•       En 1771 le médecin italien Galvani découvrit que les contractions des muscles de grenouille étaient engendrées par un courant électrique et cela inspira Volta qui en 1800 réalisa la première pile.
        Depuis 1952, on sait grâce aux expériences de Alan Hodgkin et Andrew Huxley, que le courant électrique qui se déplace le long des neurones comme dans des fils conducteurs  constitue le fondement de nos réflexions, de nos pensées et de nos émotions, comme il nous permet de connaître tout ce qui nous entoure, paysages comme êtres vivants.
        Pourtant, en mesurant dès 1850 la vitesse de cet "influx nerveux" et la trouvant égale à quelques mètres par seconde, le physicien et physiologiste allemand H. von Helmholtz démontrait que la propagation de l'influx nerveux dans les nerfs ne pouvait être assimilée à un simple courant électrique parcourant un fil conducteur.

        Dans mes articles sur le système nerveux et le cerveau, j’ai jusqu'à présent assimilé l’influx nerveux à un courant électrique, car c’était très suffisant pour ce que je voulais vous décrire, mais j'ai pensé qu'il fallait essayer de vous expliquer ce qu’est l’influx nerveux, mais ce n’est pas si facile que cela de le faire en termes simples

        Quand vous vous piquez la main avec une aiguille, vous ressentez une douleur avec un léger retard correspondant au temps nécessaire à la propagation d'un signal électrique de la main au cerveau. 
        Ce temps est perceptible, alors que lorsque vous branchez une lampe sur une prise de courant, l’allumage est instantané
        Dans un fil électrique métallique et conducteur, les charges électriques (des électrons) se déplacent aisément dans le sens longitudinal (le long du fil).
        Au contraire, dans un axone de neurone, la membrane est isolante, et les charges se déplacent perpendiculairement à la membrane du neurone et de l’axone; c'est ce courant transversal qui engendre une différence de potentiel nommée “potentiel d'action”, transmise de proche en proche, grâce à des phénomènes physico-chimiques, très lents par rapport au déplacement des électrons dans un fil concucteur.

        Comment ces potentiels d'action sont-ils créés dans le neurone ? 
        C’est un processus assez extraordinaire.

        De part et d'autre de la membrane d'un neurone que ce soit le corps du neurone, mais aussi tout le long de l’axone règnent des concentrations d'ions sodium Na+ et d'ions potassium K+, la concentration de ces ions dans l’organisme étant régulée de façon précise. Ces ions provenant en général de chlorures ( notamment le sel ClNa), il y a aussi des ions négatifs Cl- . Par ailleurs d’autres ions (par exemple le magnésium) interviennent aussi, mais à moindre titre et nous les négligerons.
        Sur la membrane du neurone tout au long de l’axone ou des dendrites les membranes comportent de nombreuses protéines qui sont ce que l’on appelle des “canaux ioniques” ou des “pompes à ions” (voir le schéma ci dessous)..

    http://lancien.cowblog.fr/images/Cerveau1/axonenormal.jpg

        La pompe à ion utilise une molécule qui, dans tous les organismes vivants, fournit lors de son hydrolyse, l'énergie nécessaire aux réactions chimiques des cellules : l’adénosine triphosphate (ATP).  
        Cette protéine-pompe à ions se sert de cette énergie pour sortir de l’intérieur du neurone les ions sodium et faire entrer des ions potassium, ceci en permanence et en faible quantité. Il en résulte une différence de concentration les ions K+ étant plus nombreux à l’intérieur et les ions Na+ beaucoup plus nombreux à l’extérieur de la membrane cellulaire.La pompe à ions fait entrer plus d'ions K+ qu'elle ne fait sortir d'ions NA+, cartes ions K+ sont plus petits et passent donc plus facilement par la protéine pompe à ions.
        Cette différence de concentration entre l’extérieur et l’intérieur du neurone ou de l’axone, entraîne donc une inégalité des charges électriques de part et d’autre et une différence de potentiel négative , appelé “potentiel de repos”, qui est de l’ordre de de l'ordre de -70 mV environ, entre la face intracellulaire de la membrane du neurone et sa face extracellulaire.
        Compte tenu du fait que cette membrane est très fine (quelques nanomètres) le champ électrique engendré par cette différence de charges est très fort et les ions sodium s’ils le pouvaient entreraient rapidement dans la cellule.
        Les canaux ioniques sont des protéines qui laissent passer une certaine sorte d’ion dans un sens. Ce sont en général des molécules en forme de ressort spiralé qui changent de structure dans certaines conditions (en général des phosphatations), et le ressort s’écarte, laissant passer les ions, le champ électrique favorisant le passage de la concentration la plus forte vers la plus faible. Il existe des canaux ioniques spécifiques des ions Na+, K+, Ca++, Mg+ Cl-....qui ne laissent passer que des ions du type approprié.

