Karamö, le prof virtuelLeçon 20 sur 49
Les propriétés des tissus nerveux
Je sais expliquer l'excitabilité et la conductibilité du tissu nerveux, décrire le potentiel de repos et le potentiel d'action, et calculer une vitesse de conduction.
- 1 h 15
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir l'excitabilité et connaître les caractéristiques d'une stimulation efficace (seuil, rhéobase, chronaxie)
- Décrire et expliquer le potentiel de repos et le potentiel d'action par les mouvements d'ions
- Distinguer la réponse d'une fibre (tout ou rien) de celle d'un nerf (recrutement)
- Expliquer la propagation du message nerveux et calculer une vitesse de conduction
Avant de commencer : Les tissus nerveux (neurone, fibres myélinisées et amyéliniques, nerf) ; notions sur les ions et la membrane cellulaire.
1Je découvre
À Kindia, Aïssatou aide sa mère à préparer le repas. Elle touche par erreur la marmite brûlante et retire aussitôt la main. Sa petite sœur Hawa lui demande : « Comment ta main a-t-elle su si vite qu'il fallait bouger ? »
Au lycée, le professeur de SVT montre à la classe une vieille expérience réalisée sur un nerf de grenouille : quand on dépose une petite décharge électrique sur le nerf, le muscle de la patte se contracte. Si la décharge est trop faible, rien ne se passe. Le professeur explique aussi qu'avec des électrodes très fines, on mesure une petite différence de tension entre l'intérieur et l'extérieur d'une fibre nerveuse, même au repos, comme dans une petite pile.
Aïssatou fait le lien : le message qui a parcouru son bras était donc de nature électrique ?
Quelles sont les propriétés qui permettent au tissu nerveux de réagir à une stimulation et de transmettre rapidement un message ?
2Je comprends
1. L'excitabilité et la conductibilité
Le tissu nerveux possède deux propriétés fondamentales :
- l'excitabilité : la capacité de répondre à une stimulation (ou excitant) en produisant un message nerveux ;
- la conductibilité : la capacité de propager ce message le long des fibres.
Les stimulations peuvent être mécaniques (pincement), thermiques, chimiques ou électriques. Au laboratoire, on utilise la stimulation électrique, facile à régler et qui n'abîme pas le nerf.
2. Les conditions d'une stimulation efficace
Une stimulation n'est efficace (elle déclenche une réponse) que si son intensité atteint une valeur minimale, le seuil. En dessous, elle est dite infraliminaire ; au seuil, liminaire ; au-dessus, supraliminaire.
L'intensité seuil dépend aussi de la durée de la stimulation : plus la stimulation est brève, plus elle doit être intense. La courbe intensité-durée permet de définir :
- la rhéobase : l'intensité minimale efficace pour une stimulation de longue durée ;
- la chronaxie : la durée minimale efficace d'une stimulation dont l'intensité vaut deux fois la rhéobase.
La chronaxie mesure l'excitabilité : plus la chronaxie est petite, plus le tissu est excitable.
Exemple
Lecture d'une courbe intensité-durée.
Pour des stimulations longues, l'intensité seuil se stabilise à 0,5 V : la rhéobase vaut 0,5 V.
On cherche la durée seuil pour une intensité de 2 × 0,5 = 1 V ; on lit sur la courbe 0,3 ms.
La chronaxie de ce nerf vaut donc 0,3 ms.
Un autre nerf a une chronaxie de 0,6 ms : il est moins excitable que le premier.
3. Le potentiel de repos
Si l'on place une microélectrode à l'intérieur d'une fibre au repos et une autre à l'extérieur, on mesure une différence de potentiel constante d'environ −70 mV : c'est le potentiel de repos (ou potentiel de membrane). L'intérieur de la fibre est négatif par rapport à l'extérieur : la membrane est polarisée.
