Organisation Générale du Système Nerveux — Cours PASS/LAS

Comprendre l’architecture et le fonctionnement du système nerveux central et périphérique : neurones, cellules gliales, synapses, potentiel d’action et récepteurs sensoriels.

🔬 Organisation générale et rôles du système nerveux

Le système nerveux occupe une place centrale dans la physiologie humaine. Il intervient de manière déterminante dans le comportement physiologique, émotionnel, cognitif et moteur de chaque individu. Son champ d’action est vaste : il assure la régulation des systèmes sensoriels (vision, audition, toucher, odorat, goût), pilote la motricité tant volontaire qu’automatique, gouverne les cycles de vigilance et de sommeil, sous-tend les fonctions cognitives supérieures (mémoire, langage, raisonnement), module l’état émotionnel et maintient les fonctions vitales indispensables à la survie de l’organisme.

D’un point de vue structurel, le système nerveux se subdivise en deux grands compartiments fonctionnels :

La communication entre ces deux compartiments repose sur deux types de voies nerveuses. Les voies sensorielles (ou afférentes) transportent l’information depuis la périphérie vers le SNC, lui permettant de connaître en permanence l’état du corps et de l’environnement. À l’inverse, les voies motrices (ou efférentes) conduisent les ordres du SNC vers les organes effecteurs, assurant ainsi la réponse adaptée de l’organisme.

🔀 Le système nerveux périphérique : somatique vs autonome

Le SNP n’est pas un ensemble homogène. Il se décompose en deux sous-systèmes dont les propriétés diffèrent radicalement :

Le système nerveux autonome se subdivise lui-même en deux branches complémentaires et souvent antagonistes : la branche orthosympathique (composée de ganglions et de nerfs orthosympathiques, globalement activatrice en situation de stress) et la branche parasympathique (crânienne et sacrée, favorisant le repos et la digestion).

🧩 L’encéphale et la moelle épinière

Le diencéphale, le tronc cérébral et le cervelet

L’encéphale est un organe complexe dont l’architecture se décompose en plusieurs régions fonctionnelles distinctes :

Composition de l’encéphale : substance blanche et substance grise

L’encéphale présente deux types de tissus nerveux bien distincts. La substance blanche, caractéristique du SNC, est constituée de fibres nerveuses myélinisées et de cellules gliales. C’est la myéline qui lui confère sa couleur blanchâtre. La substance grise, quant à elle, renferme les corps cellulaires des neurones. Elle s’organise en noyaux (structures plus ou moins délimitées, localisées en profondeur) et en cortex cérébral (couche superficielle plissée).

Parmi les noyaux les plus importants, on distingue :

Le système ventriculaire

Le cerveau abrite un réseau de cavités internes dans lesquelles circule le liquide céphalo-rachidien (LCR), aussi appelé liquide céphalospinal (LCS). Ce liquide se répartit principalement dans les ventricules latéraux et dans le troisième ventricule. Il joue un rôle de protection mécanique, de régulation de la pression intracrânienne et de transport de nutriments. Il est important de noter que l’hypothalamus borde le troisième ventricule, position stratégique qui lui permet de capter des signaux chimiques circulant dans le LCR et de réguler le système nerveux autonome.

La moelle épinière

La moelle épinière présente une architecture inversée par rapport à l’encéphale : la substance grise occupe le centre (avec la corne antérieure motrice et la corne postérieure sensitive), tandis que la substance blanche constitue la périphérie. On identifie également le ganglion spinal sur la racine dorsale, qui abrite les corps cellulaires des neurones sensitifs.

Entre le neurone sensitif et le motoneurone, des interneurones (ou neurones d’association) peuvent intervenir. Ils jouent un rôle de communication, de modulation et d’intégration du signal nerveux, permettant par exemple les réflexes médullaires.

