Fiche explicative de la leçon : Le système nerveux central Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la structure et la fonction des différentes parties du système nerveux central.

Le système nerveux humain a trois fonctions : collecter des informations sensorielles de l’environnement interne et externe, traiter les informations collectées, et répondre par des mouvements moteurs appropriés (par exemple, les expressions du visage, les gestes, la digestion et le footing). Ces fonctions sont dirigées par les deux parties principales du système nerveux humain, le système nerveux central (SNC) et le système nerveux périphérique (SNP), qui sont illustrés dans le schéma ci-dessous.

Le SNC humain représente l’unité centrale de traitement de l’organisme, car il contrôle nos actions et nous permet de comprendre notre environnement et de communiquer avec les autres humains. Pour effectuer ces actions et traiter les informations de l’environnement sensoriel, le SNC se divise en deux constituants principaux : le cerveau et la moelle épinière.

Exemple 1: Décrire le système nerveux central

Que comprend le système nerveux central ? 

1. la colonne vertébrale et les nerfs rachidiens
2. les nerfs périphériques des membres externes
3. le cerveau et la moelle épinière
4. le cerveau et les nerfs crâniens

Réponse

Rappelez-vous que le système nerveux humain a trois fonctions principales : collecter les données sensorielles, traiter les informations et répondre par une action motrice. Ces fonctions sont dirigées par les deux parties principales du système nerveux humain : le système nerveux central (SNC) et le système nerveux périphérique (SNP).

L’illustration ci-dessus montre les deux parties principales du système nerveux humain. Le système nerveux central, surligné en orange, est constitué du cerveau et de la moelle épinière. Le SNC humain représente l’unité centrale de traitement de l’organisme, car il contrôle nos actions et nous permet de comprendre notre environnement et de communiquer avec les autres humains. Pour effectuer ces actions et traiter les informations de l’environnement sensoriel, le SNC se divise en deux constituants principaux : le cerveau et la moelle épinière.

Par conséquent, le système nerveux central est constitué du cerveau et de la moelle épinière.

Étant donné que votre cerveau et votre moelle épinière remplissent certaines des fonctions les plus critiques de votre organisme, ils sont fortement protégés. La première couche de protection du cerveau et de la moelle épinière sont les os qui entourent ces deux structures. Le cerveau est enfermé dans le crâne, tandis que la moelle épinière est protégée par de petits os, les vertèbres, situées dans la colonne vertébrale. Sous l’os se trouvent trois autres couches de protection sous la forme de membranes appelées des méninges, comme le montre la figure 2.

Chaque membrane a une fonction et un nom spécifiques. La membrane la plus externe, la dure-mère, tapisse les os du crâne. Son nom de dure-mère décrit bien cette membrane épaisse et robuste, qui contient également des structures semblables à des veines transportant le sang du cerveau au cœur. Sous la dure-mère se trouve l’arachnoïde. Cette membrane est nommée ainsi pour sa ressemblance avec une toile d’araignée, et est remplie de liquide céphalique. La structure de cette couche amortit davantage tout traumatisme physique du cerveau. La dernière membrane est appelée la pie-mère, qui signifie en latin « mère douce ». La pie-mère recouvre la surface du cerveau et de la moelle épinière telle un film plastique.

Maintenant que nous savons comment le cerveau et la moelle épinière sont protégés contre les dommages physiques, regardons chaque composant du SNC en détail, en commençant par le cerveau.

Le cerveau sert de centre de commandes qui coordonne toutes nos activités. Il contrôle le corps en envoyant et en recevant des signaux avec le SNP via la moelle épinière. Le cerveau est constitué de deux types cellulaires principaux : les neurones (cellules nerveuses) et les cellules de soutien. Étant donné que le cerveau est l’un des organes les plus complexes du corps, il possède de nombreuses zones hautement spécialisées qui travaillent ensemble. Le cerveau comporte trois pôles : le prosencéphale, le mésencéphale et le rhombencéphale. Ces trois pôles sont illustrés à la figure 3.

Le prosencéphale est la partie la plus grande et la plus développée du cerveau humain. En effet, il se compose principalement du cerveau et des structures du cerveau profond, telles que l’hippocampe (le siège de la mémoire), les nerfs optiques (qui se connectent aux yeux) et le bulbe olfactif (responsable de l’odorat).

Le cerveau est responsable du raisonnement, de la mémoire, du langage, de la perception sensorielle et de la réponse émotionnelle. Comme le montre la figure 3, le cerveau est divisé en deux moitiés ou hémisphères. Les deux hémisphères du cerveau peuvent communiquer entre elles à travers un tractus épais de fibres nerveuses.

