Neurone, synapse et transmission : fiche de révision pas à pas et QCM type bac

Le neurone transmet l'information sous forme électrique (potentiels d'action codés en fréquence le long de l'axone) puis chimique à la synapse (neurotransmetteur codé en concentration), et l'efficacité des synapses peut se renforcer avec l'usage.

Objectifs de la fiche

Décrire la morphologie d'un neurone et reconnaître les grands types de neurones.
Expliquer le potentiel de repos et le potentiel d'action par les mouvements d'ions.
Décrire, dans l'ordre, les étapes de la transmission dans une synapse chimique.
Calculer l'effet d'une sommation de potentiels postsynaptiques.
Expliquer les bases de la plasticité synaptique.

Étape 1 : la morphologie du neurone

Notions clés

Le neurone est la cellule spécialisée du tissu nerveux. Il comprend :

un corps cellulaire (péricaryon) avec le noyau ;
des dendrites, courts prolongements ramifiés qui reçoivent les messages ;
un axone, prolongement unique qui conduit le message loin du corps cellulaire ; il naît au niveau du cône d'émergence (segment initial) ;
souvent une gaine de myéline autour de l'axone, interrompue par les nœuds de Ranvier ;
des terminaisons synaptiques (boutons) qui transmettent le message à une autre cellule.

Type	Forme	Exemple
Multipolaire	Nombreuses dendrites, un axone	Motoneurone de la moelle épinière
Bipolaire	Un prolongement de chaque côté du corps cellulaire	Neurones de la rétine
Pseudo-unipolaire (en T)	Un prolongement qui se divise en deux branches	Neurone sensitif dont le corps est dans le ganglion spinal

Le prolongement qui conduit le message nerveux en s'éloignant du corps cellulaire est :

la dendrite
l'axone
le nœud de Ranvier
le noyau

L'axone part du cône d'émergence et conduit les potentiels d'action vers les terminaisons ; les dendrites reçoivent les messages.

Étape 2 : potentiel de repos et potentiel d'action

Le potentiel de repos

Au repos, l'intérieur de l'axone est négatif par rapport à l'extérieur : la différence de potentiel est d'environ \(-70\ \text{mV}\) (valeur usuelle chez les mammifères). Elle s'explique par :

une répartition inégale des ions : beaucoup de \(\ce{K+}\) à l'intérieur, beaucoup de \(\ce{Na+}\) à l'extérieur ;
des canaux de fuite qui laissent surtout sortir des ions \(\ce{K+}\) ;
la pompe Na+/K+ qui, en consommant de l'ATP, fait sortir 3 ions \(\ce{Na+}\) et entrer 2 ions \(\ce{K+}\) à chaque cycle, maintenant ces différences de concentration.

Le potentiel d'action (PA)

Si une stimulation dépolarise la membrane jusqu'au seuil, un potentiel d'action se déclenche :

Dépolarisation : au seuil, des canaux à Na+ dépendants du voltage s'ouvrent ; les ions Na+ entrent en masse et l'intérieur devient positif, jusqu'à environ +30 mV.

Repolarisation : les canaux à Na+ se ferment, des canaux à K+ dépendants du voltage s'ouvrent ; les ions K+ sortent et la membrane redevient négative.

Hyperpolarisation puis retour au repos : les canaux à K+ se ferment lentement, le potentiel descend un instant sous −70 mV, puis la pompe et les canaux de fuite rétablissent le repos.

Le PA obéit à la loi du tout ou rien : sous le seuil, pas de PA ; au-dessus, un PA d'amplitude toujours identique. Juste après un PA, la membrane passe par une période réfractaire où un nouveau PA est impossible ou plus difficile : le PA ne repart donc pas en arrière.

Une stimulation plus forte ne donne pas un PA plus grand mais des PA plus fréquents : le message nerveux est codé en fréquence de potentiels d'action.

Propagation : dans une fibre sans myéline, le PA se propage de proche en proche (propagation continue) ; dans une fibre myélinisée, il « saute » d'un nœud de Ranvier au suivant (conduction saltatoire), ce qui est beaucoup plus rapide.

Exemple résolu : fréquence des potentiels d'action

Sur un enregistrement, on mesure un intervalle de \(\Delta t = 5\ \text{ms}\) entre deux potentiels d'action successifs. Calculer la fréquence.

Voir la solution

La fréquence est l'inverse de l'intervalle : \(f = \dfrac{1}{\Delta t}\).

