Neurone et influx nerveux

1 Structure du neurone

Le neurone est la cellule fondamentale du tissu nerveux. Rien que dans le cerveau humain, on trouve 10 milliards de neurones! Comme la plupart des cellules, les neurones sont délimités par une membrane cellulaire et possèdent un noyau et de multiples organites. Mais les neurones possèdent une faculté qui leur est propre : celle de transmettre un influx nerveux.

Du corps cellulaire ou péricaryon (du grec "péri" = "autour" et "karyon" = "noyau"), qui est la plus grosse partie du neurone et qui contient le noyau, partent des ramifications courtes et buissonnantes, les dendrites (du grec "dendron" = "arbre"). Leur rôle est de capter les messages des autres cellules avec lesquelles le neurone est en contact et de les transmettre au corps cellulaire. Sur le cône d’implantation, élévation conique du corps cellulaire, prend naissance le plus grand prolongement du corps cellulaire : l’axone ou cylindre-axe, qui conduit l’influx nerveux loin du péricaryon. Cet axone, toujours unique, a une longueur allant de quelques mm pour les neurones du cerveau à plus d’1 m s’il va de la moelle épinière où se trouve le corps cellulaire jusqu’à l’organe qu’il innerve, le bout d’un doigt par exemple. Si plusieurs neurones, mis bout à bout, sont nécessaires pour atteindre un organe, les péricaryons intermédiaires entre la moelle épinière et l’organe innervé sont rassemblés en ganglions nerveux. A son extrémité, l’axone se ramifie abondamment pour former l’arborisation terminale qui se termine en boutons terminaux au point de contact avec les autres cellules : cellules musculaire ou glandulaire, péricaryon, dendrites ou cône d’implantation de l’axone d’autres neurones.

Structure schématique d'un neurone (d'après Farish, modifié). Les flèches rouges indiquent le sens de progression de l'influx nerveux.

2 Les cellules gliales

Les cellules gliales forment un tissu étroitement associé aux neurones: la névroglie. Parmi les cellules gliales les mieux connues, les cellules de Schwann s’associent aux neurones formant les nerfs du système nerveux périphérique, c’est-à-dire ceux reliant les diverses parties du corps au système nerveux central.

Une cellule de Schwann peut entourer plusieurs axones de façon simple: on parle dans ce cas de fibres nerveuses amyéliniques.

Schéma d'une coupe transversale dans une fibre nerveuse amyélinique.

Mais la membrane cellulaire d’une cellule de Schwann peut aussi s’enrouler de très nombreuses fois (de 20 à 30 fois) autour de l’axone pour former la gaine de myéline, sorte de gaine blanchâtre très riche en phospholipides (comme l’est naturellement toute membrane cellulaire): on parle alors d’une fibre nerveuse myélinique.

Origine de la gaine de myéline des axones myéliniques.

De nombreuses cellules de Schwann entourent l’axone sur toute sa longueur, mais de très fins espaces, appelés nœuds de Ranvier, séparent les cellules de Schwann adjacentes: à ces niveaux, l’axone est dénudé sur une très courte distance.

Si les cellules de Schwann entourent l’axone des neurones du système nerveux périphérique, les fibres nerveuses du système nerveux central peuvent également être myéliniques ou amyéliniques: les cellules gliales qui y ont ce rôle sont les oligodendrocytes.

3 Structure du nerf

Les nerfs sont formés de faisceaux de fibres nerveuses agencées de la façon suivante au niveau d’un gros nerf rachidien : la fibre nerveuse, c’est-à-dire l’axone d’un neurone entouré ou non de sa gaine de myéline, est recouverte d’une fine couche de tissu conjonctif, l’endonèvre. Plusieurs fibres sont regroupées en un faisceau entouré d’une autre gaine de tissu conjonctif, la périnèvre. Un ensemble de faisceaux de fibres nerveuses constitue un nerf et est recouvert d’une gaine fibreuse baptisée épinèvre.