La couche la plus externe du cerveau est appelée le cortex cérébral. Cortex vient du mot latin « écorce », et décrit le tissu épais du système nerveux qui compose le cortex cérébral. Les replis de ce tissu épais du système nerveux sont ce qui donne au cerveau son aspect plissé si caractéristique. Ces replis sont appelés gyri (gyrus au singulier), tandis que les sillons sont appelés sulci (sulcus au singulier). Ces replis et sillons ne sont pas là que pour les apparences.

Les mammifères, comme les humains, ont un cerveau très grand par rapport à leur taille. En revanche, le cerveau d’un crocodile ne remplirait environ qu’une et demi cuillères à thé américaines. Les replis du cortex permettent d’augmenter la surface du tissu cérébral au sein du crâne. Ceci est important car une plus grande surface signifie davantage de cellules cérébrales et, par conséquent, une meilleure capacité de traitement du cerveau. Ainsi, plus les replis ou les plissements du cortex sont nombreux, plus le cerveau est complexe et doté d’une plus grande intelligence. Le plus grand des sillons du cerveau sert également de délimitation pour aider les chercheurs à mieux repérer les quatre parties distinctes du cerveau.

Chaque hémisphère du cerveau possède quatre lobes : un lobe frontal, un lobe pariétal, un lobe temporal et un lobe occipital. Puisque le cerveau a deux hémisphères, chacun des lobes se présente par paire. Ces quatre lobes sont représentés par différentes couleurs dans la figure 4.

Chacun de ces quatre lobes a une fonction distincte.

Le lobe frontal du cerveau est représenté en rouge sur la figure 4. Ce lobe contrôle les mouvements volontaires, la parole, le raisonnement et la mémoire. Ainsi, c’est le lobe frontal que vous utilisez lorsque vous planifiez votre emploi du temps, suivez des instructions, songez à votre futur ou formez des arguments raisonnés. De plus, le lobe frontal est hautement spécialisé pour le stockage à court terme, comme garder en tête deux idées différentes en même temps.

Différentes zones du lobe frontal remplissent ces fonctions. Par exemple, le repli le plus à l’arrière du lobe frontal est une zone motrice parce qu’elle contrôle les mouvements volontaires, tandis que plusieurs replis du lobe frontal gauche constituent ce qu’on appelle l’aire de Broca, qui transforme la pensée en mots adéquats.

Des dommages au lobe frontal peuvent provoquer des changements dans votre personnalité et votre comportement. Par exemple, Phineas Gage, un contremaître des chemins de fer, survécut à une barre de fer de 5,9 kg qui traversa son cerveau, détruisant son lobe frontal gauche. Bien que Gage ait perdu la vue de son œil gauche, il n’a pas eu d’autres déficiences au niveau de la parole, de la motricité ou de la mémoire. Cependant, sa personnalité a radicalement changé pendant plusieurs années. Gage, qui était jusque là d’humeur stable, est devenu irrespectueux, grossier, peu fiable et impulsif.

Derrière le lobe frontal se trouve le lobe pariétal (illustré en vert sur la figure 4). Les deux fonctions principales du lobe pariétal sont le traitement des sensations du toucher, telles que la pression, la douleur et la température (également appelée somatosensation), et la perception de la position de notre corps dans l’espace (également appelée proprioception). Ces deux fonctions, la somatosensation et la proprioception, sont liées car le lobe pariétal contient une carte somatosensorielle du corps. Elle aide le cerveau à déterminer le type et la provenance de l’information sensorielle.

Le lobe temporal, représenté en jaune sur la figure 4, a plusieurs fonctions car il contient les centres de l’audition et de la mémoire. Il y a en haut de chaque lobe temporal une zone chargée de recevoir les informations des oreilles, telles que la musique et la parole. D’autres parties, comme la partie inférieure de chaque lobe, jouent un rôle crucial dans la formation et la récupération des souvenirs, y compris ceux liés aux émotions ou aux informations auditives.

Des dommages au lobe temporal peuvent avoir un impact important sur la fonction de la mémoire. Par exemple, Henry Molaison, que les neuroscientifiques du monde entier connaissent mieux sous le nom de H.M., était un patient qui, à l’âge de 27 ans, s’est fait enlever ses lobes temporaux pour contrôler ses crises d’épilepsie permanentes. Bien que la chirurgie ait permis de contrôler son épilepsie, il n’était plus capable de former des souvenirs à long terme. Par exemple, s’il répétait un nombre à trois chiffres, il pouvait s’en souvenir même au bout de 15 minutes, mais dès qu’il était distrait, il oubliait le numéro et l’expérience en elle-même. Sans la possibilité de répéter l’information, H.M. ne pouvait retenir l’information que pendant 60 secondes.

