LA BIOLOGIE INTEGRATIVE ET L’ORGANISATION DU VIVANT A TRAVERS LE SYSTEME NERVEUX

1. LA BIOLOGIE INTEGRATIVE ET L’ORGANISATION DU VIVANT A TRAVERS LE SYSTEME NERVEUX Dr BERTHOUMIEU Audrey CCA SAU Bichat-Claude Bernard Janvier 2010

2. Qu’est ce que la biologie ? • Biologie= science du vivant (2 mots grecs « bios » = la vie et « logos » = l'étude) • A été définie par le naturaliste français Jean-Baptiste de Lamarck à la fin du XVIIIe siècle: « Tout ce qui est généralement commun aux végétaux et aux animaux comme toutes les facultés qui sont propres à chacun de ces êtres sans exception, doit constituer l'unique et vaste objet d'une science particulière qui n'est pas encore fondée, qui n'a même pas de nom, et à laquelle je donnerai le nom de biologie. »

3. La biologie intégrative • Approche nouvelle de la biologie dans les années 90. • Définition non consensuelle • Chez les anglo-saxons => biologie des systèmes ou systémique • Son origine= secondaire au développement de technologies :génomique, protéomique, transcriptomique, métabolomique. → génomique = analyse de la structure du génome, séquençage des gènes avec identification de leur fonction

4. La biologie intégrative → post génomique= étude de la régulation de l’expression des gènes à l’échelle d’une cellule, d’un organe ou d’un individu (la bio-informatique permet l’exploitation des ces données par compilation et comparaison à la littérature existante par exemple…) → transcriptomique = étude de l’ensemble des ARNmessager transcrits à partir d’un génome. → métabolomique = concerne les produits issus des réactions métaboliques induites par des protéines dans une cellule, un tissu, un organe ou un organisme.

5. La biologie intégrative • Depuis Claude Bernard, on expliquait un organisme par le fonctionnement coordonné d’organes remplissant des fonctions => fractionnement des savoirs de la Biologie. • Aujourd’hui, avec les nouveaux savoirs, on reconsidère l’organisme vivant dans son intégrité et son fonctionnement global, en interaction avec son environnement. • Biologie= définition consensuelle • Intégrative => quel sens lui donné ?

6. Intégrative => quel sens lui donné ? • « Intégrer » signifie donner du sens à l’ensemble d’informations disponibles • Intégrative => 3 sens: 1- intégration « horizontale » : cad quantité et qualité de données à un niveau d’organisation donné, nécessaire pour la mise en place d’un modèle explicatif cohérent. La masse de ces données nécessitent la mise en place d’outils mathématiques notamment pour les traiter, classer et les mettre en relation pour en avoir une interprétation biologique. (biomathématique).

7. Intégrative => quel sens lui donné ? 2- intégration « verticale » : cad le passage d’un niveau d’organisation élémentaire à un niveau d’organisation plus complexe (donc plus intégré): molécule, organite cellulaire, cellule, tissu, organe, organisme, population, communauté…. 3- intégration « transversale » : cad la transposition de connaissances acquises sur une espèce particulière à un ensemble plus large d’espèce (travaux sur organismes modèles).

8. Quelle démarche ? 3 temps: 1- hypothèse de départ à partir des connaissances disponibles sur un système à un moment donné → intégration dans un modèle mathématique pour établir des prédictions sur le fonctionnement de ce système biologique 2- certains éléments du système sont perturbés expérimentalement → comparaison état perturbé/état normal → modification des hypothèses initiales. 3- hypothèses de travail modifiées → autres perturbations expérimentales du système …..répétition jusqu’à ce que se superposent les résultats expérimentaux au modèle mathématique.

9. Donc, la biologie intégrative… • Domaine qui cherche à intégrer différents niveaux d'informations pour comprendre comment fonctionnent et interagissent des systèmes biologiques, donc un organisme vivant. • En étudiant les relations et les interactions entre différentes parties du système biologique (organites, cellules, systèmes physiologiques, réseaux de gènes, protéines permettant la communication des cellules…), on tente de découvrir un modèle de fonctionnement de la totalité du système (changements dans le génome, le transcriptome, le protéome … en réponse à une perturbation donnée).

