David HALL LAMANTIA MOONEY PLATT WHITE neuro · 2019. 5. 23. · PURVES AUGUSTINE FITZPATRICK HALL LAMANTIA MOONEY PLATT WHITE neuro 6e édition sciences Traduction de Jean-Marie-Coquery,

Qu’est-ce que le système nerveux ? Comment fonctionnent et communiquent les cellules qui le constituent ? Qu’est-ce que la mémoire ? Le langage ? L’intelligence ? Véritable bible des neurosciences, cet ouvrage richement illustré expose les concepts de base de la discipline, les théories et les principaux domaines de recherche actuels.

Cette nouvelle édition, entièrement révisée pour refléter les toutes dernières avancées, s’enrichit de quatre nouveaux chapitres qui viennent éclairer le développement des circuits neuronaux ainsi que des processus cognitifs complexes comme l’attention et la prise de décision. De nouveaux encadrés présentent des applications cliniques qui jettent un regard nouveau et pratique sur les notions à maîtriser.

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Les auteurs

Cet ouvrage est le fruit de la collaboration de Dale Purves, George J. Augustine, David Fitzpatrick, William C. Hall, Anthony-Samuel LaMantia, Richard D. Mooney, Michael L. Platt et Leonard E. White. Tous sont neuroscientifiques de renommée internationale.

Les traducteurs

Jean-Marie Coquery est professeur honoraire à l’Université de Lille 1. Ses travaux portent sur les activités motrices et attentionnelles ainsi que leur influence sur l’intégration sensorielle.

Philippe Gailly est docteur en médecine (Université catholique de Louvain) et en biophysique (University of Virginia). Il est professeur de physiologie et de neurosciences.

Nicolas Tajeddine est docteur en médecine et en sciences biomédicales (Université catholique de Louvain). Il est professeur de physiologie des systèmes à l’UCLouvain.

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6e éditionneuro sciences

Traduction de Jean-Marie-Coquery, Philippe Gailly et Nicolas Tajeddine

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Traduction de Jean-Marie Coquery, Philippe Gailly

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Ouvrage original : An Purves, Augustine, Fitzpatrick, Hall, LaMantia, Mooney, Platt & White, Neuroscience, 6th edition© 2018 Oxford University Press

• Neuroscience was originally published in English in 2018. This translation is published by arrangement with Oxford university Press. De Boeck Supérieur is solely responsible for this translation from the original work and Oxford University Press shall have no liability for any errors, omissions or inaccuracies or ambiguities in such translation or for any losses caused by reliance thereon.”

• Neuroscience a été originellement publié en anglais en 2018. Cette traduction est publiée selon un accord avec Oxford University Press. De Boeck Supérieur est entièrement responsable de cette traduction de l’œuvre originale et Oxford University Press ne pourra être tenu responsable de toute erreur, omission, imprécision ou ambiguïté dans la traduction ou pour tout dommage causé par son utilisation.

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Notice : Les éditions De Boeck Supérieur ont fait le nécessaire pour contacter l’ensemble des ayant-droits des illustrations reproduites dans l’ouvrage. Si l’un deux avait échappé à notre vigilance, qu’il voit ici une invitation à nous contacter.

© De Boeck Supérieur s.a., 2019Rue du Bosquet, 7, B-1348 Louvain-la-NeuvePour la traduction et l’adaptation française

Tous droits réservés pour tous pays.Il est interdit, sauf accord préalable et écrit de l’éditeur, de reproduire (notamment par photocopie) partiellement ou totalement le présent ouvrage, de le stocker dans une banque de données ou de le communiquer au public, sous quelque forme et de quelque manière que ce soit.

Dépôt légal : 6e éditionBibliothèque nationale, Paris : mai 2019 ISBN : 9782807314924Bibliothèque royale de Belgique, Bruxelles : 2019/13647/075

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1 L’étude du système nerveux 1

PARTIE I Les signaux nerveux 31

2 Les signaux électriques des cellules nerveuses 33

3 La perméabilité membranaire dépendant du voltage 49

4 Canaux et transporteurs 65

5 La transmission synaptique 85

6 Les neurotransmetteurs et leurs récepteurs 113

7 La transduction intracellulaire du signal 145

8 La plasticité synaptique 169

PARTIE II Sensibilité et traitements sensoriels 191

9 Le système somesthésique : sensibilité tactile et proprioception 193

10 La douleur 213

11 La vision : l’œil 233

12 Les voies visuelles centrales 261

13 Le système auditif 281

14 Le système vestibulaire 305

15 Les sens chimiques 323

PARTIE III La motricité et son contrôle central 355

16 Les motoneurones et le contrôle moteur 357

17 Contrôles centraux du tronc cérébral et de la moelle 381

18 Modulation des mouvements par les ganglions de la base 407

19 Modulation des mouvements par le cervelet 427

20 Les mouvements oculaires et l’intégration sensorimotrice 447

21 Le système nerveux végétatif 465

PARTIE IV Le cerveau qui change 489

22 Les débuts du développement cérébral 491

23 La construction des circuits neuraux 521

24 Développement des circuits neuronaux : facteurs intrinsèques et dimorphisme sexuel 551

25 Plasticité du cerveau en dévelop pement sous l’effet de l’expérience 571

26 Réparation et régénération dans le système nerveux 595

PARTIE V Fonctions cérébrales complexes et neurosciences cognitives 625

27 Les fonctions cognitives et l’organisation du cortex cérébral 627

28 États corticaux 643

29 L’attention 667

30 La mémoire 681

31 Les émotions 703

32 Penser, planifier et décider 725

33 Le langage et la parole 745

34 Développement et évolution de la fonction cognitive 767

APPENDICESurvol de la neuroanatomie humaine A-1

ATLASLe système nerveux central humain AT-1

Glossaire G-1

Références des encadrés RE-1

Crédits des illustrations CI-1

Index I-1

Sommaire

1/PGLM_PURVES_2019.indd 5 6/05/19 10:05

CollaborateursGeorge J. Augustine, Ph.D.David Fitzpatrick, Ph.D.William C. Hall, Ph.D.Ben Hayden, Ph.D.Anthony-Samuel LaMantia, Ph.D.Richard D. Mooney, Ph.D.Michael L. Platt, Ph.D.Dale Purves, M.D.Fan Wang, Ph.D.Leonard E. White, Ph.D.

Éditeurs responsables des partiesPARTIE I : George J. Augustine

PARTIE II : David Fitzpatrick and Richard D. Mooney

PARTIE III : Leonard E. White and William C. Hall

PARTIE IV : Anthony-Samuel LaMantia

PARTIE V : Dale Purves and Michael L. Platt

TraducteursJean-Marie Coquery est professeur honoraire à l’Université de Lille 1. Ses travaux portent sur les activités motrices et attentionnelles ainsi que leur influence sur l’intégration sensorielle.



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Table des matières

CHAPITRE 1L’étude du système nerveux 1

Vue d’ensemble 1Génétique et génomique 1Les composantes cellulaires du système nerveux 2Les neurones 5Les cellules gliales 7La diversité cellulaire du système nerveux 9Les circuits neuraux 10Les autres façons d’étudier les circuits neuronaux 12Organisation générale du système nerveux humain 14Systèmes neuraux 16

E N CA D R É 1ALes organismes « modèles » en neurosciences 17

Analyse génétique des systèmes neuronaux 17L’analyse structurale des systèmes neuraux 20L’analyse fonctionnelle des systèmes neuraux 21L’analyse des comportements complexes 22L’imagerie du cerveau humain vivant 23Imagerie du cerveau à l’aide de rayons X 23Cartographie fonctionnelle à l’aide de la stimulation des surfaces corticales et de l’électroencéphalographie 23Scanner X 25Imagerie par résonance magnétique 26L’imagerie cérébrale fonctionnelle 27Résumé 29Lectures complémentaires 30

PARTIE I Les signaux nerveux 31

CHAPITRE 2Les signaux électriques des cellules nerveuses 33

Vue d’ensemble 33Signaux électriques de la cellule nerveuse 33Transmission des signaux électriques sur de longues distances 35

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EAnesthésie et signaux électriques neuronaux 37

Comment des mouvements d’ions produisent des signaux électriques 39Les forces qui créent les potentiels de membrane 41L’équilibre électrochimique dans un milieu à plusieurs ions perméants 42Les bases ioniques du potentiel de repos de la membrane 44

E N CA D R É 2 ALes remarquables cellules nerveuses géantes du calmar 45

Les bases ioniques des potentiels d’action 46

E N CA D R É 2 BForme du potentiel d’action et terminologie 47

Résumé 48Lectures complémentaires 48

CHAPITRE 3La perméabilité membranaire dépendant du voltage 49

Vue d’ensemble 49Courants ioniques traversant les membranes des cellules nerveuses 49

E N CA D R É 3ALa méthode du voltage imposé 50

Deux types de courants ioniques dépendant du voltage 51Deux conductances membranaires dépendant du voltage 53Reconstitution du potentiel d’action 55Signalisation à longue distance par potentiels d’action 57

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VIII Table des matières

Augmentation de la vitesse de conduction par la myélinisation 59Résumé 59

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELa sclérose en plaques 62

Lectures complémentaires 63

CHAPITRE 4Canaux et transporteurs 65

Vue d’ensemble 65Canaux ioniques impliqués dans le potentiel d’action 65

E N CA D R É 4 ALa méthode du patch-clamp 66

Comment fonctionnent les canaux ioniques 69

E N CA D R É 4 BLes toxines des canaux ioniques 71

La diversité des canaux ioniques 72Les canaux ioniques dépendant du voltage 73

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EMaladies neurologiques dues à des altérations des canaux ioniques 75

Les canaux ioniques activés par des ligands 77Les canaux activés par l’étirement et la chaleur 78Des transporteurs actifs créent et maintiennent des gradients ioniques 79Les pompes ATPases 80Les échangeurs d’ions 81Résumé 82Lectures complémentaires 82

CHAPITRE 5La transmission synaptique 85

Vue d’ensemble 85Deux types de synapses 85Transmission de signaux aux synapses électriques 86Transmission des signaux aux synapses chimiques 88Propriétés des neurotransmetteurs 89Libération quantique des neurotransmetteurs 91Libération de transmetteurs par les vésicules synaptiques 93Le recyclage local des vésicules synaptiques 94Rôle du calcium dans la sécrétion des transmetteurs 95Mécanismes moléculaires de la sécrétion des transmetteurs 97

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EMaladies affectant la terminaison présynaptique 99

Les récepteurs des neurotransmetteurs 102Changements de perméabilité de la membrane postsynaptique durant la transmission synaptique 103Relations entre les courants ioni ques et les changements de potentiels postsynaptiques 106Les potentiels postsynaptiques excitateurs et inhibiteurs 107La sommation des potentiels synaptiques 108Résumé 109

E N CA D R É 5ALa « synapse tripartite » 110


CHAPITRE 6Les neurotransmetteurs et leurs récepteurs 113

Vue d’ensemble 113Les catégories de neurotransmetteurs 113L’acétylcholine 113

E N CA D R É 6ANeurotoxines ayant pour cible les récepteurs postsynaptiques 117

Le glutamate 120

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELa myasthénie, une maladie auto-immune de la jonction neuromusculaire 121

Le GABA et la glycine 126

E N CA D R É 6 BActions excitatrices du GABA dans le cerveau en développement 129

Les monoamines biogéniques 131L’ATP et autres purines 135Les neurotransmetteurs peptidiques 137Neurotransmetteurs atypiques 139

E N CA D R É 6 CLa marijuana et le cerveau 141


CHAPITRE 7La transduction intracellulaire du signal 145

Vue d’ensemble 145Les stratégies de la signalisation moléculaire 145

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Table des matières IX

L’activation des voies de signalisation 147Les types de récepteurs 148Les protéines G et leurs cibles moléculaires 149Les seconds messagers 151

E N CA D R É 7AImagerie dynamique des signaux intracellulaires 153

Les cibles des seconds messagers : protéine-kinases et phosphatases 154Protéine-kinases 155Protéine-phosphatases 157

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EFondement moléculaire des troubles psychiatriques 158

E N CA D R É 7BLes épines dendritiques 160

La signalisation nucléaire 162Exemples de transduction neuronale du signal 164Résumé 166Lectures complémentaires 167

CHAPITRE 8La plasticité synaptique 169

Vue d’ensemble 169La plasticité synaptique à court terme 169La plasticité synaptique à long terme et les modifications du comportement chez l’aplysie 172

E N CA D R É 8AGénétique de l’apprentissage et de la mémoire chez la drosophile 175

La potentialisation synaptique à long terme des synapses de l’hippocampe 176Les bases moléculaires de la PLT 179

E N CA D R É 8 BLes synapses silencieuses 181

Bases moléculaires de la Dépression à Long Terme 183La plasticité synaptique à modulation temporelle relative 186

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EL’épilepsie : effets d’une activité pathologique sur le câblage nerveux 187


PARTIE II Sensibilité et traitements sensoriels 191

CHAPITRE 9Le système somesthésique : sensibilité tactile et proprioception 193

Vue d’ensemble 193Les fibres afférentes transportent l’information somatosensorielle vers le système nerveux central 193Les fibres somesthésiques ont des propriétés fonctionnelles distinctes 194Les mécanorécepteurs tactiles 197

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELes dermatomes 199

Les mécanorécepteurs proprioceptifs 201Voies centripètes de la sensibilité tactile du corps : le système colonnes dorsales-lemnisque médian 203

