L'observation, chez la grenouille, de la contraction des pattes sous l'action de stimulations électriques jette les bases de la neurophysiologie telle qu'on la connaît aujourd'hui, et dont on s'efforcera ici d'expliquer les principes fondamentaux.
Ainsi, afin de mieux faire ressortir les ressemblances entre le système de "circulation" de l'électricité animale dans le corps et celui d'un circuit électrique, il est essentiel d'en expliquer le fonctionnement de manière approfondie.
De cette façon, après avoir expliqué la constitution et les mécanismes du système nerveux dans son ensemble, on s'interessera de manière plus précise au mécanisme de transmission de l'électricité dans les fibres nerveuses.
1) Le système nerveux, véritable "chef d'orchestre" de l'organisme
L'électricité animale se manifeste dans le corps humain au sein du système nerveux.
Il s'agit d'un véritable réseau qui contrôle et coordonne toutes les parties du corps: le système nerveux coordonne les mouvements musculaires, contrôle le fonctionnement des organes, véhicule les informations sensorielles vers les organes effecteurs et régule les émotions et l'intellect.
Il est responsable de l'envoi, de la réception et du traitement des influx nerveux (influx de nature électrique) qui permettent à l'ensemble des organes de notre corps de fonctionner.
Il contrôle ainsi toutes les actions et les sensations de notre corps, sans oublier la pensée, les émotions et la mémoire.
Il peut lui-même être décomposé en trois systèmes différents qui travaillent de concert pour remplir sa dure mission: les systèmes nerveux central, périphérique et autonome (ou viscèral).
Il reçoit les informations qui lui sont transmises via les nerfs par les organes des sens et les récepteurs sensitifs. Il les analyse et les interprète (intégration), ce qui aboutit à une réponse motrice qui est transmise aux muscles, aux glandes et aux organes.
Ce processus peut être volontaire mais également automatique et inconscient (augmentation des fréquences cardiaques et respiratoires lors d'une activité physique par exemple).
La moelle épiniere, elle, sert de "fil télégraphique" qui relaie les signaux envoyés par le cerveau au structures périphériques de l'organisme et réciproquement.
-les nerfs sont responsables de la transmission des influx nerveux émis par le système nerveux central vers de nombreuses structures de l'organisme (muscles, glandes...) et réciproquement.
-les récepteurs sensoriels, eux, captent les variations se manifestant au sein du corps et dans le milieu extérieur.
Ce système comprend de nombreux nerfs spinaux et crâniens qui émergent de la moelle épinière et du tronc cérébral et qui forment des faisceaux de fibres nerveuses qui s'étendent jusqu'aux extrémités du corps, du bout des doigts aux orteils.
2) Le neurone, base du système nerveux
a- Constitution et rôle d'un neurone
Le système nerveux contient des milliards de neurones.
Le terme « neurone » fut utilisé pour la première fois par Waldeyer, anatomiste allemand.
Les neurones sont les cellules de base du système nerveux. Ils sont responsables de la réception et de la transmission des influx nerveux et forment pour cela de longues fibres (nerveuses) reliées entres elles.
Un neurone est constitué d'un corps cellulaire, également appelé "soma" (qui lui-même contient un noyau), d'un axone unique et d'un ou plusieurs dendrites qui partent du corps cellulaire.
-Schéma de quelques neurones-
-Les dendrites sont les parties multi-ramifiées qui recoivent les influx nerveux.
-Les axones sont les structures allongées qui transmettent les influx à partir du corps cellulaire.
Les neurones sont si efficaces qu'un influx nerveux (pour une douleur, par exemple) peut être transmis de la main vers le système nerveux central et effectuer le trajet inverse (pour permettre un mouvement réflexe) en une fraction de seconde.
b- La synapse, point de contact entre deux neurones
Le terme de « synapse » fut proposé en 1897 par le physiologiste et Prix Nobel britannique Sir Charles Scott Sherrington pour désigner le point de contact entre deux neurones.
La synapse est ainsi la zone de contact fonctionnelle qui s'établit entre deux neurones, ou entre un neurone et une autre cellule (cellules musculaires, récepteurs sensoriels...) et qui permet la transmission de l'influx nerveux.
Elle est constituée de trois parties : l'élément présynaptique, l'élément postsynaptique et entre les deux l'espace intersynaptique (ou fente synaptique)
La synapse assure la conversion d'un potentiel d'action (terme expliqué plus en détail dans la troisième partie) déclenché dans le neurone présynaptique en un signal dans la cellule postsynaptique.
On distingue deux types de synapses :
-la synapse chimique, très majoritaire, qui utilise des neurotransmetteurs pour transmettre l'information.
