Dérivées, primitives et intégrales - medias.dunod.commedias.dunod.com/document/9782100585045/Complements.pdf · à la duplication d’un gène codant la protéine PMP22, alors

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SOMMAIRE Complément Fiche 1 ......................................................................................................... 2

Complément Fiches 4 et 8 ................................................................................................. 4

Complément Fiche 27 ....................................................................................................... 5



Complément Fiche 70 ..................................................................................................... 11

Complément Fiche 82 ..................................................................................................... 13

Complément Fiche 103 ................................................................................................... 16

Complément Fiche 150 ................................................................................................... 19

© DUNOD, Paris, 2013

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Complément Fiche 1

Utilisation de la génétique en Neurosciences, exemple de la Drosophile La Drosophile (ou mouche du vinaigre) présente de nombreux avantages pour la re-cherche en Neurosciences. Son cycle biologique de 10 jours permet d’obtenir rapide-ment un grand nombre de générations. Son génome de faible taille a été complètement séquencé, montrant des équivalences intéressantes entre ses gènes et ceux de l’Homme. La transgénèse est possible du fait de la présence d’éléments P ou transposons, frag-ments d’ADN qui ont la propriété de se déplacer et de s’insérer au hasard dans le gé-nome. Ces éléments P sont utilisés pour créer des souches mutantes, comme les souches UAS et gal4, par exemple.

Le système UAS-GAL4 permet de diriger spécifiquement l’expression du gène X dans un territoire donné ou à un moment donné.

Le gène gal4, présent chez la levure, code pour la protéine GAL4, facteur de trans-cription dont on a montré qu’il est fonctionnel lorsqu’il est exprimé chez la Drosophile. La souche de Drosophile gal4 est obtenue par injection chez l’embryon dans la zone des cellules germinales d’un plasmide portant l’élément P et le gène gal4. L’insertion du transposon modifié se fait alors au hasard dans le génome. L’expression de GAL4 de la descendance se fait sous le contrôle de régions régulatrices d’un gène Y de la Droso-phile, adjacentes au transposon véhiculant gal4. La protéine GAL4 exprimée selon le patron d’expression du gène Y ne devient efficace qui si elle se fixe sur une séquence UAS (Upstream Activation Sequence). Il s’agit d’une région régulatrice de l’ADN qui fixe les facteurs de transcription. Les séquences UAS sont absentes chez la Drosophile.

Selon la même méthode de transgénèse, une souche UAS est créée pour laquelle le transgène comporte la séquence codante d’un gène X en aval de la séquence UAS pro-venant de la levure. Si l’on croise des mouches portant le transgène UAS-X avec des mouches exprimant GAL4 dans des cellules particulières, les descendants du croisement expriment le gène X dans les cellules qui expriment GAL4.

Le gène X peut être, par exemple, le gène codant pour la GFP, protéine verte fluores-cente, ce qui permet de visualiser les cellules qui expriment GAL4 et donc de localiser où s’exprime le gène Y. On parle dans ce cas de gène rapporteur.

Le gène X peut aussi être un effecteur dont l’expression modifie le fonctionnement cellulaire. Par exemple il peut s’agir d’un gène codant pour un canal ionique membra-naire (channel-rhodopsin), activé par la lumière de telle sorte que l’activité des neurones exprimant ce canal sera déclenchée lorsque la Drosophile est soumise à une longueur d’onde spécifique.

Le transgène shibire code pour la forme thermosensible de la dynamine impliquée dans le recyclage vésiculaire. En portant l’organisme à 30 °C ou plus, la transmission synaptique est bloquée dans les cellules qui expriment SHIBIRE mutant. Le blocage, réversible par retour à une température permissive, permettra de cibler un processus


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spécifique. Il pourra être induit par exemple pendant un cycle de conditionnement, pen-dant la consolidation de l’apprentissage ou au moment de sa restitution et l’effet sera recherché sur les performances comportementales. Cette approche permet de déterminer si les neurones qui expriment SHIBIRE participent aux fonctions étudiées.

Les gènes rapporteurs présentés dans le tableau 1 en association avec les techniques d’imagerie cellulaire permettent de visualiser les neurones qui participent à une fonc-tion.

Gènes rapporteurs Fonction impliquée UAS-Cameleon 2.1 Rapporteur ratiométrique fluorescent du Ca2+ intracellulaire UAS-SpH Synaptophluorine, rapporteur fluorescent de la transmission

synaptique, sensible au pH UAS-GCaMP Rapporteur fluorescent du Ca2+ intracellulaire ayant un fort

rapport signal sur bruit Gènes effecteurs Effets produits

UAS-TNT Chaîne de la toxine tétanique, bloque la libération du neuro-transmetteur

UAS-shibirets1 Bloqueur de l’endocytose des vésicules synaptiques sensible à la température

UAS-P2X2 Récepteur à l’ATP couplé à un canal ionique stimulé par pho-toactivation de l’ATP encagé