        Une aiguille qui “appuie” sur la membrane du neurone excite un canal moléculaire moléculaires qui laisse pénétrer sélectivement les ions sodium. Cette entrée  va agir sur les canaux voisins qui s’ouvrent également et il y aura donc une entrée massive d'ions Na+ chargés positivement  (voir schéma ci dessous).

    http://lancien.cowblog.fr/images/Cerveau1/axoneexcite.jpg

        Du fait de cette entrée de charges positives, le potentiel monte brusquement de 100 mv environ, passant localement de -70 à + 30 mv (phase 1).
        Ces ions sodium provoquent une répulsion électrostatique des ions K+ chargés aussi positivement et qui sont en bas du canal ionique potassium, provoquant son ouverture, comme en agissant sur deux leviers. 
        L'excès de charges positives provoqué par l'entrée d'ions sodium est compensé par une fuite de charges positives due à la sortie d'ions potassium, ce  qui rééquilibre les charges positives de part et d'autre de la membrane du neurone et la tension retrouve son niveau initial, (phase 2), voire même un niveau un peu inférieur (phase 3)puis remonte à la normale sous l’effet de la pompe à ions.(phase 4)
        Il en résulte localement une impulsion de tension représentée sur la figure ci-dessous : c’est ce que l’on appelle une “dépolarisation”.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Cerveau1/potactionneurone.jpg

        Le signal se propage parce que les canaux s'ouvrent de proche en proche du fait des augmentations de concentration et donc de charges positives. Cette dépolarisation se produit donc successivement tout le long de la dendrite ou de l’axone, avec un petit retard et tout se passe comme si cette impulsion se propageait le long de l’axone, mais à vitesse beaucoup plus réduite que s’il s’agissait d’électrons, comme dans le cas de la conduction électrique. 

        Certains produits chimiques peuvent perturber le fonctionnement de ces canaux ioniques. Le venin de tarentule, par exemple, bloque l'ouverture des canaux potasium, provoque une paralysie générale des sensations et des mouvements, qui s'étendrait, au cerveau s’il n'était entouré d'un filtre efficace retenant de telles toxines, et donc empêcherait nos pensées elles-mêmes. 
        La présence des canaux ioniques, moteurs du mouvement de l’influx nerveux, est déterminée génétiquement. Hommes, rats, vers de terre, tous possèdent les séquences d'ADN qui garantissent leur présence. Si l'une d'elles ne fonctionnait pas correctement, l'effet serait désastreux.

        J’espère que ce “cours de SVT” vous a permis de comprendre comment se propageait l’influx nerveux et que cela n’a pas trop fatigué votre cerveau !!

       
     

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    Cerveau et ordinateur

              Dans un article sur l'apprentissage de l'enfant, j'avais dit que nous naissons avec un cerveau "vide", car juste capable de nous faire vivre et avec des mécanismes d'apprentissage qui nous donnaient un énorme potentiel de progression physique et intellectuelle.
              Un correspondant m'a écrit : c'est comme dans un ordinateur, un disque dur ou un DVD vide, avant que l'on enregistre des infos dedans, avec juste le système de l'ordinateur, qui lui permet de fonctionner à notre profit et de nous obéir.
              C'est une comparaison qui est relativement bonne, car effectivement le cerveau est, à notre naissance, prêt à recevoir tout ce qu'on va lui apprendre, mais est encore relativement “vide”, comme un cd ou un disque dur
              Mais là s'arrête la comparaison car le cerveau ne fonctionne pas comme un ordinateur, et il y a quatre différences fondamentales :

                            - le fonctionnement du cerveau n'est pas aussi simple que celui d'un ordinateur et il repose autant sur des phénomènes biochimiques très complexes que sur la circulation de potentiels électriques.
               Il y a cependant quelques analogies mais uniquement de principes théoriques généraux, mais pas de fonctionnement. La reconnaissance des sons et des couleurs par exemple se ressemble un peu dans leurs principes généraux la reconstitution des couleurs à partir de 3 couleurs fondamentales). De même le cerveau “vide sa mémoire” la nuit d'où nos rêves.

