Neurone, synapse et transmission : exercices sur enregistrements et étude de cas des substances qui agissent sur la synapse

Le message nerveux est électrique le long du neurone (potentiels d'action codés en fréquence) et chimique à la synapse (neurotransmetteur codé en concentration) ; lire des enregistrements et analyser l'effet de substances permet de comprendre chaque étape.

Objectifs

Lire un enregistrement de potentiel de repos et de potentiel d'action, et en tirer des valeurs.
Calculer une vitesse de conduction et un délai synaptique.
Prévoir la réponse d'un neurone postsynaptique par sommation spatiale et temporelle.
Identifier l'étape de la transmission synaptique bloquée ou renforcée par une substance.
Interpréter une expérience de potentialisation à long terme (plasticité synaptique).

Notions clés à mobiliser

1. Le neurone

Un neurone comprend des dendrites (réception), un corps cellulaire (noyau, intégration), un axone (conduction), souvent entouré d'une gaine de myéline interrompue aux nœuds de Ranvier, et des terminaisons qui forment les synapses.

2. Les bases ioniques

Potentiel de repos : environ \(-70\ \mathrm{mV}\) ; l'intérieur est riche en \(\ce{K+}\), l'extérieur en \(\ce{Na+}\). La pompe \(\ce{Na+}/\ce{K+}\) (consomme de l'ATP) expulse 3 \(\ce{Na+}\) et fait entrer 2 \(\ce{K+}\) à chaque cycle, ce qui maintient ces différences.
Potentiel d'action (PA) : si la dépolarisation atteint le seuil, des canaux \(\ce{Na+}\) voltage-dépendants s'ouvrent (entrée de \(\ce{Na+}\), dépolarisation), puis des canaux \(\ce{K+}\) (sortie de \(\ce{K+}\), repolarisation). Pour une fibre, le PA obéit à la loi du tout ou rien : son amplitude ne dépend pas de l'intensité du stimulus.
L'intensité du stimulus est codée par la fréquence des PA.

3. Les synapses

Synapses électriques : jonctions communicantes entre deux cellules, passage direct des ions, délai quasi nul.
Synapses chimiques (les plus nombreuses) : neuro-neuronales ou neuromusculaires ; excitatrices (PPSE, dépolarisation) ou inhibitrices (PPSI, hyperpolarisation).

Étape 1 : un potentiel d'action arrive dans le bouton présynaptique et ouvre des canaux calciques : des ions \(\ce{Ca^2+}\) entrent.

Étape 2 : l'entrée de calcium déclenche l'exocytose des vésicules : le neurotransmetteur est libéré dans la fente synaptique, en quantité proportionnelle à la fréquence des PA.

Étape 3 : le neurotransmetteur se fixe sur des récepteurs-canaux de la membrane postsynaptique, qui s'ouvrent ; à une synapse excitatrice, l'entrée de \(\ce{Na+}\) crée un PPSE.

Étape 4 : le neurotransmetteur est rapidement éliminé de la fente, par dégradation enzymatique (l'acétylcholinestérase pour l'acétylcholine) ou par recapture dans le bouton : le message s'arrête.

Quel ion déclenche la libération du neurotransmetteur dans le bouton présynaptique ?

\(\ce{K+}\)
\(\ce{Cl-}\)
\(\ce{Ca^2+}\)

L'arrivée du PA ouvre des canaux calciques ; l'entrée de \(\ce{Ca^2+}\) provoque la fusion des vésicules avec la membrane (exocytose).

Exercices progressifs corrigés

Niveau 1 : lire un potentiel d'action

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Potentiel de repos : \(-70\ \mathrm{mV}\). Amplitude : \(+30 - (-70) = 100\ \mathrm{mV}\). Phases : dépolarisation (de \(-70\) à \(+30\ \mathrm{mV}\), entrée de \(\ce{Na+}\)), repolarisation (retour vers \(-70\ \mathrm{mV}\), sortie de \(\ce{K+}\)), hyperpolarisation (passage à \(-80\ \mathrm{mV}\), les canaux \(\ce{K+}\) se ferment lentement), puis retour au repos.

