> Rapport écrit du projet

"Les neurones, ces mystérieux papillons de l'âme." Santiago Ramon y Cajal, découvreur des neurones.

 

Introduction

Il existe dans notre système nerveux des petites cellules très particulières. Ce sont des cellules de communication. Elles sont cent milliards dans notre cerveau!  Autant que le nombre d'étoiles de notre galaxie. Ce sont des cellules branchées qui  reçoivent et transmettent  à tout instant des signaux électriques au moyen de plusieurs centaines de milliards d'interactions et qui ont la capacité de croître et d'établir sans cesse de nouvelles connexions. Elles forment un gigantesque et inextricable réseau  de réseaux qui étend ses  prolongements à tout notre corps. Un génial réseau qui règle notre vie, qui fait que nous pensons, créons, aimons, cherchons à nous comprendre. J'ai voulu dans ce travail tenter de montrer ce qui se passe dans le neurone, l'unité fonctionnelle de notre cerveau. Comme on regarde les étoiles dans l'infini.  Tout d'abord, voir comment est faite cette petite cellule. Ensuite, examiner comment elle effectue sa tâche principale qui est de véhiculer l'influx nerveux par le potentiel d'action. L'essentiel de mon projet portera donc, comme le titre l'indique, sur l'aspect de la communication caractéristique au neurone. Un modèle de complexité qui n'a pas encore livré tous ses secrets.
 

Les fonctions des neurones

En plus d'être 100 milliards dans notre cerveau, les neurones s'étendent à tout notre corps à l'intérieur du système nerveux!  Ils remplissent trois grandes fonctions: 1) La communication afférente: ils voyagent les messages électriques (potentiels d'action) créés par des récepteurs sensitifs en réponse à des stimuli, vers les treize millions cinq cent mille neurones de notre moelle épinière, qui eux les envoient au cerveau. 2) L'intégration, qui se fait à l'intérieur du cerveau : les potentiels d'action envoyés par les récepteurs sensitifs passent au travers une jungle de neurones (appelés interneurones), et y sont transformés en réponse intelligente. 3) La communication efférente: ils voyagent les potentiels d'action créés par le cerveau en réponse à un stimulus, hors de lui, vers les neurones de notre moelle épinière, qui eux les voyagent  vers les fibres musculaires et les glandes de notre corps, pour que celles-ci accomplissent une action donnée. On voit donc dès maintenant que les neurones servent à établir la communication entre le cerveau et le reste du corps, et vice-versa! La vue, la pensée, le battement de notre cœur sont tous des phénomènes qui s'accomplissent, en partie, grâce aux neurones!
 

Le neurone et ses composantes

La brique du cerveau, c'est  le neurone. Mais cette cellule diffère largement des autres cellules, entre autre sur trois points : 1) c'est une vraie mémère, elle n'arrête jamais de communiquer avec ses semblables, 2) elle ne peut se diviser comme les autres cellules mais peut modifier ses connections 3) elle a une forme vraiment bizarre! Une forme qui lui permet de bien communiquer avec les autres neurones, et d'être bien branchée! La forme du neurone ressemble en fait à celle d'un arbre, dénudé de ses feuilles et dont les racines sont sorties du sol. Un arbre infiniment minuscule qui mesure environ 10 microns de large, mais dont la longueur peut varier de quelques microns jusqu'à un mètre en fonction de la longueur de son tronc appelé axone. Pour illustrer, disons qu'on pourrait par exemple, faire entrer côte à côte cinquante neurones dans le point à la fin de cette phrase. Si on le décrit, on peut voir, en haut et s'en allant dans toutes les directions, les dendrites du neurone, ses branches. Ce  sont  de  petits  fils, chiffrés  entre  1 000  et 10 000  sur  chaque  neurone  et qui servent à capter les messages appelés potentiels locaux, venant des autres neurones. Le point où toutes les dendrites se rejoignent se nomme le corps cellulaire. Celui-ci renferme le noyau qui contient le bagage génétique du neurone et qui s'occupe du métabolisme de la cellule. Du corps cellulaire, part  l'axone,  sorte de tronc du neurone. Celui-ci se ramifie en terminaisons axonales (les racines). Au bout de chacune d'elles se trouve un bouton synaptique. La zone de jonction entre deux neurones est située entre le bouton synaptique de l'un et la dendrite de l'autre. Cet endroit se nomme la  synapse. Il y en a environ 10 000 par neurone. Dans le cerveau, le nombre de synapses se chiffre donc approximativement à 10 000 fois cent milliards! Ouf! Tout un réseau!