                           
    - Le cerveau a beaucoup de mémoire mais ce ne sont pas des emplacements précis comme sur un cd ou un disque dur, emplacements dont on a changé la nature physique par un phénomène par exemple magnétique ou laser.
              Sur le plan de la mémoire, le cerveau est putôt comparable à un central téléphonique qui établit des connexions entre les neurones, chaque neurone ou groupe de neurones, (comparable au récepteur téléphonique), pouvant donner une caractéristique comme la couleur, le son, le nom, une propriété, le possesseur ... d'un objet ou rassembler des caractéristiques d'une image.
              Ce sont ces connexions renforcées par des phénomènes électro - biochimiques, qui sont un peu comme les fils qui relient nos téléphones au central qui lui les faits communiquer entre eux.
              Nous n'avons pas d'outil assez fin actuellement pour repérer les “postes téléphoniques” et nous ne savons repérer que les centres nerveux qui sont les “centraux téléphoniques”.

                        - la troisième caractéristique très importante est qu'un ordinateur, c'est bête  ( et pas forcément méchant même quand il vous fait des misères LooL), car il ne fait qu'obéir aux instructions des programmes qu'il abrite.
              Le cerveau est capable de fabriquer ses propres programmes, graâce aux phénomènes d'apprentissage et de récompense, et par ailleurs il peur être créatif, c'est à dire assembler des idées existantes pour créer une idée, un concept nouveau. Et il est ainsi capable de raisonnements très abstraits, qui justement lui permettentde créer les programmes des ordinateurs. Et notre inconscient se livre à des prévisions et des calculs du genre probabilités,(en consultant la mémoire), dont nous n'avons pas conscience, mais qui pèsent dans nos décisions. L'intelligence artificielle ne rivalisera sans doute jamais avec notre inconscient.
              On commence seulement à faire de bien pâles imitations de notre cerveau dans des robots, purement électroniques et qui n'auraont jamais les capacités chimiques des connexions de notre cerveau.
              Cependant le cerveau comme l'ordinateur a ses “bogues”

                            - la quatrième différence, qui d'ailleurs est une conséquence des deux précédentes, est que le cerveau humain, grâce aux mécanismes de récompense qui fait ressentir ce qui est agréable (ou désagréable) et ce qui est bénéfique (ou mauvais) pour nous, et parce qu'il est capable d'avoir des pensées très complexes, crée ce que nous appelons des “sentiments”, et des "émotions"
               Notre cerveau notamment est capable d'amour et de haine.

              Ces quelqques lignes sont bien entendu, un peu caricaturales par leur simplicité, la réalité étant bien plus complexe.
        Mais je crois que la réflexion qui m'avait été faite et était très sensée, méritait un petit complément.

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  • Quand on parle du système nerveux et du cerveau, on examine le fonctionnement des neurones, cellules à l’origine de l’influx nerveux , de toutes nos pensées et nos réactions.
        On ne cite presque jamais les « cellules gliales », aussi nombreuses dans le cerveau que les neurones, qui ont cependant une importance vitale, et occupent environ 50% du volume cérébral.
        Ces cellules assurent jouent un rôle de protection du tissu nerveux en apportant une structure de soutien aux neurones et à leurs prolongements, produisent la myéline qui entoure les axones; elles maintiennent la composition du flux sanguin, facilitent l’accès des nutriments et de l'oxygène, éliminent les déchets,  les cellules mortes et les cellules étrangères pathogènes.
        De plus, ce qui est moins connu, ils participent à la diffusion de messages nerveux, mais à faible vitesse.
        Contrairement à la grande majorité des neurones, les cellules gliales peuvent se diviser par mitose.


        Les astrocytes constituent la majorité des cellules gliales; ce sont des cellules en forme d’étoiles, ayant un  cytoplasme et un noyau, mais surtout de très nombreux prolongements qui remplissent tout le cerveau et forment même un film protecteur au contact des méninges (la muqueuse qui entoure le cerveau).
        Un même astrocyte peut être en contact avec plusieurs milleiers de synapses d’une même zone.
        ils forment un tissu de soutien, support physique tridimensionnel, qui aide les neurones et leurs prolongements à s’organiser et stimulent la formation des synapses : un neurone au voisinage d’un astrocyte a davantage de synapses.
        Leurs « pieds » entourent certaines synapses pour les protéger, et peuvent détruire les excédents de neurotransmetteurs ou au contraire en fournir, mais ils « écoutent » également les synapses et transmettent des signaux à d’autres astrocytes, sous forme de bouffées de calcium, à travers les « jonctions gap ».
        C’est une transmission lente, mais multidirectionnelle et à longue distance.