UAS-VR1 Récepteur vanilloïde activé par la capsaïcine UAS-ChR2 Channelrhodopsine, canal ionique activé par la stimulation

avec une lumière bleue UAS-PTX Toxine pertussique, inhibe la signalisation induite par la pro-

téine G0

UAS-PACα Adénylylcyclase activée par la lumière bleue, induit la synthèse d’AMPc

L’interférence d’ARN permet l’inactivation sélective d’un gène. Le principe consiste à induire par transgénèse, selon le principe décrit plus haut, la synthèse d’un double brin d’ARN. Chez les organismes pour lesquels la transgénèse n’est pas possible, on peut injecter directement le double brin dans le cerveau par exemple. Dans la cellule, le double brin est sectionné par la protéine Dicer en brins courts d’ARN ciblant la sé-quence d’intérêt. L’ARN interférent en se fixant sur l’ARNm dégrade la séquence d’intérêt ou empêche sa traduction et l’expression de la protéine est partiellement inhi-bée. La perte de fonction qui est observée renseigne sur le rôle du gène dans le proces-sus étudié.


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Complément Fiches 4 et 8

La mort neuronale programmée Dans de nombreuses régions du système nerveux central, la quantité de neurones formés à l'origine est beaucoup plus importante que le nombre de neurones qui survivront au-delà de la période de développement. Le nombre final des neurones s'ajuste au cours d'une phase de mort cellulaire sélective qui semble faire partie intégrante du programme de développement.

Le nombre final des cellules est directement lié au nombre de contacts fonctionnels disponibles pour les axones des neurones en développement. Si on réduit expérimenta-lement ce nombre, le nombre des morts neuronales est augmenté proportionnellement et inversement si le nombre des sites disponibles est augmenté, la mort neuronale est moins intense. Il est important de souligner que les modifications de la taille de la cible ont des conséquences sur le nombre des cellules finales, mais aucune sur le nombre des divisions cellulaires. Ainsi, par exemple chez les Amphibiens, le nombre de neurones sensitifs contenus dans les ganglions rachidiens cervicaux est diminué si le membre antérieur a été réséqué pendant l'embryogenèse. Inversement, ce nombre est augmenté si un bourgeon de membre surnuméraire a été greffé. Des résultats analogues concernant l'innervation motrice ont été obtenus chez le Poulet : le nombre des motoneurones con-tenus dans la corne ventrale de la moelle épinière cervicale est accru si un bourgeon de membre surnuméraire est greffé pendant le développement embryonnaire. Le nombre final de neurones est donc ajusté par un contrôle de la mort cellulaire et non pas par une régulation des mitoses.

Les neurones qui meurent sont en fait ceux qui n'ont pas trouvé de cible. Chez les Vertébrés, la survie des neurones pendant le développement dépend de manière critique d'interactions entre le neurone et sa cible postsynaptique. Le rôle joué par la cible a été mis en évidence notamment dans le système visuel. Les cellules ganglionnaires réti-niennes se projettent sur les cellules du corps genouillé latéral (CGL) qui se projettent elles-mêmes sur le cortex visuel. Une lésion du cortex visuel entraîne, avec un délai relativement court, une dégénérescence rétrograde des neurones du CGL dont l'axone a été coupé. Mais, quelques mois plus tard, on observe également une dégénérescence trans-synaptique des cellules ganglionnaires de la rétine qui se projetaient sur les neu-rones morts du CGL. On interprète ces résultats en supposant qu'un facteur trophique est émis par le neurone postsynaptique (les neurones du CGL) en direction du neurone pré-synaptique (les cellules ganglionnaires rétiniennes). La disparition de ce facteur entraîne la dégénérescence du neurone pré-synaptique.


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Complément Fiche 27

Les maladies de la myéline De nombreux axones du système nerveux central (SNC) et du système nerveux périphé-rique (SNP) sont recouverts de myéline. Les maladies de la myéline conduisent à une démyélinisation et une inflammation des axones, ce qui entraîne une diminution de la vitesse de propagation du potentiel d’action axonal. La myéline est une membrane parti-culière contenant 70 % de lipides et 30 % de protéines. Certaines protéines de la myéline sont présentes dans le SNC et le SNP, tandis que d’autres sont spécifiques au SNC ou au SNP.

⊃ 1. Les maladies de la myéline centrale Dans le SNC, la myéline est synthétisée par les oligodendrocytes. La maladie démyéli-nisante la plus fréquente de la myéline centrale est la sclérose en plaque (SEP). C’est une maladie auto-immune dont l’origine exacte est inconnue. La SEP associe des fac-teurs de risque environnementaux et génétiques de prédisposition à la maladie, avec des facteurs déclenchant (infection virale).

Morphologiquement, la SEP se caractérise par l’apparition à la surface des axones, de plaques où la myéline est en voie de dégénérescence (d’où son nom). Tous les axones des neurones du SNC sont touchés, ce qui peut conduire à de nombreux troubles : troubles de la marche, de l’acuité visuelle, troubles sensitifs, psychiques, cognitifs, etc.

Au début de l’apparition de la maladie, la SEP présente des épisodes de poussées al-ternant avec des épisodes de rémission. Puis au bout d’une dizaine d’années, la maladie s’installe de façon plus progressive, plus insidieuse. Cette seconde phase correspond à une souffrance plus importante des axones, différente de l’inflammation observée lors des poussées initiales, brutales et plus focales.