4 L'influx nerveux

La caractéristique d’un neurone est son excitabilité, c’est-à-dire sa capacité de générer et de conduire rapidement un influx électrique des dendrites ou du corps cellulaire le long de l’axone jusqu’aux synapses. La capacité d’un neurone d’accepter et de relayer de l’information résulte premièrement de différences dans la distribution des ions de part et d’autre de la membrane, ce qui crée une différence de potentiel électrique entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule au repos (on dit que la membrane est polarisée au repos, ce qui est propre à toute cellule vivante et pas seulement aux neurones), et deuxièmement de modifications momentanées de la perméabilité de cette membrane à certains ions, ce qui engendre une dépolarisation de la membrane. La dépolarisation électrique de la membrane, c’est-à-dire l’inversion du potentiel électrique, se transmet de proche en proche le long de l’axone et constitue la transmission de l’information nerveuse ou influx nerveux.

Les anesthésiques locaux sont des substances, comme la cocaïne ou mieux la lidocaïne utilisée par exemple en dentisterie, qui diminuent, proportionnellement à la dose injectée, la perméabilité membranaire aux ions, donc la possibilité de dépolarisation et par conséquent la conduction de l'influx nerveux. La sensibilité est abolie avant la motricité. Progressivement disparaissent les sensations douloureuses, puis thermiques, enfin tactiles. L'effet est réversible.

Variation du potentiel électrique du cytoplasme d'un axone par rapport à l'extérieur, et origine de la dépolarisation (d'après Beck et al., corrigé et modifié).

Après avoir été dépolarisée, la membrane retrouve rapidement son état initial polarisé, mais jusqu’à ce que les ions soient revenus à leur place, l’axone ne peut conduire de nouvel influx: c’est ce que l’on nomme la période réfractaire.

La vitesse de l’influx nerveux, c’est-à-dire la vitesse à laquelle se déplace la dépolarisation électrique de la membrane de l’axone, dépend de la taille et du type de fibre nerveuse. Dans les fibres amyéliniques, cette vitesse n’est de l’ordre que de 1,5-2 m/s, alors qu’elle atteint 100 m/s le long des fibres myéliniques. Dans ce dernier cas, la dépolarisation électrique se déplace par sauts, de nœud de Ranvier en nœud de Ranvier, la gaine de myéline étant électriquement isolante. Les premières gaines de myéline n’apparaissant qu’à la fin de la vie fœtale et au cours de la première année, et la quantité de myéline augmentant jusqu’à la maturité, il est aisé de comprendre pourquoi les réactions d’un enfant et surtout d’un nouveau-né ne sont pas aussi rapides et aussi coordonnées que celles d’un adulte.

Illustration de la progression de l'influx nerveux le long d'un neurone amyélinique (en haut) et le long d'un neurone myélinique (en bas) (d'après Farish, modifié).

La vitesse de l’influx dépend en outre du diamètre de la fibre: les axones de grand diamètre réduisent la résistance électrique freinant l’influx et l’on connaît des axones géants amyéliniques chez le calmar qui transmettent l’information nerveuse à une vitesse de 20 m/s.

Les influx voyagent à la surface des neurones d’un nerf en sens unique: dendrites - corps cellulaire - axone - boutons terminaux, c'est-à-dire d'abord centripète puis centrifuge. En fait, le neurone pourrait conduire l’influx dans les deux sens, mais la jonction entre deux neurones, ou synapse, est unidirectionnelle et impose le sens de l’influx.

5 La synapse

5.1 Action de l’influx nerveux au niveau de la synapse

L’influx nerveux doit fréquemment se transmettre d’un neurone à un autre : il le fait au niveau d’une synapse ou jonction synaptique, c’est-à-dire là où un bouton terminal se fixe sur la membrane d’un dendrite, du périkaryon ou du cône d’implantation de l’axone du neurone suivant. Les boutons d’un seul neurone présynaptique peuvent faire synapse avec plusieurs neurones postsynaptiques (phénomène de divergence) ou, inversement, les boutons de plusieurs neurones présynaptiques peuvent faire synapse avec un seul neurone postsynaptique (phénomène de convergence).