Le lobe occipital, représenté en bleu sur la figure 4, traite les informations visuelles.

Différentes zones du lobe occipital traitent différents types d’informations visuelles. Le cortex visuel traite les informations des yeux, puis les interprète dans les images qui créent notre perception du monde. D’autres parties du lobe occipital, telles que les zones de réception et d’association visuelles, traitent et interprètent les images du langage. Ces zones sont indispensables pour la lecture et la compréhension. Ainsi, chaque fois que vous reconnaîssez les mots d’une langue étrangère sans bien les comprendre, vous n’utilisez que la zone de réception visuelle.

Exemple 2: Identifier le lobe occipital du cerveau

Le schéma ci-dessous illustre les principales parties du cerveau humain. Quelle partie du cerveau est responsable de l’interprétation et du traitement des informations visuelles ? 

1. le lobe occipital
2. le lobe pariétal
3. le lobe frontal
4. le lobe temporal

Réponse

Le lobe frontal du cerveau, représenté en rouge, traite les informations liées à la planification, la motivation, l’attention, la récompense, les mouvements volontaires, la parole, la mémoire, la résolution de problèmes et les émotions. Ainsi, chaque fois que vous planifiez votre emploi du temps, imaginez votre avenir ou formez des arguments raisonnés, c’est votre lobe frontal qui s’en charge.

Le lobe frontal est hautement spécialisé pour le stockage à court terme, ce qui permet de garder une idée à l’esprit pendant que d’autres idées sont examinées. Derrière le lobe frontal se trouve le lobe pariétal (illustré en vert). Les deux fonctions principales du lobe pariétal sont le traitement de la somatosensation (sensations du toucher comme la pression, la douleur et la température) et le traitement de la proprioception (la perception de la position de notre corps dans l’espace). Le lobe temporal est représenté en jaune. Il a plusieurs fonctions puisqu’il contient les centres de l’odorat, du goût, de la vue et du toucher. Les autres parties de ce lobe semblent intégrer les souvenirs et associent également des émotions aux souvenirs à long terme. Le lobe occipital, représenté en bleu, traite les informations visuelles. Une lésion dans cette partie du cerveau peut conduire à la cécité.

Par conséquent, la partie du cerveau responsable de l’interprétation et du traitement de l’information visuelle est le lobe occipital.

L’insula peut aussi être appelée le cinquième lobe du cerveau et est considérée comme la partie la moins connue du cerveau. En effet, elle est difficile à étudier car elle est cachée sous les quatre autres lobes (comme le montre la figure 5) du cerveau. Cependant, de nouvelles méthodes d’imagerie cérébrale ont permis de mieux comprendre le rôle de l’insula. Par exemple, nous savons maintenant que l’insula est en quelque sorte une zone de réception qui lit l’état de tout le corps et génère des sentiments qui induisent des actions, comme manger ou prendre des décisions. Elle contient également le cortex gustatif, qui est responsable de notre perception du goût.

Sous le cerveau se trouve une partie du cerveau antérieur appelée diencéphale. Elle contient le thalamus et l’hypothalamus (voir figure 6). Le thalamus est un important centre relais pour les signaux sensoriels et moteurs qui descendent vers la moelle épinière ou qui arrivent au cerveau. L’hypothalamus régule le rythme de notre cycle de sommeil et est considéré comme le thermostat du corps. L’hypothalamus contrôle également le système endocrinien en envoyant des signaux à l’hypophyse, une glande de la taille d’un pois qui libère différentes hormones. Donc, non seulement l l’hypothalamus est en charge de nous réveiller le matin, mais il est aussi responsable de maintenir notre corps hydraté et rafraîchi, ainsi que de faire circuler l’adrénaline pendant lors d’un test ou d’une performance.

Exemple 3: Identifier les fonctions de l’hypothalamus

Le schéma fourni montre la structure de base du cerveau, l’hypothalamus étant mis en évidence. Quelles sont les principales fonctions de l’hypothalamus ? 

1. Traiter les informations visuelles.
2. Contrôler les mouvements volontaires et contribuer à la mémoire et à l’apprentissage.
3. Contrôler les cycles de faim et de sommeil et réguler la température corporelle.
4. Traiter les informations auditives et visuelles.
5. Contrôler les mouvements moteurs et involontaires.

Réponse

Les structures du mésencéphale permettent de déterminer notre état émotionnel, de modifier nos perceptions et réponses en fonction de cet état, et d’initier des arcs réflexes.