Il existe également d’autres maladies démyélinisantes auto-immunes plus rares que la SEP, comme par exemple une maladie (la neuromyélite optique) dont la cause est la perte d’aquaporine de type 4 dans la membrane plasmique des astrocytes. Le dysfonc-tionnement astrocytaire entraîne alors la mort progressive des oligodendrocytes.

⊃ 2. Maladies de la myéline périphérique Dans le SNP, la myéline est synthétisée par un certain type de cellules de Schwann. Les maladies démyélinisantes de la myéline périphérique constituent un groupe hétérogène : les neuropathies héréditaires sensitivo-motrices ou maladie de Charcot-Marie-Tooth et les neuropathies apparentées.

La maladie de Charcot-Marie-Tooth(CMT) représente l’anomalie héréditaire la plus fréquente du SNP. Plusieurs formes de la maladie existent. Une forme (CMT1A) est due à la duplication d’un gène codant la protéine PMP22, alors qu’une autre forme(CM1B) est due à la mutation du gène codant la protéine P0. Une troisième forme est liée au


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chromosome X (CMTX) et concerne la mutation du gène codant une connexine des jonctions communicantes (Cx32), très présente dans la myéline périphérique.

La maladie de Charcot-Marie-Toothatteint à la fois les nerfs moteurs et sensitifs. Elle est caractérisée par une hypertrophie des nerfs périphériques ainsi que par une amyotro-phie progressive mais inexorable, entraînant une faiblesse musculaire. En général, les anomalies motrices touchent d’abord les muscles des pieds et des orteils, puis ceux de la jambe. L’atteinte est toujours symétrique et peu à peu, la posture devient instable, ce qui peut provoquer des chutes. L’atteinte des muscles des membres supérieurs apparaît après plusieurs années. Quant aux troubles sensitifs, ils sont surmontés par le malade qui s’habitue progressivement à ces troubles.

Le syndrome de Guillain-Barré est une maladie démyélinisante, rare, auto-immune dont l’origine est inconnue, mais qui apparaît généralement après une infection virale. Cette maladie est caractérisée par une faiblesse sporadique de tous les membres.


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Les maladies de la transmission neuromusculaire De façon très générale, les maladies de la transmission synaptique peuvent affecter d’une part, la terminaison synaptique et les mécanismes de libération du neurotransmet-teur et, d’autre part, la membrane post-synaptique et la liaison du neurotransmetteur avec ses récepteurs.

Les maladies qui affectent la transmission neuromusculaire des muscles squelettiques peuvent être soit des maladies génétiques ou auto-immunes (on parle alors de myasthé-nies), soit des maladies dues à l’empoisonnement par des composés chimiques ou par des toxines bactériennes ou animales. Certaines maladies entraînent une diminution de la transmission neuromusculaire (c’est le cas des myasthénies), tandis que d’autres dé-clenchent une augmentation. La diminution de la transmission provoque une plus faible activation des fibres musculaires squelettiques.

⊃ 1. Les maladies de la terminaison synaptique entraînant une modifi-cation de la libération d’ACh

Le syndrome de Lambert-Eaton est une maladie auto-immune entraînant la perte de canaux calciques tension-dépendants dans la terminaison synaptique, d’où une plus faible libération d’acétylcholine (ACh) et donc une plus faible activation des fibres mus-culaires. D’autres maladies conduisant au même effet, sont causées par une altération de la circulation des vésicules synaptiques ou par une réduction du contenu des vésicules en ACh.

Le même effet est aussi produit par la toxine botulique. Cette toxine, secrétée par des bactéries anaérobies du genre Clostridium, provoque un blocage de la libération d’ACh par clivage des protéines SNARE intervenant dans la fusion des vésicules synaptiques cholinergiques avec la membrane pré-synaptique.

À l’opposé, la toxine tétanique (produite par d’autres bactéries du genre Clostridium) agit de la même façon que la toxine botulique, mais en bloquant la fusion des vésicules synaptiques glycinergiques au niveau d’interneurones de la moelle épinière innervant les motoneurones. Comme la glycine est un neurotransmetteur inhibiteur, l’activité des motoneurones est augmentée, et donc celle des fibres musculaires, ce qui produit ainsi des contractions musculaires tétaniques incontrôlées (d’où le nom de tétanos pour la maladie).

L’α-latrotoxine (une toxine produite par les Araignées femelles Veuves noires) pro-voque aussi des contractions involontaires. Cependant elle induit, même en l’absence d’ions Ca2+ extracellulaires, une libération excessive et anormale de vésicules choliner-giques, par action sur des protéines de fusion membranaire entre la membrane vésicu-laire et la membrane plasmique.


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De plus, des composés chimiques (néostigmine, organo-phosphorés) qui agissent en bloquant l’acétylcholinestérase, l’enzyme qui dégrade l’ACh dans la fente synaptique, ont aussi les mêmes effets, puisqu’ils augmentent la concentration extracellulaire d’ACh.

