Potentiel d'Action & Synapse : Entraîne-toi pour le Bac !

Correction :

a) On parle de potentiel de repos car il s'agit de la différence de potentiel membranaire lorsque le neurone n'est pas stimulé et n'émet pas d'influx nerveux. Le neurone est "au repos" électriquement.

b) Les principaux ions impliqués sont les ions sodium ($Na^+$) et les ions potassium ($K^+$), ainsi que les anions intracellulaires (protéines chargées négativement).

c) La pompe sodium-potassium est une protéine transmembranaire qui transporte activement 3 ions $Na^+$ vers l'extérieur de la cellule pour 2 ions $K^+$ vers l'intérieur. Ce transport actif consomme de l'énergie (ATP) et contribue à maintenir les gradients de concentration ioniques spécifiques au potentiel de repos.

Correction :

a) Un potentiel d'action est une dépolarisation rapide et transitoire de la membrane plasmique d'un neurone, qui se propage le long de l'axone. C'est la base de la transmission de l'information nerveuse.

b) Le seuil d'excitation est un niveau de dépolarisation membranaire critique (généralement autour de -50 mV) qui, s'il est atteint, déclenche inévitablement un potentiel d'action. Si la dépolarisation est inférieure à ce seuil (stimulus infraliminaire), aucun potentiel d'action n'est généré.

c) Les phases principales sont :

• Dépolarisation : Ouverture des canaux sodiques voltage-dépendants, entrée massive de $Na^+$ dans la cellule, le potentiel membranaire passe de sa valeur de repos à des valeurs positives.
• Repolarisation : Fermeture des canaux sodiques et ouverture des canaux potassiques voltage-dépendants, sortie de $K^+$ de la cellule, le potentiel membranaire revient vers des valeurs négatives.
• Hyperpolarisation (facultative) : Les canaux potassiques se ferment lentement, entraînant une sortie excessive de $K^+$ et un potentiel membranaire plus négatif que le potentiel de repos.

Correction :

a) L'ouverture des canaux sodiques voltage-dépendants permet une entrée massive d'ions $Na^+$ du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire. Ce flux entrant de charges positives est la cause de la dépolarisation rapide de la membrane.

b) L'ouverture des canaux potassiques voltage-dépendants permet une sortie d'ions $K^+$ du milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Ce flux sortant de charges positives est la cause de la repolarisation de la membrane.

c) Après chaque potentiel d'action, les concentrations d'ions $Na^+$ et $K^+$ ont légèrement varié. La pompe sodium-potassium, en continuant son travail, expulse l'excès de $Na^+$ et réimporte le $K^+$ nécessaire pour rétablir les gradients de concentration initiaux et permettre la génération de nouveaux potentiels d'action.

Correction :

a) Le long d'un axone non myélinisé, chaque segment de la membrane de l'axone génère un potentiel d'action. La dépolarisation d'un segment excite le segment adjacent, provoquant l'ouverture des canaux ioniques voltage-dépendants et la génération d'un nouveau potentiel d'action. La propagation est décrémentielle mais l'influx nerveux est régénéré en continu.

b) La myélinisation est le processus par lequel l'axone est entouré d'une gaine isolante de myéline, produite par les cellules de Schwann (SNP) ou les oligodendrocytes (SNC). Cette gaine n'est pas continue et laisse apparaître des zones dénudées appelées nœuds de Ranvier. La myéline empêche les flux d'ions à travers la membrane de l'axone, sauf au niveau des nœuds de Ranvier où sont concentrés les canaux ioniques voltage-dépendants.

c) Dans un axone myélinisé, la propagation de l'influx nerveux est beaucoup plus rapide (conduction saltatoire) car le potentiel d'action "saute" d'un nœud de Ranvier à l'autre. Dans un axone non myélinisé, la propagation est plus lente car elle se fait de manière continue le long de toute la membrane de l'axone.

Correction :

a) Les trois composants principaux d'une synapse chimique sont :

• Le neurone présynaptique : il termine par un bouton synaptique contenant des vésicules remplies de neurotransmetteurs.
• La fente synaptique : un espace étroit entre les deux neurones.
• Le neurone post-synaptique : sa membrane est munie de récepteurs spécifiques aux neurotransmetteurs.

b) La différence fondamentale réside dans le mode de transmission. Dans une synapse électrique, les membranes des deux cellules sont directement connectées par des jonctions communicantes, permettant un passage direct et rapide des ions (et donc de l'influx électrique). Dans une synapse chimique, la transmission se fait par la libération de molécules messagères (neurotransmetteurs) qui diffusent dans la fente synaptique et se lient à des récepteurs sur la cellule post-synaptique.

c) La fente synaptique est l'espace où les neurotransmetteurs libérés par le neurone présynaptique diffusent pour atteindre les récepteurs du neurone post-synaptique. Elle permet la séparation physique des deux neurones tout en assurant la transmission chimique.