Conversion : \(\Delta t = 5\ \text{ms} = 5\times10^{-3}\ \text{s}\).

\[f = \frac{1}{5\times10^{-3}} = 200\ \text{Hz}\] soit 200 potentiels d'action par seconde.

Interprétation : si l'intervalle passe à 10 ms, la fréquence tombe à 100 Hz ; le message traduit alors une stimulation moins intense.

La phase de dépolarisation du potentiel d'action est due principalement :

à la sortie d'ions K+
au fonctionnement de la pompe Na+/K+
à l'entrée d'ions Na+ par des canaux dépendants du voltage
à l'entrée d'ions Cl-

Au seuil, les canaux à Na+ dépendants du voltage s'ouvrent et l'entrée massive de Na+ rend l'intérieur positif.

Étape 3 : la transmission synaptique

Deux types de synapses

Synapse électrique : les deux cellules sont reliées par des jonctions communicantes ; le courant passe directement, très vite. Elle est rare chez les mammifères.
Synapse chimique : les cellules sont séparées par une fente synaptique ; le message passe grâce à un neurotransmetteur. C'est le cas le plus fréquent, par exemple la synapse neuromusculaire (plaque motrice) qui utilise l'acétylcholine.

Les étapes de la synapse chimique

1. Un potentiel d'action arrive dans la terminaison présynaptique.

2. Il ouvre des canaux à \(\ce{Ca^2+}\) dépendants du voltage : les ions \(\ce{Ca^2+}\) entrent dans la terminaison.

3. Les ions \(\ce{Ca^2+}\) déclenchent l'exocytose : les vésicules fusionnent avec la membrane et libèrent le neurotransmetteur dans la fente.

4. Le neurotransmetteur diffuse et se fixe sur des récepteurs-canaux spécifiques de la membrane postsynaptique, qui s'ouvrent.

5. Des ions traversent : c'est un potentiel postsynaptique. Entrée de \(\ce{Na+}\) : dépolarisation, PPSE (excitateur). Entrée de \(\ce{Cl-}\) : hyperpolarisation, PPSI (inhibiteur).

6. Le neurotransmetteur est éliminé : dégradé par une enzyme (l'acétylcholinestérase pour l'acétylcholine) ou recapté par la terminaison. La synapse est prête pour le message suivant.

flowchart LR
  PA[PA presynaptique] --> CA[Entree de calcium]
  CA --> EX[Exocytose]
  EX --> NT[Neurotransmetteur dans la fente]
  NT --> R[Fixation sur recepteurs]
  R --> PPS[Potentiel postsynaptique]
  NT --> EL[Degradation ou recapture]

Le message est ici codé en concentration de neurotransmetteur : plus la fréquence des PA présynaptiques est élevée, plus la quantité libérée est grande. La transmission est unidirectionnelle (les vésicules ne sont que du côté présynaptique) et prend un petit délai : le délai synaptique.

L'entrée des ions Ca2+ dans la terminaison présynaptique provoque directement :

l'exocytose des vésicules de neurotransmetteur
la dégradation du neurotransmetteur
un PPSI dans le neurone postsynaptique
la fermeture des récepteurs-canaux

Le calcium est le signal qui déclenche la fusion des vésicules avec la membrane présynaptique, donc la libération du neurotransmetteur.

Étape 4 : intégration et plasticité synaptique

Sommation au cône d'émergence

Un neurone postsynaptique reçoit de nombreuses synapses. Les PPSE et PPSI s'additionnent au niveau du cône d'émergence : sommation spatiale (synapses différentes en même temps) et sommation temporelle (même synapse, messages rapprochés). Un PA naît seulement si la somme atteint le seuil.

Exemple résolu : atteindre le seuil

Un neurone a un potentiel de repos de \(-70\ \text{mV}\) et un seuil de \(-50\ \text{mV}\). Chaque PPSE vaut \(+5\ \text{mV}\) et chaque PPSI \(-5\ \text{mV}\). Combien de PPSE simultanés faut-il pour déclencher un PA ? Et si un PPSI arrive en même temps ?

Voir la solution

Dépolarisation nécessaire : \[\Delta V = -50 - (-70) = 20\ \text{mV}\]

Sans PPSI : \(n = \dfrac{20}{5} = 4\) PPSE simultanés.

Avec un PPSI : il annule l'effet d'un PPSE, il faut donc \(n\) tel que \(5n - 5 \geq 20\), soit \(n \geq 5\) : 5 PPSE.

Conclusion : les synapses inhibitrices rendent le déclenchement d'un PA plus difficile ; le neurone « décide » en faisant la somme algébrique.