⊃ 2. Les maladies de la membrane post-synaptique entraînant une plus faible activation des récepteurs nicotiniques

Les myasthénies congénitales sont des maladies auto-immunes des récepteurs nicoti-niques, qui réduisent le nombre de récepteurs fonctionnels, donc qui entraînent une plus faible activation musculaire.

Certains composés produisent le même effet puisqu’ils bloquent les récepteurs nicoti-niques : c’est le cas du curare dont l’élément actif, la d-tubocurarine est extraite d’une liane d’Amérique du Sud. C’est aussi le cas de toxines comme l’α-bungarotoxine (ex-traite du venin d’un serpent d’Asie, Bungarus) ou de toxines extraites d’autres serpents comme le Cobra, ou encore de toxines extraites de certains Gastéropodes marins, les cônes, d’où leur nom de conotoxines.


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Les barillets corticaux Chez les Rongeurs, les vibrisses sont les principaux récepteurs tactiles ; les études me-nées principalement chez la Souris et chez le Rat ont montré que c’est la représentation des vibrisses, au niveau de l’aire SI, qui occupe la plus large place (figure 1). Chaque vibrisse est innervée par un nerf comprenant une centaine de fibres myélinisées activées par le mouvement des vibrisses dans une direction spécifique. Une coupe horizontale de l’aire SI à travers la couche IV permet de visualiser, après marquage à la cytochrome oxydase, des taches arrondies (barillets) séparées par des zones plus claires. Chaque barillet correspond à une vibrisse, et leur disposition dans le cortex reproduit la topogra-phie des vibrisses sur la face.

Figure 1 Organisation des barillets corticaux de représentation des vibrisses, à

différentes échelles Cette remarquable organisation somatotopique est également retrouvée au niveau des

noyaux de relais (noyau trigéminal principal et VPM). Les neurones au sein d’un barillet donné répondent principalement au mouvement d’une vibrisse spécifique. Par ailleurs, une innervation motrice permet des mouvements individuels ou simultanés de l’ensemble des vibrisses. Durant l’exploration, les vibrisses font souvent de larges mou-


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vements rythmiques, et ce système est donc très intéressant pour étudier les mécanismes sensoriels et l’intégration sensorimotrice.

De nouvelles techniques électrophysiologiques (implantation de multi-électrodes, patch-clamp in vivo) et d’imagerie optique permettent d’étudier finement l’intégration des messages venant des vibrisses au niveau cortical. Cette organisation particulière est également mise à profit dans l’étude de la plasticité, au niveau neuronal et au niveau des cartes corticales. Le codage dans des conditions physiologiques peut également être étudié à l’aide d’expériences d’apprentissage couplées à l’enregistrement électrophysio-logique dans SI (figure 2).

Figure 2 Le cortex sensorimoteur en relation avec les vibrisses traite deux tâches comportementales : la localisation des bords et la discrimination des

textures. En A, le rongeur doit traverser un trou en se guidant avec ses vibrisses pour atteindre une plateforme où se situe une récompense. La discrimination des textures peut également être étudiée (B). Les résultats suggèrent que la

discrimination à l’aide des vibrisses est du même ordre que celle effectuée au niveau de l’extrémité des doigts chez l’Homme.


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Quelques particularités du système visuel

⊃ La mesure de l’acuité visuelle Afin de tester son acuité visuelle, la méthode la plus objective consiste à présenter à un sujet des bandes noires verticales d’une certaine largeur séparées par une bande blanche de largeur identique. En éloignant progressivement ces stimuli de l’œil du sujet, il arrive un moment où le sujet ne distingue plus les bandes comme deux stimuli séparés, mais comme un seul. La distance maximum à laquelle le sujet perçoit les deux stimulations comme distinctes, permet de calculer l’angle séparant les deux stimuli, et donc le pou-voir séparateur de l’œil du sujet.

En réalité, ce test est couramment remplacé par la lecture d’un tableau sur lequel sont représentées des lettres de différentes tailles. Le sujet est alors placé à une distance défi-nie, et le pouvoir séparateur correspond à l’angle sous lequel est vue une bande noire constituant le corps de la lettre. L’acuité visuelle est alors chiffrée directement sur ces tests ophtalmologiques.

Malgré son intérêt pratique évident, ce test présente deux défauts liés à sa conception. Tout d’abord, les régions blanches qui bordent le trait noir constituant la lettre n’ont pas la même largeur que ce dernier. Il peut donc s’en suivre des perturbations liées aux ef-fets de bords. Ensuite, seul un sujet connaissant l’alphabet utilisé peut interpréter les lettres. Imaginez par exemple un instant le même dispositif représentant des caractères chinois ! Ce test prend donc en compte non seulement la capacité perceptive de l’individu, mais également des processus de reconnaissance qui peuvent interférer avec les phénomènes testés.

Par ailleurs, et en utilisant la représentation de bandes schématisée sur la figure 3 de la fiche 70, il est aisé de constater que la région du champ visuel pour lequel notre pou-voir séparateur est faible est en réalité très limitée. En effet, si l’on pratique de la même façon que ci-dessus, mais non plus en fixant les bandes du regard, mais en plaçant ces dernières à environ 45° par rapport à l’axe optique de l’un des deux yeux, on pourra alors observer que le pouvoir séparateur dans cette région de la rétine est en réalité très mauvais, et ne dépasse guère 10° d’angle ! Notre acuité visuelle est bonne au niveau de la fovéa, car la densité des récepteurs y est très élevée et la convergence quasi inexis-tante.