Origine : une inégale répartition des ions de part et d'autre de la membrane.
| Ion | À l'intérieur | À l'extérieur |
|---|---|---|
| Potassium K^+ | très concentré (environ 140 mmol/L) | peu concentré (environ 5 mmol/L) |
| Sodium Na^+ | peu concentré (environ 15 mmol/L) | très concentré (environ 145 mmol/L) |
- Au repos, la membrane est surtout perméable au K^+ : des ions K^+ sortent en suivant leur gradient de concentration, emportant des charges positives, ce qui rend l'intérieur négatif.
- Des pompes sodium-potassium (protéines de la membrane) utilisent l'énergie de l'ATP pour faire sortir 3 Na^+ et entrer 2 K^+ à chaque cycle. Elles maintiennent ces différences de concentration en permanence. Le neurone consomme donc de l'énergie même « au repos ».
4. Le potentiel d'action
Lorsqu'une stimulation efficace atteint une fibre, l'oscilloscope enregistre une brève variation du potentiel : le potentiel d'action. Il dure environ 1 à 2 ms et comprend :
- 1Repos : potentiel de membrane d'environ -70 mV (intérieur négatif).
- 2Dépolarisation : des canaux à Na+ s'ouvrent, les Na+ entrent en masse ; le potentiel monte jusqu'à environ +30 mV (inversion de polarité).
- 3Repolarisation : les canaux à Na+ se ferment, des canaux à K+ s'ouvrent, les K+ sortent ; le potentiel redescend.
- 4Hyperpolarisation : le potentiel descend brièvement sous -70 mV, car les K+ continuent de sortir.
- 5Retour au repos : les pompes Na+/K+ rétablissent la répartition des ions.
Pendant le potentiel d'action et juste après, la fibre ne peut pas répondre à une nouvelle stimulation, même forte : c'est la période réfractaire absolue. Puis vient la période réfractaire relative, pendant laquelle une stimulation plus forte que le seuil est nécessaire. La période réfractaire limite la fréquence des potentiels d'action et empêche le message de revenir en arrière.
5. Fibre isolée et nerf : deux réponses différentes
Une fibre isolée obéit à la loi du tout ou rien : en dessous du seuil, aucune réponse ; au seuil ou au-dessus, un potentiel d'action d'amplitude toujours identique. Augmenter l'intensité de la stimulation n'augmente pas l'amplitude du potentiel d'action.
Alors comment la fibre code-t-elle un stimulus plus fort ? Par la fréquence : une stimulation plus intense et prolongée provoque des potentiels d'action plus nombreux par seconde. Le message nerveux est codé en fréquence de potentiels d'action.
Un nerf (ensemble de fibres) donne une réponse graduée : au-delà d'un premier seuil, l'amplitude du potentiel global augmente avec l'intensité, puis atteint un maximum. Explication : les fibres du nerf n'ont pas toutes le même seuil. Plus l'intensité augmente, plus le nombre de fibres excitées augmente : c'est le recrutement. Quand toutes les fibres sont excitées, l'amplitude est maximale.
- Loi du tout ou rien
- Amplitude constante au-dessus du seuil
- Un seul seuil
- Intensité du stimulus codée en fréquence
- Réponse graduée
- Amplitude croissante puis maximale
- Seuil différent selon les fibres
- Recrutement progressif des fibres
6. La propagation du message nerveux
Le potentiel d'action né en un point de la fibre crée des courants locaux avec les zones voisines encore au repos, qui se dépolarisent à leur tour jusqu'au seuil. Le potentiel d'action se reproduit ainsi de proche en proche, sans perdre d'amplitude : il est régénéré en chaque point. Il ne revient pas en arrière, car la zone qu'il vient de quitter est en période réfractaire.
- Fibre amyélinique : propagation continue, de proche en proche, lente.
- Fibre myélinisée : la myéline est isolante ; le potentiel d'action ne naît qu'au niveau des nœuds de Ranvier et « saute » d'un nœud au suivant : c'est la conduction saltatoire, beaucoup plus rapide.
La vitesse de conduction augmente avec le diamètre de la fibre et avec la présence de myéline. Elle va d'environ 1 m/s pour de fines fibres amyéliniques à plus de 100 m/s pour de grosses fibres myélinisées.