Chacune des parties du neurone joue un rôle. On a dit que les dendrites captent les potentiels locaux qui sont envoyés à un neurone par des milliers d'autres. Ces potentiels locaux peuvent être de deux types: soit excitateur (ils veulent que le neurone parle), soit inhibiteur (ils s'y opposent). Après avoir été captés par les dendrites d'un neurone, ils s'y  propagent jusqu'au corps cellulaire, pour aller l'inhiber ou l'exciter. Si le corps cellulaire reçoit plus d'excitations que d'inhibitions de ses dendrites, il envoie un potentiel d'action sur l'axone; s'il reçoit plus d'inhibitions, il n'envoie rien. Bien sûr, il fait ce décompte en une fraction de seconde car il est constamment bombardé de potentiels locaux par ses dendrites. On comprend déjà que le langage des neurones ressemble drôlement au langage binaire des ordinateurs : lorsque le neurone parle, il envoie un  potentiel d'action (1 en binaire), lorsqu'il ne parle pas, il n'envoie rien (0 en binaire).  Si le corps cellulaire déclenche un potentiel d'action, ce dernier se propage sur l'axone jusqu'aux terminaisons axonales et arrive enfin aux synapses. De là, autre caractéristique spéciale au neurone, le potentiel d'action sera envoyé aux dendrites de milliers d'autres neurones, mais…. de façon chimique, puisque curieusement, les neurones ne se touchent pas vraiment. En réalité, ils forment un réseau discontinu et sont séparés par de minuscules interstices. L'influx nerveux qui voyage dans les neurones est donc à la fois de nature chimique et électrique. Voyons donc de façon plus détaillée cette étrange façon de faire.
 

Le potentiel d'action

Le potentiel d'action ou encore influx nerveux, c'est le moyen de communication des neurones. Son mode de propagation implique la mise en action de plusieurs éléments. Tout d'abord, il faut comprendre l'état où le neurone est inactif, c'est-à-dire au repos. Les neurones baignent dans un liquide aqueux composé de différents types d'ions (négatifs ou positifs). Un ion, c'est en fait un atome qui n'est plus neutre suite à la perte ou au gain d'électron(s). Lorsque le neurone est au repos, le potentiel électrique à l'extérieur de lui est plus élevé que celui à l'intérieur. Il y a plus d'ions positifs à l'extérieur de lui qu'à l'intérieur. Le potentiel membranaire, qui est la différence de potentiel électrique entre l'intérieur et l'extérieur de la membrane du neurone et non l'inverse, ceci étant une convention, est donc de -70mV au repos. On dit alors que le neurone est polarisé.

Mais, lorsque le corps cellulaire, stimulé par ses dendrites envoie un potentiel d'action sur l'axone, le potentiel membranaire de l'axone grimpe en flèche à  +30mV. On a alors plus d'ions positifs à l'intérieur qu'à l'extérieur du neurone. En fait, il se produit lors d'un potentiel d'action une entrée massive d'ions positifs à l'intérieur du neurone. La membrane qui recouvre le neurone est trouée de petits canaux, appelés électrorécepteurs, qui s'ouvrent à ce moment et laissent entrer, par diffusion, les ions positifs. Comme un jeu de dominos, le potentiel d'action se propagera ainsi  tout le long de l'axone et des terminaisons axonales, par l'ouverture, un après l'autre, des millions de petits canaux  ou électrorécepteurs laissant entrer des ions positifs. Grâce à ce principe de fonctionnement, les potentiels d'action gardent toujours la même intensité de +30mV! C'est là une extraordinaire propriété de l'axone qui lui permet d'être uniquement en deux états : soit polarisé (au repos), soit dépolarisé (en train de conduire un potentiel d'action). Les potentiels d'action circulant sur des axones jusqu'à un mètre de long gardent ainsi toujours la même intensité! On voit encore le rapprochement à faire avec les ordinateurs fonctionnant de façon "tout ou rien".