⚡ Le circuit du message nerveux

Le fonctionnement du système nerveux repose sur un circuit fondamental en trois étapes :

Ce circuit fondamental s’applique aux trois types de systèmes nerveux, mais avec des particularités pour chacun :

🔋 Les neurones : structure, classification et communication

Structure générale du neurone

Le corps humain renferme environ 100 milliards de neurones, établissant au total plus de mille milliards de connexions synaptiques. Le neurone est une cellule hautement spécialisée, constituée d’un corps cellulaire (ou soma) prolongé par des extensions caractéristiques.

Le corps cellulaire comporte les éléments classiques d’une cellule eucaryote : membrane plasmique, noyau, organites et cytoplasme. Il constitue par ailleurs le lieu de synthèse des neurotransmetteurs, molécules indispensables à la communication synaptique.

Les prolongements neuronaux se répartissent en deux catégories fonctionnelles. Les dendrites sont les prolongements afférents : elles reçoivent l’influx nerveux en provenance des autres neurones ou des récepteurs sensoriels. L’axone, prolongement efférent unique, assure la transmission de l’influx nerveux du corps cellulaire vers les cibles situées en aval (autres neurones, muscles, glandes).

Classification des neurones

Selon leur morphologie et leur fonction, les neurones se répartissent en trois grandes catégories :

Lors d’un mouvement précis, une multitude d’informations convergentes entrent en jeu. Ce phénomène explique la réduction progressive du signal au fil de son trajet : de nombreuses dendrites alimentent un seul axone à chaque relais neuronal, assurant ainsi une intégration et un filtrage constants de l’information.

Communication neuronale : les synapses

Les neurones communiquent entre eux par deux mécanismes fondamentaux. La transmission électrique s’effectue directement, grâce à un potentiel électrique transmis d’un neurone à l’autre. La transmission chimique implique la libération de neurotransmetteurs dans la fente synaptique, qui se fixent sur les récepteurs du neurone post-synaptique et déclenchent des modifications ioniques pouvant aboutir à un potentiel d’action.

🛡️ Les cellules gliales et la myélinisation

Les différents types de cellules gliales

Les cellules gliales sont environ dix fois plus nombreuses que les neurones. Elles assurent des fonctions variées et indispensables : soutien structural, protection des neurones, nutrition, élimination des déchets métaboliques et immunité cérébrale.

Organisation anatomique des types cellulaires

La myélinisation : un isolant électrique essentiel

La myéline est un isolant électrique lipidique qui forme une gaine autour des axones. Au-delà de son rôle isolant, elle constitue un support trophique et nourricier pour l’axone. Morphologiquement, la gaine de myéline est constituée de couches concentriques de membrane plasmique enroulées autour de l’axone, ce qui confère à la substance blanche son aspect caractéristique.

L’état de myélinisation d’une fibre nerveuse conditionne directement la vitesse de conduction de l’influx. Les fibres peu ou pas myélinisées assurent une conduction lente, tandis que les fibres richement myélinisées permettent une conduction rapide. La substance grise contient principalement des fibres non myélinisées, ce qui explique sa coloration.

🔗 Les synapses neuro-neuronales et non-neuronales

Synapses neuro-neuronales

Les synapses sont les zones de communication entre neurones. Chaque neurone peut établir plus de 10 000 synapses avec ses voisins. Elles se classifient selon la topographie du contact : les synapses axono-dendritiques (entre l’axone d’un neurone et la dendrite d’un autre), les synapses axono-somatiques (entre un axone et le soma d’un autre neurone) et les synapses axono-axonales (entre deux axones).

Du point de vue du mécanisme de transmission, on distingue deux types fondamentaux :

Les synapses électriques permettent le passage direct de l’influx nerveux d’un neurone à l’autre grâce aux jonctions communicantes (gap junctions). La transmission est rapide et bidirectionnelle.

