Physiologie : CM n°7-10

Les neurotransmetteurs

Généralités :

Les neurotransmetteurs sont les messages chimiques privilégiés des neurones pour communiquer entre eux mais aussi avec des cellules musculaires ou des glandes (comme la medullosurénale par exemple). La neurotransmission est la messagerie la plus rapide et la plus confidentielle du corps humain, et ceci indépendamment des distances entre cellule émettrice et cible. Cette messagerie implique un réseau de ligne privatives entre neurones : les axones (prolongement des neurones). le neurotransmetteur ne sera libéré qu’à l’extrémité de l’axone. Le vecteur de cette messagerie est le liquide interstitiel mais l’espace de diffusion est le plu petit des différentes messageries : c’est l’espace (ou fente) synaptique (30nm). Par conséquent, la communication chimique ne prend quasiment pas de temps. Ce qui déclenche l’émission des neurotransmetteurs est une activité électrique : un influx nerveux ou potentiel d’action (PA). L’influx nerveux est généré au niveau du corps cellulaire du neurone et va se propager comme une onde le long de l’axone jusqu’à provoquer l’émission de neurotransmetteurs au niveau de la terminaison axonale. Une fois la fente synaptique franchie, les neurotransmetteurs vont engendrer une réaction électrique dans la cellule cible. Les lus lentes vitesses des PA sont d’un mètre par seconde et les plus rapides de l’ordre de 100 mètres par secondes. Mais les neurones ne libèrent pas que des neurotransmetteurs par influx nerveux : ils libèrent aussi des neuromodulateurs qui n’ont pas le même rôle. Ce sont des peptides (grosses molécules différentes des neurotransmetteurs) appelés de nos jours neuropeptides, dont la fonction n’est pas encore clairement définie. Ils accompagnent cependant un neurotransmetteur et modulent (augmentent ou diminuent) son effet. Enfin, certains neurones de l’hypothalamus libèrent des hormones directement dans le sang.

Le neurone :

C’est l’unité de construction du système nerveux. Dans le tissus nerveux il y a, en plus de neurones, des cellules gliales qui ne sont pas à l’origine des transferts de l’information. On a longtemps pensé qu’elles soutenaient les neurones mais elles servent aussi à nettoyer et colmater les vides laissés par la perte de neurone (qui ne se reproduisent pas). Elles font aussi le lien entre vaisseaux sanguins et neurones pour assurer la nutrition de ceux-ci. Elles participent également à la régulation du potassium dans le milieu extra-cellulaire. Enfin, elles participent à la formation des gaines de myéline en s’enroulant atour de fragments d’axone.

L’axone pointe vers la cellule cible et sa longueur varie en fonction de la distance de la cellule cible par rapport à la cellule émettrice (quelques millimètres à plusieurs dizaines de centimètres). Un axone peut posséder un ou des axones secondaires pour envoyer la même information à différents endroits, en même temps : collatérale axonale. La plupart des axones sont myélinisés. Cette gaine de myéline est un isolant évitant le parasitage entre neurones mais aussi un régulateur de vitesse de propagation des PA le long de l’axone. Elle est interrompue au niveau des nœuds de Ranvier. La transmission électrique se fait par « sauts » d’un nœud de Ranvier  au suivant : conduction saltatoire. Plus l’axone est gros (en diamètre), plus il conduit vite les PA car plus un axone est gros, plus l’espacement des nœuds de Ranvier est grand et ceci explique cette différence de vitesse de propagation. Si les axones dégénèrent et perdent leur myéline, on a alors une sclérose en plaque.

Notion de réseau :

Les neurones s’articulent entre eux selon des règles précises. Ils s’articulent entre eux en une chaîne linéaire avec un sens de transfert. Cependant, un neurone donné reçoit des informations de milliers de neurones : organisation convergente ; et ce neurone va transmettre l’information à divers neurones : divergence.

Notion de synapse :

C’est le lieu d’articulation entre les neurones. Elle se fait de deux façons, soit avec une dendrite de la cellule cible : articulation axo-dendritique, soit directement avec le soma de la cellule cible : articulation axo-somatique (plus efficace). A l’extrémité de chaque terminaison axonale, on distingue un bouton synaptique. Les boutons sont gorgés de vésicules dites synaptiques contenant les neurotransmetteurs ou les neuropeptides. Elles proviennent e l’appareil de Golgi du neurone et migrent dans l’axone.

Il y a deux types de récepteurs : ionotropique (couplé à un canal ionique) et métabotropique. Lorsqu’on active un récepteur ionotropique, il y a modification de la perméabilité aux ions de la cellule cible, ce qui a pour effet de produire une différence d’excitabilité : excitateur (produire un influx nerveux) ou inhibiteur. Ces effets sont phasiques, ils ne durent pas de temps. Cependant, l’action du neurotransmetteur sur un récepteur métabotropique est dit « effet trace » car les effets perdurent. D’autres part, il y a des effets métaboliques (modification de la structure des neurones et des réseaux : application sur la mémoire par exemple).