Voies centripètes de la sensibilité tactile de la face : le système trigéminothalamique 204Voies centripètes de la sensibilité proprioceptive du corps 204Voies centripètes de la sensibilité proprioceptive de la face 205Le thalamus somesthésique 206Le cortex somesthésique primaire 206

E N CA D R É 9AOrganisation interne des cortex sensoriels : les modules corticaux 207

Au-delà de SI : voies corticocorticales et voies descendantes 209La plasticité du cortex cérébral adulte 210Résumé 211Lectures complémentaires 211

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X Table des matières

CHAPITRE 10La douleur 213

Vue d’ensemble 213Les nocicepteurs 213La transduction et la propagation des signaux nociceptifs 214

E N CA D R É 10ALa capsaïcine 216

Voies centripètes spécifiques de la douleur 217

E N CA D R É 10 BLa douleur projetée 218

Les voies parallèles de la douleur 218

E N CA D R É 10 CUne voie de la douleur viscérale dans les colonnes dorsales 220

Voies de la sensibilité thermique et nociceptive de la face 222Autres modalités empruntant le système antéro-latéral 222La sensibilisation 224

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELes membres fantômes et leurs douleurs 226

Régulation centrale de la perception de la douleur 227L’effet placebo 228Les bases physiologiques de la modulation de la douleur 228Résumé 230Lectures complémentaires 231

CHAPITRE 11La vision : l’œil 233

Vue d’ensemble 233Anatomie de l’œil 233La formation des images sur la rétine 234

E N CA D R É 11ALa myopie et les autres anomalies de la réfraction 235

La surface de la rétine 236

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELa dégénérescence maculaire 237

Les circuits rétiniens 238L’épithélium pigmentaire 240

E N CA D R É 11BLa rétinite pigmentaire 241

La phototransduction 241Spécialisation fonctionnelle des systèmes des cônes et des bâtonnets 245

Distribution anatomique des cônes et des bâtonnets 246Les cônes et la vision des couleurs 248

E N CA D R É 11CL’importance du contexte dans la perception des couleurs 249

Les circuits rétiniens de détection des différences de luminance 251

E N CA D R É 11DLa perception de la luminance 252

Ajustement des plages de fonctionnement des cellules ganglionnaires de la rétine 255Contraste de luminance et champs récepteurs environnants 255Résumé 258Lectures complémentaires 258

CHAPITRE 12Les voies visuelles centrales 261

Vue d’ensemble 261Les projections centrales des cellules ganglionnaires 261

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EDéficits du champ visuel 263

Les différents types de cellules ganglionnaires de la rétine 264La représentation rétinotopique du champ visuel 265L’organisation fonctionnelle du cortex strié 267Architecture du cortex visuel primaire 269Combinaison des messages afférents issus des deux yeux 271

E N CA D R É 12 AStéréogrammes à points aléatoires et autres divertissements 273

Division du travail dans la voie visuelle primaire 273L’organisation fonctionnelle des aires visuelles extrastriées 276Résumé 279Lectures complémentaires 279

CHAPITRE 13Le système auditif 281

Vue d’ensemble 281Le son 281Le spectre audible 282Survol des fonctions auditives 283

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EQuatre causes de surdité acquise 284

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Table des matières XI

L’oreille externe 284L’oreille moyenne 286L’oreille interne 288Les cellules ciliées et la transduction mécano-électrique des ondes sonores 289

E N CA D R É 13ALe doux chant de la distorsion 291

Bases ioniques de la transduction mécano-électrique des cellules ciliées 291Le canal de transduction mécano-électrique de la cellule ciliée (canal hcMET) 293L’amplificateur cochléaire 294Sélectivité fréquentielle et synchronisation dans le nerf auditif 294Comment les informations cochléaires gagnent le tronc cérébral 296L’intégration des informations en provenance des deux oreilles 296Les voies monaurales, du noyau cochléaire au lemnisque latéral 299Intégration au niveau du colliculus inférieur 299Le thalamus auditif 299Le cortex auditif 300

E N CA D R É 13 BReprésentation corticale des sons complexes chez la chauve-souris et chez l’homme 302


CHAPITRE 14Le système vestibulaire 305

Vue d’ensemble 305Le labyrinthe vestibulaire 305Les cellules ciliées vestibulaires 306Les organes otolithiques : l’utricule et le saccule 306La détection des inclinaisons et des mouvements de translation de la tête 309Les canaux semi-circulaires 310La détection des rotations de la tête par les canaux semi-circulaires 311Voies centrales de stabilisation du regard, de la tête et de la posture 312

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EÉvaluation clinique du système vestibulaire 314

E N CA D R É 14 ALes cellules de Mauthner 316

Voies vestibulo-cérébelleuses 318Les voies vestibulaires vers le thalamus et le cortex 319Perception de l’orientation spatiale et intégration multisensorielle 320Résumé 320Lectures complémentaires 321

CHAPITRE 15Les sens chimiques 323

Vue d’ensemble 323L’organisation du système olfactif 323La perception olfactive chez l’homme 325Tester la fonction olfactive au laboratoire ou en clinique 327

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EVous n’avez qu’un seul nez 328

Réponses physiologiques et comportementales aux stimuli olfactifs 329L’épithélium olfactif et les neurones récepteurs olfactifs 330La transduction des odeurs et les protéines réceptrices des odorants 332

E N CA D R É 15ALe « Chien docteur » 334

Mécanismes physiologiques et moléculaires de la transduction des odeurs 335Le bulbe olfactif 338Traitement par le cortex piriforme des informations relayées par le bulbe olfactif 340Le système voméronasal : Prédateurs, proies et partenaires 342Le système voméronasal : Mécanismes moléculaires de la transduction sensorielle 343L’organisation du système gustatif 344Le goût chez l’homme 347Protéines réceptrices du goût et transduction 349Le codage gustatif 351Résumé 353Lectures complémentaires 354

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XII Table des matières

PARTIE III La motricité et son contrôle central 355

CHAPITRE 16Les motoneurones et le contrôle moteur 357

Vue d’ensemble 357Les centres nerveux responsables du mouvement 357Les relations entre motoneurones et muscles 359L’unité motrice 361

E N CA D R É 16ALa plasticité des unités motrices 363

La régulation de la force musculaire 363Les circuits spinaux des réflexes d’étirement 366Contrôle du gain des réflexes d’étirement 369Les circuits médullaires contrôlant la force musculaire 370Autres fonctions des fuseaux neuromusculaires et des organes tendineux de Golgi 371Les voies des réflexes de flexion 372Les circuits spinaux et la locomotion 372

E N CA D R É 16 BLa locomotion chez la sangsue et la lamproie 373

Le syndrome neurogène périphérique 376

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELa sclérose latérale amyotrophique 377


CHAPITRE 17Contrôles centraux du tronc cérébral et de la moelle 381

Vue d’ensemble 381Organisation des contrôles moteurs descendants 381Voies corticospinales et corticobulbaires 383

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EImportance de la topographie des déficits moteurs de la face pour localiser la lésion neurologique 385

Organisation fonctionnelle du cortex moteur primaire 387

E N CA D R É 17AQue représentent les cartes motrices ? 388

Le cortex prémoteur 392

E N CA D R É 17BEsprits et machines 393

Rôle des centres de contrôle moteur du tronc cérébral dans le maintien de l’équilibre, la régulation de la posture, l’initiation de la marche et l’orientation du regard 397

E N CA D R É 17CLa formation réticulaire 399

Lésions des voies motrices descendantes : le syndrome pyramidal 403

E N CA D R É 17DLe tonus musculaire 404


CHAPITRE 18Modulation des mouvements par les ganglions de la base 407

Vue d’ensemble 407Les connexions afférentes des ganglions de la base 407Les connexions efférentes des ganglions de la base 410

E N CA D R É 18AAdopter et rompre les habitudes 411

Données fournies par l’étude des mouvements oculaires 413Les circuits internes du système des ganglions de la base 414La dopamine module le système des ganglions de la base 417Troubles hypokinétiques du mouvement 418

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELa stimulation cérébrale profonde 419

Troubles hyperkinétiques du mouvement 421

E N CA D R É 18 BLes boucles des ganglions de la base et les fonctions non motrices du cerveau 423


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Table des matières XIII

CHAPITRE 19Modulation des mouvements par le cervelet 427

Vue d’ensemble 427Organisation du cervelet 427Les connexions afférentes du cervelet 429Les connexions efférentes du cervelet 431Les circuits internes du cervelet 433Les circuits cérébelleux et la coordination du mouvement en cours 437

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELes maladies à prions 438

Les conséquences de lésions du cervelet 441

E N CA D R É 19AAnalyse génétique des fonctions cérébelleuses 442


CHAPITRE 20Les mouvements oculaires et l’intégration sensorimotrice 447

Vue d’ensemble 447À quoi servent les mouvements oculaires ? 447

E N CA D R É 2 0ALa perception des images rétininiennes stabilisées 448

Actions et innervation des muscles extra-oculaires 448Les types de mouvements oculaires et leurs fonctions 450Le contrôle nerveux des saccades oculaires 452

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EMouvements oculaires et lésions, maladies et troubles neurologiques 453

E N CA D R É 2 0 BL’intégration sensorimotrice dans le colliculus supérieur 457

E N CA D R É 2 0 CDes codes de lieu aux codes de fréquence 460

Le contrôle nerveux des mouvements de poursuite continue 462Le contrôle nerveux des mouvements de vergence 463Résumé 463Lectures complémentaires 464

CHAPITRE 21Le système nerveux végétatif 465

Premiers travaux sur le système nerveux végétatif 465Caractéristiques du système végétatif 466La division sympathique du système végétatif 466

E N CA D R É 21AL’hypothalamus 470La division parasympathique du système végétatif 472Le système nerveux entérique 475Les composantes sensitives du système nerveux végétatif 476Le contrôle central des fonctions végétatives 478

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELe syndrome de Claude Bernard-Horner 479

E N CA D R É 21BL’obésité et le cerveau 480

La neurotransmission dans le système nerveux végétatif 481Régulation végétative des fonctions cardiovasculaires 483Régulation végétative de la vessie 485Régulation végétative des fonctions sexuelles 487Résumé 487Lectures complémentaires 488

PARTIE IV Le cerveau qui change 489

CHAPITRE 22Les débuts du développement cérébral 491

Vue d’ensemble 491La formation du système nerveux : gastrulation et neurulation 491

E N CA D R É 2 2 ALes cellules souches : promesses et périls 493

La formation des grandes subdivisions de l’encéphale 495Les bases moléculaires de l’induction neurogène 498

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XIV Table des matières

Cellules souches 501Un réseau intégré de signaux inducteurs définit l’identité des neurones 502La différenciation initiale des neurones et de la glie 504Régulation moléculaire de la neurogenèse 506La genèse de la diversité neuronale 507

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ESignaux inducteurs et anomalies du neurodéveloppement 508

Anomalies génétiques et perturbations du développement cérébral chez l’homme 510La migration des neurones dans le système nerveux périphérique 513La migration des neurones dans le système nerveux central 515Mécanismes moléculaires de la migration neuronale et anomalies de la migration corticale 515Les placodes crâniennes : le lien critique entre le cerveau et le monde extérieur 517Résumé 519Lectures complémentaires 519

CHAPITRE 23La construction des circuits neuraux 521

Vue d’ensemble 521La polarisation neuronale : première étape dans la formation des circuits neuraux 521Le cône de croissance de l’axone 523

E N CA D R É 23AÀ la croisée des chemins : le guidage de l’axone au niveau du chiasma optique 524

Bases moléculaires de la motilité du cône de croissance 526Les signaux non diffusibles de guidage de l’axone 527

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EPerturbations du guidage axonal chez l’homme 529

Chimioattraction et chimiorépulsion 531Croissance dendritique dirigée : garantir la polarité 533Arborisation dendritique : définition de l’espace synaptique 535La formation des cartes topographiques 536La formation sélective des synapses 538Contrôle des connexions neuronales par les interactions trophiques 541Interactions compétitives et formation des connexions neuronales 542

E N CA D R É 23 BPourquoi les neurones ont-ils des dendrites ? 544

La base moléculaire des interactions trophiques 545La signalisation par les neurotrophines 547Résumé 549Lectures complémentaires 550

CHAPITRE 24Développement des circuits neuronaux : facteurs intrinsèques et dimorphisme sexuel 551

Vue d’ensemble 551Dimorphismes sexuels somatiques, nerveux et comportementaux 551Sexe, gonades, corps et cerveau 553

E N CA D R É 2 4 ALa Science de l’amour (ou l’amour comme drogue) 555

Influences hormonales sur le dimorphisme sexuel 557Développement du dimorphismes sexuel dans le système nerveux central 559Dimorphismes cérébraux et développement des comportements reproducteurs 559Bases cellulaires et moléculaires des structures et des comportements présentant un dimorphisme sexuel 561

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELa bonne mère 563

Les récepteurs des stéroïdes du cerveau adulte et leurs réponses 565Anomalies génétiques du sexe génotypique et phénotypique dans l’espèce humaine 566Orientation sexuelle et structure du cerveau humain 567Différences liées au sexe dans les fonctions cognitives 568Résumé 569Lectures complémentaires 570

CHAPITRE 25Plasticité du cerveau en dévelop pement sous l’effet de l’expérience 571

Vue d’ensemble 571Activité neurale et développement 571Les périodes critiques 573