Méthode
Pour calculer une vitesse de conduction :
- Je repère la distance entre deux électrodes réceptrices (ou entre la stimulation et la réception), et je la convertis en mètres.
- Je lis le temps que met le potentiel d'action pour parcourir cette distance (différence des latences), et je le convertis en secondes.
- J'applique v = d / t.
- J'exprime le résultat en m/s et je vérifie qu'il est plausible (entre 1 et 120 m/s environ).
Exemple
On stimule un nerf en S. Deux électrodes réceptrices R1 et R2 sont placées à 2 cm et à 6 cm de S. Le potentiel d'action arrive en R1 après 0,8 ms et en R2 après 1,6 ms.
Distance entre R1 et R2 : 6 - 2 = 4 cm = 0,04 m.
Temps de parcours : 1,6 - 0,8 = 0,8 ms = 0,0008 s.
v = 0,04 / 0,0008 = 50 m/s.
Utiliser la différence entre R1 et R2 évite d'inclure le petit temps perdu au point de stimulation.
Le potentiel global d'un nerf enregistré loin de la stimulation présente souvent plusieurs pics. Explication : les fibres d'un nerf n'ont pas toutes la même vitesse. Près de la stimulation, leurs potentiels d'action arrivent ensemble ; plus loin, les fibres rapides « prennent de l'avance » et les groupes de fibres arrivent à des moments différents.
3Je retiens
Je retiens
Excitabilité : répondre à une stimulation ; conductibilité : propager le message.
Stimulation efficace : intensité au moins égale au seuil ; rhéobase = intensité minimale pour un temps long ; chronaxie = durée efficace à 2 fois la rhéobase (petite chronaxie = grande excitabilité).
Potentiel de repos : environ -70 mV, intérieur négatif ; dû à la répartition inégale de K+ (dedans) et Na+ (dehors), maintenue par la pompe Na+/K+ qui consomme de l'ATP.
Potentiel d'action (1 à 2 ms) : dépolarisation (entrée de Na+), repolarisation (sortie de K+), hyperpolarisation, retour au repos ; suivi d'une période réfractaire.
Fibre : loi du tout ou rien, codage en fréquence. Nerf : réponse graduée par recrutement.
Conduction continue (amyélinique, lente) ou saltatoire de nœud en nœud (myélinisée, rapide) ; v = d / t.
4Erreurs fréquentes
- Dire qu'un stimulus plus fort donne un potentiel d'action plus grand dans une fibre : l'amplitude est constante ; c'est la fréquence qui augmente.
- Appliquer la loi du tout ou rien au nerf entier : le potentiel global d'un nerf varie avec l'intensité (recrutement).
- Oublier les conversions dans le calcul de vitesse : 1 cm = 0,01 m et 1 ms = 0,001 s.
- Inverser les ions : la dépolarisation est due à l'entrée de Na+, la repolarisation à la sortie de K+.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis : seuil, rhéobase, chronaxie.
b) Quelle est la valeur approximative du potentiel de repos ? Qu'est-ce qui l'explique ?
c) Qu'est-ce que la conduction saltatoire ?
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a) Seuil : intensité minimale d'une stimulation qui déclenche une réponse. Rhéobase : intensité seuil pour une stimulation de longue durée. Chronaxie : durée minimale efficace d'une stimulation d'intensité égale à deux fois la rhéobase.
b) Environ −70 mV (intérieur négatif). Il s'explique par la répartition inégale des ions (plus de K^+ à l'intérieur, plus de Na^+ à l'extérieur), la sortie de K^+ au repos, et le fonctionnement permanent de la pompe Na^+/K^+ qui consomme de l'ATP.
c) Dans une fibre myélinisée, le potentiel d'action ne se forme qu'aux nœuds de Ranvier et saute de nœud en nœud ; la conduction est ainsi beaucoup plus rapide.