Les principaux neurotransmetteurs :

-          L’acetylcholine (Ach) : dans le cortex. C’est le seul à commander la contraction des muscles sous l’action de neurones cholinergiques (contenant ce neurotransmetteur).

-          Acides aminés et dérivés :

·         Acide gamma amino butyrique (GABA) : neurone gammaergique.

·         Glycine (GLY) : neurone glycinergique.

·         Glutamate (GLU) : neurone glutamatergique.

·         Dopamine (DA) : neurone dopaminergique.

·         Noradrénaline (NA) : neurone noradrénalinergique.

·         Sérotonine (5-HT = 5-hydroxytryptamine) : neurone sérotoninergique ou sérotinergique.

-          Les neuromodulateurs (neuropeptides) : les plus connus sontles endorphines, la substance P, VIP etc.

On distingue des couples neurotransmetteurs / neuromodulateurs dont on ne comprend pas encore la logique.

L’électrogenèse neuronale :

C’est la capacité des neurones à fabriquer de l’électricité qui est de nature différente de l’électricité domestique. On parle de bioélectricité (pas de flux d’électrons mais d’ions et donc charge positive, flux de cations, ou négative, flux d’anions). Les neurones sont donc des piles ioniques. On peut détecter une borne positive et une borne négative sur celui-ci qui correspond à des accumulations ioniques. Il y a une tension (une différence de potentiel) entre les bornes. Cependant, la nature des bornes et la valeur de la tension peuvent varier avec l’état du neurone : au repos, 70mV avec la borne négative à l’intérieur du neurone et borne positive à l’extérieur. C’est la borne interne qui donne le signe de la tension ; on a donc au repos –70mV.

Pour créer un courant, il y des canaux ioniques sur la membrane des neurones permettant de mettre en contact borne positive et négative : flux d’ions. Ces canaux peuvent être ouverts ou fermés et sont dirigés par les neurotransmetteurs.

Qu’est ce qui fait que le neurone est une pile ?

Quand le neurone est en stand-by, l’intérieur est négatif et l’extérieur est donc positif. Les forces de diffusion sont des forces qui déplacent des molécules. elles les déplacent toujours du « compartiment » où la molécule est en plus forte concentration vers celui où elle est en moins forte concentration. Le gradient de concentration est à l’origine des forces de diffusion, c’est à dire à l’origine de la migration des molécules. La migration des molécules se fait jusqu’à ce que les concentrations soient égales dans les deux compartiments. A cet état, on parle d’équilibre des concentrations. L’osmose est un transfert d’eau.

Diffusion des substances ionisées :

On n’atteint jamais d’égalité entre KCl et NaCl. Le gradient de potentiel génère des forces électriques entre les deux compartiments. Plus on charge le compartiment d’accueil positivement et plus ça dissuade le potassium de pénétrer car il y des forces électriques. Les forces électriques s’opposent donc aux forces de diffusion. Il n’y a jamais d’égalité à cause des forces électriques. Il y a un arrêt du flux diffusionnel. Le potassium arrête de vouloir pénétrer : équilibre. Le potentiel d’équilibre de l’ion potassium est la valeur de la différence de potentiel qui jugule les forces de diffusion, écrit : E_K+.

Les forces de diffusion :

La driving force est la résultante entre les forces électriques et les forces de diffusion qui pèsent entre les deux compartiments.

Lorsque la driving force est égale à 0, le potassium cesse de passer de A vers B, il est à l’équilibre, et ce bien que la concentration en A soit plus forte que celle en B. C’est un équilibre électrochimique.

Origine du potentiel de repos des neurones :

Le neurone se comporte comme une pile de concentration ionique et plus précisément comme une pile de concentration au K+ (potassium).

De part et d’autre de la membrane, règne un gradient de concentration ionique. Il y a plus d’ions sodium à l’extérieur qu’à l’intérieur. Par exemple, il y a donc une présence d’ions dans les deux compartiments en concentration différentes (gradient de concentration). Il y a autant de cations et d’anions à l’extérieur et à l’intérieur du neurone. Le neurone devient peu à peu perméable aux ions potassium qui fait que le neurone est une pile.

Quand le potassium s’arrête-t-il de sortir ?

Le potassium cesse de sortir lorsqu’il a installé son potentiel d’équilibre E_K+ = -70mV. Ce sera la valeur du potentiel de repos du neurone.

Les canaux ioniques :

Ce sont les « portes » offertes aux ions pour traverser la membrane. Ils sont à l’origine de la perméabilité membranaire aux ions. Ce sont des chaînes de protéines globulaires. Chaque type d’ion à son type de canal. Par exemple, il y a des canaux pour chlore, des canaux pour sodium etc. Si chaque type d’ions à son type de canal, c’est parce qu’ils n’ont pas la même taille.

La chaîne qui bloque le passage des ions se déforme pour ouvrir ou fermer le canal. Il y a deux catégories de canaux ioniques :

-          Les canaux chémo-sensibles : ils sont sensibles à une substance chimique (donc une molécule). Les molécules en question sont les neurotransmetteurs. Les neurotransmetteurs créent des perméabilités. Ca marche pour les canaux sodium et chlore.