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Table des matières XV

E N CA D R É 2 5ALes comportements précâblés 574

Le rôle des oscillations dans l’établissement de périodes critiques 575Périodes critiques lors du développement du système visuel 576Effets de la privation visuelle sur la dominance oculaire 577

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U E« Dancing in the dark » 579

Utilisation expérimentale de la compétition 582Compétition binoculaire et ajustement de l’orientation pour la vision binoculaire 583Amblyopie, strabisme et périodes critiques pour la vision chez l’homme 584Contrôle cellulaire et moléculaire des périodes critiques 585Les périodes critiques dans les autres systèmes sensoriels 586Le développement du langage, exemple de période critique chez l’homme 587Développement du cerveau humain, plasticité et périodes critiques 590Résumé 591Lectures complémentaires 593

CHAPITRE 26Réparation et régénération dans le système nerveux 595

Vue d’ensemble 595Le cerveau lésé 595Réorganisation fonctionnelle sans réparation 596Trois types de réparation neuronale 598

La régénération des nerfs périphériques 599Base cellulaire et moléculaire de la réparation des nerfs périphériques 601La régénération des synapses périphériques 604

E N CA D R É 26ARégénération spécifique des connexions synaptiques dans les ganglions végétatifs 606

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELes victimes de la guerre et du sport 607

La régénération dans le système nerveux central 609Réactions cellulaires et moléculaires aux lésions dans le système nerveux central 609Formation de la cicatrice gliale dans le cerveau 612Activation immunitaire et inflammation à la suite d’une lésion cérébrale 614La croissance des axones après une lésion cérébrale 614Neurogenèse dans le système nerveux central adulte 614Neurogenèse adulte chez des vertébrés non-mammifères 616Neurogenèse dans le cerveau adulte des mammifères 617Mécanismes cellulaires et moléculaires de la neurogenèse adulte 618

E N CA D R É 26 BArmes nucléaires et neurogenèse 620

Neurogenèse adulte, cellules souches et réparation cérébrale chez l’homme 622Résumé 622Lectures complémentaires 623

PARTIE V Fonctions cérébrales complexes et neurosciences cognitives 625

CHAPITRE 27Les fonctions cognitives et l’organisation du cortex cérébral 627

Vue d’ensemble 627Vue d’ensemble de la structure du cortex 627

E N CA D R É 27ALa lamination du cortex 629

Caractéristiques propres aux aires corticales associatives 629Les aires corticales associatives du lobe pariétal contrôlent l’attention 631

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XVI Table des matières

E N CA D R É 27BSynesthésie 632

Le cortex temporal associatif 633Le cortex frontal associatif 635

E N CA D R É 27CLes tests neuropsychologiques 637

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELa psychochirurgie 638


CHAPITRE 28États corticaux 643

Vue d’ensemble 643Le cycle circadien 643Mécanismes moléculaires des horloges biologiques 646

E N CA D R É 2 8AL’électroencéphalographie 647

Le sommeil 647Pourquoi dort-on ? 649

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELes troubles du sommeil et leur traitement 650

E N CA D R É 2 8 BSommeil et mémoire 651

Styles de sommeil chez différentes espèces 652

E N CA D R É 2 8 CLe rêve 653

Les phases du sommeil 653Modifications physiologiques au cours du sommeil 655Les circuits nerveux du sommeil 655Les interactions thalamocorticales impliquées dans le sommeil 657La conscience 659Des machines douées de conscience ? 662États de coma 663L’« état par défaut » du cerveau 663Résumé 665Lectures complémentaires 665

CHAPITRE 29L’attention 667

Vue d’ensemble 667L’attention en tant que processus sélectif 667Attention endogène et exogène 668Attention cachée 670L’attention à travers les modalités sensorielles 670

Preuves que le système cérébral contrôle l’attention 670Preuves chez des patients neurologiques : le syndrome de négligence spatiale unilatérale 671

E N CA D R É 2 9AL’attention et les champs oculaires frontaux 673

Preuves chez des sujets normaux 673

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELe syndrome de Balint 674

Études chez des primates non humains 675Problèmes liés à la notion d’attention en tant que contrôle de l’exécution 676Interprétations alternatives de l’attention 677Résumé 678Lectures complémentaires 678

CHAPITRE 30La mémoire 681

Vue d’ensemble 681Catégories qualitatives de la mémoire humaine 681

E N CA D R É 3 0ALa mémoire phylogénétique 682

Catégories temporelles de la mémoire 683Amorçage 684Importance des associations pour le stockage de l’information 685Apprentissage conditionné 686

E N CA D R É 3 0 BLes idiots savants 687

L’oubli 688

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ECas cliniques révélant des bases anatomiques de la mémoire déclarative 689

L’amnésie 689Processus cérébraux de l’acquisition et du stockage des souvenirs en mémoire déclarative 689Site de stockage de la mémoire à long terme 693

E N CA D R É 3 0 CLa maladie d’Alzheimer 694

E N CA D R É 3 0 DCellules de lieu et cellules de grille 695

Processus cérébraux de l’acquisition et du stockage de la mémoire et de l’apprentissage non déclaratifs 698Mémoire et vieillissement 699Résumé 700Lectures complémentaires 701

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Table des matières XVII

CHAPITRE 31Les émotions 703

Vue d’ensemble 703Définir l’émotion 703Modifications physiologiques accompagnant les émotions 703L’intégration du comportement émotionnel 704L’activité motrice est-elle la cause ou l’effet des émotions ? 706

E N CA D R É 31AContrôle des expressions faciales 707

Le système limbique 708

E N CA D R É 31BL’amygdale 710

L’importance de l’amygdale 711

E N CA D R É 31CLa peur et l’amygdale humaine : étude de cas 713

Relations entre le néocortex et l’amygdale 714

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELes troubles affectifs 715

Latéralisation corticale des fonctions émotionnelles 716Émotion, raison et comportement social 717Émotion et addiction 718Le syndrome de stress post-traumatique 721Résumé 723Lectures complémentaires 723

CHAPITRE 32Penser, planifier et décider 725

Vue d’ensemble 725Une esquisse des circuits impliqués 725Le cortex orbitofrontal et l’évaluation des options 726

E N CA D R É 32 ALa dopamine et les erreurs de prédiction des récompenses 729

Le cortex préfrontal dorsolatéral et la planification et l’organisation du comportement 731Le cortex cingulaire et l’apprentissage des conséquences du comportement 734

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ETraitements psychochirurgicaux des maladies mentales 735

Le cortex préfrontal ventrolatéral et la maîtrise de soi 737L’insula antérieure et le milieu intérieur 737

E N CA D R É 32 BLe point de vue des neurosciences sur le libre arbitre 739

Le cortex cingulaire postérieur et la conscience de soi 740Résumé 743Lectures complémentaires 743

CHAPITRE 33Le langage et la parole 745

Vue d’ensemble 745Représentation du langage dans le cerveau 745Les aphasies 746

E N CA D R É 3 3ALa production de la parole 747

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EPrésentation clinique des aphasies 749

Une confirmation ingénieuse de la latéralisation du langage 750

E N CA D R É 3 3 BLangage et latéralisation manuelle 752

Recherche des différences anatomiques entre les hémisphères droit et gauche 754La cartographie des fonctions linguistiques 755Le rôle de l’hémisphère droit dans le langage 757Les gènes et le langage 757Le langage des signes 758Une période critique pour l’acquisition du langage 759Lecture et dyslexie 760

E N CA D R É 3 3 CLe chant des oiseaux 761

Les animaux ont-ils un langage ? 762Résumé 763Lectures complémentaires 764

CHAPITRE 34Développement et évolution de la fonction cognitive 767

Vue d’ensemble 767Fondements de la neurobiologie cognitive du développement et de l’évolution 767Développement des capacités cognitives 768

E N CA D R É 3 4 ADarwin et le cerveau 769

Taille du cerveau et développement cognitif 773La taille du cerveau et l’évolution de la cognition 773

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XVIII Table des matières

E N CA D R É 3 4 BDifférences cérébrales chez les humains modernes 774

Taille relative du cerveau et complexité cérébrale 775Évolution du développement du cerveau 777Spécialisations évolutives du cerveau et du comportement 778

E N CA D R É 3 4 CLa neurobiologie de l’intelligence 780

Témoignages fossiles sur l’évolution du cerveau et de la cognition 780Évolution de l’apprentissage et de la mémoire 783Évolution de la cognition sociale 784Résumé 786

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U EAutisme 787


APPENDICESurvol de la neuroanatomie humaine A-1

Vue d’ensemble A-1Terminologie neuroanatomique A-1Les grandes subdivisions du système nerveux central A-2Anatomie externe de la moelle épinière A-4Anatomie interne de la moelle épinière A-5Le tronc cérébral et les nerfs crâniens A-7Face latérale du cerveau A-13Faces dorsale et ventrale du cerveau A-14Face sagittale médiane du cerveau A-14Anatomie interne du cerveau A-16

E N CA D R É ALe thalamus et les connexions thalamo-corticales A-17

Vascularisation du cerveau et de la moelle épinière A-20

A P P L I CAT I O N C L I N I Q U ELes accidents vasculaires cérébraux A-21

La barrière hémato-encéphalique A-27Les méninges A-28Le système ventriculaire A-28Références A-31

ATLASLe système nerveux central humain AT-1

PLanche 1 Atlas photographique AT-2Planche 2 Atlas IRM, coronal AT-4Planche 3 Atlas IRM, axial AT-6Planche 4 Atlas IRM, sagittal AT-10Planche 5 Imagerie du tenseur de diffusion AT-12Planche 6 Atlas du tronc cérébral AT-14Planche 7 Atlas de la moelle épinière AT-16

Glossaire G-1Références des encadrés RE-1Crédits des illustrations CI-1Index I-1

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Quel que soit le point de vue sous lequel on l’examine, moléculaire, cellulaire, systémique ou comportemental, le système nerveux nous apparaît comme une machine biologique stupéfiante. Compte tenu de ce que permet le cerveau – toutes les créations de la culture humaine, par exemple – on comprend que l’on cherche à savoir comment il fonctionne, de même que l’ensemble du système nerveux. La dégradation des personnes qu’entraînent les désordres neurologiques et psychia-triques, leurs coûts sociaux, donnent un caractère d’urgence accrue à cette entre-prise. L’objectif de cet ouvrage est de mettre en lumière les défis intellectuels et l’enthousiasme, certes tempéré par nos incertitudes, que suscite ce que beaucoup considèrent comme la dernière grande frontière des sciences biologiques. Les infor-mations qu’il contient devraient fournir les bases indispensables aux étudiants en médecine, aux étudiants des deuxièmes cycles de neurosciences ou de psychologie et à tous ceux qui, simplement, souhaitent comprendre comment fonctionne le sys-tème nerveux de l’homme.

Comme toutes les autres grandes entreprises humaines, les neurosciences n’échappent pas aux controverses ; elles n’en manquent pas, mais elles font naître aussi un intérêt passionné. Tous ces éléments ont été incorporés dans ce livre et nous espérons que les lecteurs de tous niveaux sauront les y trouver.

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Depuis près de quatre siècles, le monde occidental est profondément influencé par la pensée dualiste de René Descartes. Pour lui, et pour nombre de penseurs, de philosophes et de scientifiques qui lui ont succédé, esprit et matière sont deux entités fondamentalement différentes et il est impossible de comprendre l’esprit, et donc le comportement humain, en étudiant la matière. Il y a quelques décennies seulement, ce postulat restait largement admis. Aujourd’hui encore, de nombreuses reliques du dualisme cartésien persistent. En médecine par exemple, le cerveau occupe toujours une place à part puisqu’il est le centre d’intérêt de deux disciplines : la psychiatrie, qui s’occupe des troubles de l’esprit, et la neurologie, qui diagnostique et traite les désordres bio-logiques du système nerveux. Dans la recherche aussi, la frontière entre la matière et l’esprit, entre le corps et l’âme, entre le cerveau et les autres organes est restée longtemps infranchissable. Pourtant, de très vieilles observations auraient dû, il y a bien longtemps, ren-voyer le dualisme cartésien dans les manuels d’histoire. Dès le milieu du XIXe siècle, le cas de Phineas Gage constituait déjà un indice sérieux mettant à mal la pensée cartésienne. Gage était un contremaître des chemins de fer du Vermont qui, lors d’un accident sur un chantier, avait perdu une partie de son cortex frontal. Suite à cette blessure, Gage, quoique parfaitement valide et sain au premier abord, avait complètement changé de compor-tement et son entourage ne cessait de se plaindre en ces mots devenus célèbres : « Gage n’était plus Gage. » Ce cas malheureux aurait dû alerter les scientifiques sur l’incongruité du dualisme cartésien. Malgré cela, il aura fallu attendre les travaux de Hanna et d’Antonio Damasio pour que tous les enseignements soient tirés de la drama-tique histoire de Gage. Antonio Damasio publia en 1995, soit 150 ans après l’accident de Gage, un livre devenu best seller intitulé « L’erreur de Descartes »1. D’autres pionniers avaient déjà lancé les bases des neurosciences modernes et leurs hypothèses auraient dû inciter les chercheurs à étudier plus tôt la « biologie de l’esprit ». Les travaux de Jean-Baptiste de Lamarck et la théorie de la sélection naturelle publiée par Charles Darwin en 1859 suggéraient un continuum entre l’homme et les autres animaux et remettaient ainsi largement en cause le concept d’animal-machine évoqué par Descartes. Darwin fut également un des initiateurs de la psycho-évolution en publiant, en 1872, son ouvrage intitulé L’Expression des émotions chez l’homme et les animaux. Wilder Penfield, plus récemment, montra qu’il était pos-sible de déclencher la résurgence de souvenirs en sti-

1. L’erreur de Descartes, Antonio R. Damasio, Éditions Odile Jacob, 1995.

mulant électriquement la surface du cortex. Malgré toutes ces observations, les chercheurs ont longtemps résisté à la tentation d’étudier la biologie de l’« âme ». Pétris par quatre siècles de pensée cartésienne et peut-être aussi influencés par des convictions philosophiques et reli-gieuses, ils ont hésité à mélanger éprouvettes et esprit. Probablement étaient-ils aussi inquiets par ce qu’ils risquaient de découvrir. Des sentiments aussi nobles que l’amour, la passion et l’empathie allaient être expli-qués en termes de signaux moléculaires et électriques. L’homme, après avoir appris qu’il habitait dans un recoin de l’univers et non en son centre et qu’il était issu du vagin d’une guenon et non de la cuisse de Jupiter2, allait maintenant se rendre compte que son intelligence et que ses émotions n’étaient que le résultat de forces phy-siques et chimiques…

Quoi qu’il en soit et malgré toutes ces péripéties, les neurosciences se sont maintenant largement lancées dans l’ère de la biologie. Il ne fait plus guère de doute que le cerveau, comme n’importe quel autre organe, pourra être compris à la lumière de la démarche expéri-mentale. On n’hésite plus aujourd’hui à étudier à l’aide d’instruments de mesure, de systèmes d’imagerie et d’enregistreurs électroniques les tâches intellectuelles complexes et même les émotions. On commence à com-prendre les substrats chimiques de l’amour, de la peur, du langage, de la mémoire… Aime-t-on moins pour autant ? Le sentiment amoureux a-t-il pour autant perdu de sa magie ? Certainement pas !