Le diencéphale est une partie du cerveau antérieur. Il contient le thalamus et l’hypothalamus. Le thalamus est un centre relais important pour les signaux sensoriels et moteurs qui descendent vers la moelle épinière ou qui arrivent au cerveau. L’hypothalamus régule les fonctions autonomes. Il régule le rythme de nos cycles de sommeil et est considéré comme le thermostat du corps. L’hypothalamus contrôle également le système endocrinien en envoyant des signaux à l’hypophyse, une glande de la taille d’un pois qui libère différentes hormones. Donc, non seulement l’hypothalamus est en charge de nous réveiller le matin, mais il est aussi responsable de maintenir notre corps hydraté et rafraîchi, ainsi que de faire circuler l’adrénaline pendant un test ou une performance.

Par conséquent, les fonctions principales de l’hypothalamus sont de contrôler la faim et le cycle du sommeil et de réguler la température corporelle.

Sous le prosencéphale se trouve le tronc cérébral, qui relie le cerveau à la moelle épinière. Le tronc cérébral est constitué du mésencéphale et du rhombencéphale, comme le montre la figure 7. Étant donné que de nombreuses fonctions vitales, telles que la respiration et le rythme cardiaque, ainsi que le contrôle moteur de la tête, du cou et de la poitrine, sont coordonnés par le tronc cérébral, il est considéré comme une partie vitale du SNC. Par exemple, un tronc cérébral endommagé peut réduire de façon permanente la qualité de vie, car il régit presque toutes les activités essentielles de l’organisme.

Le mésencéphale est relativement petit par rapport au prosencéphale, mais il contient plusieurs centres importants des réflexes vitaux, du contrôle visuel et moteur, de la sensation de douleur et de l’agression. Les réflexes contrôlés par le mésencéphale sont des actions qui se produisent inconsciemment, telles que la toux ou le sursaut après un son fort et soudain. Le mésencéphale contient également un circuit de récompense très important qui détermine notre motivation et certainement nos addictions.

Le rhombencéphale comprend la majeure partie du pont, du cervelet et du bulbe rachidien. L’emplacement du rhombencéphale est illustré à la figure 7.

La forme bulbeuse du pont permet de le distinguer des autres structures du rhombencéphale. Pont vient du mot latin « pons » ; il est nommé ainsi car il relie le reste du tronc cérébral au cortex cérébral, en transmettant des informations sur le mouvement à partir du cortex cérébral vers le cervelet. Le pont, parfois appelé le pont de Varole, sert de centre de coordination pour la respiration, le goût et le sommeil.

Derrière le pont, à la base du crâne, se trouve le cervelet. Cette petite structure dense en forme de corail contient plus de neurones que les deux hémisphères du cerveau et est indispensable à la fonction motrice. Cervelet vient du mot latin « cerebellum » qui signifie petit cerveau. En effet, il reçoit des informations somatosensorielles (par exemple, la douleur, le toucher, la pression et la température) de la moelle épinière, des informations motrices du cortex cérébral et des informations d’équilibre de l’oreille interne. Le cervelet traite ensuite toutes ces informations pour aider à coordonner nos mouvements moteurs et à maintenir notre posture.

À côté du cervelet se trouve le bulbe rachidien, la partie la plus basse de l’ensemble du rhombencéphale. Le bulbe rachidien est la jonction entre le cerveau et la moelle épinière. Même s’il ne fait qu’environ 3 centimètres de long, le bulbe rachidien est essentiel aux fonctions corporelles car il comporte les centres de contrôle de toutes nos fonctions autonomes et involontaires, telles que la fréquence cardiaque, la pression artérielle, la respiration, la déglutition et les éternuements.

Au-dessous du bulbe rachidien se trouve la moelle épinière, qui est le deuxième organe du système nerveux central.

La moelle épinière est un faisceau épais de fibres nerveuses qui part du bulbe rachidien du cerveau et passe dans les cavités centrales de la colonne vertébrale. Elle agit comme un pont entre le cerveau et le SNP qui relaie les messages entre le cerveau et le corps. La figure 8 montre une coupe transversale de la moelle épinière, qui ressemble à un ovale blanc contenant une forme de H grise.

Dans la coupe transversale de la moelle épinière, il y a de la matière grise et de la matière blanche. La matière grise forme le noyau en forme de H.