            Les astrocytes envoient des prolongements et de nombreux « pieds » sur les vaisseaux sanguins du cerveau. Ils provoquent l’extension et la contraction des vaisseaux sanguin en fonction du besoin.
        La barrière hémato-encéphalique est constituée de cellules endothéliales, qui tapissent la paroi des vaisseaux sanguins. Les pieds des astrocytes incitent ces cellules à former des jonctions étroites (« tight »), qu’ils recouvrent de leurs pieds et protègent ainsi le cerveau des microbes et des substances toxiques. (voir le schéma ci-contre).
     

       Par ailleurs ils débarrassent le cerveau des cellules mortes et des déchets divers et les évacuent vers le système sanguin. A l’inverse ils facilitent le transport de l’oxygène et des nutriments vers les neurones (notamment un sucre indispensable aux neurones, le lactate).


      Les oligo-dendrocytes sont des cellules plus petites que les astrocytes et qui possèdent moins de prolongements. Ils fabriquent une gaine graisseuse isolante autour des axones, augmentant ainsi de façon considérable la vitesse de transmission de l’influx nerveux. Il existe des petites portions d'axone non recouvertes de myéline appelées nœuds de Ranvier. C’est à cet endroit que se concentrent les canaux sodiques et potassiques et que se forme l’influx nerveaux par dépolarisation, qui « saute » d’un nœud de Ranvier à l’autre.



        Les cellules microgliales, à petit noyau dense et de forme étoilée, sont mobiles. Ce sont des macrophages qui phagocytent les corps étrangers,notamment microbes. Leur corps enfle et leurs bras se referment sur la proie.. Ce sont des agents immunitaires.


       Les cellules de Schwann (ou neurolemmocytes) sont une variété de cellules gliales qui assurent principalement l'isolation myélinique des axones du système nerveux périphérique des vertébrés. Elles jouent le même rôle que les oligo-dendrocytes jouent dans le cerveau, où les cellules de Schwann ne sont pas présentes.

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  •           J'ai fait des articles sur le fonctionnement de nos nerfs et j'ai parlé d'influx nerveux tantôt comme si c'était un courant, mais j'ai parlé aussi de polarisation,: alors on m'a écrit que je pourrais être plus clair et précis. C'est vrai, mais ce n'est pas si facile que cela à expliquer,  bien que le principe ait été trouvé en 1957 par le chimiste hollandais JC Skou, qui a obtenu en 1997 le prix Nobel pour ses travaux.
              Je vais essayer quand même.

               Les neurones produisent l'influx nerveux grâce à une « pompe à ions » et notamment une pompe « sodium-potassium ».

    Qu'est ce que l'influx nerveux

     

              Dans la membrane qui entoure le corps du neurone se trouvent de grosses protéines qui jouent le rôle d’une pompe à ions.
              Cette protéine est une très grosse chaîne organique, qui peut se déformer grâce à des réactions chimiques qui utilise de l’énergie fournie par la dégradation d’une autre molécule : l’adénosine triphosphate ou ATP
              La pompe à ions comporte une cavité qui peut recevoir à un moment donné trois ions sodium Na++. Par contre les ions potassium sont trop gros pour y tenir
              La protéine est polarisée ; elle attire ces ions et les propulse vers l’extérieur du neurone dans le milieu extracellulaire.
              Puis la protéine change de forme et la cavité s’agrandit, pouvant recevoir deux ions potassium venant du milieu extérieur, qu’elle propulse à l’intérieur du neurone.
              Il y a donc à l’intérieur du neurone moins de charges électriques et la membrane acquiert une différence de potentiel (une « polarisation ») permanente d’environ – 70 millivolts, que l'on appelle "potentiel au repos"

    Qu'est ce que l'influx nerveux           Supposons que les dendrites du neurone reçoivent des influx nerveux positif.
              Si cet influx dépasse un certain seuil, il provoque une entrée massive d’ions sodium NA++. La tension passe brutalement de -70 à environ + 30 mV..
             Puis l’entrée d’ion sodium cesse alrs que la pompe à ion évacue ces ions et la potentiel d’action baisse et revient à son état initial.  