10. LE SYSTEME NERVEUX

11. Le système nerveux • Qu’est ce que la Neurologie ? => discipline médicale qui étudie l'ensemble du système nerveux. - système nerveux central - système nerveux périphérique • Thomas Willis = Inventeur du terme de « Neurologie » médecin et anatomiste anglais. • Cerebri anatomi (1664) : il y révèle pour la première fois la description détaillée du cerveau et des nerfs

12. Embryologie • Le développement humain est le fruit d’une influence génétique et d’une influence environnementale => nous sommes tous différents. • 1er stade =fécondation Puis le zygote (cellule) va migrer et se diviser:

13. Embryologie • neurulation= stade de formation du système nerveux

14. Embryologie • Développement d’une corde dorsale, signal moléculaire, migration de cellule , formation de la plaque neurale, puis tube neural (future moelle épinière) dont l’extrémité antérieure va donner en se fermant les différentes structures cérébrales. • Les crêtes neurales vont donner principalement le système neurologique périphériques. • Le développement se fait par migration de cellule, différenciation, molécules inductrices, messages inter cellulaires…

15. Embryologie • Cerveau dit embryonnaire avec 3 vésicules primaires: prosencéphale, mésencéphale et rhombencéphale • Puis à la 7ème semaine de développement, 2 des ces vésicules vont se diviser => 5 vésicules secondaires.

16. Embryologie

17. Embryologie • Il y a une grande similarité dans l’organisation cérébrale des différentes espèces de vertébrés :prosencéphale, un mésencéphale et un rhombencéphale à l’intérieur desquels on retrouve tous les grands systèmes neuronaux qui ont évolué pour remplir des fonctions communes à toutes les espèces.

18. Embryologie • Les cerveaux de différentes espèces de mammifères, à la même échelle à gauche, et agrandis sans être à l’échelle à droite.

19. Embryologie • L'espèce humaine a un cerveau environ 3 fois plus volumineux que celui auquel on s'attendrait pour un primate de taille comparable. Notre lobe olfactif ne fait que 30% de la taille prévue si les proportions de nos différentes structures cérébrales étaient les mêmes que chez les autres primates. • Chasser requiert un système sensoriel et moteur très perfectionné. Un mammifère ayant un plus grand néocortex se trouve donc avantagé puisque c’est là que se trouve les aires sensorielles et motrices.

20. Système nerveux central ou névraxe • Portion du système nerveux constituée du cerveau, du tronc cérébral, du cervelet et de la moelle épinière. • Rôle de réception, de traitement, d'intégration et d'émission des messages nerveux. • L'ensemble du système nerveux central est protégé par une enveloppe osseuse : la boîte crânienne pour l'encéphale et la colonne vertébrale pour la moelle épinière, ainsi que par d'autres enveloppes de tissu protecteur : les méninges

21. Encéphale + moelle épinière

22. Encéphale

23. Système nerveux périphérique • constitué des nerfs rachidiens issus de la moelle épinière et des nerfs crâniens (n=12) issus du tronc cérébral. • fait circuler l'information entre les organes et le système nerveux central • nerfs sensitifs et nerfs moteurs

25. Système nerveux périphérique • Système somatique Relation de l’organisme avec le milieu extérieur, transmission de l’information venant des détecteurs sensoriels • Système autonome Régulation des fonctions vitales internes (digestion, respiration, circulation, sécrétion d’hormones…)

26. Liquide céphalo-rachidien • = liquide cérébro-spinal • Liquide dans lequel baignent le cerveau et la moelle épinière. • Contenu dans les méninges, entre la pie-mère (qui recouvre le système nerveux central) et l'arachnoïde (qui tapisse le versant interne de la dure-mère, elle-même attachée aux structures osseuses : boîte crânienne et rachis). • Il absorbe et amortit les mouvements ou les chocs qui risqueraient d'endommager le cerveau

27. Les méninges

28. Le neurone • Cellule donc cytoplasme et noyau • Forme du neurone variable • Taille de qq micromètres à 1 centaine de micromètres • Neurotransmetteurs, synapses

29. La moelle

30. EXEMPLES DE FONCTIONS PHYSIOLOGIQUES

31. La mémoire du mouvement: le cervelet • Le cervelet est placé en parallèle des grandes voies motrices volontaires. • Il assure les meilleures performances possibles dans les réponses motrices à l’environnement. • Ce n’est pas inné, cela nécessite un apprentissage (1er pas de l’enfant, coureur de haies, pianiste virtuose, « roulette » de Zidane…).