Les synapses chimiques font intervenir des neurotransmetteurs. Ces molécules sont synthétisées par le neurone présynaptique et stockées dans des vésicules synaptiques (entre 1 000 et 2 000 par bouton synaptique). Lors de l’arrivée d’un potentiel d’action, les vésicules fusionnent avec la membrane plasmique et libèrent leur contenu dans la fente synaptique. Les neurotransmetteurs se fixent alors sur des récepteurs spécifiques post-synaptiques, dont l’activation ouvre ou ferme des canaux ioniques, déclenchant ou inhibant un potentiel d’action dans le neurone suivant.

Synapses non-neuronales

Tous les neurones ne communiquent pas exclusivement avec d’autres neurones. Les synapses axono-sécrétrices se forment entre un axone et un vaisseau sanguin : les neurotransmetteurs sont directement libérés dans la circulation sanguine. Les synapses axono-extracellulaires libèrent les neurotransmetteurs dans le milieu extracellulaire. Ce mécanisme est à la base du système hormonal : c’est par exemple ainsi que la thyroïde reçoit les signaux neuroendocriniens qui régulent la sécrétion de ses hormones.

⚡ Potentiel de repos membranaire et potentiel d’action

Le potentiel de repos

Au repos, la membrane neuronale présente un potentiel de repos de -70 mV. Cette différence de potentiel traduit un déséquilibre de charges : le milieu intracellulaire est négatif par rapport au milieu extracellulaire, qui est positif. Cet équilibre ionique est maintenu par une machinerie cellulaire complexe, impliquant des pompes ATPase (notamment la pompe Na⁺/K⁺ et la pompe Ca²⁺/H⁺) ainsi que des canaux échangeurs d’ions.

De faibles variations de la concentration ionique, en particulier du potassium (K⁺), suffisent à provoquer des modifications significatives du potentiel de membrane. La membrane plasmique étant plus perméable aux ions potassiques qu’aux ions sodiques, la sortie nette de potassium est supérieure à l’entrée de sodium, ce qui contribue à la négativité intracellulaire.

Trois types de structures membranaires participent au maintien et à la modulation du potentiel de repos :

Le potentiel d’action

Le potentiel d’action est la réponse électrique propagée le long de l’axone. Il se décompose en deux phases principales. La dépolarisation correspond à l’entrée massive de Na⁺ dans la cellule via les canaux sodiques voltage-dépendants, augmentant le nombre de charges positives intracellulaires et inversant temporairement la polarité membranaire. La repolarisation fait suite à l’ouverture des canaux potassiques voltage-dépendants : le K⁺ sort de la cellule, rétablissant progressivement la négativité intracellulaire.

L’hyperpolarisation est une phase transitoire durant laquelle le potentiel descend en dessous de -70 mV. Elle est favorisée par les neurotransmetteurs inhibiteurs (GABA, glycine) et rend le neurone temporairement moins excitable : le prochain stimulus devra être plus intense pour atteindre le seuil de dépolarisation.

La dépolarisation n’aboutit à un potentiel d’action que si elle atteint le seuil d’excitation, situé à environ -50 mV. En deçà de ce seuil, aucun potentiel d’action ne se déclenche. C’est la loi du tout ou rien : soit le seuil est atteint et un potentiel d’action complet se propage, soit il ne l’est pas et rien ne se passe.

Propagation de l’influx nerveux

Le sens de propagation du potentiel d’action est toujours antérograde, c’est-à-dire du corps cellulaire vers le bouton synaptique. Cette unidirectionnalité est assurée par la période réfractaire qui suit chaque potentiel d’action.

📡 Récepteurs sensoriels et transduction du signal

Les récepteurs sensoriels sont des structures spécialisées dans la détection d’un type particulier de stimulus. Ils peuvent être dispersés dans un tissu (peau, tube digestif, muscles) ou regroupés en organes sensoriels (rétine pour la vision, organe de Corti pour l’audition). Leur rôle fondamental est de transformer une information sensorielle (mécanique, thermique, chimique, lumineuse) en un signal électrique : c’est le phénomène de transduction.

