en cela - semble-t-il - au moins par la lame basale (collagène) et par les cellules gliales). Un neurone, du fait de ses prolongements (neurites), occupe un voulme qui peut être des milliers ou des dizaines de milliers de fois plus important qu'une autre cellule comme un hépatocyte... Les problèmes de renouvellement moléculaire et de transport axonal sont essentiels (on connaît des transports rapides par l'intermédiaire de vésicules et de protéines contractiles migrant soit du corps cellulaire vers les terminaisons axonales à des vitesses de quelques 40 centimètres par jour, soit dans le sens inverse, vers le corps cellulaire, plus lentement, typiquement à des vitesses de 20 à 30 centimètres par jour). On a aussi mis en évidence un transport axonal lent de l'ordre de quelques millimètres par jour par l'intermédiaire des protéines du cytosquelette. Actuellement on pense que plus de 50% des neurones formés au cours du développement embryonnaire meurent après avoir établi des contacts avec leurs cellules cibles. On en revient aux mécanismes de développement proposés par exemple par Rosine Chandebois avec la progression autonome : la mémoire cellulaire enregistre l'environnement à un instant donné, qui disparaît ensuite mais laisse des traces qui sont autant de déterminants du développement futur de l'embryon.
Si l'on voulait comparer le tissu nerveux au tissu immunitaire (dynamique, coordonné et évolutif) du cours d'enseignement général (voir immunologie), on pourrait dire que le système nerveux est en perpétuel renouvellement, plastique (en perpétuel remaniement), éducable, fragile et à durée de vie limitée. La communication nerveuse n'est pas (seulement) une communication chimique ou/et ionique mais c'est avant tout une communication cellulaire.
Et puis une idée de dernière minute, ce matin (1/04) en cours... il y a de grandes absentes dans tous les modèles proposés : les cellules gliales ; on retrouve des cellules gliales le long de tous les neurones, y compris au niveau synaptique, et leur rôle est loin d'être élucidé (le rôle dans la migration des cellules nerveuses au cours de la maturation du sytème nerveux chez l'embryon et le rôle des cellules de Schwann dans les fibres myélinisées est certainement un point intéressant mais on est loin d'avoir une vue d'ensemble...) voilà des pistes de recherche...
L'article "Un cristal riche d'enseignements" (Cécile Klingler, La Recherche, 347, Novembre 2001, 20-21) est illustré par le premier schéma que je vois dans un ouvrage de vulgarisation où les cellules gliales participent à la recapture et à la dégradation de l'acétylcholine grâce à la sécrétion d'une protéine (AChBP: ACh Binding Protein).. chez Lymnæa stagnalis.


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