Niveau 2 : vitesse de conduction

Fibre myélinisée : \[ v_1 = \frac{0{,}040\ \mathrm{m}}{0{,}00080\ \mathrm{s}} = 50\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]

Fibre amyélinisée : \[ v_2 = \frac{0{,}040\ \mathrm{m}}{0{,}040\ \mathrm{s}} = 1{,}0\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]

La conduction est 50 fois plus rapide dans la fibre myélinisée : la myéline isole l'axone et le PA « saute » d'un nœud de Ranvier au suivant (conduction saltatoire), au lieu de se régénérer de proche en proche sur toute la membrane.

Niveau 3 : tout ou rien et codage en fréquence

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Le seuil de la fibre est \(0{,}3\ \mathrm{V}\). Au-dessus du seuil, l'amplitude reste \(100\ \mathrm{mV}\) : loi du tout ou rien. L'intensité est codée par la fréquence des PA (10 puis 80 par seconde), pas par leur amplitude.

Deux électrodes sont à 6,0 cm l'une de l'autre et le PA met 1,2 ms pour aller de l'une à l'autre. La vitesse vaut :

50 m/s
5 m/s
0,5 m/s

\(v = 0{,}060 / 0{,}0012 = 50\ \mathrm{m\,s^{-1}}\). Convertis les centimètres en mètres et les millisecondes en secondes.

Niveau 4 : sommation au neurone postsynaptique

a) \(-70 + 8 = -62\ \mathrm{mV}\) : sous le seuil, pas de PA.

b) \(-70 + 8 + 8 = -54\ \mathrm{mV}\) : seuil dépassé, un PA naît. C'est la sommation spatiale (deux synapses différentes au même moment).

c) \(-70 + 8 + 8 = -54\ \mathrm{mV}\) : PA. C'est la sommation temporelle (la même synapse, deux fois de suite rapidement).

d) \(-70 + 8 + 8 - 6 = -60\ \mathrm{mV}\) : sous le seuil, pas de PA. Le PPSI de N3 empêche la réponse : le neurone intègre messages excitateurs et inhibiteurs.

Avec les mêmes valeurs, combien de PPSE de \(+8\ \mathrm{mV}\) simultanés faut-il au minimum pour déclencher un PA en présence de deux PPSI (soit \(-12\ \mathrm{mV}\)) ?

2 PPSE suffisent
4 PPSE
Aucun nombre ne suffit

Il faut atteindre \(+15\ \mathrm{mV}\) au total : avec 3 PPSE, \(24 - 12 = 12\ \mathrm{mV}\) ne suffit pas ; avec 4, \(32 - 12 = 20\ \mathrm{mV}\), le seuil est dépassé.

Étude de cas : des substances qui agissent sur la synapse neuromusculaire

À la jonction neuromusculaire, le neurotransmetteur est l'acétylcholine (ACh). Elle se fixe sur des récepteurs nicotiniques de la fibre musculaire, puis elle est détruite par l'acétylcholinestérase. Voici l'effet connu de quatre substances :

Substance	Observation sur un muscle stimulé par son nerf
Curare (poison de flèche d'origine végétale)	le muscle ne se contracte plus, alors que l'ACh est libérée normalement ; le muscle répond encore si on le stimule directement
Toxine botulique	le muscle ne se contracte plus ; on ne trouve presque plus d'ACh dans la fente
Ésérine (et insecticides organophosphorés)	contractions renforcées et prolongées ; l'ACh reste longtemps dans la fente
Acétylcholine ajoutée dans la fente	contraction, même sans stimulation du nerf

Cherche d'abord : pour chaque substance, quelle étape (libération, fixation sur le récepteur, élimination) est touchée ?

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Curare : l'ACh est libérée mais n'agit pas, et le muscle lui-même fonctionne : le curare bloque les récepteurs nicotiniques (il prend la place de l'ACh sans ouvrir le canal). Résultat : paralysie.
Toxine botulique : plus d'ACh dans la fente : elle empêche la libération (exocytose) de l'ACh. Résultat : paralysie.
Ésérine, organophosphorés : l'ACh n'est plus détruite : ils inhibent l'acétylcholinestérase. Résultat : excitation prolongée, d'où les contractions involontaires du cultivateur (et la salivation, car d'autres synapses à ACh sont touchées).
ACh ajoutée : prouve que c'est bien la fixation de l'ACh sur ses récepteurs qui déclenche la réponse du muscle.