⊃ Origine embryologique de la rétine La rétine provient, au cours de l’embryogenèse, d’une évagination creuse du diencé-phale. Face à cette évagination, il se différencie une placode épidermique, la placode optique, qui donne naissance, en particulier, au cristallin. La rétine correspond donc à une portion du diencéphale, et non simplement à un ensemble de récepteurs. Ainsi, il se


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produit à son niveau différents traitements de l’information codée par les récepteurs proprement dits.

Par ailleurs, au cours du développement, les parois de l’évagination s’accolent pour former la rétine. Néanmoins les deux feuillets ainsi formés restent parfaitement indivi-dualisés, et constituent un point de fragilisation de la rétine. C’est en effet à ce niveau que se produit la « séparation » lors d’un décollement de la rétine.

Seul le feuillet interne participe au codage et au traitement de l’information visuelle, le feuillet externe ayant pour sa part un rôle d’absorption des rayons lumineux parasites, et de renouvellement des photopigments rétiniens.

⊃ Le renouvellement de la rhodopsine Il existe, au niveau des récepteurs rétiniens, deux voies métaboliques différentes permet-tant le renouvellement de la rhodopsine. Tout d’abord, à la suite de la conversion du rétinène11-cis en rétinène tout trans, ce dernier se détache spontanément de la molécule d’opsine et diffuse dans le milieu intracellulaire puis extracellulaire. Il est alors repris par les cellules du feuillet externe de la rétine, et reconverti en rétinène 11-cis sous l’action d’une isomérase. Il diffuse à nouveau vers les cellules réceptrices où il est alors réincorporé à l’opsine pour reformer une molécule de rhodopsine sensible à la lumière. Un tel cycle de renouvellement dure entre40 minutes et 1 heure chez l’Homme. C’est le temps nécessaire pour reformer la totalité de la rhodopsine à la suite d’une illumination importante de la rétine.

Le second système de renouvellement concerne l’ensemble du segment externe des récepteurs. La membrane des saccules des bâtonnets, ou les invaginations membranaires des cônes, se forment à la base du segment externe, à partir de synthèses assurées par le segment interne du récepteur. La rhodopsine est, pour sa part, synthétisée dans le seg-ment interne à partir des acides aminés formant l’opsine, à laquelle est incorporé le réti-nène 11-cis provenant de la vitamine A1, elle-même fournie par la circulation générale, et provenant de l’alimentation. Les molécules de rhodopsines nouvellement formées sont alors « projetées » dans le segment externe par l’intermédiaire du cil connecteur. Là elles sont incorporées aux membranes du segment externe, et deviennent fonctionnelles. Tandis que le segment externe est renouvelé par sa partie basale, il est détruit dans sa partie terminale. Il se produit à ce niveau une phagocytose de portions plus ou moins importantes du segment externe des cellules réceptrices par les cellules du feuillet ex-terne de la rétine. Il y a donc un renouvellement permanent du segment externe des pho-torécepteurs rétiniens. Ce cycle de renouvellement dure environ six jours chez l’Homme.


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Les photopigments à travers l’évolution L’étude comparée des rétines et les déductions faites de la phylogénie des gènes codant pour les opsines mènent à penser qu’il y a environ 540 millions d’années, les espèces vivant à cette époque possédaient 4 catégories de photopigments et pouvaient donc voir les couleurs.

Chez de nombreuses espèces de Vertébrés actuels, comprenant en particulier les Té-léostéens, les Oiseaux, les Lissamphibiens et les Sauropsides, il existe une classe de bâtonnets, (rhodopsine 1, RH1), et trois ou quatre classes de cônes, sensibles aux lon-gueurs d’onde grandes (LWS, λmax 500-570nm), moyennes (MWS, λmax480-530nm) et courtes (SWS2, λmax400-472nm et SW1, λmax 355-445nm) (figure 1).

Figure 1. Spectres de sensibilité des photopigments chez les Vertébrés. Les opsines sont dénommées par les cinq familles de gènes (en haut). Lorsque ces

opsines sont combinées au chromophore (rétinal 11-Cis), elles présentent, selon les variations dans la séquence des gènes, un maximum de sensibilité (λmax) dans les gammes indiquées par les flèches horizontales. Chez les Mammifères

Euthériens, les pigments des cônes proviennent uniquement des familles SWS1 et LWS. En bas sont représentées les deux courbes d’absorption présumées des

deux pigments ancestraux. Ainsi, à divers degrés, beaucoup de Vertébrés ont probablement maintenu leur capaci-

té à voir les couleurs au long de leur évolution. De plus, chez beaucoup d’entre eux, la sensibilité spectrale est modifiée par la présence de gouttelettes d’huile dans la partie distale du segment interne des cônes. Ainsi, on trouve des gouttelettes d’huile colorées


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contenant des pigments caroténoïdes chez les Sauropsides et les Oiseaux, et des goutte-lettes non colorées chez les Marsupiaux et les Monotrèmes. En revanche, elles sont ab-sentes chez les Mammifères Euthériens. Ces gouttelettes jouent un rôle de filtre en cou-pant les fréquences les plus basses pour chaque type de cône, ce qui réduit la largeur du spectre d’absorption et améliore probablement la vision des couleurs.