32. La mémoire du mouvement: le cervelet • Pour créer un mouvement, il faut: 1- cortex Les deux régions allongées sont face à face et les fibres nerveuses qui y partent ou y arrivent ont un même organisation somatotopique, c’est-à-dire une cartographie qui reproduit à petite échelle l’anatomie du corps humain.

33. La mémoire du mouvement: le cervelet Des mouvements très fins de parties du corps peuvent être appris, tel celui du poignet, du coude et de l’épaule du violoniste. Cela signifierait donc que la surface corticale correspondant à ces mouvements peut s’agrandir avec l’apprentissage. 2- le cervelet Le cervelet est placé en parallèle des grandes voies motrices volontaires. Il assure les meilleures performances possibles dans les réponses motrices à l’environnement

34. La mémoire du mouvement: le cervelet Il est impliqué dans l’équilibre. Il contrôle l’activité musculaire de la posture en influençant le tonus musculaire, il doit donc contrôler à chaque instant la tension musculaire et laisser libre les muscles chargés de faire des mouvements. Il assure la coordination des mouvements volontaires. Il s’assure entre autre que les muscles antagonistes freinent les muscles à l’origine du mouvement pour atteindre parfaitement le but.

35. La mémoire du mouvement: le cervelet Les ganglions de la base (noyau caudé et putamen) participent à une boucle dite "squeletto-motrice" qui détermine et contrôle quels mouvements seront effectués. Leur dysfonction entraîne soit une perte de mouvements (hypokinésie) comme c’est le cas avec un syndrome parkinsonien, ou soit un excès de mouvements (hyperkinésie), comme lors d’une chorée de Huntington.

36. La mémoire du mouvement: le cervelet DONC • pour pouvoir effectuer un mouvement quelconque, il faut que l’enchaînement et la durée des mouvements élémentaires de chaque segment corporel impliqué dans le geste puisse être réglé de façon très précise. Le cervelet assume, entre autres, cette fonction de réglage temporel de nos mouvements. Il le fait grâce à un circuit en boucle qui le relie au cortex moteur et permet la modulation du signal qui y est envoyé en direction des motoneurones. • Le cervelet interviendrait pour calculer la vitesse du déplacement et pour ajuster en conséquence la commande motrice.

37. La mémoire du mouvement: le cervelet • Une autre propriété importante du cervelet est sa capacité d’apprentissage et de mémorisation. • La mémoire du mouvement n’est pas inné, cela nécessite un apprentissage (1er pas de l’enfant, coureur de haies, pianiste virtuose, « roulette » de Zidane…).

38. L’hippocampe et la mémoire • structure bilatérale et symétrique, faisant partie du système limbique. Il s'agit d'une structure corticale (et non sous-corticale) ancienne (archicortex, paléocortex) repliée sur elle-même et située dans la face médiane du lobe temporal. Il s'agit d'une structure histologique à une seule couche de cellules principales, qui joue un rôle important dans la mémoire et la perception dans l'espace.

39. L’hippocampe et la mémoire • Il contribue à la construction rapide (éventuellement en une seule fois) de mémoires évènementielles complexes, qualifiées de mémoire épisodique

40. L’hippocampe et la mémoire Des universitaires américains ont découvert que le cannabis perturbe les processus de mémorisation du cerveau en désorganisant le fonctionnement électrique de l'hippocampe. Le cannabis aux doses usuellement présentes chez ses consommateurs supprime les oscillations électriques, essentielles dans le processus d'apprentissage et de mémorisation. Les processus cognitifs sont désorganisés. Le THC, bloque la libération d'un neurotransmetteur important dans l'hippocampe, l'acétylcholine, affectant le fonctionnement électrophysiologique du cerveau.