Dans les boutons terminaux se trouvent de petites vésicules synaptiques contenant des neurotransmetteurs ou neuromédiateurs, substances synthétisées par le neurone. Lorsque l’influx nerveux atteint le bouton synaptique, il cause la libération des neurotransmetteurs dans un espace infime de 20 à 50 nm séparant les neurones pré- et postsynaptiques et appelé fente synaptique. Arrivés dans la fente synaptique, ces neurotransmetteurs se fixent sur des récepteurs de la membrane du neurone postsynaptique et induisent, selon leur nature chimique, plusieurs réactions.

Mécanisme de la transmission synaptique de l'influx nerveux (d'après Farish, modifié).

5.2 Synapse excitatrice

Lorsque la fixation du neurotransmetteur sur le récepteur a pour conséquence de modifier la perméabilité membranaire aux ions en rendant le potentiel membranaire moins négatif, plusieurs boutons terminaux libérant simultanément leurs neurotransmetteurs peuvent exciter la membrane du neurone postsynaptique en la dépolarisant, c’est-à-dire en créant un nouvel influx nerveux. La synapse excitatrice a ainsi transmis l’influx nerveux.

Très rapidement, le neurotansmetteur fixé au récepteur est rendu inactif.par destruction. Par exemple, le neurotransmetteur "acétylcholine" est très rapidement détruit par une enzyme qui le coupe en "acétate" et en "choline" ; ces deux constituants retournent dans les boutons terminaux où ils sont à nouveau associés en "acétylcholine" emmagasinée dans des vésicules synaptiques prêtes à fonctionner.

5.3 Synapse inhibitrice

Lorsque la fixation du neurotransmetteur sur le récepteur a pour conséquence de modifier la perméabilité membranaire aux ions en rendant le potentiel membranaire encore plus négatif, l’influx nerveux n’est pas transmis, puisqu’aucune dépolarisation n’est générée. La synapse est dite inhibitrice car elle peut arrêter un influx nerveux : il suffit que l’effet conjugué des stimulations excitatrices et inhibitrices ne suffise pas à dépolariser la membrane.

6 La plaque motrice

La plaque motrice ou jonction neuromusculaire est formée par la terminaison de l’axone d’un neurone moteur en contact avec une fibre musculaire. Cette plaque motrice est recouverte par une cellule de Schwann et les boutons terminaux s’encastrent dans des gouttières de la cellule musculaire. Lorsqu’un influx nerveux arrive, le neuromédiateur libéré est l’acétylcholine. Il provoque, par fixation sur un récepteur approprié, une modification de la perméabilité membranaire. Ceci provoque le glissement des myofilaments les uns sur les autres et ainsi la contraction de la cellule musculaire.

7 Neurotransmetteurs, toxines, médicaments et drogues

7.1 Neurotransmetteurs humains

La transmission chimique de l’information nerveuse au niveau de la synapse impose un délai de transmission de 0,5 ms, alors qu’il ne serait que de 1.10^-6 s dans le cas d’une transmission purement électrique. Mais la nature chimique de ce mode de transmission permet d’agir naturellement ou artificiellement sur la propagation de l’influx nerveux.

Bien que chaque neurone ne produise généralement qu’un neuromédiateur, il existe probablement une trentaine de neurotransmetteurs dans le corps humain, avec, par définition, pour chacun d’eux, une enzyme de synthèse dans les boutons terminaux et une enzyme de dégradation dans la fente synaptique.

L’acétylcholine, neuromédiateur des synapses cholinergiques, et la noradrénaline, neuromédiateur des synapses adrénergiques, agissent à la fois dans les systèmes nerveux central et périphérique.

L’acétylcholine est, comme nous l’avons déjà vu, un neurotransmetteur excitateur au niveau des fibres nerveuses et de la plaque motrice, mais intervient aussi au niveau du système nerveux central car la perte de mémoire de certaines personnes âgées a été associée à une insuffisance d’acétylcholine dans le cerveau et à la mort des neurones utilisant ce médiateur: c’est la maladie d’Alzheimer.

Il existe deux types de récepteurs de l’acétylcholine: les récepteurs muscariniques et nicotiniques: la muscarine, substance extraite de l’amanite tue-mouche, est un excitateur et l’atropine, tirée de la belladone est un inhibiteur des récepteurs du premier type; la nicotine, qui provient du tabac, est un excitateur et le curare un inhibiteur des récepteurs du second type. Le curare, issu de divers Strychnos sud-américains, a des effets paralysants bien connus, en autres au niveau des muscles respiratoires, en inhibant la plaque motrice.

