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Programme de Première S - Nerveux

Biologie : Génotype et expérience dans le fonctionnement du système nerveux (6 semaines)

Cette partie du programme a un double objectif :

d'une part, permettre l'acquisition de notions de base sur la communication nerveuse chez les mammifères et plus particulièrement chez l'homme ;
d'autre part, élargir la compréhension des relations entre le phénotype et le génotype d'un organisme.
Les réactions comportementales, les représentations du monde que se construit un organisme grâce à son système nerveux, sont des aspects de son phénotype au même titre que ses caractéristiques physiques.

Le réflexe myotatique fournit un exemple du déterminisme génétique impliqué dans l'organisation du système nerveux et les propriétés des neurones.

Les approches suggérées de la plasticité du cortex cérébral attirent l'attention sur le fait que, depuis le tout début de sa mise en place jusqu'à la mort, l'organisation cérébrale inscrit dans sa structure l'histoire individuelle de l'organisme. Cette épigénèse, permise par les gènes, ouvre l'architecture corticale sur l'environnement physique et social. Elle fait de chaque individu - même les vrais jumeaux - un être cérébralement unique, parce qu'en constante reconstruction.

L'outil informatique est particulièrement utile pour aborder l'étude de ces sujets de neurophysiologie. Outre l'expérimentation assistée par ordinateur, il existe plusieurs logiciels de simulation, complémentaires les uns des autres, permettant de mettre les élèves en situation d'investigation.

ACTIVITÉS ENVISAGEABLES

NOTIONS ET CONTENUS

Réalisation et étude d'électromyogrammes relatifs au réflexe myotatique chez l'homme.
Étude des supports anatomiques et cytologiques intervenant dans la réalisation du réflexe.

Réalisation et étude de l'enregistrement du potentiel global d'un nerf par ExAO.
Analyse d'enregistrement de l'activité électrique de fibres nerveuses issues des fuseaux neuromusculaires.
Utilisation de logiciels de simulation de l'activité nerveuse.

Étude de documents sur le message nerveux.

Étude de documents relatifs à l'organisationde synapses et de la transmission synaptique.

Étude de résultats expérimentaux montrant la mise en jeu de synapses excitatrices et inhibitrices.

Analyse de documents relatifs au déterminisme génétique de certaines formesd'insensibilité congénitale à la douleur.

Les propriétés intégratrices des centres nerveux et le fonctionnement des neurones
Les circuits neuroniques médullaires mobilisés au cours du réflexe myotatique
Le réflexe myotatique assure le tonus musculaire nécessaire au maintien de la posture.
Le réflexe myotatique repose sur des populations neuronales :
- les neurones afférents qui ont leurs corps cellulaires dans les ganglions des racines dorsales ; les extrémités de ces neurones afférents sont en liaison avec des récepteurs sensoriels : les fuseaux neuro-musculaires ;
- les motoneurones des muscles étirés et les motoneurones des muscles antagonistes dont les axones aboutissent aux fibres musculaires effectrices ;
- les interneurones inhibiteurs assurant les connexions entre les neurones afférents et les motoneurones des muscles antagonistes.
Limites : l'étude détaillée du récepteur sensoriel et de la plaque motrice, l'étude détaillée de la structure et du fonctionnement des fibres musculaires, ne sont pas au programme.

Les potentiels d'action et les messages nerveux
- Les signaux émis par les neurones sont des potentiels d'action
La genèse de potentiels d'action repose sur l'existence d'un potentiel dit de repos, propriété commune à toutes les cellules.
Un potentiel d'action est une inversion transitoire de la polarisation membranaire. Au coursde sa propagation le long d'une fibre, le potentiel d'action conserve toutes ses caractéristiques.

Limites : les mécanismes ioniques sous-tendant la genèse du potentiel de repos et du potentiel d'action, la propagation des potentiels d'action par les courants locaux, ne sont pas au programme.

- Les messages nerveux
Les messages nerveux (afférents et efférents) se traduisent au niveau d'une fibre par destrains de potentiels d'action, d'amplitude constante. Les messages nerveux sont codés par lafréquence des potentiels d'action et le nombre de fibres mises en jeu.

Limites : les mécanismes de la transduction (potentiels de récepteurs, potentiels générateurs)ne sont pas au programme.

