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Aperçu de la structure et de la fonction du neurone

Introduction aux neurones et aux cellules gliales. Comment la structure d'un neurone lui permet-elle de recevoir et de transmettre des informations ?

Comment savez-vous où vous vous trouvez en ce moment ?

Votre capacité à percevoir votre environnement – à voir, entendre et sentir ce qui vous entoure – dépend de votre système nerveux. Il en va de même de votre capacité à reconnaître où vous êtes et à vous rappeler si vous y êtes déjà allé auparavant. En fait, votre capacité même à vous demander comment vous savez où vous êtes repose sur votre système nerveux !
Si vos sens indiquent un danger ("Oh non, la maison est en feu !"), votre capacité à réagir en fonction de cette information dépend également de votre système nerveux. En plus de vous permettre de traiter consciemment la menace, votre système nerveux déclenche des réponses involontaires, telles que l'augmentation de votre fréquence cardiaque et de l'afflux sanguin en direction de vos muscles, afin de vous aider à faire face au danger.
Tous ces processus reposent sur les cellules interconnectées qui composent votre système nerveux. Comme le cœur, les poumons et l'estomac, le système nerveux est composé de cellules spécialisées. Celles-ci incluent les cellules nerveuses (ou neurones) et les cellules gliales (ou glie). Les neurones constituent les unités fonctionnelles de base du système nerveux. Ils génèrent des signaux électriques appelés potentiels d'action, qui leur permettent de transmettre rapidement des informations sur de longues distances. La glie est également essentielle au fonctionnement du système nerveux, mais elle intervient principalement comme soutien des neurones.
Dans cet article, on examinera les neurones, la glie et les systèmes nerveux. On verra comment la structure des neurones supporte leur fonction, et comment ces derniers s'organisent en circuits qui traitent l'information et génèrent une réponse.

Le système nerveux humain

Chez les humains et les autres vertébrés, le système nerveux peut être généralement divisé en deux parties : le système nerveux central et le système nerveux périphérique.
  • Le système nerveux central (SNC) est constitué du cerveau et de la moelle épinière. C'est dans le SNC qu'a lieu toute l'analyse de l'information.
  • Le système nerveux périphérique (SNP), qui se compose des neurones et des portions de neurones situés en dehors du SNC, comprend les neurones sensoriels et les neurones moteurs. Les neurones sensoriels amènent les signaux jusqu'au SNC, tandis que les neurones moteurs transmettent les signaux issus du SNC.
_Image modifiée à partir de "Nervous system diagram," par Medium69 (CC BY-SA 4.0)._
Les corps cellulaires de certains neurones du SNP, tels que les neurones moteurs qui contrôlent les muscles squelettiques (le type de muscle qui se trouve dans votre bras ou votre jambe), sont situés dans le SNC. Ces neurones moteurs ont de longues extensions (axones) qui s'étendent du SNC jusqu'aux muscles auxquels ils se connectent (innervent). Les corps cellulaires d'autres neurones du SNP, comme les neurones sensoriels qui fournissent des informations sur le toucher, la position, la douleur et la température, sont situés en dehors du SNC, où ils constituent des amas appelés ganglions.
Les axones des neurones périphériques qui parcourent une route commune sont regroupés sous la forme de nerfs.

Les classes de neurones

En fonction de leurs rôles, les neurones du système nerveux humain peuvent être répartis en trois classes : les neurones sensoriels, les neurones moteurs et les interneurones.

Les neurones sensoriels

Les neurones sensoriels reçoivent des informations sur ce qui se passe à l'intérieur et à l'extérieur du corps et les transmettent au SNC qui les analyse. Par exemple, si vous ramassez une braise incandescente, les neurones sensoriels, dont l'extrémité atteint le bout de vos doigts, vont informer votre SNC que la braise est très chaude.

Les neurones moteurs

Les neurones moteurs reçoivent des informations d'autres neurones et transmettent des ordres à vos muscles, à vos organes et à vos glandes. Par exemple, après avoir ramassé du charbon brûlant, les neurones moteurs qui innervent les muscles de vos doigts vont vous faire lâcher ce que vous tenez dans votre main.