Belladone Atropa bella-dona, Solanaceae (Feldkirch, Autriche - 21/07/1981 - Diapositive originale réalisée par Eric Walravens). Les baies, noires à maturité, contiennent de l'atropine.

Une intoxication alimentaire due à une bactérie Clostridium botulinum provoque la libération par la bactérie d’une toxine botulinique qui empêche la libération d’acétylcholine et donc toute contraction musculaire: c’est le botulisme. L'intérêt médical de la toxine botulinique a d'abord été reconnu en ophtlalmologie pour le traitement du strabisme, puis du nystagmus (= mouvement d'oscillation involontaire et saccadé du globe oculaire), ensuite en neurologie pour combattre le torticoli spasmodique. La toxine botulinique est maintenant utilisée comme un traitement efficace des rides d'expression faciale.

Par ailleurs, beaucoup d'insecticides, dont les organophosphorés et l'aldicarbe (un carbamate), d'autres carbamates molluscicides professionnels (méthiocarbe, thiodicarbe) et de gaz neurotoxiques de combat inhibent (=empêchent) l'action de l'enzyme "acétylcholinestérase" qui dégrade l'acétylcholine libérée dans la fente synaptique. En présence de ces inhibiteurs, les influx se transmettent les uns après les autres, de façon incontrôlable, et créent un état d'agitation et d'hyperexcitabilté, des tremblements, puis des convulsions et des spasmes entraînant la mort. On peut parfois utiliser l'atropine comme contrepoison.

La noradrénaline exerce, quant à elle, une action de régulation au niveau de l’ensemble des organes, et joue un rôle important dans la réaction de l’organisme face au stress, en cas de situations critique ou nocive (danger, traumatisme, infection, refroidissement). La libération de ce neuromédiateur implique alors toute une série de réactions nerveuses involontaires, comme l’accélération des rythmes cardiaque et respiratoire (préparation à l’effort de la lutte ou de la fuite), la piloérection ou la sudation. La nordrénaline et l'adrénaline sont également des hormones surrénales jouant un rôle semblable au neurotransmetteur qu'est la noradrénaline. Si une personne maintient son regard droit dans les yeux d'une autre durant plus de 4 secondes, cela provoque chez cette dernière une décharge de noradrénaline et d'adrénaline, sauf dans certains cas, comme lorsque les sourds fixent constamment le visage de leur interlocuteur pour lire sur les lèvres.

La noradrénaline est impliquée dans la thermorégulation de l’organisme: à température élevée, la libération de noradrénaline bloque la production interne de chaleur.

D’autres neurotransmetteurs n’agissent qu’à l’intérieur du système nerveux central:

• la dopamine est le neuromédiateur inhibiteur d’un petit groupe de neurones qui n’interviennent que dans l’activité musculaire ; un manque de dopamine peut parfois causer la maladie de Parkinson, faite de tremblements incontrôlables, et on traite souvent cette affection par l’administration de dopamine.
• la sérotonine, neurotransmetteur inhibiteur dont la drogue L.S.D. (acronyme du nom allemand "Lysergesäurediethylamid" pour "acide lysergique diéthylamide") se rapproche beaucoup, interviendrait dans des phénomènes tels que le sommeil, la conscience et les états émotionnels. En se liant aux récepteurs de la sérotonie, le L.S.D. est un hallucinogène qui empêche l'effet inhibiteur de la sérotonine: cela provoque à très petites doses des troubles de la perception, de l'humeur et de la pensée. L'Homme en connaît les effets depuis le XIIè siècle, époque à laquelle il lui arrivait dèjà de consommer en France un champignon parasite, l'ergot de seigle, qui en contient.
• le G.A.B.A. ou acide g-aminobutyrique est un neurotransmetteur inhibiteur, dont le récepteur se lie aussi au valium: G.A.B.A. et valium aident à soulager l'anxiété et diminuent l'angoisse. Le métaldéhyde, un molluscicide présent dans les granulés bleus anti-limaces répandus dans nos jardins, est très toxique car, après ingestion et passage dans le sang, il diminue les concentrations de sérotonine et de G.A.B.A. au niveau du cerveau. Cela crée des crises d'anxiété, des contractions musculaires exagérées allant jusqu'à des convulsions et de la tachycardie. On utilise le valium comme contrepoison.
• étant donné que la morphine (= principale substance active antalgique de l’opium, et dont on tire un dérivé chimique analgésique, l’héroïne) agit sur le cerveau, c’est qu’il y existe des récepteurs synaptiques ; on a ainsi découvert des neuromédiateurs naturels dans le corps humain, qui ressemblent à la morphine et s’attachent aux mêmes récepteurs: ces "morphines naturelles" du corps humain sont des neuropeptides appelés endorphines et enképhalines (molécules plus courtes que les endorphines). Les enképhalines sont des neurotransmetteurs inhibiteurs et compétiteurs que l’on retrouve dans les synapses traitant les influx de l’humeur, de l’émotion et de la douleur : en se fixant sur les récepteurs postsynaptiques à la place des neurotransmetteurs effecteurs, elles bloquent la propagation des influx nerveux.