- Caractéristiques du fonctionnement des synapses
Un message nerveux est transmis d'un neurone à d'autres neurones ou à des cellules effectrices par des synapses.
Au niveau d'une synapse, le message nerveux présynaptique, codé en fréquence de potentiels d'action, est traduit en message chimique codé en concentration de neurotransmetteur. Les molécules de neurotransmetteur se fixent sur des récepteurs de la membrane post-synaptique ; cette fixation induit une modification de l'activité du neurone post-synaptique. Ce changement d'activité est à l'origine d'un nouveau message.

Limites : les mécanismes ioniques liés à l'activité des synapses ne sont pas au programme.

- Activité du centre nerveux
Le traitement des messages afférents, en réponse au stimulus d'étirement à l'origine du réflexemyotatique, modifie la fréquence des potentiels d'action des motoneurones. Celle des motoneurones du muscle étiré est augmentée alors que celle des motoneurones des musclesantagonistes est diminuée, voire annulée.
Les motoneurones et les interneurones du réflexe myotatique sont en connexion avec d'autres neurones que les neurones afférents issus des fuseaux neuro-musculaires.
Dans certaines limites, la stimulation d'autres récepteurs sensoriels (par exemple les récepteurs nociceptifs) ou une commande volontaire peuvent inhiber le réflexe myotatique.

Limites : les notions de potentiel post-synaptique excitateur et de potentiel post-synaptique inhibiteur ne sont pas au programme.

La part du génotype dans le fonctionnement du système nerveux
Le phénotype comportemental des réflexes (par exemple le réflexe myotatique et le réflexenociceptif d'évitement) est la conséquence de la mise en place, au cours du développement,des chaînes de neurones, sous le contrôle de l'information génétique.

Étude de documents d'imagerie cérébrale relatifs à l'activation du cortex sensoriel.

Étude comparée des représentations corticales sensorielles chez deux espèces de mammifères.

Étude de la représentation des vibrisses de rongeurs dans le cortex sensoriel et sa modification génétique et épigénétique.

Analyse de l'évolution de la représentationcorticale des doigts des violonistes, occupation du "cortex visuel" chez les non voyants...

Le cortex sensoriel et la plasticité du système nerveux central
L'information sensorielle générée à la périphérie est transmise au cortex sensoriel.
Dans le cortex somatosensoriel, chaque territoire de l'organisme est représenté. Cettereprésentation est déformée par rapport à la surface des territoires corporels.
Les zones corticales concernées sont constituées de neurones interconnectés et organisés encolonnes.

Des modifications de l'activité neuronale à la périphérie régulent l'organisation dynamiquedu cortex. Elles se traduisent par un remodelage des connexions synaptiques, témoin de la plasticité neuronale.
La neuroplasticité est une propriété générale du système nerveux central.

Limites : les détails de l'organisation anatomique du cortex cérébral ne sont pas au programme.