41. L’oeil • disque optique = zone d’entrée de vaisseaux sanguins + tête du nerf optique, formés par les axones des cellules ganglionnaires qui se rejoignent pour sortir du globe oculaire. Pas de photorécepteurs. • macula+= pratiquement dépourvue de vaisseaux sanguins pour optimiser la vision centrale (par opposition à la vision périphérique). Au centre de la macula, une petite dépression crée une tache noire d’environ 2 mm de diamètre, qui est la fovéa, le point de la rétine constitué exclusivement de cônes où l’acuité visuelle est la meilleure.

42. L’oeil • l’hypothalamus, et plus précisément de son noyau suprachiasmatique, reçoit un certain nombre de connexions des axones en provenance de la rétine. Le noyau suprachiasmatique est considéré comme le site majeur de notre horloge biologique interne. C’est pourquoi être informé en permanence de la clarté ou de l’obscurité ambiante lui permet de synchroniser toute une série de rythmes biologiques liés au cycle quotidien du jour et de la nuit, y compris le sommeil et l’éveil.

43. L’oeil • Hypothalamus

44. L’oeil • Le pulvinar est un noyau de la région postérieure du thalamus. • C’est un centre d'interprétation de l'image qui jouerait un rôle important dans l'attention visuelle et dans la perception du mouvement. Il contribuerait par exemple au maintien de la stabilité de notre environnement visuel en compensant l’effet qu’ont les mouvements du corps sur le positionnement des images sur la rétine.

45. L’oeil • On a découvert jusqu’à ce jour près d’une trentaine d’aires corticales différentes qui contribuent à la perception visuelle.

46. L’oeil • il existerait deux grands systèmes corticaux de traitement de l’information visuelle : • une voie ventrale qui s’étendrait vers le lobe temporal • une voie dorsale qui se projette vers le lobe pariétal.

47. L’oeil • La voie ventrale aurait pour mission fondamentale de permettre la perception consciente, la reconnaissance et l'identification des objets en traitant leurs propriétés visuelles "intrinsèques" comme leur forme, leur couleur, etc. • La voie dorsale, en revanche, aurait pour mission fondamentale d'assurer le contrôle visio-moteur sur les objets en traitant leurs propriétés "extrinsèques", celles qui sont critiques pour leur saisie, comme leur position spatiale, leur orientation ou leur taille.

48. Le bâillement • comportement stéréotypé et très ancien puisqu’on le retrouve des poissons aux humains, en passant par les reptiles et les oiseaux. • Décrit dès l’Antiquité par Hippocrate qui pensait que le bâillement permettait l'évacuation de la fièvre. • bâiller ne sert pas à améliorer l'oxygénation cérébrale. Ce dogme a d’abord été ébranlé quand on a constaté que le fœtus pouvait bâiller dès l’âge de 12 semaines dans le liquide amniotique du ventre de sa mère.

49. Le bâillement • trois phases : d’abord une longue inspiration, puis un point culminant, et finalement une expiration rapide, associée ou non à des étirements. S’ensuit généralement une sensation de bien-être et de détente • Le rôle du bâillement n’est pas complètement élucidé. Mais comme les bâillements sont plus fréquents quand on s'éveille, quand on s’ennuie ou que l’on s’endort, il semble que sa fonction principale soit de stimuler notre vigilance. • Il jouerait aussi un rôle dans la communication non-verbale en particulier chez les primates.

50. Le bâillement • phénomène singulier propre au bâillement : sa contagion. le fait de voir quelqu’un bâiller nous incite à bâiller. Le simple fait d’y penser peut même parfois suffire. • On pense que ce mécanisme se serait mis en place pour améliorer la cohésion sociale, en permettant par exemple aux personnes présentes d’avoir le même niveau d'éveil en même temps. • pas de centre nerveux strictement associé à ce réflexe, mais certaines structures cérébrales comme l’hypothalamus, l’hypophyse ou le tronc cérébral sont indispensables à son apparition.