Conclusion pratique : porter des gants, un masque et des vêtements couvrants pour pulvériser, et consulter sans attendre en cas de symptômes.

Une substance empêche la destruction de l'acétylcholine dans la fente. Quel effet prévoir sur le muscle ?

Une paralysie immédiate par manque d'ACh
Des contractions renforcées et prolongées
Aucun effet

L'ACh reste fixée plus longtemps sur ses récepteurs : la fibre musculaire est excitée plus longtemps. C'est l'effet de l'ésérine et des insecticides organophosphorés.

Plasticité synaptique : une synapse qui apprend

Augmentation relative : \[ \frac{3{,}0 - 2{,}0}{2{,}0} = 0{,}50 \ \text{soit } +50\ \% \]

Le même message présynaptique produit une réponse plus forte, et cela dure : c'est la potentialisation à long terme (PLT, ou LTP en anglais).

Mécanisme simplifié : l'activité intense ouvre des récepteurs NMDA qui laissent entrer du \(\ce{Ca^2+}\) dans le neurone postsynaptique ; cela déclenche l'ajout de récepteurs (de type AMPA) dans la membrane postsynaptique. À plus long terme, de nouvelles synapses peuvent se former. C'est une base cellulaire de la mémoire.

Pour aller plus loin : d'où vient le potentiel de repos ?

À \(37\ \text{°C}\), le potentiel d'équilibre d'un ion de charge \(+1\) est donné par l'équation de Nernst simplifiée :

\[ E = 61{,}5 \times \log \frac{[\text{ion}]_{ext}}{[\text{ion}]_{int}} \quad (\text{en mV}) \]

Avec des concentrations typiques de \(\ce{K+}\) : \(5\ \mathrm{mmol\,L^{-1}}\) à l'extérieur et \(140\ \mathrm{mmol\,L^{-1}}\) à l'intérieur :

\[ E_{K} = 61{,}5 \times \log \frac{5}{140} \approx 61{,}5 \times (-1{,}45) \approx -89\ \mathrm{mV} \]

Le potentiel de repos (\(-70\ \mathrm{mV}\)) est proche de \(E_K\), car au repos la membrane est surtout perméable au \(\ce{K+}\) ; une petite perméabilité au \(\ce{Na+}\) le rend un peu moins négatif.

Erreurs fréquentes

Récapitulatif

Repos vers \(-70\ \mathrm{mV}\), maintenu par la pompe \(\ce{Na+}/\ce{K+}\) ; PA : entrée de \(\ce{Na+}\) puis sortie de \(\ce{K+}\), tout ou rien.
Codage en fréquence le long de l'axone ; conduction saltatoire plus rapide dans les fibres myélinisées.
Synapse chimique : PA, entrée de \(\ce{Ca^2+}\), exocytose, fixation sur les récepteurs, PPSE ou PPSI, élimination du neurotransmetteur.
Le neurone postsynaptique intègre par sommation spatiale et temporelle.
Des substances agissent sur une étape précise : curare (récepteurs), toxine botulique (libération), ésérine et organophosphorés (acétylcholinestérase).
Plasticité : une stimulation intense rend une synapse durablement plus efficace (PLT).

Loi du tout ou rien

Au-dessus du seuil, une fibre émet des PA d'amplitude constante ; l'intensité est codée en fréquence.

Conduction saltatoire

Le PA saute de nœud de Ranvier en nœud de Ranvier dans les fibres myélinisées.

PPSE et PPSI

Dépolarisation (excitatrice) ou hyperpolarisation (inhibitrice) locale de la membrane postsynaptique.

Sommation

Spatiale : plusieurs synapses en même temps ; temporelle : une synapse plusieurs fois rapidement.

Curare

Bloque les récepteurs de l'acétylcholine de la jonction neuromusculaire : paralysie.

Potentialisation à long terme

Renforcement durable d'une synapse après une stimulation intense : base cellulaire de la mémoire.