« Comprendre » le monde n’a jamais rien enlevé à sa beauté. Déchiffrer les mécanismes des émotions n’em-pêche pas de les vivre. Depuis que la superstition, la magie et le surnaturel ont laissé la place à la science, l’univers qui nous entoure, les phénomènes que nous observons et le fonctionnement de notre propre corps nous apparaissent encore bien plus extraordinaires et captivants.

Au fil des années, le « Purves » s’est imposé comme LA référence en neurosciences. Ce remarquable ouvrage se lance sans hésitation dans la description des décou-vertes les plus récentes sur la biologie des fonctions cérébrales complexes. En suivant constamment l’évolu-tion des recherches dans le domaine, cet ouvrage four-nira tant à l’étudiant qu’au chercheur ou qu’au praticien les dernières données disponibles concernant ces fasci-nants sujets. Dans la lignée des éditions précédentes, cette 6e édition du « Purves » expose les résultats les plus récents et les plus marquants dans le domaine des neu-rosciences.

2. L’Heure de s’enivrer : l’univers a-t-il un sens ?, Hubert Reeves, Éditions du Seuil, 1986.

Avant-propos des traducteurs

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XXII Avant-propos des traducteurs

Bien entendu, on ne demande pas à celui qui ne sait pas faire une addition de comprendre la physique quantique. De la même manière, l’étude des fonctions cérébrales complexes nécessite une connaissance appro-fondie de la physiologie des cellules qui constituent le système nerveux. La première partie de l’ouvrage est consacrée à cette thématique. Là aussi, les données les plus récentes sur le sujet sont exposées. Par exemple, le rôle des astrocytes dans la transmission synaptique est expliqué en détail. Il y a quelques années seulement, les astrocytes étaient considérés comme de simples cellules de soutien du tissu nerveux. Au mieux leur reconnaissait-on un rôle dans la formation de la synapse. Les données récentes montrent que ces cellules spécialisées jouent un rôle majeur dans la transmission de l’information. Cette hypothèse, encore incomplètement démontrée, consti-tue une révolution dans le monde de la neurophysiolo-gie cellulaire tant on a longtemps pensé que seuls les réseaux de neurones constituaient le substrat de l’intel-ligence.

Historiquement, les neurophysiologistes ont surtout étudié le fonctionnement des organes des sens et du contrôle moteur. Plus faciles d’accès que les fonctions cérébrales complexes, ces deux domaines ont longtemps constitué l’essentiel des recherches en neurosciences. Ces sujets font l’objet des deuxième et troisième parties. On trouve dans les organes des sens des mécanismes extraordinaires façonnés par des centaines de millions d’années d’évolution. Mais, au-delà de l’intérêt évident que peuvent susciter ces chapitres, ils donnent au lecteur les bases permettant de comprendre le fonctionnement des circuits neuraux et, de là, la biologie des fonctions supérieures. Contrairement aux circuits sous-tendant les fonctions complexes, ceux de la rétine ou des gan-glions de la base, par exemple, sont relativement bien compris. Ils fournissent sans nul doute des indices sur la physiologie des aires corticales et leur étude permettra au lecteur d’acquérir les connaissances nécessaires à la lecture des futurs travaux qui permettront d’élucider le fonctionnement des circuits plus complexes, mais basés sur les mêmes règles, qui constituent le cortex.

La quatrième partie de l’ouvrage s’intéresse au déve-loppement du système nerveux ainsi qu’aux méca-nismes de régénération et de réparation. Longtemps, la neuro embryologie macroscopique n’a eu qu’un intérêt académique et n’était indispensable que pour la com-préhension de malformations monstrueuses et drama-tiques, mais heureusement rarissimes. L’avènement de la neuroembryologie moléculaire a complètement bou-leversé cet état d’esprit. L’importance prise dans nos sociétés par les maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson ou la maladie d’Alzheimer est certainement à la base de cet intérêt renaissant pour la neuroembryologie. Beaucoup pensent aujourd’hui que la compréhension des mécanismes moléculaires qui indui-sent la formation des structures nerveuses embryon-naires, des premiers neurones et des premières synapses

permettra de développer de nouvelles stratégies afin de compenser la disparition pathologique des neurones et de leurs connexions. Ce domaine est dès lors en cons-tante évolution et, depuis la publication de la 5e édition de cet ouvrage, de nombreuses données se sont encore accumulées. Elles sont largement exposées dans l’ac-tuelle édition.

Enfin, l’ouvrage se termine par une importante section consacrée à la physiologie des fonctions supérieures. Si l’on peut sans crainte affirmer que l’essentiel du fonc-tionnement du cœur, du foie ou des reins est compris, l’état des connaissances sur les fonctions supérieures assurées par le cerveau reste extrêmement limité. Il faut bien l’avouer : l’essentiel nous échappe. Bien entendu, de nombreuses découvertes ont été faites grâce à l’utili-sation d’organismes modèles tels que la souris. Mais, pour aller plus loin et percer les plus grands mystères du cerveau, les chercheurs doivent maintenant étudier des sujets humains ou, éventuellement, leurs proches cou-sins que sont les grands singes. Or, cette recherche est largement limitée par les problèmes éthiques qu’elle soulève. Heureusement, on a récemment assisté à l’émer-gence de techniques non invasives d’analyse de l’activité corticale qui ont permis de mieux identifier les corrélats neuronaux des fonctions supérieures. Ainsi, des avan-cées décisives ont été réalisées ces dernières années. Encore plus que dans la 5e édition, les progrès permis par ces méthodes d’investigation fonctionnelles du cer-veau humain sont largement détaillés dans le présent ouvrage. Ainsi, de nouveaux chapitres consacrés à l’at-tention, aux états corticaux, aux processus de pensée, de planification et de décision ont été introduits. Pour autant, la conscience, les émotions, la mémoire ou le langage sont des phénomènes qui restent encore largement incompris. En particulier, le lien entre l’activité corticale et la perception subjective est totalement mystérieux. Comment l’activité électrique du cortex visuel par exem-ple génère-t-elle l’image mentale que nous construi-sons ? Aucune réponse satisfaisante n’est actuellement apportée à cette question. À vrai dire, même les appro-ches expérimentales permettant d’étudier cette fasci-nante énigme sont à ce jour inexistantes. Le lecteur pourrait dès lors se sentir frustré à la lecture de ces chapitres. Qu’il soit néanmoins assuré que cet ouvrage lui fournira toutes les connaissances les plus récentes dans le domaine. Il va sans dire qu’il lui faudra sans cesse se maintenir à jour, dans ce domaine plus encore que dans tout autre, mais il est certain que le « Purves » lui donnera le bagage nécessaire à la compréhension des futures recherches qui seront publiées sur le sujet.

Cet ouvrage n’est pas seulement un livre de physio-logie normale. Il laisse également une large part aux maladies du système nerveux. De multiples exemples pathologiques pertinents sont repris dans les encadrés « Applications cliniques ». Cela permettra évidemment au praticien de faire le lien entre la physiologie normale, la physiopathologie et son travail quotidien au chevet

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Avant-propos des traducteurs XXIII

du malade. Mais l’ensemble de ces données relatives aux maladies du système nerveux intéressera certainement un bien plus large public. En neurosciences, plus encore que dans d’autres disciplines, la compréhension des mécanismes physiopathologiques permet aussi de mieux comprendre la physiologie normale. Nombre de méca-nismes normaux ont d’ailleurs initialement été compris suite à l’étude de leur dysfonctionnement. D’aucuns affir-ment que tout étudiant devrait étudier la symptomato-logie des AVC afin de connaître précisément la fonction des différentes parties du cerveau. Cet aspect de l’ou-vrage a donc clairement des vertus pédagogiques.

Enfin, le dernier chapitre de l’ouvrage est consacré à l’adaptation des fonctions cognitives au cours de l’évolu-tion des espèces. Il démontre une fois de plus que, comme toutes les autres fonctions biologiques, les fonc-tions nerveuses se sont modifiées chez toutes les espèces afin de répondre de manière optimale aux exigences de leur environnement. Comme ailleurs, le moteur de cette évolution n’est autre que la sélection naturelle.

Par sa présentation didactique, par son contenu sans cesse remis à jour et par ses explications relatives à la pathologie, Neurosciences s’adresse à un large public. Il figurera donc en bonne place dans la bibliothèque de l’étudiant, du chercheur ou du praticien et constituera une source intarissable de connaissances. L’esprit cri-tique ne naît pas de rien. Il trouve sa source dans l’étude sans cesse renouvelée des données de la science. En exposant les dernières avancées dans le domaine des neurosciences et en remettant en question les théories d’autrefois, cet ouvrage permettra donc au lecteur de se forger une pensée critique et de faire sienne la célèbre maxime de Voltaire : « Le doute est un état mental désa-gréable, mais la certitude est ridicule ».

Philippe Gailly et Nicolas Tajeddine, traducteurs de la 6e édition

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Compléments en ligneLes compléments de Neurosciences, 6e Édition offrent un certain nombre d’outils d’étude et de révision qui vous permettront de mieux appréhender le cours de neurosciences. L’accès à ces derniers se fait via la version numérique de l’ouvrage (Noto).

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Un atlas interactif et glossaire visuel de neuroanatomie humaine

Cet exemplaire de la 6e édition de Neurosciences comprend un code d’accès à Sylvius, un remar-quable logiciel d’apprentissage permettant d’explorer et de comprendre la structure du système nerveux humain.

Sylvius comporte des images annotées de la surface du cerveau humain ainsi que des outils interactifs permettant de disséquer virtuellement le système nerveux central et de visualiser des coupes annotées d’un spécimen de cerveau ou des images d’IRM de sujets vivants.

Complétée et remaniée, cette nouvelle version de Sylvius est plus qu’un simple atlas ; elle donne accès à une base de données de plus de 500 termes de neuroanatomie, accompagnés d’une brève définition et illustrés de photos, d’images d’IRM et de figures extraites de la 5e édition de Neurosciences.

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Contenu du Sylvius

Atlas d’anatomie de surface : Photos, IRM, modèle du tronc cérébral.

Atlas d’anatomie par coupes : Photos, IRM, tronc cérébral et moelle épinière.

Voies : Vous permet de suivre le trajet de l’information dans divers faisceaux longs du système nerveux central.

Glossaire visuel : Utilisé pour rechercher des structures neuroanatomiques, obtenir des informations concises sur leur emplacement et leur fonction et pour écouter la prononciation du terme anglais correspondant.

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Classement des structures et des termes anatomiques par catégories (nerfs crâniens, lobes, aires corticales, etc.) offrant une exploration facile.

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L’étude du système nerveux1

CHAPITRE

Vue d’ensembleLES NEUROSCIENCES ONT À TRAITER UN LARGE ÉVENTAIL de questions touchant la façon dont le système nerveux de l’homme et des autres animaux se développe, dont il est organisé et dont le fonctionnement produit les comporte-ments. Ces questions peuvent être abordées à l’aide des outils que sont la géné-tique, la biologie moléculaire et cellulaire, l’anatomie, la physiologie des systèmes, la biologie du comportement, la psychologie et l’imagerie du cerveau. L’étudiant en neurosciences doit donc surmonter une difficulté majeure : comment intégrer les connaissances de tous ordres issues de ces divers niveaux d’analyse en une vision relativement cohérente de la structure et des fonctions du cerveau. Parmi les problèmes qui ont été abordés avec succès, beaucoup concernent la façon dont les principales catégories de cellules du système nerveux – les neurones et la glie – accomplissent leurs tâches fondamentales. Des sous-populations de neurones et de cellules gliales forment des ensembles appelés circuits neuraux ; ces circuits constituent les éléments principaux des systèmes neuraux qui traitent différents types d’information. Les systèmes neuraux sous-tendent pour leur part trois grandes fonctions : les systèmes sensoriels assurent la représentation des informations qui concernent l’état de l’organisme et de son environnement ; les systèmes moteurs organisent et produisent les actions ; les systèmes associatifs sont à la base des fonctions cérébrales dites « supérieures » telles que la percep-tion, l’attention, la mémoire, les émotions, le langage et la pensée rationnelle. Ces processus complexes sont essentiels à la compréhension de l’être humain, de son comportement, de son histoire, voire de son avenir.