-la synapse électrique où le signal est transmis électriquement par l'intermédiaire d'une jonction communicante, sorte de tunnel entre les deux neurones.
On les distingue au microscope électronique par la taille de la fente synaptique: celle-ci est plus grande pour les synapses chimiques (entre 10 et 40 nm) que pour les synapses électriques (de l'ordre de 2 nm).
Il a en fait été démontré que les synapses électriques sont très rares et l'on admet aujourd'hui que le système nerveux est constitué majoritairement de synapse chimiques.
-La synapse chimique-
La synapse chimique est la plus fréquente des synapses du système nerveux.
Ce type de synapse transmet le signal nerveux d'un neurone à un autre par la voie chimique, en utilisant un neurotransmetteur.
Un neurotransmetteur est une molécule libérée par un neurone lors d'une stimulation et se fixant à un récepteur sur un autre neurone, ce qui entraîne la transmission de l'influx nerveux.
Un ou plusieurs types de neurotransmetteurs peuvent être utilisés en fonction du type de synapse (les jonctions neuromusculaire ou au contraire les synapses présentes dans le système nerveux central).
Les neurotransmetteurs sont synthétisés dans les vésicules synaptiques situées à la terminaison de la cellule présynaptique.
Lorsqu'arrive suffisamment de potentiels d'action à cette terminaison, les neurotransmetteurs sont libérés dans l'espace intersynaptique.
Ils sont alors captés par des récepteurs moléculaires spécifiques situés sur la membrane de la cellule postsynaptique.
-La synapse électrique-
Dans la synapse électrique, le membranes des deux neurones sont reliées par des jonctions communicantes.
L'influx nerveux se transmet par l'intermédiaire d'ions (particules chargées) qui passent d'un neurone à un autre (ou d'un neurone à une cellule).
Il se transmet donc sans l'intervention de neurotransmetteurs.
Cependant ce type de synapse est assez rare chez les adultes, bien qu'il joue un rôle important dans le système nerveux immature.
-Schéma d'une synapse électrique-
(Légende: 1) Mitchondrie; 2) Connexine; 3) Courant ionique)
Les synapses sont également regroupées en deux catégories en fonction de leur effet: excitatrices ou inhibitrices.
Le potentiel d'action sera propagé par le neurone postsynaptique à la condition que la somme des excitations soit supérieure à la somme des inhibitions (quand le seuil de dépolarisation est atteint).
L'influx nerveux est transmis le long d'un neurone sous la forme d'une séquence de "potentiel d'action".
Le potentiel d'action est une brusque modification du potentiel de repos.
C’est un phénomène électrique qui naît suite à une stimulation électrique de la cellule.
Il peut être décomposé en 4 phases :
-la dépolarisation
-la repolarisation
-l'hyperpolarisation
-le retour au potentiel de repos
Le potentiel membranaire est par définition la différence de potentiel mesurée entre la face externe et la face interne de la membrane d'un neurone (ou de toute cellule vivante).
Ainsi, au repos, la membrane du neurone est polarisée: sa face interne (milieu intracellulaire) est électronégative et sa face externe (milieu extracellulaire) électropositive.
Répartition des charges :
En réalité, cette différence de charge est due à une distribution inégale des ions de part et d'autre de la membrane plasmique.
-La dépolarisation: la simulation électrique qui parvient au neurone provoque l'ouverture de canaux à sodium. Les ions Na+ traversent de façon passive ces canaux, et pénètrent dans la cellule. Il y a un inversement des charges du potentiel de repos: la face externe de la membrane devient alors électronégative et la face interne électropositive.
Répartition des charges :
>> Voir animations potentiel sur: http://musibiol.net/biologie/cours/pa/action.htm
- La repolarisation: les canaux à sodium se ferment, se qui empêche l'entrée d'ions sodium. Les canaux à potassium s'ouvrent et les ions K+ sortent pour compenser l'entrée de Na+.La face externe de la membrane redevient alors électropositive, et la face interne redevient électronégative : la membrane est à nouveau polarisée.
Répartition des charges :
>> Voir animation "la repolarisation"
- L'hyperpolarisation: les canaux à potassium restent ouverts et les ions K+ continuent de sortir de la cellule. La face externe de la cellule devient alors hyperpositive et la face interne hypernégative.
Répartition des charges :
>> Voir animation "l'hyperpolarisation"
- Le retour au potentiel de repos: le rétablissement de l'état initial est actif, il est réalisé grâce à l'action d'une pompe Na+/K+ ATP dépendante qui expulse les ions Na+ et fait rentrer les ion K+. Cette étape nécessite de l'énergie, obtenue par l'hydrolyse de l'ATP.
Répartition des charges :
>> Voir animation.
L'influx nerveux a ainsi été transmis d'un neurone à un autre.
