Comment fonctionne le cerveau humain ?
La propagation de l'information dans notre cerveau se fait sous forme d'un potentiel d'action. Ce potentiel d'action se propage dans l'axone du neurone pour transmettre une information à un autre neurone, par l'intermédiaire des synapses. Dans cette partie, nous étudierons le potentiel d'action, puis nous détaillerons le fonctionnement de la synapse, et enfin, nous verrons comment les neurones réagissent aux informations et aux stimuli extérieurs.
Le potentiel d'action et l'influx nerveux
Le potentiel d'action peut être considéré comme un courant électrique qui se déplace le long des axones. Il est important de noter que ce courant électrique est de nature différente de celui que l'on retrouve quotidiennement dans les prises électriques. En effet il s'agit d'un déplacement d'ions, perpendiculairement au sens de propagation (entre les milieux intra- et extra-cellulaires), alors que l'électricité du réseau de distribution correspond a un déplacement d'électrons dans le sens de propagation du courant.
Au repos, il existe une tension entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire. Sa valeur est d'environ 70 mV. Par convention, on dit que le potentiel du milieu intracellulaire est d'environ -70 mV (potentiel transmembranaire). Ce potentiel est appelé potentiel de repos. Le potentiel d'action est le passage de cet état de repos à un état d'excitation, qui se décompose en 3 phases :
- La dépolarisation : il s'agit du passage d'une grande quantité d'ions Na+ du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire. Ces ions passent par un canal sodium voltage-dépendant, qui s'ouvre lorsque le potentiel transmembranaire dépasse une valeur seuil (on dit que le potentiel d'action suit une loi du tout et du rien). Ce passage massif d'ions (environ 1 millions d'ions par seconde) inverse la polarité de la membrane.
- La repolarisation : il s'agit du passage massif d'ions Potassium K+ du milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Ces ions passent par un canal potassium et suivent leur gradient de concentration (il s'agit de la tendance des ions à passer du milieu de plus forte concentration vers le milieu de plus faible concentration). Durant cette période, les canaux sodium voltage-dépendants sont inactifs et bloquent le passage des ions sodium. Cependant, des pompes ioniques sodium-potassium ATP dépendantes continuent de transférer activement des ions sodium du milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire, et des ions potassium dans le sens opposé.
- L'hyperpolarisation : il s'agit du retour des ions potassium dans le milieu intracellulaire ; le retard pris par les canaux potassium pour se refermer entraîne le passage d'un nombre d'ions potassium supérieur au nombre d'ions sodium qui a transité dans le sens opposé. Cette hyperpolarisation est rétablie par l'échange actif des ions potassium et des ions sodium par une pompe ionique sodium-potassium ATP-dépendante.
Pour mieux comprendre le potentiel d'action, nous vous conseillons cette animation (crédit : Musibiol).
Le potentiel d'action se propage de proche en proche. En effet, la polarisation de la membrane entraîne l'apparition d'un nouveau potentiel d'action plus loin sur la membrane. L'inactivité des canaux sodium pendant la repolarisation implique que le potentiel d'action ne peut se propager que dans un seul et unique sens.
L'influx nerveux est une suite, ou "train" de potentiels d'action qui se succèdent dans l'axone. L'influx nerveux est entraîné par une dépolarisation qui naît au niveau du cône d'émergence du neurone (il s'agit du point de rencontre entre le corps cellulaire du neurone et l'axone). Au sein d'une cellule, l'amplitude des potentiels d'action ne varie pas. Le codage de l'intensité du signal est réalisé par la fréquence de de cette succession de potentiels d'action.
La synapse
Plus que le nombre de neurones (environ 100 milliards), le nombre de connexions entre ces neurones, appelées synapses, est significatif de la complexité du cerveau : il est de l'ordre de 1014 (100 000 milliards)
La synapse est la zone de transition entre le prolongement d'un neurones (axones) et d'autres cellules nerveuses. C'est le lieu de transmission de l'information entre deux neurones. On distingue deux types de synapses : les synapses électriques et les synapses chimiques. Les synapses chimiques font appel a des neurotransmetteurs pour transmettre l'information dans l'espace entre les deux neurones. Cet espace mesure environ 2 nm pour les synapses électriques, et de 10 à 40 nm pour les synapses chimiques.
Les neurotransmetteurs sont des composés chimiques qui assurent le transfert d'information. Les neurotransmetteurs (ou neuromédiateurs) sont stockés dans l'axone, dans de petits sacs appelés vésicules. Le contenu de ces vésicules (environ 1000 à 2000 molécules) est libéré lors de l'arrivée d'un influx nerveux dans l'axone. Les neuromédiateurs libérés se fixent alors sur la membrane du neurone voisin, ce qui entraîne, dans ce neurone, l'apparition d'un potentiel post-synaptique (PPS).
Il existe deux types de PPS : les PPS excitateurs et les PPS inhibiteurs. Un PPS excitateur est généré à la réception d'un neurotransmetteur excitateur et correspond à une dépolarisation de la membrane. Ce type de PPS augmente la probabilité que le neurone génère un potentiel d'action. A l'inverse, un PPS inhibiteur, généré en présence de neurotransmetteurs inhibiteurs, correspond à une hyperpolarisation de la membrane, et diminue la probabilité que le neurone génère un potentiel d'action.
Dans les synapses électriques, le signal est transmis via une jonction communicante. Les ions y passent directement d'un neurone à un autre. Il existe dans le corps humain très peu de synapses électriques : les synapses chimiques sont beaucoup plus répandues.
Réaction des neurones aux neuromédiateurs
Un stimulus particulier emprunte toujours le même "chemin", ou réseau de neurones. Autrement dit, un mot ou une sensation tactile données activeront toujours les mêmes neurones, respectivement dans l'aire auditive et dans l'aire sensitive. Les neurones produisent deux types de neuromédiateurs : les neuromédiateurs excitateurs, qui favorisent le passage de l'information, et les neuromédiateurs inhibiteurs, qui freinent la transmission de l'information. Les neuromédiateurs excitateurs et inhibiteurs ont pour fonction de diriger l'information vers les neruones appropriés. Dans ce but, les neurones font la synthèse des informations qu'ils reçoivent, et génèrent un influx nerveux au niveau de leur axone si et seulement si la quantité de neuromédiateurs excitateurs qu'ils ont reçu est supérieure à la quantité de neuromédiateurs inhibiteurs. De plus, le potentiel d'action répond à la loi du tout ou rien, c'est à dire que si le seuil de stimulation est atteint alors la réponse est maximale (l'information est alors transmise), et si le seuil n'est pas atteint alors il n'y a aucune réaction.