Une des grandes évolutions du système visuel des Vertébrés est le déplacement de λmax des ultraviolets vers le violet. Ceci s’est produit (à l’exception des Primates) par la substitution d’un seul acide aminé au niveau de l’opsine de SWS1.

Les Mammifères, hormis les Primates, apparaissent comme une exception par rapport aux autres espèces. En effet, la proportion de bâtonnets domine largement celle des cônes, puisque l’on trouve seulement au maximum 3 % de cônes chez les espèces noc-turnes et 5-30 % de cônes chez les espèces diurnes. Parmi les exceptions, on dénombre chez le Toupaille commun, 95 % de cônes. Les Mammifères n’ont en général que 2 types de cônes (L et S, dichromates) ou un seul (L), et dans ce cas ils ne voient pas les couleurs. De plus, la proportion de cônes S est faible, ne dépassant pas 10 %. En fait, chez plusieurs espèces de Cétacés (Baleines, Phoques, Otaries, Morses), Rongeurs et Carnivores nocturnes ou vivant dans la pénombre, le gène qui code pour l’opsine SWS1 (S) est présent, mais non fonctionnel à cause de plusieurs mutations, et il est donc deve-nu un pseudogène. Ces animaux ne voient donc pas les couleurs. Selon une hypothèse souvent invoquée, la perte de certains pigments des cônes serait due à une longue pé-riode de vie nocturne durant les premières phases (150-200 millions d’années) de déve-loppement des Mammifères. De fait, on constate une perte fonctionnelle du gène SWS1 chez la plupart des espèces aquatiques et chez beaucoup d’espèces nocturnes. Cepen-dant, la vie nocturne n’est probablement pas la seule raison car certains Mammifères nocturnes tels que le Rat ou la Souris possèdent des gènes S fonctionnels.

Les Primates constituent une exception parmi les Mammifères, puisque certains Singes et l’Homme sont trichromates. On distingue les Singes du nouveau monde (Amé-rique du sud et centrale), les Singes de l’ancien monde (Afrique, Asie) et les Prosimiens. La trichomatie existe dans les trois groupes. Chez les Singes de l’ancien monde, elle est due à la combinaison d’un gène autosomal qui code pour le pigment SWS1 avec des copies dupliquées du gène LWS, l’un d’entre eux codant pour un pigment M et l’autre pour un pigment L. Chez les Singes du nouveau monde et les Prosimiens, le gène auto-somal SWS1 est couplé à une seule copie du gène LWS, localisé sur le chromosome X. Seules les femelles (qui ont deux chromosomes X) hétérozygotes ont une vision tri-chromatique. Les femelles homozygotes et les mâles ont un seul pigment M/L et sont donc dichromates.

Chez les Oiseaux, les différentes classes de photorécepteurs ainsi que leur arrange-ment dans la rétine sont remarquablement conservés parmi les espèces. Les photorécep-teurs comprennent des bâtonnets, des cônes doubles constitués d’une cellule principale et d’une cellule accessoire, et généralement 4 classes de cônes simples (figure 2), ce qui leur confère une vision des couleurs tétrachromatique. Les cônes doubles contiennent le pigment LWS et les cônes simples contiennent un des quatre pigments LWS, RH2, SWS2 ou SWS1. Le pigment SWS1 est sensible aux rayons UV, mais contrairement aux autres Vertébrés, il provient d’un pigment ancestral qui absorbait dans le violet. La sen-sibilité aux UV a donc été « réinventée » chez les Oiseaux. Les cônes contiennent éga-


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lement des gouttelettes d’huile faisant fonction de filtre. Les cônes doubles codent la luminance, les formes et le mouvement tandis que les cônes simples assurent le codage chromatique. La combinaison de deux types morphologiques de cônes, des quatre pig-ments visuels et des gouttelettes d’huile permet donc au système visuel des Oiseaux d’être efficace dans des environnements visuels très variés. Notons cependant que dans quelques espèces nocturnes on observe une prépondérance de bâtonnets.

Figure 2. Courbes d’absorption des cônes (normalisées) chez A- l’Homme, B- l’Abeille, C- le Pigeon, D- l’Étourneau


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La perception des phéromones Les phéromones sont des substances chimiques émises par des individus qui agissent comme des signaux de communication intra-spécifique. Elles déclenchent des compor-tements stéréotypés comme la défense du territoire, l’attraction sexuelle ou sont utilisées pour le marquage de pistes ou l’agrégation des individus.

Chez les Mammifères et les Sauropsides, les phéromones sont détectées par l’organe voméronasal qui est localisé sur la partie postérieure de la cloison nasale. Il comporte des neurones sensoriels dont les axones, rassemblés en faisceau, se connectent au bulbe olfactif accessoire (figure 1).