Fleur de pavot somnifère Papaver somniferum, Papaveraceae, Papaverales, Magnoliopsides, Spermatophytes (Nord de Reims, France - 18/06/2005 - Diapositive originale réalisée par Eric Walravens). En médaillon, le fruit (la capsule), en cours de maturation.

Culture de l'œillette, une variété de pavot somnifère, afin d'en extraire différentes molécules actives (morphine, papavérine, thébaïne...) utilisées dans l'industrie pharmaceutique (Nord de Reims, France - 18/06/2005 - Diapositive originale réalisée par Eric Walravens).

Comme les insecticides, les amphétamines empêchent la disparition normale des neurotransmetteurs fixés aux récepteurs synaptiques, de sorte que la transmission de l’influx se poursuit au-delà de la durée normale ; ces amphétamines stimulent les activités intellectuelles et physiques.

7.2 Modes d'action des venins de serpents

Il convient de ne pas confondre poisons et venins, même si les deux catégories de substances peuvent être extrêmement toxiques, voire mortelles pour l'Homme. Les venins sont injectés activement par les animaux venimeux, comme les guêpes ou les serpents, tandis que les poisons, que comportent certaines plantes, champignons ou animaux vénéneux, n'entrent en contact avec l'Homme que de façon passive, par ingestion par exemple.

Dendrobate bleu Dendrobates azureus, Dendrobatidae, Anoure, Amphibien, Vertébré, Chordé d'Amérique centrale et d'Amérique du sud (Serpentarium de Blankenberge, Belgique - 02/08/2000 - Diapositive originale réalisée par Eric Walravens). La peau de nombreux dendrobates, petites grenouilles sud-américaines aux vives couleurs aposématiques, sécrète de très violentes neurotoxines alcaloïdes, parfois mortelles par ingestion pour l'Homme. Il ne s'agit néanmoins que de poisons passifs.

Reine de frelon Vespa crabro, Vespidae, Hyménoptère (corps de 3 cm de long) (Hamois, Condroz, Province de Namur, Belgique - 09/05/1990 - Diapositive originale réalisée par Eric Walravens). L'animal, quoique peu agressif, est venimeux car capable d'injecter un venin à l'aide de son dard abdominal.

 La plupart des serpents venimeux appartiennent aux familles des "serpents évolués": quelques couleuvres (de la famille des Colubridés), les crotales et les vipères (tous les Viperidés), ainsi que les cobras et autres najas, les mambas, les serpents de mer, les serpents corail et les serpents venimeux d’Australie (tous les Elapidés).

Coronelle lisse Coronella austriaca, Colubridae, Squamate, Reptile, Vertébré, Chordé (Fooz (Awans), Province de Liège, Belgique - 28/09/2001 - Diapositive originale réalisée par Eric Walravens). Les couleuvres, la plupart inoffensives pour l'Homme, telle cette coronelle lisse, se distinguent des vipères par leur pupille arrondie.