Le potentiel d'action, arrivé -après son long voyage sur l'axone et les terminaisons axonales- aux boutons synaptiques, les stimulera pour qu'ils  laissent sortir les molécules de neurotransmetteurs (substances chimiques) qu'ils contiennent. Après avoir été libérées, ces molécules de neurotransmetteurs iront se fixer aux dendrites de milliers d'autres neurones, pour encore créer un potentiel local sur chacune d'elles. Selon la configuration de la dendrite, le potentiel local sera soit inhibiteur soit excitateur. Et le processus recommencera sur ces nouveaux neurones; les potentiels locaux iront inhiber ou exciter leur corps cellulaire, leur demandant d'envoyer ou non un autre potentiel d'action. Ainsi de suite. Quel beau voyage, du corps cellulaire d'un neurone aux corps cellulaires de milliers d'autres! La propagation d'un influx nerveux ou potentiel d'action sur l'axone d'un neurone ne dure en moyenne que deux millièmes de seconde. Sa vitesse est alors de 0.6 à 120 mètres à la seconde ou encore de 2.16 à 432 km/h.
 

Les neurones en action

Maintenant que nous connaissons les composantes et le moyen de communication des neurones, voyons une des nombreuses tâches à laquelle ils participent dans notre corps; le toucher. Partout sur notre peau, se trouvent des récepteurs tactiles appelés mécanorécepteurs. Ceux-ci sont sensibles à la force, à l'intensité, à la durée d'une pression faite sur eux. Au bout de nos doigts, la densité des mécanorécepteurs est très forte, dans le dos, elle est très faible. Lorsqu'on exerce une pression sur la peau, les mécanorécepteurs de la région en question se pressent eux aussi, créant des potentiels d'action. Si la pression est forte, ils créeront énormément de potentiels d'action; si elle est faible, ils n'en créeront pas beaucoup. C'est donc la fréquence de potentiels d'action envoyés, et non l'intensité de ces potentiels d'action, qui code la pression exercée sur les mécanorécepteurs, puisque les potentiels d'action sont toujours de nature "tout ou rien ", et ne peuvent pas,  de ce fait, changer d'intensité. Après avoir été créés, les potentiels d'action voyagent  des mécanorécepteurs par le nerf sensitif du bras. Celui-ci les envoie ensuite vers les neurones afférents de la moelle épinière, qui eux les envoient aux interneurones de la zone tactile de notre cerveau. Ceux-ci les traitent et les transforment en une réponse intelligente. Cela donnera par la suite une série de réactions. Si par exemple, le cerveau du sujet se rend compte qu'il touche une pâtisserie, il enverra, via les neurones efférents de la moelle épinière, un potentiel d'action aux motoneurones du bras, qui stimuleront par la suite les fibres musculaires du bras pour le faire plier, portant enfin la pâtisserie à la bouche du sujet! Humm! Quel délice!

Mais la réaction est tout à fait différente face à un stimulus dangereux pour l'organisme. Cette réaction s'appelle le réflexe. Si par exemple, un clou exerce une pression sur les mécanorécepteurs de la peau, ceux-ci créent des potentiels d'action et les envoient au nerf sensitif connecté à eux. Ces potentiels d'action parviennent à la moelle épinière, qui elle les achemine directement, sans passer par le cerveau, aux motoneurones du bras en question, qui eux stimuleront finalement les fibres musculaires, pour que le bras esquive le danger! Le sujet aura donc évité le clou avant même de le sentir! On a fait une expérience sur une grenouille décérébrée (qui n'a plus de cerveau),  en appliquant sur sa peau une substance acide. Résultat:  ses pattes essayent tant bien que mal d'enlever la substance! Dans le corps humain (et animal), plusieurs actions sont ainsi contrôlées par des réflexes, sans mettre en jeu le cerveau, pour économiser du temps!