-          Les canaux voltage-sensibles : les neurotransmetteurs n’ont aucun effet sur eux. lls n’ont pas de récepteurs. C’est le voltage, c’est à dire la différence de potentiel, qui permet d’ouvrir la « porte ». C’est à un champ électrique qu’ils sont sensibles. Ca marche pour le sodium, le potassium et le calcium.

Distribution des canaux chémo et voltage-sensibles :

Ils ont une distribution préférentielle :

-          Canaux chémo-sensibles sur le soma et les dendrites.

-          Canaux voltage-sensible sur le soma, l’axone, segment initial et terminaisons axonales. Sur le soma et l’axone on trouve les canaux à ions sodium et potassium alors que sur les terminaisons on trouve les canaux à sodium, potassium et calcium.

Le neurotransmetteur excitateur :

Il va promouvoir une activité neuronale chez sa cible. L’effet d’un neurotransmetteur est lié au type de canal auquel son récepteur est couplé. L’effet sera excitateur quand il est lié à un canal sodique (sodium).

La concentration de sodium étant plus forte à l’extérieur qu’à l’intérieur, il a tendance à entrer dans le neurone : force de diffusion. De plus, la force électrique du neurone (-70mV) attire les ions Na+. Les deux forces (de diffusion et électrique) vont dans le même sens : entrée du sodium à l’intérieur du neurone d’après la driving force. Avec cette entrée, le neurone va se dépolariser (déchargement de la « pile »). Cette dépolarisation se fera jusqu’à ce que les forces ne favorisent plus l’entrée de sodium : jusqu’à +60mV. C’est le potentiel d’équilibre du sodium (E_Na+ = +60mv). Cet inversion de polarité forme le potentiel d’action.

Plus le nombre de voies augmente, plus l’entrée de Na+ est grande et donc plus le PPSE (potentiel post-synaptique excitateur) est grand : le PPSE est donc graduable et local (car il ne donne pas lieu à une information propagée). Cependant, si l’amplitude du PPSE atteint –50mV, on atteint le seuil d’ouverture des canaux sodium voltage-sensibles. Des PPSE ne déclenchant pas cette ouverture sont dits sous-liminaires. Le potentiel d’action débute avec l’ouverture des canaux voltage-sensibles sodium. cette ouverture provoque l’entrée de sodium jusqu’à son potentiel d’équilibre (+60mV). Contrairement au PPSE, cette action est du tout ou rien car les canaux voltage-sensibles sodium ont une probabilité d’ouverture d’autant plus grande que le neurone est dépolarisé. Cette dépolarisation est la phase ascendante du potentiel d’action. A +60mV, les canaux voltage-sensibles sodium se referment. Le retour à –70mV se fait par sortie de potassium car les canaux voltage-sensibles potassiques s’ouvrent à +60mV. C’est la phase de repolarisation ou phase descendante du PA. Le potassium s’échappe pour se remettre à l’équilibre par des forces inverses à celles conditionnant l’entrée du sodium.

Le PA se propage car il est auto-regénératif. En début de PA, la zone dépolarisée n’est que le segment initial alors que la premier nœud de Ranvier est toujours au repos (-70mV). Les ions sodium vont alors migrer dans l’axone vers le premier nœud, ce qui va relancer la création d’un PA (ouverture des canaux etc.) au niveau de ce nœud, et ainsi de suite. Quand la dépolarisation atteint les boutons synaptiques, les canaux voltage-sensibles calcium s’ouvrent et le calcium entre dans le bouton car son potentiel d’équilibre et élevé (+118mV) alors que la charge n’est que de +60mV. Cette entrée de calcium va provoquer l’exocytose d’un certain nombre de vésicules synaptiques et donc la libération du transmetteur.

Le gradient de concentration de sodium ( concentration 10 fois plus importante à l’extérieur qu’à l’intérieur) et de potassium (concentration 10 fois plus important à l’intérieur qu’à l’extérieur) est maintenu grâce à des pompes ioniques qui font ressortir le sodium et entrer le potassium quand les concentrations ne sont plus convenables.

Le neurotransmetteur inhibiteur :

Il freine le genèse d’un PA. Un neurotransmetteur aura un effet inhibiteur dès lors que son récepteur sera couplé à un canal chlore. A l’ouverture de ces canaux, le chlore va entrer dans le neurone (bien que le milieu soit négatif, sa forte concentration à l’extérieur le fait entrer et il faudrait –80mV pour qu’il ne rentre pas : la force de diffusion l’emporte sur la force électrique ; driving force entrante). Cette entrée va provoquer un PPSI (potentiel post-synaptique inhibiteur) jusqu’à un maximum de –80mV (équilibre du chlore). Ce PPSI est graduable et local mais empêche la création d’un PA car il éloigne la charge du seuil de déclenchement du PA –50mV).

Un neurone reçoit des quantités d’informations différentes, il va les sommer algébriquement et si la résultante est liminaire (supérieure à –50mV), il va transmettre un PA.