CONSIGNE : Sur votre feuille de copie, vous devez indiquer le titre, le plan, prendre des notes sur les informations fournies, répondre aux questions posées dans les activités, en faisant des phrases correctes et en utilisant un vocabulaire adapté. Vous pouvez également compléter votre cours avec des recherches personnelles complémentaires soit à partir des liens proposés, soit à partir d'autres sources.

 

Les centres nerveux sont des ensembles de neurones organisés en structures spécialisés dans l'interprétation de stimulations sensorielles, le contrôle d'activités motrices, la mémorisation, etc.

Ces fonctions permettent à l’individu d'avoir un comportement cohérent, adapté à la situation à laquelle il est confronté. Si chacun est capable de ressentir les effets d'une stimulation sensorielle, l'interprétation qu'il en fait lui est propre. Les réseaux de neurones se développent, en effet, en fonction des caractéristiques, de l’environnement propre à chaque individu.

Problématique : Le fonctionnement du système nerveux est-il défini une fois pour toute par les gènes ou au contraire peut-il se modifier en fonction de l’environnement et du passé de chaque individu ?

Essayons d'abord de savoir comment les informations sensorielles sont intégrées par le système nerveux central.

I - LA RECEPTION DES MESSAGES SENSORIELS PAR LE CORTEX CEREBRAL

A - Le système nerveux

La dissection de la souris révèle l'organisation du système nerveux d'un mammifère. Celle de l'encéphale du mouton permet de mieux comprendre l'organisation de cet organe chez l'homme.
L'encéphale de l'homme, contenu dans la boîte crânienne, est constitué de l'avant vers l'arrière et du haut en bas:

Activité: Organisation du système nerveux

1° Schématisez l'organisation du système nerveux d'un mammifère à partir de la dissection de la souris.

2° Légendez le schéma1 fourni en annexe , notamment en vous aidant le la page sur le cerveau à tous les niveaux

B - Le cortex cérébral

Grâce à l'imagerie médicale (idéographie, tomographie densitométrique, imagerie par résonance magnétique IRM), nous pouvons identifier les régions du cortex.
L'idéographie est une technique d'exploration du fonctionnement cérébral et des processus mentaux par mesure des débits sanguins locaux à la surface du cortex cérébral: ils permettent de localiser les zones actives lorsqu'un sujet effectue une fonction motrice ou sensorielle (vue, ouïe, toucher,...) et ainsi de dresser la cartographie des aires d'arrivée des messages sensoriels ou de départ des signaux moteurs
 
Il est possible de cartographier des aires corticales motrices (en rouge) et sensorielles (en bleu) comme le montre ce document sur les aires corticales..

Activité: Le cortex cérébral

1° Légéndez le schéma sur les aires corticales fourni en annexe.

2° Localisez sur l'idéogramme précédent l'activité cérébrale la plus intense lors d'un mouvement répétitif des doigts de la main droite.

 

C -Représentation du corpssur le cortex: l'aire somato-sensorielle

Chaque hémisphère reçoit l'ensemble des informations sensorielles de la moitié opposée du corps. Ainsi les différentes parties du corps sont représentées sans conservation des proportions. Cette représentation est appelée " homunculus sensoriel ". L'étendue des différentes parties est liée à la densité des terminaisons nerveuses correspondantes. Cette projection corticale varie d'une espèce à l'autre en fonction de la sensibilité de telle ou telle partie du corps:

chez l'homme, la main est bien représentée,

chez le singe, arboricole, le pied est presque aussi bien représenté que la main,

chez le rat,nocturne, les vibrisses sont les organes des sens les mieux représentés.

Voir des vibrisses

Chez l'homme, le schéma explique comment il faut concevoir cette représentation corticale dans le cas de la sensibilité tactile .

Activité: l'homonculus sensoriel

1°Expliquez les proportions aberrantes de l'homonculus.

2°Précisez quels sont les organes privilégiés chez le rat, le singe.

D -Organisation cellulaire du cortex

Les enregistrements de l'activité des neurones du cortex somato-sensoriel montrent que chaque neurone tend à répondre de façon plus ou moins sélective à une seule classe de récepteurs sensoriels, comme les récepteurs au toucher de la peau, les récepteurs aux mouvements des poils ou encore les fuseaux neuro-muscuIaires. Cette caractéristique n'est pas le fruit du hasard mais est en relation avec la disposition en couches superposées des corps cellulaires: les cellules corticales qui répondent à un même type de stimulation forment des colonnes traversant l'ensemble des touches corticales. Ces différentes colonnes forment une série de motifs répétés.