Génétique et génomique Le système nerveux comme n’importe quel organe est le produit de l’expression de gènes qui commence dès l’embryogenèse. Chaque gène comprend des séquences codantes d’ADN (exons), qui sont transcrites en ARN messagers, puis en une chaîne d’acides aminés formant une protéine particulière et des séquences régulatrices d’ADN (promoteurs et introns) qui contrôlent le moment, le site et le taux de transcription d’un gène dans une cellule particulière.

L’analyse génétique est donc cruciale pour comprendre la structure, la fonc-tion et le développement des organes et des systèmes, notamment le cerveau et le système nerveux. L’avènement de la génomique, qui se concentre sur l’ana-lyse de séquences d’ADN complètes, à la fois codantes et régulatrices, tant au niveau d’une espèce qu’au niveau individuel, a permis de mieux comprendre comment l’ADN nucléaire fournit des instructions permettant l’embryogenèse et le fonctionnement du cerveau et du reste du système nerveux.

Selon les estimations actuelles, le génome humain contient environ 20 000 gènes, dont 14 000 (soit 70%) sont exprimés dans le cerveau en dévelop-pement et/ou dans le cerveau mature (Figure A.1a). Parmi ceux-ci, environ 8000 sont exprimés dans toutes les cellules et les tissus, y compris dans le cerveau. Les 6000 gènes restants sont exprimés uniquement dans le système nerveux. La plu-part des informations génétiques « spécifiques au système nerveux » pour les gènes dont l’expression est partagée entre plusieurs tissus résident dans les introns et les séquences régulatrices qui contrôlent le moment, la quantité, la

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2 Chapitre 1

variabilité et la spécificité cellulaire de l’expression génétique. Malgré le nombre de gènes communs entre le cerveau et d’autres tissus, leur niveau d’expression et leur localisation varient suivant les régions cérébrales (la quantité d’ARNm exprimé varie de région à région et d’un type cellulaire à l’autre ; Figure 1.1B). De plus, les messages variables transcrits à partir du même gène, appelés variants d’épissage, ajoutent de la diversité en permettant à un seul gène de coder l’information pour une variété de protéines connexes. Toutes ces diffé-rences jouent un rôle dans la diversité et la complexité de la structure et du fonctionnement du cerveau.

Le séquençage du génome humain a permis de réa-liser que la mutation d’un gène unique ou d’un petit nombre de gènes peut être à l’origine de troubles neu-rologiques et psychiatriques. Par exemple, la mutation d’un gène unique qui contrôle la mitose peut entraîner une microcéphalie, situation dans laquelle le cerveau et la tête ne parviennent pas à se développer et les fonctions cérébrales sont considérablement réduites (Figure 1.1C ; voir aussi le Chapitre 22). Outre leurs effets sur le développement du cerveau, les mutations de gènes peuvent causer (ou sont des facteurs de ris-que) des troubles dégénératifs du cerveau adulte, comme la maladie de Huntington et la maladie de Par-

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Environ 14000 des 20000 gèneshumains sont exprimés dans le cer-veau en développement ou adulte

~6000 gènesexprimésdans lecerveau

~8000 gènesubiquitaires exprimés

dans tous les typescellulaires et tissulaires

~6000gènes nonexprimésdans lecerveau

(B)

(A)

(C)

FIGURE 1.1 Le génome et le cerveau. (A) Dans ce diagramme de Venn du génome humain, les régions bleue et mauve représentent les gènes qui sont exprimés sélectivement dans le cerveau ainsi que ceux qui sont exprimés de façon ubiquitaire – et donc trouvés dans le cerveau ainsi que dans tous les autres tissus. (B) La localisation et le niveau d’expression d’un seul gène dans le cerveau humain. Les points indiquent les régions du cerveau où l’ARNm de ce gène particulier peut être trouvé, alors que leur couleur (bleu à l’orange) indique le niveau relatif (faible à élevé) de l’ARNm détecté à chaque endroit. (C) La conséquence d’une mutation d’un gène unique pour le développement du cerveau. Un gène unique, ASPM (« abnormal spindle-like microcephaly-associated protein ») affecte la fonction d’une protéine associée au fuseau mitotique et se traduit par une microcéphalie. Chez un patient porteur de la mutation ASPM (à gauche), la taille globale du cerveau est considérablement réduite et son organisation anatomique est déformée par rapport au cerveau d’un contrôle normal (à droite) de même âge et de même sexe (A, données de Ramsköld et al., 2009 ; B gracieusement communiqué par l’Allen Brain Atlas, C, d’après Bond et al., 2002).

kinson. L’utilisation de la génétique et de la génomique pour comprendre les maladies du système nerveux en développement et du système nerveux adulte permet de mieux comprendre la pathologie et fait naître l’espoir de thérapies géniques.

La relation entre le génotype et le phénotype, cependant, n’est clairement pas seulement le résultat du respect des instructions génétiques, et l’information génomique en soi ne peut expliquer comment le cerveau fonctionne, ou comment les processus pathologiques perturbent les fonctions cérébrales normales. Pour com-prendre le fonctionnement normal et pathologique du système nerveux, les neuroscientifiques et les cliniciens doivent également comprendre la biologie cellulaire, l’anatomie et la physiologie des cellules constituantes, les circuits neuronaux qu’elles forment et comment la structure et le fonctionnement de ces circuits changent avec le temps. Si la compréhension des principes de fonctionnement de la plupart des autres systèmes orga-niques est claire depuis longtemps, ce défi n’a pas encore été relevé pour le système nerveux, et en parti-culier le cerveau humain.

Les composantes cellulaires du système nerveuxLes cellules ont été reconnues comme les éléments de base des organismes vivants dès le début du dix-neu-vième siècle. Mais il fallut attendre que le vingtième

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L’étude du système nerveux 3

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Axone

Corpscellulaire

Dendrites

Dendrites

(C) Cellule ganglionnaire de la rétine

(F) Cellules de Purkinje du cervelet(E) Neurones du noyau mésencéphalique du V (nerf trijumeau)

Axones

*

Corpscellulaires

(B) Cellule bipolaire de la rétine

DendritesDendrites

Corpscellulaire

Axone

Corpscellulaire

Axone Corpscellulaire

Dendrites

(D) Cellule amacrine de la rétine

(A) Cellule pyramidale du cortex

*

*

Axone

Corpscellulaire

*

FIGURE 1.2 Morphologie de certaines cellules nerveuses chez l’homme. Exemples de la variété morphologique des neurones du système nerveux humain. Les dessins ont été réalisés d’après des préparations histologiques de cellules imprégnées de sels d’argent (méthode dite de Golgi, utilisée dans les travaux classiques de Golgi et de Cajal). Les astérisques indiquent que l’axone s’étend beaucoup plus loin que ne le représente la figure. On notera que certaines cellules, comme les cellules bipolaires de la rétine, ont un axone très court et que d’autres, comme les cellules amacrines, en sont totalement dépourvues. Les divers dessins ne sont pas à la même échelle.

siècle soit déjà bien avancé pour qu’on admette que le système nerveux est, comme les autres organes, com-posé de ces mêmes unités fondamentales. La raison en est que la première génération des neurobiologistes « modernes » du dix-neuvième siècle ne disposait ni des microscopes ni des techniques de coloration d’une résolution suffisante pour mettre en évidence ces unités que sont les cellules nerveuses. Les formes extraordi-nairement complexes et les ramifications étendues de ces cellules – fortement tassées et de ce fait difficiles à distinguer les unes des autres – tendaient à masquer leur ressemblance avec les cellules à la géométrie plus simple des autres tissus (Figure 1.2). Certains biologistes de l’époque en venaient donc à conclure que chaque cellule nerveuse était connectée à ses voisines par des liaisons protoplasmiques en un réseau continu directe-ment interconnecté ou réticulum. La « théorie réticula-riste » des communications entre cellules nerveuses eut comme plus ardent défenseur le pathologiste italien Camillo Golgi. Malgré cette erreur, Golgi fit d’impor-tantes contributions aux sciences médicales, parmi les-quelles la mise en évidence de l’appareil de Golgi des cellules, la technique de coloration cellulaire qui porte

son nom (Figure 1.2 et 1.6) et la description du cycle parasitaire de l’agent de la malaria. Sa théorie réticula-riste finit cependant par perdre du terrain et par céder la place à ce qui allait être appelé la « doctrine du neu-rone ». Les champions les plus éminents de cette nou-velle façon de voir furent le neuroanatomiste espagnol Santiago Ramon y Cajal et le physiologiste britannique Charles Sherrington.

À la fin du dix-neuvième siècle et au début du ving-tième, les points de vue opposés de Golgi et de Cajal donnèrent lieu à une vive controverse qui fixa le cap aux neurosciences modernes. Par ses observations, en microscopie classique, de tissu nerveux coloré par des sels d’argent, méthode mise au point par Golgi, Cajal réussit à faire admettre que les cellules nerveuses sont des entités distinctes, communiquant les unes avec les autres par l’intermédiaire de contacts spécialisés, plus tard appelés synapses par Sherrington. Bien qu’en fin de compte les conceptions de Cajal l’aient emporté sur celles de Golgi, tous deux se virent attribuer en 1906 le prix Nobel de physiologie ou médecine pour leurs contributions capitales à la connaissance de l’organisa-tion fondamentale du système nerveux. En 1932, Sher-

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4 Chapitre 1

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MitochondrieRéticulum endoplasmique

Axones

Ribosomes

Appareilde Golgi

Noyau

DendriteDendriteSoma

(A) (B) Axone (C) Terminaisons synaptiques (boutons terminaux)

(D) Axones myélinisés

(G) Axone myélinisé et nœud de Ranvier (F) Corps cellulaire neuronal (soma)(E) Dendrites

E

E

C

B

D

G

FIGURE 1.3 Caractéristiques principales des neurones en microscopie optique et électronique. (A) Schéma de cellules nerveuses et de leurs divers constituants. Les lettres encerclées correspondent aux micrographies de la figure. (B) Segment initial d’un axone (bleu) pénétrant dans une gaine de myéline (doré). (C) Boutons terminaux (bleu) chargés de vésicules synaptiques (pointes de flèches) formant synapse (flèches) avec une dendrite (violet). (D) Coupe transversale d’axones (bleu) entourés par les

prolongements d’oligodendrocytes (doré). La myéline sous-jacente est noire (E) Dendrite apicale (violet) de cellules corticales pyramidales. (F) Corps cellulaires neuronaux (violet) contenant de volumineux noyaux arrondis. (G) Portion d’un axone myélinisé (bleu) montrant l’intervalle, appelé nœud de Ranvier (flèches), entre segments adjacents de myéline (doré). (Microphotographies extraites de Peters et al., 1991.)

rington fut honoré du même prix pour ses contributions scientifiques.

Les recherches de Sherrington et d’autres scienti-fiques, mettant en évidence la transmission de signaux électriques entre cellules au niveau des jonctions synap-tiques, vinrent conforter puissamment la doctrine du neurone, mais l’autonomie des neurones individuels continua d’être contestée çà et là. Ce n’est qu’avec l’avènement de la microscopie électronique au cours des années 1950 que furent levés les derniers doutes quant à l’individualité morphologique des neurones.

Les photographies à fort grossissement et haute résolu-tion fournies par le microscope électronique (Figure 1.3) démontraient nettement que les cellules nerveuses sont bien des unités fonctionnellement indépendantes ; elles permettaient aussi d’identifier les jonctions cellulaires spécialisées que Sherrington avait appelées synapses. Pourtant, mais trop tard pour con soler Golgi, les tra-vaux de microscopie électronique mirent en évidence des différenciations spécialisées (bien que relativement rares) assurant une continuité entre certains neurones, appelées jonctions communicantes (gap junctions) ;

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elles sont semblables à celles que l’on trouve dans les tissus épithéliaux du poumon ou de l’intestin. Ces jonc-tions permettent effectivement une continuité cytoplas-mique et un transfert direct de signaux électriques et chimiques entre cellules du système nerveux.

Les études histologiques effectuées au dix-neuvième siècle par Cajal, Golgi et une légion de successeurs ont conduit à admettre que les cellules du système nerveux peuvent être divisées en deux grandes catégories : les cellules nerveuses ou neurones et des cellules de sou-tien appelées cellules gliales (appelées aussi névroglie ou simplement glie). La plupart des cellules nerveuses sont spécialisées pour transmettre des signaux élec-triques à longue distance et l’histoire de l’élucidation de ce processus rassemble des succès parmi les plus remar-quables de la biologie moderne (c’est l’objet de la pre-mière partie de cet ouvrage). Les cellules gliales, au contraire, sont incapables d’émettre des signaux élec-triques ; elles n’en assurent pas moins certaines fonc-tions essentielles dans le cerveau en développement ou parvenu à l’état adulte. Elles ont aussi un rôle capital comme cellules souches et répa rent les dommages subis par le système nerveux, facilitant la régénération des neurones endommagés dans les régions où une régéné-ration peut utilement se produire. Au contraire, elles empêchent la régénération dans d’autres régions où celle-ci n’est pas opportune (voir la quatrième partie).