Les interneurones

Les interneurones, qui sont uniquement présents dans le SNC, connectent un neurone à un autre. Ils reçoivent des informations d'autres neurones (soit des neurones sensoriels, soit des interneurones) et les transmettent à d'autres neurones (neurones moteurs ou interneurones).
Par exemple, si vous ramassez une braise, le signal issu des neurones sensoriels situés dans le bout de vos doigts se déplacera jusqu'aux interneurones de votre moelle épinière. Certains de ces interneurones avertissent les neurones moteurs qui contrôlent les muscles de vos doigts (ce qui vous fait lâcher la braise), tandis que d'autres transmettent le signal le long de la moelle épinière jusqu'aux neurones du cerveau, où il est perçu sous forme de douleur.
Les interneurones constituent la classe la plus abondante de neurones. Ils interviennent dans le traitement des informations, à la fois dans les circuits réflexes simples (comme ceux déclenchés au contact d'objets chauds) et dans les circuits plus complexes du cerveau. C'est une combinaison d'interneurones dans votre cerveau qui vous permet de conclure que vous n'auriez pas dû ramasser des choses comme des braises chaudes et, avec un peu de chance, de vous en souvenir la prochaine fois.

Les fonctions de base d'un neurone

Si on se réfère aux rôles des trois différentes classes de neurones, on peut convenir que tous les neurones ont trois principales fonctions, qui sont les suivantes :
  1. Recevoir des signaux (ou des informations).
  2. Intégrer les signaux entrants (pour déterminer si les informations doivent être transmises ou non).
  3. Communiquer des signaux aux cellules cibles (d'autres neurones, des muscles ou des glandes).
Ces fonctions neuronales se reflètent dans l'anatomie du neurone.

L'anatomie d'un neurone

Comme les autres cellules, les neurones présentent un corps cellulaire (appelé soma). Le noyau du neurone se trouve dans le soma. Les neurones doivent produire beaucoup de protéines, et la plupart des protéines neuronales sont également synthétisées dans le soma.
Divers prolongements (appendices ou protrusions) s'étendent à partir du corps cellulaire. Cela inclut de nombreuses ramifications courtes, nommées dendrites, et un type d'extensions, plus longues que les dendrites, appelées axones.

Les dendrites

Les deux premières fonctions neuronales, la réception et le traitement des informations entrantes ont généralement lieu dans les dendrites et le corps cellulaire. Les signaux qui arrivent sont soit excitateurs — ce qui signifie qu'ils entraînent globalement la mise à feu du neurone (qui génère une impulsion électrique) — soit inhibiteurs, ce qui tend à empêcher le neurone de "tirer".
La plupart des neurones reçoivent de nombreux signaux entrants par le biais de leurs "arbres" dendritiques. Un seul neurone peut posséder plusieurs lots de dendrites et recevoir des milliers de signaux entrants. Le fait qu'un neurone soit excité ou non et génère une impulsion dépend de la somme de tous les signaux excitateurs et inhibiteurs qu'il reçoit. Si le neurone est finalement "mis à feu", l'impulsion nerveuse, ou potentiel d'action, se propage le long de l'axone.
_Image modifiée à partir de "Neurons and glial cells: Figure 2" et "Synapse," par OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._

Les axones

Les axones diffèrent des dendrites à plusieurs niveaux.
  • Les dendrites ont tendance à s'effiler et sont souvent couvertes de petites bosses appelées des épines. En revanche, l'axone conserve généralement le même diamètre sur presque toute sa longueur et n'a pas d'épines.
  • L'axone émerge du corps cellulaire au niveau d'une zone spécialisée appelée le collet de l'axone.
  • Enfin, de nombreux axones sont recouverts d'une substance isolante spéciale nommée la myéline, qui les aide à transmettre rapidement l'impulsion nerveuse. Il n'y a jamais de myéline sur les dendrites.
Au niveau de son extrémité, l'axone se divise en plusieurs branches et développe des gonflements bulbeux appelés terminaisons axonales (ou terminaisons nerveuses). Ces terminaisons axonales établissent des connexions avec les cellules cibles.