Maintenant que nous connaissons mieux le principe de fonctionnement des neurones dans une action simple du corps, parlons un peu de la pensée et de la mémoire. La pensée s'appuie toujours sur trois points: 1) notre bagage génétique, 2) notre vécu, 3) la structure de notre cerveau,  les trois étant consignés dans nos neurones. Bien que nous connaissions extrêmement peu de choses pour l'instant sur cette extraordinaire activité du cerveau, nous croyons en effet qu'à chaque fois que l'on pense, cela met en action nos souvenirs, nos connaissances ancrés dans les cellules de notre cerveau. Par exemple, si je pense à ce que je veux faire plus tard, le bagage génétique que j'ai hérité de mes parents peut m'influencer; tout comme mes expériences passées ou mon projet de science actuel …!   Pour ce qui est du principe de fonctionnement de la mémoire,  on a encore beaucoup de misère à l'expliquer. Certains croient que lorsque nous mémorisons quelque chose, certaines synapses des neurones de notre cerveau libèrent plus de neurotransmetteurs. D'autres  pensent que ce sont les synapses qui se déplacent et changent leurs connections lors de la mémorisation… et d'autres encore supposent que c'est le corps cellulaire du neurone qui devient beaucoup plus sensible aux potentiels locaux excitateurs… Bref, l'homme est encore loin de comprendre sa propre mémoire.
 

Les neurones futuristes!

Avec leur langage binaire, la plasticité de leurs synapses et aussi leur fonctionnement parallèle, les cellules nerveuses sont tellement bien faites que l'homme essaie de s'en inspirer dans les machines qu'il crée. En effet, bien qu'ils soient extrêmement rapides pour le calcul, les ordinateurs ont bien de la misère à reconnaître un visage,  un son… Les chercheurs essaient, dans les réseaux de neurones (RN) et les bio-puces, par exemple, de modéliser des systèmes à partir de composantes électroniques ou encore  de greffer des neurones vivants sur du silicium pour rendre les puces un peu plus… intelligentes! Ces puces pourraient éventuellement apprendre, reconnaître des formes,  rechercher  la meilleure décision…   ce que l'humain fait et que l'ordinateur ne réussit pas. Sauf peut-être avoir des sentiments et aimer…
 

Conclusion

Pour  réaliser mon projet sur le neurone, j'ai fait une revue de la littérature, visité plusieurs sites sur le réseau Internet et rencontré deux spécialistes en la matière. Pour appuyer ma présentation, j'ai préparé des textes synthèse ainsi que des illustrations,  programmé un site web  et réalisé un montage multimédia comportant plusieurs figures inédites. Toutes ces étapes m'ont permis d'avancer progressivement dans la compréhension de mon sujet qui,  au départ, ne me paraissait pas si vaste. Si j'ai choisi pour projet  le neurone, c'est que j'étais très intéressé par le cerveau et que je me proposais d'en étudier la plus petite partie afin de pouvoir la couvrir le mieux possible. Mais je me suis vite rendu compte que cette petite cellule est un univers en soi. Comme l'univers qui nous entoure! On peut dire que je suis allé de surprise en surprise devant son fonctionnement  binaire, ses signaux à la fois électriques et chimiques, l'inimaginable quantité de ses interactions, le remodelage incessant de ses connections… La petite cellule m'a littéralement fasciné! Finalement je me suis rendu compte que nous avons été extrêmement bien créés. Avec son réseau de neurones branchés, le cerveau offre à l'homme des possibilités incommensurables!  Mais il reste si fragile…

-"Ouais!  Je pense que je ne jetterai pas mon casque de vélo,  moi là…."
 



David Laflamme, école secondaire Montcalm, expo-sciences Bell, tous droits réservés.