Organisation en colonnes . Chaque doigt de la main (D1, D2, D3) est représenté au niveau de couches corticales adjacentes. À l'intérieur de la zone corticale correspondante à chaque doigt, alternent des«colonnes» de cellules correspondantes à des récepteurs cutanés différents.

Activité: organisation cellulaire

expliquez ce que signifie l’organisation « en colonnes » des cellules du cortex.

 

On se demande maintenant quelle est la part du génotype dans le fonctionnement du système nerveux.

II - LA PART DU GENOTYPE DANS LE FONCTIONNEMENT DU SYSTEME NERVEUX

A - Les gènes architectes

Des gènes architectes dont des gènes homéotiques sont à l’origine de la mise en place du plan d’organisation du système nerveux à partir du tube neural de l’embryon.

 

B- Mise en place des réseaux neuroniques au cours du développement

D’autres gènes contrôlent la migration, dans le temps et dans l’espace des cellules précurseurs des neurones.

Voir la croissance de neurones en culture

Ceux-ci dirigent la croissance et la migration des neurones par l'intermédiaire de molécules variées (molécules d'adhérence cellulaire, molécules attractives ou répulsives, facteurs de croissance et de survie des neurones...) qui assurent le guidage des cellules nerveuses ou qui stimulent leur développement. D'autres molécules sont impliquées dans la formation des synapses.



Quelques données.

Un neurone en cours de croissance (MP, fausses couleur).

Lors de sa croissance, le neurone émet des prolongements cytoplasmiques, ou neurites, chacun terminés par un ou plusieurs cônes de croissance. Il s'agit de structures extrêmement mobiles, qui explorent l'environnement par de nombreux filopodes. Ces cônes sont impliqués dans l'orientation de la croissance des axones. jusqu'à la reconnaissance des cibles synaptiques.


Neurones de ganglions sensitifs prélevés sur un embryon de poulet âgé de 8 jours et cultivé pendant 12 heures en présence (a) ou en l'absence (b) d'un facteur de croissance nerveux.
Un facteur de croissance nerveux est une protéine synthétisée sous contrôle gênetique, puis libérée dans le
milieu extracellulaire par les cellules cibles des neurones, c'est-à-dire les cellules avec lesquelles ils doivent établir des synapses pour former des réseaux neuroniques fonctionnels. Ces facteurs se fixent sur des récepteurs protéiques spécifiques situés sur la membrane plasmique des neurones.

Activité: les réseaux neuroniques

1° A partir des documents précédents, déterminer comment est assuré le guidage de la croissance de l'axone lors de la mise en place d'un circuit neuronique

2° Expliquez en quoi l'expérience sur les ganglions sensitifs de poulet met en évidence un contrôle génétique de la croissance des axones.

 

C - Etude des mutations

Des mutations des gènes qui contrôlent la synthèse de ces molécules se traduisent par la disparition de certains neurones et se manifestent par exemple, par des troubles de la locomotion ou du maintien de la posture. Le génotype d'un organisme a donc une part importante dans la réalisation du phénotype comportemental.

Exemple de mutations du cervelet chez la souris

Activité: mutations

1° Comparez les désordres causés par les mutations dans l'organisation du cervelet des souris observés à différentes echelles.

2° Expliquez en quoi ces données sont des arguments en faveur d'une influence du génotype sur la mise en place des réseaux de neurones et sur le fonctionnement du système nerveux.

(Autres informations plus détaillées sur les phénotypes mutants cérébelleux chez la souris)

 

Il nous reste à voir maintenant comment l'environnement influence l'organisation du cortex cérébral.

III - LA PLASTICITE CEREBRALE

A - Modifications du cortex somatosensoriel chez le rat

Les vibrisses des rongeurs

La réorganisation des tonneaux chez le rat

Activité: le cortex somato-sensoriel

Déterminez les conséquences sur l'organisation du cortex somatosensoriel de l'ablation d'une rangée de vibrisse à la naissance et 7 jours après la naissance.