Les synapses

Les connexions entre neurones s'établissent au niveau des dendrites et des corps cellulaires d'autres neurones. Ces connexions, nommées synapses, constituent les sites où l'information est transmise depuis le premier neurone, ou neurone présynaptique, vers le neurone cible (ou neurone postsynaptique). Les connexions synaptiques entre les neurones et les cellules musculaires squelettiques sont généralement appelées les jonctions neuromusculaires, et les connexions entre les neurones et les cellules musculaires lisses ou les glandes sont connues sous le nom de jonctions neuro-effectrices.
Au niveau de la plupart des synapses et des jonctions, l'information est transmise sous la forme de messagers chimiques appelés neurotransmetteurs. Lorsqu'un potentiel d'action se déplace le long d'un axone et atteint la terminaison axonale, cela déclenche la libération de neurotransmetteurs à partir de la cellule présynaptique. Les molécules de neurotransmetteur traversent la synapse et se lient aux récepteurs membranaires sur la cellule postsynaptique, transmettant un signal excitateur ou inhibiteur.
Ainsi, la troisième fonction fondamentale des neurones — la communication d’informations aux cellules cibles — est remplie par l’axone et les terminaisons axonales. Tout comme un seul neurone peut recevoir des signaux issus de nombreux neurones présynaptiques, il peut aussi établir des connexions synaptiques sur de multiples neurones postsynaptiques par le biais de différentes terminaisons axonales.

La diversité des neurones

La plupart des neurones suivent le même plan structurel général, mais la structure de chaque neurone varie et s'adapte à la fonction spécifique qu'un neurone donné (ou une classe de neurones) doit remplir. Les différents types de neurones présentent une grande variété de tailles et de formes, ce qui est logique compte tenu de la grande complexité du système nerveux et du large nombre de tâches diverses qu'il accomplit.
_Image modifiée à partir de "Purkinje cell," par Santiago Ramón y Cajal (domaine public)._
Par exemple, des neurones spécialisés appelés les cellules de Purkinje se situent dans une région du cerveau connue sous le nom de cervelet. Les cellules de Purkinje présentent un "arbre" dendritique très complexe qui leur permet de recevoir — et d’intégrer — un nombre énorme d’influx synaptiques, comme représenté ci-dessus. Les autres types de neurones du cervelet se distinguent également par leurs formes particulières.
De même, les neurones peuvent varier considérablement en longueur. Alors que beaucoup de neurones sont petits, les axones des neurones moteurs, qui s'étendent à partir de la moelle épinière et innervent vos orteils, peuvent mesurer un mètre de long (voire plus, chez les basketteurs comme Michael Jordan, LeBron James, ou Yao Ming) !
Les neurones sensoriels constituent un autre exemple de diversité de forme. Chez de nombreux neurones sensoriels, la distinction morphologique entre l'axone et les dendrites est difficile. Une seule gaine de myéline part du corps cellulaire et se sépare en deux, envoyant une branche en direction de la moelle épinière pour transmettre l'information et la seconde vers les récepteurs sensoriels en périphérie pour recevoir des informations.

Les neurones forment des réseaux

Un neurone isolé ne peut pas faire grand-chose, et la fonction du système nerveux dépend de groupes de neurones qui travaillent ensemble. Les neurones individuels se connectent à d'autres neurones pour stimuler ou inhiber leur activité, formant des circuits qui peuvent traiter les informations entrantes et engager une réponse. Les circuits neuronaux peuvent être très simples, composés seulement de quelques neurones, mais ils peuvent aussi impliquer des réseaux neuronaux plus complexes.