Les neurones et la glie possèdent les mêmes orga-nites cellulaires que ceux qui sont présents dans toutes les cellules, notamment le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi, les mitochondries ainsi que diver ses structures vésiculaires. Dans les neurones toutefois, ces organites se distribuent souvent de façon préférentielle dans certaines régions de la cellule. Les mitochondries, par exemple, ont tendance à se regrouper au niveau des synapses tandis que les organites de la synthèse pro-téique, comme le réticulum endoplasmique, sont en grande partie absents des axones et des dendrites. Outre cette distribution des organites et autres élé-ments subcellulaires, les neurones et la glie se différen-cient dans une certaine mesure des autres cellules par la présence d’un cytosquelette formé de protéines fibril-laires ou tubulaires (voir Figure 1.4). Quoique la plupart de ces protéines – des isoformes de l’actine, de la tubu-line, de la myosine et de quelques autres – se retrouvent dans d’autres cellules, l’organisation particulière qu’elles présentent au sein des neurones est un facteur essentiel de la stabilité et du bon fonctionnement des prolonge-ments neuronaux et des jonctions synaptiques. D’autres protéines filamentaires caractérisent les cellules gliales et contribuent à leurs fonctions. Les filaments, tubules, moteurs moléculaires et protéines d’échafaudage du cyto squelette des neurones orchestrent la croissance des axones et des dendrites, le trafic membranaire, le positionnement adéquat des composants de la mem-brane, des organites et des vésicules, ainsi que les pro-cessus actifs d’endo- et d’exocytose qui sous-tendent la

communication synaptique. L’élucidation des diverses façons dont ces éléments moléculaires sont utilisés pour garantir le développement et le fonctionnement cor-rects des neurones et de la glie reste l’un des objectifs majeurs de la neurobiologie moderne.

Les neuronesLa plupart des neurones se distinguent nettement des autres cellules par leur spécialisation pour la signalisa-tion électrique à longue distance et la communication intercellulaire par l’intermédiaire de synapses. Cette propriété se manifeste dans leur morphologie générale, dans la spécialisation de leur membrane pour la signa-lisation électrique et dans la complexité structurale et fonctionnelle de leurs contacts synaptiques (Figure 1.3C). Le signe morphologique le plus net de la spécialisation des neurones pour communiquer par signaux élec-triques est l’étendue de leurs ramifications.

Ce qui frappe le plus dans une cellule nerveuse typique est l’arborisation de dendrites émanant du corps cellulaire sous forme de ramifications ou processus den-dritiques (voir Figure 1.3E). La plupart des neurones n’ont qu’un seul axone qui s’étend sur une distance relative-ment longue depuis l’emplacement du corps cellulaire. Les axones peuvent avoir des ramifications, mais en général celles-ci ne sont pas aussi élaborées que celles faites par les dendrites. Les dendrites sont la cible princi-pale des afférences synaptiques issues d’autres neurones ; elles se distinguent par une abondance particulière de ribosomes ainsi que par des protéines du cytosquelette spécifiques.

La taille et la ramification des dendrites varient énor-mément, ce qui est crucial pour établir la capacité de traitement des neurones individuels en formation. Cer-tains neurones sont dépourvus de dendrites alors que d’autres ont une arborisation dendritique qui pourrait rivaliser en complexité avec la ramure d’un arbre en pleine maturité (Figure 1.2). Le nombre de terminaisons afférentes qui entrent en contact avec un neurone donné dépend de la complexité de ses ramifications dendritiques. Les neurones qui n’ont pas de dendrites ne reçoivent d’innervation (et donc de signaux élec-triques) que d’un petit nombre d’autres neurones, voire d’un seul, ce qui limite leur capacité à intégrer des infor-mations provenant de sources diverses, conduisant ainsi à un relais plus ou moins fidèle de l’activité élec-trique générée par les synapses touchant les neurones ; celles qui ont un panache dendritique plus élaboré sont innervées par un nombre de neurones nettement plus important, ce qui leur permet une beaucoup plus grande capacité d’intégration de l’information. Le nombre d’af-férences que reçoit un neurone reflète son degré de convergence tandis que le nombre de cibles qu’il innerve reflète sa divergence. Le nombre d’afférences synap-tiques que reçoit un neurone du système nerveux humain varie de 1 à 100 000 environ. Ceci reflète un

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6 Chapitre 1

PURVES: Neuroscience 5eFigure: 01.0408/30/1109/08/11

(A) (B) (C)

(D)

(E) (G)

(F)

(H) (I)

(J) (K)

FIGURE 1.4 Diversité des éléments du cytosquelette des neurones. (A) Le corps cellulaire, les axones et les dendrites se distinguent par la présence de tubuline (en vert). Cette distribution contraste avec celle de la protéine Tau (en rouge), protéine liée aux microtubules et qui ne se trouve que dans les axones. (B) Culture de neurones hippocampiques montrant la localisation très particulière de l’actine (en rouge) dans les extrémités en croissance des prolongements dendritiques et axonaux. (C) Par opposition, dans une cellule épithéliale en culture, l’actine (en rouge) se répartit dans les fibrilles qui occupent la majeure partie du corps cellulaire. (D) On constate également la présence d’actine (en rouge) dans les faisceaux de fibrilles de cellules de glie astrocytaire en culture. (E) La tubuline (en vert) est présente dans la totalité du corps cellulaire et des dendrites des neurones. (F) Quoique la tubuline soit un composant majeur des dendrites, y compris des épines dendritiques, l’extrémité de ces dernières comporte en plus de l’actine (en rouge). (G) La tubuline entrant dans la composition du cytosquelette des cellules non nerveuses se répartit en réseaux filamenteux. (H–K) Dans les synapses, les éléments du cytosquelette, les récepteurs et les protéines d’échafaudage ont une distribution particulière. (H) Les axones de deux motoneurones (dont la tubuline est colorée en vert) émettent chacun deux ramifications allant innerver quatre fibres musculaires. Les amas de récepteurs postsynaptiques (ici, des récepteurs de l’acétylcholine) apparaissent en rouge. (I) À un grossissement plus élevé, la synapse établie par un motoneurone montre les relations entre l’axone (en vert) et les récepteurs postsynaptiques (en rouge). (J) En vert, l’espace extracellulaire entre l’axone et le muscle qu’il innerve. (K) Colorées en vert sur cette coupe, les protéines d’échafaudage (ici, la dystrophine dont structure et fonction sont altérées dans de nombreuses formes de dystrophie musculaire) s’agglomèrent au niveau des récepteurs (en rouge) et les lient à d’autres éléments du cytosquelette. Clichés gracieusement communiqués : A par Y.N. Jan, B d’après Kalil et al., 2000, C par D. Arneman et C. Otey, D par A. de Sousa et R. Cheney, E, F d’après Matus, 2000 ; G par T. Salmon, H–K par R. Sealock.

il n’y a pas de continuité physique entre les éléments pré- et postsynaptique. Ces éléments communiquent par des molécules que sécrète la terminaison présynaptique et qui se fixent sur des récepteurs de la spécialisation postsynaptique. Ces molécules appelées neurotransmet-teurs doivent traverser l’espace extracellulaire, dénommé fente synaptique, qui sépare les éléments pré- et post-synaptique. La fente synaptique n’est toutefois pas simplement un espace qu’il faut franchir ; c’est un site où des protéines extracellulaires viennent influencer la diffusion, la liaison et la dégradation des molécules sécrétées par la terminaison présynaptique (voir Cha-pitre 5). Les informations transmises par les fibres affé-rentes qui font contact avec les dendrites sont intégrées et « traduites » en un signal au point d’origine de l’axone. L’axone est le segment de la cellule nerveuse qui est spécialisé dans la conduction des signaux élec-triques sur de longues distances (voir Figure 1.3B). L’axone est un prolongement du corps cellulaire unique en son genre ; il peut s’étendre sur une centaine de micromètres (µm ou simplement microns), voire beau-coup plus, selon le type du neurone et la taille de l’espèce considérée. En outre, l’axone possède un cytosquelette particulier dont les éléments jouent un rôle capital dans le maintien de son intégrité fonctionnelle (Figure 1.4). Dans le cerveau de l’homme (comme dans celui d’autres

objectif fondamental des cellules nerveuses : intégrer et relayer l’information provenant d’autres neurones dans un circuit neuronal.

Les contacts synaptiques qui se font sur les dendrites (et, plus rarement, sur les corps cellulaires des neu-rones) comportent une spécialisation particulière de l’appareil sécrétoire que l’on trouve chez la plupart des cellules épithéliales polarisées. Typiquement, la terminaison présynaptique se trouve à proximité immé-diate d’une spécialisation postsynaptique de la cellule cible. Pour la grande majorité des synapses, cependant,

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espèces), un grand nombre de neurones ont un axone qui ne fait que quelques millimètres de long ; certains n’en ont même pas du tout.

Partout dans le cerveau, ces axones courts sont caractéristiques des neurones de circuits locaux ou interneurones. En revanche, les axones des neurones de projection s’étendent jusqu’à des cibles plus éloi-gnées. Ainsi, les axones qui, chez l’homme, vont de la moelle épinière jusqu’au pied font à peu près un mètre de long. Les axones des interneurones et des neurones de projection se ramifient souvent localement, ce qui entraîne l’innervation de multiples sites postsynap-tiques sur de nombreux neurones postsynaptiques. Les axones transmettent des signaux électriques sur de telles distances par une onde autorégénératrice d’acti-vité électrique appelée potentiel d’action. Les poten-tiels d’action sont des changements tout ou rien du potentiel électrique de membrane de la cellule nerveuse qui transmet l’information d’un endroit à un autre du système nerveux (voir Chapitre 2).

Le processus chimique et électrique par lequel l’in-formation codée par les potentiels d’action est commu-niquée à la cellule suivante de la voie nerveuse est la transmission synaptique (dont les détails sont décrits au Chapitre 5). Les éléments terminaux présynaptiques sont appelés terminaisons synaptiques ou boutons synap-tiques et les spécialisations postsynaptiques sont, en règle générale, des synapses chimiques ; il s’agit là du type le plus communément rencontré dans le système ner-veux. Un autre type, la synapse électrique (mettant en jeu les jonctions communicantes mentionnées plus haut), est beaucoup plus rare dans le système nerveux mature (mais abondant dans le cerveau en développement), et possède des fonctions particulières, notamment la syn-chronisation de réseaux locaux de neurones.

Les organites sécrétoires de la terminaison présy-naptique des synapses chimiques sont appelés vésicules synaptiques et sont des structures sphériques remplies de neurotransmetteurs et dans certains cas d’autres molécules neuroactives (voir Figure 1.3C). Le position-nement des vésicules synaptiques au niveau de la membrane présynaptique et leur fusion pour initier la libération de neurotransmetteurs sont contrô lés par une variété de protéines (y compris plusieurs protéines cyto-squelettiques) soit dans la vésicule, soit associées à celle-ci. Les neurotransmetteurs libérés par les vésicules synaptiques modifient les propriétés électriques de la cellule cible en se liant à des récepteurs localisés princi-palement à des spécialisations postsynaptiques. L’inter-action complexe des neurotransmetteurs, des récepteurs, des éléments cytosquelettiques apparentés et des molé-cules de transduction du signal est à la base de la com-munication des neurones entre eux et avec les cellules effectrices des muscles et des glandes.

Les cellules glialesLes cellules de la névroglie, que d’ordinaire on appelle simplement cellules gliales ou glie, sont complètement différentes des cellules nerveuses. Dans le cerveau, le nombre de cellules gliales équivaut au moins celui des neurones. Les cellules gliales ne participent pas directe-ment aux interactions synaptiques ni à la production des signaux électriques, bien que leurs fonctions de soutien contribuent à délimiter les contacts synaptiques et à maintenir les neurones en état d’émettre des signaux. Quoiqu’elles puissent, elles aussi, présenter des expansions complexes émanant de leur corps cellu-laire, celles-ci sont généralement plus petites que les ramifications des neurones et elles n’exercent pas le même rôle que les axones ou les dendrites. Certaines cellules ayant les caractéristiques de cellules gliales semblent être les cellules souches du cerveau adulte, pouvant générer de nouvelles cellules gliales et, dans certains cas, de nouveaux neurones.

Le terme glie (d’un mot grec qui signifie « glu ») vient de ce que l’on supposait, au dix-neuvième siècle, qu’elles assuraient d’une façon ou d’une autre la cohésion du système nerveux. Le terme a survécu, bien qu’on n’ait aucune preuve que les cellules gliales comptent parmi leurs nombreuses fonctions celle de maintenir ensemble les cellules nerveuses. Les rôles raisonnablement prou-vés qu’elles jouent concernent la préservation de l’envi-ronnement ionique des neurones, la modulation de la fréquence de propagation des signaux nerveux et la modulation de l’action synaptique par contrôle de l’ab-sorption des neurotransmetteurs au niveau ou à proxi-mité de la fente synaptique. Les cellules gliales peuvent également servir d’échafaudage dans certains cas du développement neural et faciliter (mais quelquefois empêcher) le rétablissement du tissu nerveux après lésion. Elles constituent aussi une interface entre le cer-veau et le système immunitaire. Enfin, en facilitant l’écoulement convectif du liquide interstitiel dans le cerveau pendant le sommeil, elles permettent l’élimina-tion des déchets métaboliques.