2Exercice 2
On stimule une fibre isolée avec des intensités croissantes : 0,2 V ; 0,4 V ; 0,6 V ; 0,8 V ; 1,2 V. Aucune réponse pour 0,2 V et 0,4 V ; pour 0,6 V, 0,8 V et 1,2 V, on obtient un potentiel d'action de 100 mV d'amplitude.
a) Quel est le seuil de cette fibre (encadre-le) ?
b) Quelle loi est mise en évidence ?
c) Que donnerait la même expérience sur un nerf entier ?
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a) Le seuil est compris entre 0,4 V et 0,6 V (au plus égal à 0,6 V).
b) Loi du tout ou rien : sous le seuil, pas de réponse ; au-dessus, une réponse d'amplitude constante (100 mV) quelle que soit l'intensité.
c) Sur un nerf, l'amplitude du potentiel global augmenterait avec l'intensité (recrutement de fibres de seuils différents), puis atteindrait un maximum quand toutes les fibres répondent.
3Exercice 3
Deux électrodes réceptrices sont placées sur un nerf à 3 cm l'une de l'autre. Le potentiel d'action met 1,5 ms pour aller de la première à la seconde.
a) Calcule la vitesse de conduction.
b) Ce résultat correspond-il plutôt à une fibre myélinisée ou amyélinique ? Justifie.
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a) d = 3 cm = 0,03 m ; t = 1,5 ms = 0,0015 s. v = 0,030,0015 = 20 m/s.
b) 20 m/s est bien supérieur à la vitesse des fines fibres amyéliniques (de l'ordre de 1 m/s) : il s'agit plutôt de fibres myélinisées (de diamètre moyen).
4Exercice 4
Décris les phases du potentiel d'action enregistré sur un axone et explique chacune par les mouvements d'ions.
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- Dépolarisation : la stimulation ouvre des canaux à Na^+ ; les Na^+, plus concentrés dehors, entrent massivement ; le potentiel passe de −70 mV à environ +30 mV.
- Repolarisation : les canaux à Na^+ se ferment, les canaux à K^+ s'ouvrent ; les K^+ sortent et le potentiel redevient négatif.
- Hyperpolarisation : la sortie de K^+ se prolonge un peu ; le potentiel passe brièvement sous −70 mV.
- Retour au potentiel de repos : fermeture des canaux à K^+ ; la pompe Na^+/K^+ maintient la répartition des ions.
5Exercice 5
(Type BAC) On stimule le nerf sciatique d'une grenouille en S et on enregistre la réponse avec une électrode réceptrice placée à différentes distances de S.
- À 2 cm : un seul pic, apparu 0,5 ms après la stimulation.
- À 8 cm : deux pics, le premier apparu à 2 ms, le second à 4,5 ms.
a) Explique pourquoi on observe un seul pic à 2 cm et deux pics à 8 cm.
b) En considérant que la stimulation se fait au temps zéro et en négligeant le temps de latence à S, calcule la vitesse des fibres responsables de chaque pic à 8 cm.
c) Vérifie que les fibres du premier pic ont la même vitesse que celle calculée à 2 cm.
d) Quelle caractéristique des fibres peut expliquer ces différences de vitesse ?
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a) Le nerf contient des fibres de vitesses différentes. À 2 cm, les potentiels d'action de toutes les fibres arrivent presque en même temps : un seul pic. À 8 cm, la différence de vitesse a eu le temps de créer un décalage : les fibres rapides arrivent d'abord (1er pic), les plus lentes ensuite (2e pic).
b) Premier pic : v1 = 0,080,002 = 40 m/s. Second pic : v2 = 0,080,0045 ≈ 17,8 m/s.
c) À 2 cm : v = 0,020,0005 = 40 m/s, identique à v1. À 2 cm, les fibres lentes arriveraient à 0,0217,8 ≈ 0,0011 s, soit 1,1 ms, trop près de 0,5 ms pour séparer nettement deux pics sur l'enregistrement.
d) Les fibres rapides sont de plus grand diamètre et myélinisées ; les fibres lentes sont plus fines (ou moins myélinisées).
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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