Les cellules du cerveau

 Le cerveau au niveau cellulaire et la transmission du signal nerveux

 


« Les informations véhiculées par les récepteurs périphériques, qui répondent à l’environnement, sont analysée en leurs composantes par le cerveau, et donnent lieu à des perceptions ;  certaines de ces informations sont enregistrées dans la mémoire. Sur cette base, le cerveau commande les mouvements coordonnés des muscles. L’ensemble de ce processus se fait grâce aux cellules nerveuses et aux connexions qui existent entre elles. En dépit de la simplicité de ces unités de base, la complexité du comportement – complexité qui se manifeste de façon évidente dans toutes nos capacités de perception, de mémorisation, d’action – est le produit de l’activité concertée d’un nombre considérable de neurones. »  (Kandel, Schwartz, Jessel, 1991, p. 18)


 

Les briques du cerveaules neuronesla glie

La transmission de l'information au sein du tissu nerveuxla transmission du signal électriqueles synapsesles réseaux de neurones

 


 

Les briques du cerveau

  

Les cellules nerveuses, les neurones 

Le cerveau traite et propage l’information, qu’elle provienne de l’extérieur ou de l’intérieur de l’organisme, grâce aux neurones qui sont des cellules capables, entre autres, de transmettre un signal électrique. 

 

D’un point de vue morphologique, le neurone se compose : 

  • du soma ou corps cellulaire contenant le noyau et toute la machinerie nécessaire aux processus métaboliques. de forme pyramidale ou triangulaire.
  • d’un axone unique, prolongement tubulaire (de taille variable, de quelques centimetres à 1 m de longueur)  qui transmet une information sous la forme d’un courant électrique (potentiel d’action). A son extrémité terminale, l’axone se ramifie en de fines arborisations qui ont des terminaisons renflées. Le signal électrique se propage le long de l’axone et provoque des modifications biochimiques dans ses terminaisons. Sous l’effet du potentiel d’action, les terminaisons  de l’axone relâchent des molécules biochimiques dans le petit espace qui les sépare d’un autre neurone. Cet espace de jonction entre deux neurones est appelé la synapse. Les molécules biochimiques sont capturées par les terminaisons post-synaptiques d’un deuxième neurone.

L’axone est entouré d’une gaine de myéline. De couleur blanchâtre, la myéline est composée en majorité de lipides et formée de cellules gliales. Elle est organisée en plusieurs manchons espacés régulièrement autour de l’axone. La gaine de myéline permet d’accélérer la vitesse de propagation de l’influx nerveux, l’influx sautant d’un espace au suivant (nœud de Ranvier) (mais certains axones ne sont pas myélinisés, ceux du système nerveux autonome par exemple). 

  • Des dendrites multiples, des ramifications qui partent du corps cellulaire et qui reçoivent les signaux en provenance d’autres neurones à travers des systèmes de transmission : les synapses. 

La glie, les cellules gliales 

Les cellules gliales du système nerveux central entourent les neurones et sont essentielles à leur bon fonctionnement.

Elles constituent une sorte de collant (glie=colle en grec) du système nerveux.

On distingue souvent deux grands types de cellules gliales : la microglie, plutôt impliquée dans les processus de « nettoyage » et la macroglie, constituée des olygodendrocytes, cellules de Swann et astrocytes qui assurent les autres fonctions. Mais elles ont plusieurs rôles. 

  • elles forment un tissu de soutien aux réseaux de neurones ;
  • elles permettent de séparer et d’isoler les neurones ;
  • certaines d’entre elles éliminent les neurones en cas de lésions ou de mort cellulaire ;
  • d’autres « nettoient » l’espace entre les neurones des substances chimiques en circulation ;
  • d’autres participent à la protection du cerveau, notamment en faisant barrière à la diffusion de grosses molécules circulant dans le sang ;
  • d’autres encore assurent une fonction de nutrition pour les cellules nerveuses.
  • Certains types de cellules gliales constituent la gaine de myéline qui entoure les axones et accélère la transmission du signal électrique au sein du neurone.
  • Pendant la maturation cérébrale prénatale, certaines cellules gliales guident les neurones ou les axons vers leur emplacement final. 