Il y a trois types de cellules gliales dans le système nerveux central adulte : les astrocytes, les oligodendro-cytes et les cellules de la microglie (voir Figures 1.5A, F).

Les astrocytes, que l’on ne trouve que dans le sys-tème nerveux central, c’est-à-dire dans le cerveau et dans la moelle, ont des prolongements locaux com-plexes qui les font ressembler à des étoiles (d’où le préfixe « astro »). La fonction essentielle de ces astro-cytes est de maintenir, par divers moyens, un environ-nement chimique adéquat pour la production de signaux nerveux et de former la barrière hémato-encé-phalique (voir Appendice). Des observations récen tes suggèrent que les astrocytes secrètent des substances qui influencent la formation des nouvelles connexions synaptiques et qu’un sous-groupe d’astrocytes du cer-veau adulte pourrait conserver les caractéristiques des cellules souches neurales (Figure 1.5D ; cfr infra).

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8 Chapitre 1

FIGURE 1.5 Types de cellules gliales. Dessins d’un astrocyte (A), d’un oligodendrocyte (B) et d’une cellule de la microglie (C), après coloration par la méthode de Golgi. Les dessins sont approximati-vement à la même échelle. (D) Les cellules souches gliales dans le système nerveux mature sont des cellules souches ayant des propriétés d’astrocytes qui donnent naissance à des neurones, des astrocytes et des oligodendrocytes. (E) Une autre catégorie de cellule souche gliale, le précurseur d’oligodendrocyte, a un potentiel plus restreint et donne lieu à essentiellement à des oligodendrocytes différenciés. (F) Astrocytes du cerveau marqués (en rouge) par un anticorps dirigé contre une protéine spécifique des astrocytes. (G) Cellules d’oligodendroglie en culture (en vert) marquées par un anticorps dirigé contre une protéine spécifique de l’oligodendroglie.

(H) Axones périphériques enveloppés par une gaine de myéline (en rouge) à l’exception d’une région particulière, le nœud de Ranvier (voir Figure 1.3G). Les canaux ioniques (voir Chapitre 4), concentrés au niveau du nœud de Ranvier sont marqués en vert ; la région paranodale qui possède une structure moléculaire particulière est marquée en bleu. (I) Cellules de la microglie de la moelle, marquées par un anticorps spécifique d’un type cellulaire. Vignette en haut à gauche : agrandissement d’une cellule de microglie marquée par un anticorps anti-macrophage (A-C d’après Jones et Cowan, 1983 ; D,E d’après Nishiyama et al., 2009 ; F,G gracieusement communiqués par A.-S. LaMantia, H d’après M. Bhat et al., 2001, I par A. Light ; vignette gracieusement communiquée par G. Matsushima.)

Les oligodendrocytes, qui ne se trouvent eux aussi que dans le système nerveux central, déposent autour de certains axones, mais pas de tous, une enveloppe feuil-letée riche en lipides, la myéline (Figures 1.5B, G, H). La myéline a des effets importants sur la vitesse de con-duction du potentiel d’action (voir Chapitre 3). Dans le système nerveux périphérique, les cellules qui élaborent la myéline sont les cellules de Schwann. Dans le sys-tème nerveux adulte, un sous-groupe d’oligodendro-cytes et de cellules de Schwann conserve les propriétés de cellules souches et peut régénérer l’oligodendroglie et les cellules de Schwann suite à une blessure ou une maladie (Figure 1.5E).

Quant aux cellules de la microglie (Figures 1.5C, I), elles dérivent de cellules précurseurs hématopoïétiques,

certaines pouvant toutefois dériver directement de cel-lules précurseurs neurales. Les cellules microgliales ont beaucoup de propriétés en commun avec les macro-phages que l’on trouve dans les autres tissus ; ce sont essentiellement des éboueurs qui enlèvent les résidus cellulaires lors d’une lésion ou du remplacement cel-lulaire normal. Par ailleurs, la microglie, comme les macrophages, sécrète des molécules signaux – notam-ment une grande variété de cytokines, que produisent aussi les cellules du système immunitaire – qui agissent sur les inflammations locales et influencent la survie ou la mort cellulaires. Pour ces raisons, certains neurobio-logistes préfèrent classer la microglie dans l’une des catégories de macrophages. Lors d’atteintes cérébrales, le nombre des cellules de la microglie augmente consi-

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(E)

(A) (B) (C) (D)

(F) (G) (H)

FIGURE 1.6 Visualisation des cellules nerveuses. (A) Neurones corticaux marqués par la méthode de Golgi (imprégnation par les sels d’argent). (B) Cellules de Purkinje du cervelet marquées selon la technique de Golgi. Les cellules de Purkinje ont une dendrite apicale unique abondamment ramifiée (voir dessin Figure 1.2) . (C) Marquage par injection intracellulaire d’un colorant fluorescent de deux neurones de la rétine présentant des différences considérables dans la taille et l’étendue de leur arborisation dendritique. (D) Neurone du système nerveux végétatif révélé par injection intracellulaire d’un marqueur enzymatique. (E) Le crésyl violet colore l’ARN de toutes les cellules d’un tissu, marquant le nucléole (mais pas le noyau) ainsi que le réticulum endoplasmique riche en ribosomes.

Les axones et les dendrites ne sont pas marqués, ce qui explique les espaces blancs entre les neurones. (F) Coupe du cortex cérébral au niveau des aires visuelles ; la coloration des corps cellulaires par la méthode de Nissl montre leur organisation en couches de différentes densités. (G) Vue à plus fort grossissement d’une aire visuelle du cortex cérébral : les différences de densité cellulaire définissent les frontières des différentes couches. (H) La coloration de Nissl des bulbes olfactifs montre la disposition caractéristique des corps cellulaires formant des amas arrondis autour de la face extérieure du bulbe. Ces amas, y compris le tissu pauvre en cellules qu’ils comportent, constituent les glomérules olfactifs. (C gracieusement communiqué par C.J. Shatz, le reste par A.-S. LaMantia et D. Purves.)

dérablement à l’endroit de la lésion. Certaines d’entre elles prolifèrent à partir de la microglie présente dans le cerveau, d’autres dérivent de macrophages qui migrent vers la région lésée et pénètrent dans le cerveau par des déchirures locales des vaisseaux cérébraux (barrière hémato-encéphalique).

Hormis les trois classes de cellules gliales différen-ciées, on trouve dans le cerveau adulte, les cellules souches gliales. Ces cellules conservent la capacité de proliférer et générer des précurseurs ou des cellules gliales différenciées et, dans certains cas, des neurones. Les cellules souches gliales du cerveau mature peuvent être divisées en deux catégories : les astrocytes, qui se trouvent principalement dans les ventricules, dans une région appelée la zone sous-ventriculaire (ZSV) ou à proximité des vaisseaux sanguins de la zone ventricu-laire (Figure 1.5D) ; et les précurseurs oligodendrogliaux disséminés dans la substance blanche et parfois appelés polydendrocytes (Figure 1.5E). Les astrocytes de la ZSV, peuvent produire in vitro et in vivo, des cellules souches, des neurones, des astrocytes matures et des cellules oligodendrogliales. Ainsi, ils ont les propriétés clefs de toutes les cellules souches : prolifération, auto-renou-vellement, et capacité de régénérer toutes les classes de

cellules d’un tissu particulier. Les précurseurs oligoden-drogliaux sont plus limités dans leur potentiel. Dans le cerveau, ils donnent lieu principalement à des cellules matures oligodendrogliales ainsi qu’à des astrocytes, mais sous certaines conditions in vitro, ils semblent également capables de générer des neurones.

La diversité cellulaire du système nerveuxLes cellules du système nerveux de l’homme sont, à bien des égards, comparables à celles des autres organes mais elles présentent une diversité extraordinaire. On estime que le cerveau humain contient approximative-ment 86 milliards de neurones et au moins autant de cellules de soutien. Ces deux groupes présentent une grande variété de types cellulaires, qui se distinguent par leur morphologie, leur identité moléculaire ou leur activité physiologique. Cette variété dépasse celle de tout autre système organique et elle explique probable-ment pourquoi tant de gènes différents sont exprimés dans le système nerveux (voir ci-dessus). Durant la majeure partie du vingtième siècle, la recherche en neu-rosciences s’est appuyée sur les techniques que Cajal,

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Golgi et autres pionniers de l’histologie et de la patho-logie avaient mises au point pour décrire et classer les divers types cellulaires du système nerveux. La colora-tion de Golgi permettait de visualiser des cellules ner-veuses individuelles ainsi que leurs prolongements après imprégnation apparemment aléatoire par les sels d’argent (Figure 1.6A, B). Plus récemment, les colorants fluorescents et autres molécules solubles injectées dans des neurones particuliers, souvent après avoir enregis-tré leur activité pour déterminer leur fonction, offrent de nouveaux outils pour visualiser des neurones indi-viduels et leurs prolongements (Figure 1.6C, D). Aujourd’hui, de nombreuses études dépendent de méthodes moléculaires et génétiques pour introduire des gènes pour les protéines fluorescentes qui peu vent marquer complètement un neurone ou une cellule gliale et ses processus. D’autres méthodes utilisent des anticorps qui marquent des composants neuronaux et gliaux spécifiques. Enfin, des sondes d’acides nucléiques à séquences complémentaires permettent de détecter les ARMm qui codent les gènes exprimés dans les neu-rones ou la glie en utilisant une méthode appelée hybri-dation in situ (voir Figure 1.6 et 1.14). Pour compléter ces techniques (qui révèlent un échantillon aléatoire de seulement quelques neurones ou quelques cellules gliales), d’autres colorations permet tent de mettre en évidence la distribution, dans un tissu neural, de tous les corps cellulaires, mais non de leurs prolongements ou de leurs connexions. La coloration de Nissl, très uti-lisée, en est un exemple : elle colore le nucléole et les autres structures (les ribosomes par exemple) contenant de l’ADN ou de l’ARN (Figure 1.6E). Ces colorations mettent en évidence que la taille, la densité et la distri-bution de la population des cellules nerveuses ne sont pas uniformes d’une région à une autre du système nerveux. En certaines régions, comme le cortex cérébral, les cellules s’organisent en couches (Figure 1.6F, G), chaque couche présentant des différences caractéris-tiques de densité cellulaire. Des structures telles que le bulbe olfactif offrent une disposition encore plus com-pliquée des corps cellulaires (Figure 1.6H). D’autres techniques, décrites plus loin dans ce même chapitre, permettent de préciser plus encore les différences régio-nales entre cellules nerveuses. Elles permettent notam-ment d’identifier la façon dont des sous-groupes de neurones sont connectés entre eux et de distinguer les catégories de neurones de diverses régions du cer-veau d’après leurs différences moléculaires (voir la Figure 1.11). La diversité cellulaire du système nerveux humain qui apparaît aujourd’hui reflète vraisemblable-ment les réseaux et les comportements de plus en plus complexes qui se sont développés au cours de l’évolu-tion des mammifères.

Les circuits neurauxLes neurones ne fonctionnent jamais seuls ; ils sont organisés en ensembles, ou circuits neuraux, qui traitent certains types spécifiques d’informations et constituent les bases de la sensation, de la perception, du mouve-ment et des comportements. Les connexions synap-tiques constituant un circuit se font typiquement au sein d’un enchevêtrement touffu de terminaisons axo-niques, de dendrites, de synapses et d’expansions gliales qui, globalement, forment ce que l’on appelle le neuropile (du grec pilos qui signifie « feutre ») (Figure 1.3). Le neuropile interposé entre les corps cellulaires est donc l’endroit où se fait la plus grande partie des connexions synaptiques.

Bien que les circuits neuraux offrent des dispositions très variées selon les fonctions qu’ils sous-tendent, ils se distinguent tous par certaines caractéristiques.

Au premier rang, vient le sens dans lequel circulent les informations et qu’il est bien évidemment essentiel de connaître pour comprendre la fonction d’un circuit donné. Les neurones transportant l’information vers le système nerveux central (ou plus loin vers les centres, au sein de la moelle et de l’encéphale) sont des neurones afférents. Ceux qui véhiculent l’information éma-nant de l’encéphale ou de la moelle (ou au-delà du circuit en question) sont des neurones efférents. Les interneurones (ou neurones de circuits locaux, voir ci-dessus) n’interviennent que dans les aspects locaux d’un circuit compte tenu de la faible longueur de leur axone. Ces trois classes – neurones afférents, neurones effé-rents et interneurones – forment les constituants fonda-mentaux de tous les circuits neuraux.

Un exemple simple de circuit neural nous est donné par l’ensemble de cellules qui sous-tend un réflexe myotatique spinal, le réflexe rotulien (Figure 1.7). La branche afférente de ce réflexe est constituée par les neurones sensitifs dont les corps cellulaires se trouvent dans le ganglion spinal et dont les axones se ter-minent, à la périphérie, dans des terminaisons senso-rielles situées au sein des muscles squelettiques (au niveau de la tête et du cou, ce sont les ganglions des nerfs crâniens qui remplissent la même fonction ; voir l’Appendice). La partie centripète des axones de ces neurones sensitifs pénètre dans la moelle où ils se ter-minent sur divers neurones centraux impliqués dans la régulation du tonus musculaire et tout particulièrement sur les neurones moteurs, ou motoneurones, qui commandent l’activité des muscles concernés. Ces motoneurones sont les neurones efférents du circuit, ils innervent les muscles fléchisseurs du membre, un autre groupe innerve les muscles extenseurs. Les interneu-rones spinaux forment le troisième élément de ce cir-cuit.