Le décodage des stimuli

Le système nerveux décode les informations sensorielles selon quatre paramètres. Le codage de l’intensité repose sur la fréquence des potentiels d’action (plus le stimulus est intense, plus la fréquence est élevée) et sur le recrutement progressif de neurones à seuil bas, moyen puis élevé. Le codage de la durée se manifeste par une perte progressive de la sensibilité des récepteurs lorsque la stimulation est maintenue, aboutissant à une diminution de la fréquence des potentiels d’action (adaptation ON/OFF). Certaines pathologies perturbent ce mécanisme d’extinction, entraînant par exemple une hypersensibilité au bruit.

Le codage de la localisation dépend de la taille du champ récepteur : une zone cutanée large correspond aux récepteurs profonds de Ruffini, tandis qu’une zone cutanée étroite correspond aux récepteurs superficiels de Merkel, permettant une discrimination fine. Enfin, le codage de la modalité distingue les récepteurs unimodaux (sensibles à un seul type de stimulus) des récepteurs polymodaux (sensibles à plusieurs types de stimuli, comme les nocicepteurs).

🧬 Afférences sensorielles et nerfs crâniens

L’organisation des voies sensorielles suit un schéma centripète, depuis les récepteurs sensoriels en périphérie jusqu’au SNC. Chaque voie sensorielle comporte une succession de neurones faisant synapse : on parle de transmission en cascade. La destination finale est l’aire cérébrale (ou corticale) spécialisée dans le traitement de la modalité sensorielle stimulée.

À l’exception de la voie olfactive (qui projette vers le rhinencéphale), la projection vers le SNC respecte une organisation somatotopique (ou tonotopique pour l’audition, rétinotopique pour la vision) au sein des cortex spécifiques : chaque zone corticale est dédiée à une fonction ou à une région corporelle précise. Des phénomènes de convergence et d’inhibition latérale affinent la précision du signal transmis.

Les douze paires de nerfs crâniens

Douze paires de nerfs, appelés nerfs crâniens, relient directement le cerveau aux différentes parties de la tête, du cou et du tronc :

👁️ Voies sensorielles spécifiques : goût, odorat, audition et vision

Les voies gustatives

Les récepteurs gustatifs sont les papilles gustatives, localisées dans la cavité buccale. Les molécules chimiques des aliments se fixent sur ces récepteurs, puis l’information rejoint le SNC en empruntant successivement les nerfs crâniens V (trijumeau), VII (facial) et IX (glossopharyngien) vers le cortex gustatif, ou le nerf X (vague) pour la sensibilité de l’épiglotte.

Les voies olfactives

Les récepteurs olfactifs tapissent la cavité nasale. La fixation d’un ligand odorant sur un récepteur olfactif provoque une entrée de calcium dans la cellule, réalisant ainsi la transduction du signal. L’information est ensuite transmise via les cils olfactifs des cellules olfactives vers le bulbe olfactif, qui contient des cellules mitrales. Plusieurs cellules olfactives convergent vers une même cellule mitrale, permettant une intégration de l’information. Le signal est ensuite acheminé vers le cortex périrhinal, qui permet la description et l’identification des odeurs. Ce cortex entretient des liens étroits avec le système émotionnel, ce qui explique que l’olfaction puisse déclencher des émotions intenses et des réminiscences mnésiques.

Les voies auditives

Les récepteurs auditifs sont localisés dans l’oreille interne. Le son, une onde vibrationnelle, est capté par le pavillon de l’oreille externe, puis transmis et amplifié par la chaîne des osselets (marteau, enclume, étrier) de l’oreille moyenne, située derrière le tympan.

L’onde sonore parvient ensuite à la cochlée, où se trouve l’organe de Corti, porteur de cellules ciliées qui constituent les véritables récepteurs du son. La vibration des cils met en mouvement le liquide périlymphatique contenu dans la cochlée. Ce mouvement mécanique déclenche une dépolarisation des cellules ciliées, avec une entrée massive de potassium puis de calcium, provoquant la libération de glutamate et l’excitation de la fibre nerveuse afférente du nerf auditif.