 

Observer les cellules du cerveau

« … Ramon y Cajal est à l’origine de la théorie du neurone et des premières observations qui la soutiennent ; selon cette théorie, les neurones sont les unités de base du système nerveux et de la transmission des signaux, chaque neurone étant une unité discrète avec des prolongements qui émergent de son corps cellulaire. Il est difficile aujourd’hui d’avoir une idée des difficultés qu’ont rencontrées Ramon y Cajal et d’autres pour obtenir des preuves de ce qu’ils avançaient. Après les années 1830  où Jacob Schleident et Theodor Schwann ont émis la théorie cellulaire, l’idée que les cellules sont les unités structurelles de la matière vivante est devenue le dogme central pour étudier les  tissus des organes. Mais pendant plusieurs années, les anatomistes ont soutenu que cette théorie ne s’appliquait pas au cerveau. Contrairement aux autres tissus, dont les cellules ont des formes simples et entrent dans le champ d’un microscope optique, les cellules du système nerveux sont grandes et ont des formes complexes avec des prolongements qui semblent s’étendre sans fin, au point qu’ils ont été considérés pendant longtemps comme ne faisant pas partie du corps cellulaire. »  (Kandel, Schwartz, Jessel, 1991, p. 20)

La structure du neurone a été mise en évidence par l’Italien Camillo Golgi, dans les années 1870, grâce à des techniques  de coloration au nitrate d’argent qui ont permis de visualiser des cellules individuelles avec toutes leurs parties au sein d’un tissu.

L’espagnol Ramon y Cajal a appliqué la méthode de coloration de Golgi à différentes structures du système nerveux, dans plusieurs espèces animales et à différentes étapes de développement. Il a ainsi décrit l’existence de différentes classes de neurones (sur la base du nombre et de la forme de leurs prolongements) et a identifié les connexions reliant un neurone à un autre, voire des structures complexes d’interconnexions. Golgi et Cajal obtinrent le prix Nobel de médecine en 1906 pour leurs apports sur la structure du système nerveux.

 Camillo Golgi  Santiago Ramon y Cajal

Microscopes et techniques de coloration sont encore utilisés aujourd’hui en anatomie pour visualiser et étudier les cellules nerveuses. Les progrès technologiques permettent cependant de mettre en évidence des phénomènes beaucoup plus fins, à l’échelle moléculaire; par exemple, de détecter la présence de molécules, comme le calcium, présentes dans les cellules ; les microscopes électroniques permettent de visualiser des structures comme les synapses. Une révolution majeure est représentée par les techniques d’imagerie cérébrale, dont il sera question plus loin. Des techniques ont permis le comptage des neurones dans le cerveau de différentes espèces animales. En effectuant des coupes fines du cerveau, en colorant, puis en comptant les neurones présents et en appliquant des algorithmes, on a pu estimer le nombre de cellules du cerveau entier à environ 100 milliards. Des techniques plus récentes évaluent le nombre de neurones à 86 milliards. Le comptage des neurones reste cependant un défi pour les neuroanatomistes, et sa signification reste peu claire pour les neuroscientifiques en général.

Des méthodes de électrophysiologie, qui reposent sur la nature électrique du signal nerveux, permettent d’enregistrer l’état d’activité de neurones individuels, grâce à une micro-électrode insérée directement dans le tissu nerveux. L’électrode peut mesurer les variations de potentiel à l’intérieur ou à proximité d’un neurone. Ces techniques permettent des localisations fines de l’activité, mais leur utilisation est limitée à la pathologie et lors d’interventions à but thérapeutique en raison de leur caractère invasif. Leur application est actuellement envisagée dans le développement d’interface cerveau-machine permettant d’envoyer des signaux du cerveau directement à un ordinateur externe et de cette manière permettre de court-circuiter des organes lésés qui ne répondent plus aux commandes du cerveau.

 


 

La transmission de l’information au sein du tissu nerveux

 

La transmission du signal électrique

Entre l’intérieur et l’extérieur de la membrane cellulaire qui entoure le neurone, il y a une différence de potentiel électrique. Cette différence résulte d’une différence dans la distribution d’atomes chargés entre extérieur et intérieur (principalement les ions NA+, K+, Cl-). Le potentiel à l’extérieur est considéré comme nul, le potentiel intracellulaire est mesuré à -65mV, lorsque le neurone est au repos. Les cellules nerveuses sont des cellules excitables. Un stimulus produit une modification de leur différence de potentiel électrique. Ainsi, la polarisation peut augmenter (la cellule est excitée et plus susceptible de transmettre un signal) ou diminuer  (la cellule est inhibée, moins susceptible de transmettre un signal). 