Les interneurones reçoivent des contacts synaptiques des neurones sensitifs afférents et font eux-mêmes synapse avec les neurones moteurs efférents qui pro-jettent sur les muscles fléchisseurs ; ils sont donc

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4

1

1 42A 3A

3B

Axonesensitif(afférent)

Interneurone

Récepteursensorielmusculaire

Muscle �échisseur

Muscleextenseur

Le choc dumarteau étirele tendon qui,à son tour étireles récepteurssensoriels dumuscle extenseurde la jambe

Le neurone sensitif faitsynapse avec un moto-neurone spinal et l’excite

La synapse de l’interneuroneinhibe un motoneurone des muscles �échisseurs

Le neurone sensitif excite également un interneuronespinal Le muscle �échisseur

se relâche sous l’effetde l’inhibition deses motoneurones

Un potentiel d’action est transmis jusqu’auxsynapses avec les �bresdu muscle extenseur etprovoque sa contraction

La jambes’étend

Coupe transversalede la moelle épinière

Axones moteurs (efférents)

3B

3A

2A

2C

2B

2B

2C

FIGURE 1.7 Un circuit réflexe simple : le réflexe rotulien (réflexe d’étirement ou myotatique) illustre plusieurs points importants de l’organisation fonctionnelle des circuits nerveux. La stimulation d’organes sensoriels périphériques (un récepteur sensible à l’étirement du muscle, dans le cas présent) déclenche des potentiels d’action transmis vers les centres par les axones afférents des neurones sensitifs. Ce message stimule les motoneurones de la moelle par l’intermédiaire de contacts synaptiques. Les potentiels d’action émis par les motoneurones gagnent la périphérie par les axones efférents et produisent une contraction musculaire ainsi qu’une réponse comportementale observable. L’une des fonctions du réflexe rotulien est de contribuer au maintien de la station debout en dépit de perturbations imprévues.

FIGURE 1.8 L’enregistrement extracellulaire montre le profil et la fréquence relative des potentiels d’action dans les neurones qui forment les circuits neuronaux du réflexe myotatique. Les potentiels d’action sont indiqués par des lignes verticales individuelles. Suite à la stimulation, le neurone sensoriel décharge à une fréquence plus élevée (c.-à-d., plus de potentiels d’action par unité de temps). Ceci induit une augmentation de la fréquence des potentiels d’action dans les neurones moteurs extenseurs et dans les interneurones. Les synapses inhibitrices réalisées par ces interneurones sur les motoneurones fléchisseurs provoquent une diminution de la fréquence des potentiels d’action dans ces cellules.

capables de moduler la liaison entrée-sortie. Les connexions synaptiques entre les neurones sensitifs afférents et les neurones moteurs envoyant des effé-rences vers les muscles extenseurs sont excitatrices et provoquent la contraction de ces muscles. À l’inverse, les interneurones activés par les neurones afférents sont inhibiteurs : leur activation entraîne une réduction de l’émission des neurones moteurs fléchisseurs et, en conséquence, une réduction de l’activité des muscles fléchisseurs. Le résultat est une activation des muscles synergistes et une inactivation réciproque des muscles antagonistes qui, ensemble, contrôlent la position de la jambe.

L’enregistrement électrophysiologique permet d’ob-tenir un tableau plus détaillé des événements qui sur-viennent dans le circuit myotatique ou dans tout autre

circuit. Pour enregistrer l’activité électrique d’une cel-lule nerveuse, il existe deux méthodes : dans l’enregistrement extracellulaire, l’électrode est placée à proximité de la cellule nerveuse dont on souhaite recueillir l’activité électrique ; dans l’enregistrement intracellulaire, l’électrode est placée à l’intérieur même de la cellule. L’enregistrement extracellulaire est parti-culièrement utile pour révéler l’organisation temporelle des décharges de potentiels d’action et en établir les relations avec telle afférence stimulatrice ou avec tel élément particulier d’un comportement. L’enregistre-ment intracellulaire permet de recueillir les potentiels d’assez faible amplitude dont les changements gradués déclenchent les potentiels d’action ; il rend ainsi pos-sible une analyse plus détaillée des communications entre les neurones d’un circuit. Ces potentiels déclen-

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cheurs gradués peuvent prendre naissance soit au niveau des récepteurs sensoriels, auquel cas on les nomme potentiels de récepteur, soit au niveau des synapses, on parle alors de potentiels synaptiques.

Dans le cas du circuit myotatique, l’activité électrique peut être enregistrée de façon extracellulaire et intracel-lulaire, ce qui permet d’établir la nature des relations fonctionnelles entre les neurones du circuit. En plaçant des électrodes à proximité des cellules, tout en restant à l’extérieur, on peut enregistrer de façon extracellulaire pour chaque élément du circuit (neurones afférents, efférents ou interneurones) les potentiels d’action émis avant, pendant et après un stimulus (Figure 1.8).

En comparant, pour chaque neurone, le moment où débute l’émission des potentiels d’action, sa durée et sa fréquence, on fait apparaître un tableau fonctionnel du circuit. Quant à l’enregistrement intracellulaire, il donne la possibilité d’observer directement les changements de potentiel qu’induisent les connexions synaptiques du circuit du réflexe myotatique (ou de tout autre cir-cuit, voir Figure 1.9).

Les autres façons d’étudier les circuits neuronaux De récents progrès technologiques permettent d’enre-gistrer l’activité de populations entières de neurones. Une approche, connue sous le nom d’imagerie cal-cique, utilise des indicateurs fluorescents pour enregis-

trer les changements transitoires de la concentration intracellulaire d’ions cal-cium (voir Chapitre 7). Comme ces tran-sitoires calciques sont associés au déclenchement du potentiel d’action (Figure 1.10), la mesure des change-ments d’intensité de fluorescence reflète l’activité neuronale dans de nombreu ses cellules individuelles. Une approche connexe utilise des indicateurs fluores-cents qui s’insèrent dans les membranes plasmiques neuronales et sont directe-ment sensibles au potentiel transmem-branaire, ce qui permet de visualiser les conséquences des potentiels d’action et autres signaux électriques dans de nom-breux neurones à la fois. Les indicateurs calciques ou les indicateurs de potentiel peuvent être introduits dans des neu-rones dans des tranches vivantes de cerveau ou dans des neurones en culture primaire. De plus, des vecteurs viraux peuvent être utilisés pour transfecter des sous-populations de cellules, soit dans des tranches de tissus vivants, soit dans le cerveau intact d’un animal vivant. Enfin, des gènes codant pour des pro-

téines sensibles au calcium ou au potentiel membranaire peuvent être introduits chez les animaux transgéniques pour permettre un contrôle plus précis de l’endroit et du moment où ces protéines sont exprimées pour mesurer l’activité chez l’animal vivant.

La façon la plus spécifique et sans doute la plus effi-cace de manipuler la fonction des circuits neuronaux consiste cependant à utiliser des outils de génétique moléculaire via une approche appelée optogénétique. Les méthodes optogénétiques sont apparues à la suite de l’identification et du clonage de canaux ioniques bactériens appelés opsines, semblables aux opsines de la rétine animale. Les opsines bactériennes utilisent le même chromophore que les opsines rétiniennes pour traduire l’énergie lumineuse en un signal chimique qui active les protéines canal. Puisque les opsines modulent les courants membranaires lors qu’elles absorbent les photons, la lumière peut être utilisée pour contrôler l’activité des cellules nerveuses lorsque les chromo-phores bactériens sont intégrés dans la membrane d’un neurone. Trois opsines bactériennes ont été utilisées pour modifier l’excitabilité neuronale : la bactériorhodopsine, l’halorhodopsine et la channelrhodopsine (Figure 1.11A). La bactériorhodopsine et l’halorhodop-sine ont toutes deux un effet hyperpolarisant net sur les cellules : la bactériorhodopsine conduit les ions H+ de l’intérieur de la cellule vers l’extérieur, et l’halorhodop-sine conduit les ions Cl– de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule. En revanche, la channelrhodopsine conduit des cations (Na+, K+, Ca2+, H+) ainsi que des anions

FIGURE 1.9 Enregistrements intracellulaires des réponses de divers éléments du circuit du réflexe myotatique. (A) Potentiel d’action enregistré dans un neurone sensitif. (B) Potentiel postsynaptique excitateur enregistré à l’intérieur d’un motoneurone extenseur. (C) Potentiel postsynaptique excitateur enregistré à l’intérieur d’un interneurone. (D) Potentiel postsynaptique inhibiteur d’un motoneurone fléchisseur. Des enregistrements intracellulaires de ce type sont à la base de nos connaissances sur les mécanismes cellulaires de production des potentiels d’action et sur les potentiels de récepteur ou synaptiques qui les déclenchent.

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Objectif

Couvre-objet

Crâne

Neurones corticaux marqués avecune sonde �uorescente sensible au calcium

Régionmonoculaire

CGL

V1

0

40

0

40

0º 90º 180º 270º 0º 90º 180º 270º

∆F/F

(%)

Temps (s)

0

40

10 82Temps (s)

0

40

10 82100 µm

(A)

(C) (B)

1

4

332

1 2

3 4

FIGURE 1.10 Imagerie des neurones corticaux répondant aux stimuli visuels à l’aide de sondes fluorescentes sensibles au calcium. (A) L’imagerie a été réalisée avec une souris vivante à laquelle on présente des stimuli visuels ayant différentes orientations (une série de bandes à fort contraste orientées horizontalement par exemple). Une petite « fenêtre » d’os a été enlevée au-dessus du cortex visuel pour permettre l’application des sondes fluorescentes et l’imagerie subséquente ; les changements dans l’intensité de fluorescence sont détectés au microscope avec un objectif placé sur la surface corticale exposée. (CGL = corps genouillé latéral ; V1 = cortex visuel primaire.) (B) Le changement d’intensité de fluorescence (∆ F/F [%]) de quatre cellules imagées de cette façon pendant que la souris regardait des bandes dans les orientations indiquées en haut des graphiques, se déplaçant dans les directions

indiquées par les flèches (les chiffres 1-4 sur les graphiques indiquent les cellules, qui peuvent être localisées dans C). Chaque graphique distinct montre la réponse dans le temps d’une cellule corticale. Dans chaque graphique, les pics du signal de fluorescence indiquent des réponses robustes – lorsque le signal détecté possède l’orientation préférentielle de la cellule ; on observe peu de réponses lors de la présentation de stimuli ayant des orientations non préférentielles. (C) Distribution des cellules selon les orientations préférentielles (indiquées par les différentes couleurs). Des cellules ayant des orientations préférentielles différentes semblent dispersées, chaque orientation étant représentée par plusieurs cellules dans des positions différentes à l’intérieur de cette petite zone corticale. (A d’après Mank, et al., 2008 ; B,C d’après Ohki et al., 2005.)

(Cl–), induisant donc une dépolarisation ou une hyper-polarisation en fonction de la variante de channelrho-dopsine utilisée et des longueurs d’onde choisies.

Les gènes des opsines peuvent être introduits dans les neurones soit dans des tranches de cerveau vivant, soit dans le cerveau d’animaux. Dans les tranches de cerveau, on utilise diverses méthodes de transduction virale. Chez les animaux entiers, d’autres méthodes génétiques sont utilisées (voir « Analyse génétique des systèmes neuronaux »). Une fois que les opsines sont exprimées dans des neurones vivants, ces neurones peuvent être illuminés par une lumière de longueur d’onde spécifique, et l’activité neurale peut être mani-pulée avec une très bonne résolution spatiale et tempo-

relle, grâce à l’illumination microscopique d’une ou plusieurs cellules nerveuses marquées à l’opsine. Chez l’animal éveillé dont on étudie le comportement, cette approche peut être utilisée lors de l’exécution de tâches spécifiques pour évaluer le rôle des neurones modifiés sur le plan optogénétique dans l’exécution des tâches (Figure 1.11B). Lorsque des méthodes optogénétiques sont appliquées sur des tranches de cerveau, l’activité synaptique des terminaisons axonales et des dendrites peut être modifiée localement en éclairant seulement les régions de la cellule nerveuse exprimant l’opsine ; le changement résultant de l’activité du circuit local peut alors être enregistré électrophysiologiquement ou optiquement (Figure 1.11C,D). Ainsi, les approches

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Les auteurs

Cet ouvrage est le fruit de la collaboration de Dale Purves, George J. Augustine, David Fitzpatrick, William C. Hall, Anthony-Samuel LaMantia, Richard D. Mooney, Michael L. Platt et Leonard E. White. Tous sont neuroscientifiques de renommée internationale.

Les traducteurs

Jean-Marie Coquery est professeur honoraire à l’Université de Lille 1. Ses travaux portent sur les activités motrices et attentionnelles ainsi que leur influence sur l’intégration sensorielle.



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Traduction de Jean-Marie-Coquery, Philippe Gailly et Nicolas Tajeddine

9782807314924 _CV_NEURO-PURVES.indd Toutes les pages 02/05/2019 11:33

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David HALL LAMANTIA MOONEY PLATT WHITE neuro · 2019. 5. 23. · PURVES AUGUSTINE FITZPATRICK HALL LAMANTIA MOONEY PLATT WHITE neuro 6e édition sciences Traduction de Jean-Marie-Coquery,