La matière grise est composée principalement d’interneurones (des neurones-relais), qui connectent les neurones sensitifs et les motoneurones. La matière grise contient également les axones et les dendrites des motoneurones et des neurones sensitifs. Dans le cerveau, la matière grise se présente principalement sous forme de couches, comme dans le cortex cérébral, ou sous forme d’amas appelés noyaux. La matière grise du cerveau apparaît également plus rose que grise en raison de l’abondance de sang dans ce tissu.

Une couche de matière blanche entoure le H de la matière grise. La matière blanche se constitue des axones myélinisés des neurones, qui aident les influx nerveux à se propager rapidement. La couleur blanche de la myéline est ce qui donne à la matière blanche sa couleur caractéristique. Dans le cerveau, la matière blanche est enfouie sous la matière grise et transmet ses signaux entre les différentes parties du cerveau.

La moelle épinière est liée aux muscles et aux récepteurs sensoriels du corps et est reliée à 31 paires de nerfs rachidiens, qui contrôlent les fonctions motrices, sensorielles et autres. À chaque niveau de la moelle épinière, les neurones sont organisés d’une façon similaire, décrite dans la figure 9. Les récepteurs sensoriels initient des signaux sensoriels qui sont conduits par les dendrites des neurones sensoriels vers les corps cellulaires, situés dans le ganglion spinal. Ensuite, les signaux sensoriels se déplacent dans les axones vers la moelle épinière, formant la racine dorsale. Une fois à l’intérieur de la moelle épinière, les axones des neurones sensoriels se connectent aux interneurones dans les bras supérieurs du H de la matière grise, appelés les cornes dorsales.

Dans les cornes ventrales ou les bras inférieurs du H de la matière grise, les interneurones se connectent aux motoneurones. Lorsque les motoneurones sortent de la moelle épinière, ils forment la racine ventrale.

Le circuit de neurones représenté sur la figure 9 décrit la voie typique d’un arc réflexe. La moelle épinière en contient des milliers. Ces circuits neuronaux contrôlent les réflexes, qui sont des réponses motrices automatiques et rapides déclenchées par des stimuli sensoriels et qui ne nécessitent aucune intervention du cerveau. Bien que les réflexes se produisent involontairement, ils peuvent être bloqués si nécessaire par des commandes volontaires envoyées du cerveau à la matière grise de la moelle épinière.

Exemple 4: Faire la distinction entre les racines dorsales et ventrales des nerfs rachidiens

Le schéma donné montre l’anatomie d’une coupe transversale de la moelle épinière. Chaque nerf rachidien a une racine dorsale et une racine ventrale.

1. Quelle racine contient les corps cellulaires des neurones sensoriels ? 
   1. dorsale
   2. ventrale
2. Quelle racine est constituée d’axones des motoneurones ? 
   1. dorsale
   2. ventrale

Réponse

Le système nerveux central est constitué de deux organes : le cerveau et la moelle épinière. La moelle épinière est un faisceau épais de fibres nerveuses qui part du bulbe rachidien du cerveau et passe par les cavités centrales du canal rachidien. Elle agit comme un pont entre le cerveau et le SNP. Une coupe transversale de la moelle épinière ressemble à un ovale blanc contenant une forme de papillon gris, comme illustré sur la figure ci-dessous.

Une couche de matière blanche entoure la matière grise en forme de H. Cette matière blanche est constituée des axones myélinisés des neurones, qui aident les influx nerveux à se propager rapidement. La couleur blanche de la myéline est ce qui donne à la matière blanche sa couleur caractéristique. Dans le cerveau, la matière blanche est enfouie sous la matière grise et transmet des signaux entre les différentes parties du cerveau.

La moelle épinière est liée aux muscles et aux récepteurs sensoriels de l’organisme et est reliée à 31 paires de nerfs rachidiens, qui contrôlent les fonctions motrices, sensorielles et autres. À chaque niveau de la moelle épinière, les neurones sont organisés d’une façon similaire, illustrée ci-dessous dans la coupe transversale de la moelle épinière.

Lorsque les neurones sensoriels arrivent dans la moelle épinière, ils forment la racine dorsale. Une fois à l’intérieur de la moelle épinière, les axones des neurones sensoriels se connectent aux interneurones dans les bras supérieurs du H de la matière grise appelées les cornes dorsales. Dans les cornes ventrales ou les bras inférieurs du H de la matière grise, les interneurones se connectent aux motoneurones. Lorsque les motoneurones sortent de la moelle épinière, ils forment la racine ventrale.

Partie 1

Par conséquent, la racine qui contient les corps cellulaires des neurones sensoriels est la racine dorsale.

Partie 2

Par conséquent, la racine qui se compose d’axones des motoneurones est la racine ventrale.

Passons en revue certains des points clés que nous avons couverts dans cette fiche explicative.