    Qu'est ce que l'influx nerveux           Mais ce phénomène va ouvrir des canaux sodium un peu plus loin sur l’axone, ce qui provoquera le même phénomène de passage du potentiel à +30 mV ; Cette action se propage tout au long de l’axone. 
            C’est l’équivalent d’un courant électrique mais en fait c’est la propagation d’un phénomène migratoire d’ions ce que l’on appelle propagation d’une polarisation.
             C’est ainsi que se propage l’influx nerveux.
             Ce n’est pas la propagation d’un courant électrique d’électrons mais celle d’une concentration d’ions sodium qui engendre une différence de potentiel qui se propage le long de l’axone. 

    Qu'est ce que l'influx nerveux          70 % de l’énergie consommée par les neurones est consacrée à ce phénomène en consommant de l’ATP.
              L’ATP est le combustible utilisé par toutes les cellules organiques vivantes : elle s’hydrolyse en adénosine monophosphate (AMP) et libère de l’énergie, qui est utlisée pour permettre d’autres transformations chimiques . La formule de l’ATP est donnée ci-contre : c’est la rupture des doubles liaisons des phosphore qui libère l’énergie.
             C’est l’ATP qui fournit l’énergie nécessaire aux muscles.
             Il y a très peu d’ATP stockée dans le corps humain : elle est synthétisée en permanence, d’abord à partir de la créatine présente dans les muscles qui fournit du phosphore pour transformer l’AMP en ATP ; ensuite à partir du glycogène et enfin à partir des graisses, lorsque le corps est amené à faire des efforts prolongés..

                

     

     

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  •  

             Je suis toujours émerveillé par le bon fonctionnement de notre cerveau, alors qu’il est d’une complexité extraordinaire et en particulier par le mélange électrique et chimique de la transmission de l’influx nerveux. Les neuro transmetteurs dont on connaissait une quinzaine en 1980 sont maintenant plus de cent !

     Le mécanisme de leur action est une merveille; je l’ai décrit dans plusieurs articles, et je le rappelle brièvement ici.

     

          A la jonction entre l’axone provenant d’un neurone et la dendrite qui va vers un autre neurone, se trouve un petit « bouton », une synapse, qui comporte une discontinuité : la « fente synaptique », très fine (quelques dizaines de nm), dans laquelle circulent des ions et des protéines et corps chimiques divers.

          Certaines synapse se trouvent le long de l’axone et d’autres en bout des axones.

     

          La synapse est composée de trois parties : 

               - l’élément présynaptique, qui se présente sous la forme d'un renflement de l'axone, rempli de petites vésicules de formes variées (les vésicules synaptiques) contenant ujn neurotransmetteur chimique.

              - la fente synaptique qui est truffée de récepteur de neurotransmetteurs, qui sont de grosses protéines enroulées en spirale, qui peuvent se lier avec un neurotransmetteur bien déterminé et qui se dilatent alors pour laisser passer des ions.

             - l’élément postsynaptique, appartenant à la dendrite, dépourvu de vésicules et qui  comporte des récepteurs de neurotransmetteurs canaux à ions, qui permettront la transmission d’un potentiel d’action positif ou négatif, selon le neurotransmetteur.

     

          Au niveau de la synapse, l'influx nerveux qui arrive par l’axone, libère des molécules du neurotransmetteur qui traversent la ente synaptique, entre l'axone et la dendrite du neurone suivant, (voir figure ci dessous), et entrent dans des récepteurs spécifiques et favorisent alors le passage à travers des “canaux ioniques”, d'ions positifs ou négatifs (en général Ca++ et Cl-), lesquels propagent un signal positif ou négatif dans la dendrite, vers le corps du neurone suivant.

          Le processus de diffusion des neurotransmetteurs dans la fente synaptique mat une dizaine de microsecondes à s’établir, et est terminé au bout d’une centaine de microsecondes : les neurotransmetteurs sont soit détruits soit repris dans des vésicules, les canaux ioniques se ferment et au contraire des pompes à ions éliminet les ions restants.

     

     

     

          Les parties présynaptiques des axones renferment en général les vésicules contenant des neurotransmetteurs, qui sont synthétisés sur place.

    0

          Mais ce n’est pas toujours le cas et certains sont produits dans les corps des neurones. Ils doivent alors être transportés tout au long de l’axone, jusqu’à la synapse.

          Les vésicules produites dans le corps du neurone migrent comme des wagons sur des structures de l’axone, constituées par des protéines filamenteuses, qui jouent le rôle de rails. Elles vont de synapse en synapse et s’arrêtent lorsque une synapse n’a plus une réserve suffisante de neurotransmetteur.

     Leur déplacement, mis en évidence avec un microscope électronique, semble aléatoire.

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