Le réflexe patellaire

Les circuits neuronaux les plus simples sont ceux qui induisent la contraction réflexe d'un muscle, comme le réflexe patellaire qui se produit lorsqu'on tape le tendon en dessous du genou (le tendon patellaire) avec un marteau. Taper sur ce tendon étire les quadriceps (muscles de la cuisse), ce qui déclenche la "mise à feu" des neurones sensoriels qui les innervent.
Les axones de ces neurones sensoriels s'étendent jusqu'à la moelle épinière, où ils se connectent aux neurones moteurs qui établissent des connexions avec (innervent) les quadriceps. Les neurones sensoriels envoient un signal excitateur aux neurones moteurs, ce qui les active aussi. Les neurones moteurs, à leur tour, stimulent la contraction des quadriceps qui redressent le genou. Dans le réflexe patellaire, les neurones sensoriels d'un muscle spécifique se connectent directement aux neurones moteurs qui innervent ce même muscle, le faisant se contracter après avoir été étiré.
_Image modifiée à partir de "Patellar tendon reflex arc," par Amiya Sarkar (CC BY-SA 4.0). L'image modifiée est sous licence CC BY-SA 4.0._
Les neurones sensoriels des quadriceps appartiennent également à un circuit qui provoque la relaxation des muscles ischiojambiers, antagonistes (opposés) des quadriceps. Si les neurones sensoriels des quadriceps activaient les neurones moteurs des ischiojambiers, cela n'aurait aucun sens parce que cela entraînerait la contraction de ces derniers, rendant plus difficile celle des quadriceps. Au lieu de cela, les neurones sensoriels des quadriceps se connectent indirectement aux neurones moteurs des ischiojambiers par le biais d'un interneurone inhibiteur. L'activation de l'interneurone provoque l'inhibition des neurones moteurs qui innervent les ischiojambiers, ce qui induit la relaxation de ces muscles.
Les neurones sensoriels des quadriceps ne participent pas seulement à ce circuit réflexe. En fait, ils envoient aussi des messages au cerveau, pour vous indiquer qu'on a tapé sur votre tendon avec un marteau et pour éventuellement susciter une réponse. ("Pourquoi avez-vous fait ça ?"). Les circuits de la moelle épinière interviennent dans des comportements très simples, tels que le réflexe patellaire. Toutefois, la capacité à percevoir consciemment les stimuli sensoriels — ainsi que toutes les fonctions supérieures du système nerveux — dépend de réseaux neuronaux plus complexes qui se situent dans le cerveau.

Les cellules gliales

Au début de cet article, on a vu que le système nerveux était composé de deux types de cellules, les neurones et la glie ; les neurones agissant comme unité fonctionnelle de base du système nerveux et la glie jouant un rôle de soutien. Tout comme les seconds rôles sont essentiels à la réussite d'un film, la glie est essentielle au fonctionnement du système nerveux. En effet, il y a beaucoup plus de cellules gliales dans le cerveau qu'il n'y a de neurones.
Il existe quatre principaux types de cellules gliales dans le système nerveux des vertébrés adultes. Trois d'entre eux, les astrocytes, les oligodendrocytes et les microglies se trouvent uniquement dans le système nerveux central (SNC). Le quatrième type, les cellules de Schwann, ne se trouve que dans le système nerveux périphérique (SNP).

Les types de cellules gliales et leurs fonctions

Les astrocytes sont les plus abondantes des cellules gliales. En fait, ce sont les plus nombreuses du cerveau ! Les astrocytes se déclinent en différents types et occupent des fonctions diverses. Ils aident à réguler le flux sanguin dans le cerveau, à maintenir la composition du liquide qui entoure les neurones et à réguler la communication entre les neurones au niveau des synapses. Au cours du développement embryonnaire, les astrocytes orientent les neurones vers leurs destinations et contribuent à la formation de la barrière hématoencéphalique, qui isole le cerveau des substances potentiellement toxiques présentes dans le sang.
Les cellules de la microglie s'apparentent aux macrophages du système immunitaire et agissent comme agent de nettoyage en éliminant les cellules mortes et autres débris.
Les oligodendrocytes du SNC et les cellules de Schwann du SNP occupent une fonction similaire. Ces deux types de cellules gliales produisent de la myéline, la substance isolante qui forme une gaine autour des axones de nombreux neurones. La myéline augmente considérablement la vitesse à laquelle un potentiel d'action se déplace le long de l'axone, et elle joue un rôle crucial dans le fonctionnement du système nerveux.
_Image modifiée à partir de "Neurons and glial cells," par OpenStax College, Biology (CC BY 4.0)._
Les autres types de cellules gliales (en plus des quatre principaux types) comprennent les cellules satellites gliales et les cellules épendymaires.
Les cellules satellites gliales recouvrent le corps cellulaire des neurones au sein des ganglions du SNP. On pense que les cellules satellites gliales soutiennent la fonction des neurones et servent de barrière protectrice, mais leur rôle n'est toujours pas bien compris.
Les cellules épendymaires, qui bordent les ventricules cérébraux et le canal central de la moelle épinière, ont des cils (semblables à des poils) qui battent pour favoriser la circulation du liquide cérébrospinal situé dans les ventricules et le canal de l'épendyme.

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