Jeune exemplaire de 65 cm de long de couleuvre à collier Natrix natrix, Colubridae, Squamate, Reptile, Vertébré, Chordé (Liège, Province de Liège, Belgique - 02/10/1987 - Diapositive originale réalisée par Eric Walravens). Cette autre seule espèce de couleuvre belge est parfaitement inoffensive pour l'Homme.

Vipère péliade Vipera berus, Viperidae, Squamate, Reptile, Vertébré, Chordé (Furfooz (Dinant), Province de Namur, Belgique - 18/05/2002 - Diapositive originale réalisée par Eric Walravens). Cette dernière espèce de serpent belge est la seule potentiellement dangereuse pour l'Homme, mais elle y est rarissime et est en outre très farouche.

Vipère à cornes, vipère cornue Cerastes cerastes, Viperidae, Squamate, Reptile, Vertébré, Chordé (Serpentarium de Blankenberge, Belgique - 02/08/2000 - Diapositive originale réalisée par Eric Walravens). Les vipères, venimeuses pour l'Homme, se distinguent des couleuvres par leur pupille en forme de fente verticale.

Les venins des serpents sont principalement de nature protéinique. Ils peuvent agir :

• sur l’hémostase: les hémorragines de certains venins causent des hémorragies;
• sur le système cardio-vasculaire: les sarafotoxines sont de puissants vasoconstricteurs affectant le système circulatoire dans son ensemble et provoquant un arrêt cardiaque;
• comme enzymes lytiques: les myotoxines provoquent la dégénérescence des fibres musculaires; les cardiotoxines lysent les membranes cellulaires, entre autres celle des fibres musculaires cardiaques, ce qui provoque un arrêt du cœur;
• sur le système nerveux: c’est le cas des neurotoxines.

On connaît plusieurs types de neurotoxines agisant distinctement au niveau de la plaque motrice, soit en activant, soit en inhibant la transmisssion de l’influx nerveux:

• les dendrotoxines augmentent la quantité d’acétylcholine libérée;
• les inhibiteurs de l’acétylcholinesterase agissent, comme certains insecticides et gaz de combat, en empêchant la lyse de l’acétylcholine et sa régénération;
• les alpha-neurotoxines, caractéristiques du venin des Elapidés, bloquent l’influx nerveux en se fixant, comme le curare, sur des récepteurs cholinergiques de la plaque motrice;
• notons que les kappa-neurotoxines bloquent, quant à elles, certains récepteurs cholinergiques du système nerveux central;
• les bêta-neurotoxines, présentes chez les Elapidés et les viperidés, bloquent la transmission neuromusculaire en empêchant, comme la toxine botulinique, la libération d’acétylcholine par les terminaisons nerveuses.

7.3 Les drogues

7.3.1 La cocaïne

Erythroxylon coca est une plante de la famille des Linaceae, cultivée surtout en Amérique du Sud d'où la plante est originaire, qui produit la cocaïne au niveau des feuilles.

La cocaïne agit à trois niveaux:

• Sur le psychisme: après passage dans la circulation générale à la suite d'une injection intraveineuse ou de la traversée d'une muqueuse (prise nasale par les toxicomanes), l'effet stimulant central produit une hyperloquacité, une excitation du psychisme et des facultés intellectuelles, une diminution de la sensation de fatigue qui favorise l'effort physique. Avec de fortes doses, des tremblements, de l'incoordination motrice et des convulsions peuvent apparaître. Une phase de dépression pénible succède à l'ivresse joyeuse, appelant impérieusement une nouvelle prise de drogue. Peu à peu, l'organisme s'habitue à des doses plus fortes (accoutumance ou assuétude) et manifeste une déchéance physique et morale croissante.
• Sur le système sympathique: la cocaïne provoque une accélération cardiaque et une hypertension.
• Comme anesthésique local (voir son action sur la conduction de l'influx nerveux), ce qui constitue son intérêt majeur.

8 Les maladies nerveuses

8.1 La sclérose en plaques

La sclérose en plaques est la destruction progressive de la gaine de myéline des neurones du système nerveux central et la disparition progressive des oligodendrocytes. La destruction de ces gaines empêche la transmission de l’influx en créant des "courts-circuits".