B- Les effets de l'entrainement sur le cortex somatosensoriel

Un singe hibou a été entrainé pendant plusieurs mois à effectuer une tâche durant laquelle il s'est servi frequemment des doigts 2 et 3 et plus occasionnellement du doigts 4.

 

Activité: les effets de l'entrainement sur le cortex somato-sensoriel

Expliquez les représentations des doigts au niveau du cortex et indiquez les conséquences de l'entrainement au niveau cortical.

C - Plasticité cérébrale et lésions

Le membre fantôme:

Lorsqu'une personne perd un membre, l'aire de projection cort:icale qui recevait les messages nerveux sensoriels en provenance de ce membre n'est plus stimulée. Cela se traduit par une modification du cortex somatosensoriel dans la région voisine de l'aire de projection du membre perdu. Ainsi, à la suite de la perte d'un bras, l'aire corticale qui était stimulée par ce bras se trouve stimulée, pour l'essentiel, par des messages nerveux en provenance de la face. Toutefois, il arrive que le cerveau considère toujours qu'il s'agit là de messages afférents en provenance du bras. C'est pourquoi certaines personnes ressentent des sensations, parfois douloureuses, provenant d'un membre «fantôme».


Quelques données. Un accident vasculaire cérébral est une occlusion ou une rupture d'une artère irriguant une partie du cerveau. L'héminégligence est la non-prise en compte d'une partie du champ visuel. Elle apparaît fréquemment après un accident vasculaire cérébral.
Autoportrait d'un peintre 2 mois (a), 3 mois (b), 6 mois (c) et 9 mois (d) après un accident vasculaire cérébral droit. (Anton Raderscheidt, 4 self-portraits of 1968.)

Activité: les effets de l'entrainement sur le cortex somato-sensoriel

Expliquez en quoi les documents présentés témoignent de l'existence d'une plasticité neuronale chez l'adulte.

Autres exemples de plasticité chez l'homme adulte

Réorganisation corticale après une greffe des deux mains

RQ:Les mécanismes de remodelage épigénétique qui tiennent à une modification de la quantité et de l'intensité des connexions synaptiques entre les neurones d'une colonne et ceux des colonnes adjacentes témoignent d'une plasticité remarquable du cortex, mais sont encore mal connus.


D- la neurogenèse

« En 1992, des chercheurs canadiens ont réussi à isoler dans le cerveau de souris adultes des cellules qui, en culture, donnent naissance à d'autres neurones. Cette découverte engendra une série de recherches extrêmement fructueuses. [...] Le rôle de telles cellules souches dans le cerveau adulte reste tout aussi énigmatique que leur localisation. En général, elles participent à la reconstitution d'un organe lors d'une lésion. Ainsi, lorsque la peau a subi une blessure, elles donnent naissance aux cellules qui permettront leur cicatrisation. Mais dans le cerveau, il n'existe aucun indice qu'elles contribuent à la réparation du tissu nerveux. Elles peuvent pourtant se régénérer dans le cas où une partie de leur population est détruite, par exemple, lors d'une irradiation expérimentale des ani­maux. Elles seraient également à l'origine des cellules gliales, qui permettent la reconstitution de la myéline des axones après une lésion. Mais cette prolifération pourrait aussi paradoxalement empêcher dans certaines conditions la repousse des neurones et donc avoir une action inhibitrice sur la régénération. Prévenir la naissance de ces cellules pourrait faciliter la régénération. [...] Quoiqu'il en soit, la possibilité de générer des grandes quantités de neurones et de pouvoir différencier les cellules avant de les transplanter confère un potentiel thérapeutique extraordinaire aux cellules souches. À long terme, la transplantation de ces cellules pourrait être utilisée lors de traumatismes ou d'accidents cérébro-vasculaires, ainsi que pour certaines maladies neuro-dégénératives (Parkinson, Alzheimer, etc.)»

D'après A. Represa et Y Arsenijevic, "Les origines des neurones chez l'adulte ", La Recherche, n° 329 mars 2000, p. 35 - 37

Activité: la neurogenèse

Discutez l'affirmation faite pendant des années « un neurone ne se divise pas».

 

BILAN

Vous pouvez si vous le souhaitez télécharger le bilan final (format doc) de ce chapitre .