Le son parvenant aux deux oreilles, le cerveau est capable de spatialiser les sources sonores grâce à une transmission bilatérale. L’information auditive est traitée dans le lobe temporal. Le codage directionnel repose sur le codage de l’intensité interaurale (plus le son est fort d’un côté, plus de neurones sont recrutés) et le codage temporel (la différence de temps d’arrivée entre les deux oreilles peut être détectée avec une précision allant jusqu’à 30 microsecondes).

Les voies visuelles

Les récepteurs visuels sont localisés dans la rétine. Deux types de photorécepteurs assurent la transduction du signal lumineux dans leur segment externe : les cônes (codage des couleurs : rouge, vert et bleu) et les bâtonnets (sensibles à la luminosité, sans codage chromatique). Les photons transmettent leur énergie grâce à la rhodopsine, protéine photosensible présente dans les photorécepteurs.

L’information visuelle emprunte le trajet suivant : rétine → nerf optique (droit ou gauche) → chiasma optique (lieu de croisement partiel des fibres, où les informations issues du champ visuel droit rejoignent l’hémisphère gauche et inversement) → thalamus → corps genouillé latéral → scissure calcarine → lobe occipital (cortex visuel primaire).

Le cortex visuel primaire présente une cartographie rétinotopique : des points voisins de la rétine se projettent sur des zones voisines du cortex. Chaque neurone est spécialisé et organisé selon une organisation somatotopique. Les neurones donnant des réponses similaires sont regroupés en colonnes verticales qui codent les contours, les mouvements, la profondeur relative, la fréquence spatiale et les contrastes chromatiques.

Le lobe occipital redistribue ensuite l’information vers des zones spécialisées : la voie ventrale (vers le lobe temporal) pour la reconnaissance et la mémorisation, la voie dorsale pour la vision ambiante et la guidance du mouvement, et le cortex préfrontal pour la planification de l’action.

🌐 Nerfs périphériques, somatotopie et cerveau émotionnel

Les nerfs périphériques et le cas du toucher

Les récepteurs cutanés sont sensibles au toucher, à la discrimination fine, à la pression, à la chaleur et à la douleur. La transduction de ces informations mécaniques en signal électrique est assurée par des récepteurs spécialisés. Les nerfs périphériques qui les desservent sont composés de plusieurs axones regroupés en faisceaux, accompagnés d’une forte vascularisation.

L’organisation suit un schéma centripète pour les voies sensorielles (les fibres partent des tissus périphériques, se regroupent en plexus puis rejoignent un tronc nerveux et enfin la moelle épinière) et centrifuge pour les voies motrices (les fibres partent de la moelle épinière en plexus, puis se divisent vers les tissus périphériques cibles).

Le relai des informations vers le cerveau se fait de manière controlatérale : le lobe gauche gère la partie droite du corps, et inversement. Ce croisement s’effectue à différents niveaux selon les voies sensitives concernées.

Somatotopie

Des aires précises du cerveau sont dédiées à des régions précises de l’organisme. Cette organisation est particulièrement bien illustrée par l’homonculus de Penfield, où les régions corporelles les plus innervées (lèvres, mains, langue) occupent une surface corticale proportionnellement plus grande.

Le cerveau émotionnel

Le système limbique, localisé en profondeur dans le cerveau, constitue le siège des émotions. La peur est considérée comme le stimulus émotionnel le plus puissant, traitée principalement par l’amygdale. La dopamine joue un rôle de neuromédiateur majeur dans ce système, en particulier dans le circuit de la récompense et du plaisir, qui intervient dans la motivation, l’apprentissage par renforcement et les comportements addictifs.

💪 Les effecteurs musculaires

Les commandes motrices aboutissent à deux types d’effecteurs musculaires :

✏️ Exercices d’entraînement