Plasticité synaptique

L'efficacité d'une synapse n'est pas fixe. Quand une synapse est souvent et fortement utilisée, sa transmission peut se renforcer durablement (potentialisation à long terme) : plus de neurotransmetteur libéré, plus de récepteurs postsynaptiques, voire formation de nouvelles synapses. À l'inverse, des synapses peu utilisées peuvent s'affaiblir. Cette plasticité est la base cellulaire de l'apprentissage et de la mémoire.

Deux PPSE produits par la même synapse, très rapprochés dans le temps, s'additionnent. On parle de :

sommation spatiale
période réfractaire
conduction saltatoire
sommation temporelle

Même synapse, messages rapprochés dans le temps : sommation temporelle. La sommation spatiale concerne des synapses différentes actives en même temps.

QCM type bac : entraînement final

1. La pompe Na+/K+ :

fait entrer 3 Na+ et sortir 2 K+ sans énergie
fait sortir 3 Na+ et entrer 2 K+ en consommant de l'ATP
est responsable de la phase de dépolarisation du PA
libère le neurotransmetteur

La pompe est un transport actif : à chaque cycle, elle utilise l'ATP pour sortir 3 Na+ et faire entrer 2 K+, ce qui maintient les gradients.

2. On ajoute un inhibiteur de l'acétylcholinestérase au niveau d'une plaque motrice. On observe :

une absence totale de libération d'acétylcholine
un blocage des récepteurs de l'acétylcholine
une acétylcholine qui reste plus longtemps dans la fente et une stimulation prolongée du muscle
une disparition des potentiels d'action présynaptiques

L'enzyme n'est plus active : l'acétylcholine n'est plus dégradée, elle continue d'ouvrir les récepteurs et prolonge l'effet sur le muscle.

3. Dans une fibre myélinisée, le potentiel d'action :

se forme seulement aux nœuds de Ranvier et se propage plus vite
se forme sous la myéline et se propage plus lentement
ne se propage pas
change d'amplitude à chaque nœud

La myéline isole l'axone : les PA ne naissent qu'aux nœuds de Ranvier et sautent de nœud en nœud, c'est la conduction saltatoire, plus rapide.

4. Un PPSI est provoqué notamment par :

l'entrée d'ions Na+ dans le neurone postsynaptique
l'entrée d'ions Ca2+ dans le neurone postsynaptique
l'ouverture de canaux à Na+ dépendants du voltage
l'entrée d'ions Cl- qui hyperpolarise la membrane postsynaptique

L'entrée d'ions chlorure, chargés négativement, rend l'intérieur plus négatif : la membrane s'éloigne du seuil, c'est un potentiel inhibiteur.

Erreurs fréquentes

Confondre codage en fréquence (le long de l'axone) et codage en concentration (à la synapse).
Attribuer la repolarisation à la pompe Na+/K+ : c'est la sortie de K+ par les canaux dépendants du voltage.
Penser que le message électrique traverse la fente d'une synapse chimique.
Oublier le rôle du calcium dans l'exocytose.
Croire que PPSE et PA sont la même chose : le PPSE est local et d'amplitude variable, le PA obéit au tout ou rien.

Récapitulatif

Neurone : corps cellulaire, dendrites, axone (myéline, nœuds de Ranvier), terminaisons.
Repos : environ −70 mV, maintenu par la pompe Na+/K+ et les canaux de fuite.
PA : entrée de Na+ puis sortie de K+, tout ou rien, codage en fréquence, conduction saltatoire si myéline.
Synapse chimique : Ca2+, exocytose, neurotransmetteur, récepteurs-canaux, PPSE ou PPSI, élimination.
Intégration par sommation spatiale et temporelle ; plasticité synaptique, base de l'apprentissage.

Potentiel de repos

Environ −70 mV, intérieur négatif, maintenu par la pompe Na+/K+.

Potentiel d'action

Inversion brève du potentiel, tout ou rien : entrée de Na+ puis sortie de K+.

Conduction saltatoire

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

Exocytose

Libération du neurotransmetteur déclenchée par l'entrée de Ca2+.

PPSE et PPSI

Dépolarisation excitatrice ou hyperpolarisation inhibitrice de la membrane postsynaptique.

Plasticité synaptique

Renforcement ou affaiblissement durable d'une synapse selon son usage : base de la mémoire.

Sources

Valeurs usuelles du potentiel de repos, du pic du potentiel d'action et de la stœchiométrie de la pompe Na+/K+ : Purves et al., Neurosciences, 6e édition, De Boeck ; Kandel et al., Principles of Neural Science, 6e édition, 2021.