Correction :

a) Lorsqu'un potentiel d'action arrive au niveau du bouton synaptique, il provoque l'ouverture des canaux calciques voltage-dépendants. L'entrée d'ions $Ca^{2+}$ dans le bouton synaptique déclenche la fusion des vésicules contenant les neurotransmetteurs avec la membrane présynaptique, libérant ainsi les neurotransmetteurs dans la fente synaptique par exocytose.

b) La liaison du neurotransmetteur à ses récepteurs spécifiques sur la membrane post-synaptique provoque l'ouverture de canaux ioniques. Dans le cas d'une synapse excitatrice, il s'agit souvent de canaux qui permettent l'entrée de cations comme $Na^+$ (et parfois $Ca^{2+}$) dans la cellule post-synaptique. Ce flux entrant de charges positives dépolarise la membrane post-synaptique. Un exemple de neurotransmetteur excitateur est l'acétylcholine dans la jonction neuromusculaire.

c) Un potentiel postsynaptique excitateur (PPSE) est une dépolarisation locale et transitoire de la membrane post-synaptique, causée par l'arrivée d'un neurotransmetteur excitateur. Si la somme des PPSE atteint le seuil d'excitation, elle peut déclencher un potentiel d'action dans le neurone post-synaptique.

Correction :

a) Une synapse est inhibitrice lorsque la liaison du neurotransmetteur à ses récepteurs sur la cellule post-synaptique provoque l'ouverture de canaux ioniques qui entraînent une sortie de charges positives (comme $K^+$) ou une entrée de charges négatives (comme $Cl^-$). Cela hyperpolarise la membrane post-synaptique, c'est-à-dire qu'elle la rend plus négative et donc plus éloignée du seuil d'excitation.

b) Le GABA est un neurotransmetteur inhibiteur très courant dans le système nerveux central. Il se lie à des récepteurs qui ouvrent des canaux chlorure ($Cl^-$). L'entrée d'ions chlorure rend le potentiel membranaire plus négatif, rendant le neurone post-synaptique moins susceptible de déclencher un potentiel d'action.

c) Un potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI) est une hyperpolarisation locale et transitoire de la membrane post-synaptique, causée par l'arrivée d'un neurotransmetteur inhibiteur. Un PPSI rend le neurone post-synaptique moins excitable.

Correction :

a) La sommation temporelle se produit lorsque plusieurs potentiels synaptiques (excitateurs ou inhibiteurs) se succèdent rapidement au niveau de la même synapse. Si les potentiels arrivent avant que le précédent ne se soit dissipé, leurs effets s'additionnent.

b) La sommation spatiale se produit lorsque plusieurs potentiels synaptiques provenant de différentes synapses sur le même neurone post-synaptique arrivent presque simultanément. Les effets de ces potentiels se somment au niveau de la membrane post-synaptique.

c) Le neurone post-synaptique intègre tous les signaux qu'il reçoit. La décharge d'un potentiel d'action dépend de la somme algébrique de tous les PPSE et PPSI qui atteignent la zone axyle du neurone. Si la somme des dépolarisations (PPSE) dépasse la somme des hyperpolarisations (PPSI) et atteint le seuil d'excitation au niveau du cône d'émergence de l'axone, alors un potentiel d'action sera généré. Sinon, il n'y aura pas de décharge.

Correction :

a) Sur le graphique (imaginaire ici) :

• Potentiel de repos : La valeur stable du potentiel membranaire avant le début de la dépolarisation (ex: -70 mV).
• Seuil d'excitation : Le niveau de dépolarisation qu'il faut atteindre pour déclencher le potentiel d'action (ex: -50 mV).
• Potentiel d'action maximal : Le pic de dépolarisation atteint lors du potentiel d'action (ex: +30 mV).
• Phase d'hyperpolarisation : La période où le potentiel membranaire devient plus négatif que le potentiel de repos avant de revenir à la normale.

b) Lors de la phase de dépolarisation, le potentiel membranaire atteint et dépasse le seuil d'excitation. Cela est dû à l'ouverture rapide des canaux sodiques voltage-dépendants, qui permet une entrée massive d'ions $Na^+$ dans la cellule, rendant l'intérieur de la cellule plus positif.

c) Si le stimulus était trop faible, la dépolarisation n'atteindrait pas le seuil d'excitation. Le graphique montrerait une légère augmentation du potentiel membranaire (dépolarisation) qui retomberait rapidement à la valeur du potentiel de repos, sans franchir le seuil et donc sans générer de potentiel d'action.

Correction :

a) Il s'agit d'une synapse excitatrice. La dépolarisation du neurone post-synaptique signifie que son potentiel membranaire se rapproche du seuil d'excitation, augmentant ainsi la probabilité qu'il déclenche un potentiel d'action.

b) Les récepteurs post-synaptiques sont des protéines situées sur la membrane du neurone B. Ils sont spécifiques au neurotransmetteur libéré par le neurone A. Lorsque le neurotransmetteur se lie à son récepteur, cela provoque un changement conformationnel du récepteur, entraînant généralement l'ouverture d'un canal ionique (dans ce cas, un canal qui permet une dépolarisation).

c) Le neurone B va intégrer tous les signaux reçus. Les signaux excitateurs du neurone A et du neurone C produiront des PPSE sur le neurone B. Le signal inhibiteur du neurone D produira un PPSI sur le neurone B. La décharge d'un potentiel d'action par le neurone B dépendra de la somme totale de ces potentiels. Si la somme des PPSE (provenant de A et C) est suffisamment importante pour contrer le PPSI (provenant de D) et atteindre le seuil d'excitation au niveau du cône axyl, alors le neurone B déchargera. Sinon, il restera silencieux.