Figure 1

Les cellules mitrales du bulbe olfactif accessoire se projettent presque exclusivement sur l’amygdale qui relaie les informations à l’hypothalamus. Les neurones de l’organe voméronasal expriment des récepteurs membranaires qui appartiennent à deux familles totalement différentes comportant chacune environ 100 sous-types de récepteurs. Ces récepteurs présentent 7 domaines intra-membranaires.

Plusieurs acteurs de la transduction olfactive sont absents dans les neurones de l’organe voméronasal, comme la protéine Gαolf, l’adénylyl cyclase III et une sous-unité du canal ionique sensible à l’AMPc. L’hypothèse est avancée que la transduction serait alors assurée par des canaux ioniques de type TRP (Transient Receptor Potential).

Chez la plupart des Insectes, les neurones sensoriels olfactifs qui détectent les phéro-mones se projettent sur des macroglomérules dans le lobe antennaire. Au nombre de quatre chez le mâle d’Abeille, ils interviennent dans la détection et le traitement des phéromones royales. Les macroglomérules sont absents chez les ouvrières d’Abeilles bien que leur comportement social soit déterminé par de nombreuses phéromones. Celles-ci sont détectées par le système olfactif général.

L’olfaction chez les non-Vertébrés Chez les Insectes, l’organisation anatomique des voies olfactives est comparable à celle décrite chez les Vertébrés. Les neurones sensoriels olfactifs sont présents sur les an-


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tennes, à la base des sensilles olfactives. Leurs axones constituent le nerf antennaire qui gagne le lobe antennaire, équivalent du bulbe olfactif.

Au sein des glomérules, les afférences olfactives primaires se connectent aux neu-rones de projection et à de nombreux neurones locaux qui assurent des connexions intra- et inter-glomérulaires. Les neurones de projection gagnent les corps pédonculés qui sont des structures d’intégration multimodale (figure 2). De même que dans le bulbe olfactif des Vertébrés, l’odeur induit une carte spatiale d’activation glomérulaire spécifique pour chaque odeur, indiquant que le type de codage de l’information « en lignes dédiées » est également conservé au sein des lobes antennaires chez les Insectes.

Cependant les récepteurs membranaires aux odeurs présents sur les dendrites des neu-rones sensoriels ainsi que les mécanismes de transduction présentent des particularités :

- Chaque récepteur est un hétérodimère formé de deux protéines à 7 domaines intra-membranaires dont les séquences ne présentent aucune similarité avec celles des autres récepteurs couplés aux protéines G.

- De plus l’orientation des protéines dans la membrane est inversée, la partie C termi-nal est dans le milieu extra-cellulaire et la partie N terminal est dans le milieu intra-cellulaire.

- Une de ces protéines fixe le ligand de façon spécifique, l’autre est une protéine cha-peronne qui a été identifié comme étant la protéine 83b chez la Drosophile.

- L’odeur induit une réponse rapide du récepteur hétérodimérique qui ne nécessite pas la présence d’une protéine G, indiquant que le récepteur pourrait fonctionner comme un canal ionique.

- Une deuxième réponse plus tardive et dépendante de nucléotides (ATP ou GTP) a été observée in vitro et impliquerait la participation d’une protéine G.

- De plus, une nouvelle classe de récepteurs ionotropiques impliqués dans l’olfaction a été identifiée chez la Drosophile. Ces récepteurs appartiennent à la famille des récep-teurs au glutamate et sont exprimés dans des neurones sensoriels qui répondent à diffé-rentes odeurs et qui n’expriment pas les récepteurs à 7 domaines intra-membranaires

La logique du codage est différente chez le Nématode Caenorhabditis elegans. Parmi les 302 neurones dénombrés chez le Ver, 32 ont une sensibilité chimique qui repose sur l’activation de récepteurs membranaires probablement couplés à une protéine G. Con-trairement aux Vertébrés et aux Insectes, chaque neurone sensoriel chez C. elegans ex-prime plusieurs récepteurs couplés à une protéine G et détecte une variété de substances chimiques. L’expression de différents récepteurs dans une seule cellule suggère que les capacités de discrimination du neurone sensoriel reposent sur l’existence de plusieurs voies de signalisation qui sont chacune activée par un récepteur différent.


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Figure 2


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Les théories de l’apprentissage Les grandes théories de l’apprentissage ont été élaborées essentiellement au début du

XXe siècle et sont regroupées en deux grandes catégories : les théories behavioristes qui décrivent les comportements comme des réponses à des stimuli de l’environnement et les théories cognitivistes qui prennent en compte les opérations internes sous-jacentes.

⊃ Les théories behavioristes (ou comportementales) Souhaitant se détacher des aspects jusqu’alors introspectifs et philosophiques de la

psychologie, les théories behavioristes ont favorisé le développement d’une psychologie scientifique basée sur l’expérimentation animale et humaine. Elles sont contemporaines des travaux du physiologiste russe Ivan Pavlov (1849-1936) sur les réflexes condition-nés, qui n’ont été traduits en anglais et pleinement diffusés qu’en 1927 et de ceux de Hermann Ebbinghaus (1850-1909), l’un des premiers psychologues à appliquer la mé-thode expérimentale à l’étude de l’apprentissage et de la mémoire chez l’Homme.