ACTIVITÉS ENVISAGEABLES	NOTIONS ET CONTENUS
Réalisation et étude d'électromyogrammes relatifs au réflexe myotatique chez l'homme. Étude des supports anatomiques et cytologiques intervenant dans la réalisation du réflexe. Réalisation et étude de l'enregistrement du potentiel global d'un nerf par ExAO. Analyse d'enregistrement de l'activité électrique de fibres nerveuses issues des fuseaux neuromusculaires. Utilisation de logiciels de simulation de l'activité nerveuse. Étude de documents sur le message nerveux. Étude de documents relatifs à l'organisationde synapses et de la transmission synaptique. Étude de résultats expérimentaux montrant la mise en jeu de synapses excitatrices et inhibitrices. Analyse de documents relatifs au déterminisme génétique de certaines formesd'insensibilité congénitale à la douleur.	Les propriétés intégratrices des centres nerveux et le fonctionnement des neurones Les circuits neuroniques médullaires mobilisés au cours du réflexe myotatique Le réflexe myotatique assure le tonus musculaire nécessaire au maintien de la posture. Le réflexe myotatique repose sur des populations neuronales : - les neurones afférents qui ont leurs corps cellulaires dans les ganglions des racines dorsales ; les extrémités de ces neurones afférents sont en liaison avec des récepteurs sensoriels : les fuseaux neuro-musculaires ; - les motoneurones des muscles étirés et les motoneurones des muscles antagonistes dont les axones aboutissent aux fibres musculaires effectrices ; - les interneurones inhibiteurs assurant les connexions entre les neurones afférents et les motoneurones des muscles antagonistes. Limites : l'étude détaillée du récepteur sensoriel et de la plaque motrice, l'étude détaillée de la structure et du fonctionnement des fibres musculaires, ne sont pas au programme. Les potentiels d'action et les messages nerveux - Les signaux émis par les neurones sont des potentiels d'action La genèse de potentiels d'action repose sur l'existence d'un potentiel dit de repos, propriété commune à toutes les cellules. Un potentiel d'action est une inversion transitoire de la polarisation membranaire. Au coursde sa propagation le long d'une fibre, le potentiel d'action conserve toutes ses caractéristiques. Limites : les mécanismes ioniques sous-tendant la genèse du potentiel de repos et du potentiel d'action, la propagation des potentiels d'action par les courants locaux, ne sont pas au programme. - Les messages nerveux Les messages nerveux (afférents et efférents) se traduisent au niveau d'une fibre par destrains de potentiels d'action, d'amplitude constante. Les messages nerveux sont codés par lafréquence des potentiels d'action et le nombre de fibres mises en jeu. Limites : les mécanismes de la transduction (potentiels de récepteurs, potentiels générateurs)ne sont pas au programme. - Caractéristiques du fonctionnement des synapses Un message nerveux est transmis d'un neurone à d'autres neurones ou à des cellules effectrices par des synapses. Au niveau d'une synapse, le message nerveux présynaptique, codé en fréquence de potentiels d'action, est traduit en message chimique codé en concentration de neurotransmetteur. Les molécules de neurotransmetteur se fixent sur des récepteurs de la membrane post-synaptique ; cette fixation induit une modification de l'activité du neurone post-synaptique. Ce changement d'activité est à l'origine d'un nouveau message. Limites : les mécanismes ioniques liés à l'activité des synapses ne sont pas au programme. - Activité du centre nerveux Le traitement des messages afférents, en réponse au stimulus d'étirement à l'origine du réflexemyotatique, modifie la fréquence des potentiels d'action des motoneurones. Celle des motoneurones du muscle étiré est augmentée alors que celle des motoneurones des musclesantagonistes est diminuée, voire annulée. Les motoneurones et les interneurones du réflexe myotatique sont en connexion avec d'autres neurones que les neurones afférents issus des fuseaux neuro-musculaires. Dans certaines limites, la stimulation d'autres récepteurs sensoriels (par exemple les récepteurs nociceptifs) ou une commande volontaire peuvent inhiber le réflexe myotatique. Limites : les notions de potentiel post-synaptique excitateur et de potentiel post-synaptique inhibiteur ne sont pas au programme. La part du génotype dans le fonctionnement du système nerveux Le phénotype comportemental des réflexes (par exemple le réflexe myotatique et le réflexenociceptif d'évitement) est la conséquence de la mise en place, au cours du développement,des chaînes de neurones, sous le contrôle de l'information génétique.
Étude de documents d'imagerie cérébrale relatifs à l'activation du cortex sensoriel. Étude comparée des représentations corticales sensorielles chez deux espèces de mammifères. Étude de la représentation des vibrisses de rongeurs dans le cortex sensoriel et sa modification génétique et épigénétique. Analyse de l'évolution de la représentationcorticale des doigts des violonistes, occupation du "cortex visuel" chez les non voyants...	Le cortex sensoriel et la plasticité du système nerveux central L'information sensorielle générée à la périphérie est transmise au cortex sensoriel. Dans le cortex somatosensoriel, chaque territoire de l'organisme est représenté. Cettereprésentation est déformée par rapport à la surface des territoires corporels. Les zones corticales concernées sont constituées de neurones interconnectés et organisés encolonnes. Des modifications de l'activité neuronale à la périphérie régulent l'organisation dynamiquedu cortex. Elles se traduisent par un remodelage des connexions synaptiques, témoin de la plasticité neuronale. La neuroplasticité est une propriété générale du système nerveux central. Limites : les détails de l'organisation anatomique du cortex cérébral ne sont pas au programme.