La transmission du signal électrique le long du neurone dépend du niveau d’excitation : un stimulus qui produit un changement de la différence de potentiel au-dessus d’un certain seuil donne lieu à un « potentiel d’action » qui va se transmettre tout au long de l’axone de la cellule et arriver à la synapse : un signal qui n’a pas de gradation (il se produit ou ne se produit pas), qui équivaut à une dépolarisation de 110mV d'une durée de 1 ms  et qui voyage tout au long de la cellule à une vitesse comprise entre 1 et 100 m/s. Bien que tous les potentiels d’action soient presque identiques en intensité, leur fréquence change, tout comme la durée de l’envoi du signal. 

Comment un signal électrique, le même pour toutes les cellules nerveuses, peut-il provoquer une signification plutôt qu’une autre (information perceptive, commande motrice, intégration d’informations)?

« La plupart des neurones,, qu’il s’agisse de neurones moteurs, sensoriels, ou d’interneurones, ne diffèrent pas significativement quant à leurs propriétés électriques. Ce sont les connexions dans lesquelles ils se trouvent qui font en sorte que des neurones ayant des propriétés similaires revêtent en réalité des fonctions différentes. Ces connexions s’établissent au cours du développement et déterminent le rôle de chaque cellule par rapport à un certain comportement. » (Kandel, Schwartz, Jessel, 1991, p. 32)

Beaucoup se joue dans les chemins des signaux électriques, donc dans les connexions entre cellules neurales. 

Les synapses

Les neurones communiquent entre eux grâce aux synapses. Les synapses sont les espaces de connexion entre neurones.
 
Revenons à ces cellules et au signal électrique qui se propage à travers elles lorsqu’elles sont excitées.
Une fois que le signal électrique arrive à l’extrémité terminale de l’axone d’un premier neurone, il provoque la libération de molécules chimiques (contenues dans des vésicules du bouton synaptique) dans l’espace synaptique (de l’ordre d’1nm) séparant le premier neurone d’un second neurone. 
 
Les molécules contenues dans les vésicules pré synaptiques sont synthétisées par le neurone et sont de différents types.
Certaines sont excitatrices, comme l’acétylcholine ou le glutamate; d’autres sont inhibitrices, comme le GABA. Elles sont les maillons des chaines de transmission, d’où leur nom de neurotransmetteurs. Un signal électrique de grande fréquence et de longue durée provoque la libération d’une plus grande quantité de neurotransmetteur dans l’espace de la synapse. Le neurone post-synaptique est alors excité ou inhibé par le neurotransmetteur. Si  la stimulation est suffisante, un nouveau potentiel d’action se déclenche dans le second neurone et voyage le long ce deuxième neurone vers un autre neurone, et ainsi de suite.
 
Chaque neurone a des synapses avec de très nombreux autres neurones, de l'oirdre de 103. Les stimuli provenant de différents neurones peuvent se cumuler au sein de la synapse, en augmentant ou en diminuant les changes du neurones post-synaptique d’atteindre le seuil nécessaire pour faire partir un potentiel d’action. 
 

Les réseaux de neurones

Grâce aux synapses, les neurones sont connectés entre eux et forment des réseaux. Ces connexions ne sont pas toutes directes. Par exemple, les connexions entre neurones sensoriels et neurones moteurs peuvent être modifiées par des connexions provenant d’autres neurones, comme ceux du système limbique, qui en modulent l’action et les effets sur le système moteur.

Les neurones n’agissent pas seuls, mais en groupe : un seul neurone lésé n’annule pas la transmission du signal électrique.

On peut donc caractériser les neurones en grands groupes (les uns impliqués plutôt dans une fonction sensorielle, par exemple la vision, et plus spécifiquement du traitement d’un certain type de signal visuel, ou de la transmission du signal visuel primaire à d’autres centres d’élaboration du même signal ; les autres impliqués plutôt dans la planification ou des commandes relatives aux mouvements du corps, via la régulation d’un groupe de fibres musculaires.

 

 


Janvier 2016

Elena Pasquinelli, membre associé de l'institut Jean Nicod, Département d'études cognitives, ENS Paris, membre  de la Fondation La main à la pâte et Anne Bernard-Delorme, membre de la Fondation La main à la pâte
 

 

 

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