Le behaviorisme illustre le courant associationniste pour lequel l’apprentissage s’établit sur les liaisons qui se créent entre un stimulus et une réponse. La force de ces connexions conditionne la probabilité d’émission ou d’apparition de la réponse. Edward L. Thorndike (1874-1949), précurseur du behaviorisme, a souligné l’importance de la répétition sur la force de l’apprentissage (loi de l’exercice) ainsi que l’importance des conséquences du comportement sur la force de la connexion entre le stimulus et la ré-ponse (loi de l’effet). Cette loi stipule qu’un comportement qui a une conséquence agréable sera reproduit alors qu’un comportement suivi d’une punition aura tendance à disparaître. L’expérience la plus célèbre décrit le comportement du chat placé dans « une boîte à problèmes ». Le chat doit apprendre à actionner un mécanisme pour ouvrir la porte de la cage et accéder à la nourriture. Divers comportements dont la plupart inappropriés, sont émis mais certains réalisés par hasard se montrent efficaces. Au fil du temps, et en procédant par essais et erreurs, le comportement efficace sera sélectionné au détriment des comportements erronés et sera réalisé de plus en plus rapidement. Se-lon Thorndike, l’apprentissage est graduel et continu.

La loi de l’effet n’est pas unanimement acceptée. Pour John B. Watson (1878-1958), considéré comme le fondateur du behaviorisme, toute action peut être considérée comme une réponse de l’organisme à une stimulation. La force de la liaison entre le stimulus et la réponse dépend non pas du renforcement mais de la fréquence à laquelle le stimulus et la réponse sont associés. La répétition de situations identiques conduit ainsi à la formation d’un lien S-R solide. Edwin R. Guthrie (1886-1959) considère éga-lement que le renforcement n’est pas nécessaire à l’apprentissage et que celui-ci dépend de la contiguïté temporelle entre un comportement et des stimuli présents au même mo-ment.


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Burrhus Frederic Skinner (1904-1990) est certainement le théoricien le plus embléma-tique du behaviorisme. Il établit la distinction entre conditionnements pavloviens et con-ditionnements opérants et consacre à ces derniers de nombreuses études. Se rapprochant de la conception de Thorndike sur l’importance du renforcement, il rejette cependant la notion trop subjective de satisfaction du besoin, le renforcement étant seulement un évé-nement qui augmente la probabilité d’apparition de la réponse. Il fait l’hypothèse que tout comportement complexe peut être considéré comme un enchaînement de réponses conditionnées simples.

⊃ Le cognitivisme Les premières théories de l’apprentissage que l’on peut qualifier de cognitivistes

émanent d’un groupe de chercheurs allemands à l’origine de la théorie de la forme ou « gestatlt ». Les gestaltistes critiquent la notion défendue par Thorndike que l’apprentissage est continu et établi par essai et erreurs. Kölher, en 1917, a avancé le concept d’insight qui désigne la découverte soudaine de la solution à un problème. Rap-portant des expériences de résolution de problèmes chez des grands singes, Il montre que l’apprentissage se décompose en une période de tâtonnements suivie d’une phase de réflexion aboutissant à la découverte de la solution. Il met ainsi en exergue la notion de discontinuité et de structuration de la situation, supposant un processus cognitif d ‘éla-boration de la solution.

L’approche cognitiviste de Edward C. Tolman (1886-1959) est différente. Il s’intéresse à des notions telles que le but ou l’intention d’une action. L’apprentissage est vu comme une acquisition d’informations qui seront utilisées pour planifier une action et atteindre un but. Il met en évidence l’apprentissage latent qui désigne la prise d’informations en dehors de tout renforcement et qui reste donc invisible car non objec-tivement quantifiable. Il montre ainsi que des rats qui déambulent librement dans un labyrinthe acquièrent une carte mentale (cognitive map) qu’ils utiliseront par la suite pour trouver rapidement le trajet les menant à la nourriture quand ils seront introduits affamés dans le labyrinthe. Selon Tolman, l’apprentissage est de nature spatial, les rats sont capables d’établir des relations entre les différents lieux du labyrinthe. Ces travaux ont encore une très grande répercussion dans les études portant sur la fonction de l’hippocampe dans le traitement de l’information spatiale.

⊃ Actuellement Les neurosciences centrées sur l’apprentissage mettent en œuvre les techniques de la

psychologie expérimentale pour questionner la « boîte noire ». L’approche behavioriste caractérisée par la quantification de la réponse comportementale est utilisée pour étudier les supports neurobiologiques du lien entre le stimulus et la réponse, de la représentation du stimulus, de la représentation de l’espace. Des paramètres comme l’attention, l’intention, la motivation sont pleinement intégrés à l’étude de l’apprentissage selon des méthodes objectives qui font l’économie de l’introspection.


Documents

Dérivées, primitives et intégrales - medias.dunod.commedias.dunod.com/document/9782100585045/Complements.pdf · à la duplication d’un gène codant la protéine PMP22, alors