Sources : Comment j’ai travaillé ? Tout est parti de ce petit appareil de mesure qu’on place au bout du doigt qui a été utilisé pour mesurer ma saturation il y’a quelques années à l’hôpital. Dans un premier temps je suis parti de Wikipédia en version anglaise sur la saturation d’oxygène compte tenu du fait qu’il y’a plus de contenu : à peu près 7 millions contre 3 millions pour la version française et que les articles sont parfois plus fournies et détaillés.
Ensuite j’ai voulu pour la première fois demander à CHAT GPT modèle 3o (les autres modèles n’ont pas d’intérêt) d’analyser le graphique principal de la page.
A partir de son analyse j’ai pu gagner en productivité mais j’ai réfuté une bonne partie de ses explications qui n’étaient pas toujours logiques. Je me suis servi de mes connaissances acquises en médecine grâce au dictionnaire du CNRS, sur lequel j’ai été formé en 2008 ainsi qu’à un LAROUSSE médical et divers livres.
Sur les pages anglaises, j’ai traduit en français en un clic avec Chrome pour gagner du temps et comprendre avec la pensée de ma langue natale.
Pour les mots complexes comme désoxyhémoglobine j’ai trouvé pour vous le dictionnaire de l’académie de Médecine de 2020 que voici. Malheureusement il n’est pas intégralement hyperlié comme celui du CNRS.
Enfin j’ai aussi travaillé un peu sur le Wikipédia français à titre de comparaison. (Formules moléculaires) Je suis certain du fait qu’il faut multiplier et croiser les sources pour comprendre le monde dans lequel nous vivons aujourd’hui.
1/ Introduction
La saturation d’oxygène est une variable(constante vitale) allostérique à deux états. Derrière ce pléonasme, on va essayer de comprendre : Pourquoi allostérique ? Parce que cela étudie les interactions entre deux molécules que sont :
a/ l’hémoglobine qui est une métalloprotéine car elle contient du fer : la hème.
Pourquoi à deux états ? Pour expliquer cette variable, on se base sur deux états (comme pour le Binaire, ou l’algèbre de Boole) , un état T pour la Tension dit tendu et un état R pour la Relaxation.
Cette variable à deux états est inspiré du modèle Monod-Changeux-Wyman (Changeux est l’auteur de l’homme neuronal) dit modèle ((concerté) par opposition au modèle séquentiel que je n’ai pas étudié). Dans une méthode concerté il n’y a pas d’état mixte, la liaison d’oxygène à l’hémoglobine ne change que l’équilibre entre l’état T et R.
Voici une courbe sigmoïde(courbe à exponentielle locale) qui explicite sur un repère cartésien orthogonal comment évolue la saturation d’oxygène en Y SaO2 (Ordonnée) (liaison entre l’hème et l’O²) par rapport à la pression d’oxygène PO2 envoyé par le cœur (X Abscisse) qui représente la disponibilité d’O2 mesuré par millimètre de mercure.
La pente raide entre 20 et 60 mmHg sur l’axe PO² (x) montre une transition entre l’état tendu et relaxé T et R –> Point 1 et 2.
Pourquoi une courbe sigmoïde ? Une courbe sigmoïde est une courbe en S qui représente de manière parfaite ce qu’on appelle appelle la coopérativité de la liaison entre l’hémoglobine et oxygène. Concrètement cela signifie que pour une liaison, d’autres vont se déclencher par la suite dans une réaction en chaîne qu’on pourra qualifier d’affinité. (Rien à voir avec l’affinité des électrons)
Les états T et R vont permettre de comprendre quand l’affinité est forte et quand l’affinité est faible en fonction de la pression en O².
Affinité : Liaison de captation d’Oxygène par l’Hémoglobine qui dépend de la pression en O² mesurée en millimètre de mercure.
2/ Lecture du repère cartésienorthogonal
Vous distinguez 3 courbes, la courbe de référence est la courbe bleue, les deux autres courbes vont nous permettre d’expliquer l’affinité diminuée (rouge) et l’affinité augmentée (vert).
On peut diviser la courbe bleue dite sigmoïde en trois points :
a/ Plateau au-delà de 70 mmHg, la saturation est déjà assurée la captation de l’O2 a déjà été faite donc une baisse modéré de pression n’entraîne qu’une faible diminution de la saturation.
b/Pente Raide, entre 20 et 60 mmHg, petite variation de pression entraîne de grands changements de saturation. (Illustration de 20 à 30 en pression on passe de 25 à 50 en saturation) augmentation de 1/3 de pression double la saturation 2/1.
La pente raide entre 20 et 60 mmHg de PO2 montre une transition entre un état tendu T et relaxé R
c/ Zone Basse entre 0 et 20 mmhg, la courbe tend de nouveau à se régulariser et à s’aplatir.
Sur le repaire, je vais vous expliquer l’intérêt des deux autres courbes qui vont me permettre d’expliquer l’affinité augmentée et l’affinité diminuée.
3/ Facteurs d’affinité et clés de l’activité physique.
A/ Quels sont les facteurs qui déplacent la courbe vers la droite(Rouge) et diminuent l’affinité ?
Voilà un mécanisme physiologique complexe, l’effet Bohr (Christian) qui était le père de Niels Bohr, le grand physicien des quantas. Cet effet sous-entend moins d’affinité donc de liaison entre l’oxygène et l ‘hémoglobine mais pourtant plus de transport vers les muscles et tissus.
Lors d’une activité physique les poumons et la partie cérébrale du corps ne sont plus la priorité, au contraire des muscles qui le deviennent. Il faut comprendre que si l’affinité était plus grande les poumons n’auraient plus de réserve pour alimenter les autres parties du corps d’une part et l’effet morbide de l’oxydation sur les muscles et les tissus serait encore plus grande. Il ne faut donc pas que toute l’hémoglobine se lie à l’O² pour garder un certain équilibre.
Explications :
a/Dioxyde de Carbone (CO²) et désoxyhémoglobine(H+Hb –> Ion Hydrogène Hémoglobine ) (Cliquez sur le lien pour avoir accès au dictionnaire d’académie de médecine 2020 que j’ai trouvé pour vous).
Moins d’affinité mais plus de transport et donc plus de libération d’oxygène aux muscles et aux tissus pour la respiration cellulaire, pendant l’effort physique. En conséquence les muscles rejettent plus de dioxyde de carbone qui va se transformer par réaction chimique en bicarbonate (HCO3-) et en ion H+ (déshydratation).
Pour favoriser encore plus la libération d’oxygène, l’hémoglobine va se dissocier de l’oxygène et se transformer en désoxyhémoglobine (Formule H+Hb) par liaison avec les ions H+. (On parle de protonation car l’atome H+ n’est plus qu’un proton n’ayant qu’un seul électron qui a migré…)
Equation chimique de la réaction : (Veuillez cliquer sur le lien des équations chimiques pour comprendre la notation, j’en ferai de plus en plus avec vous)
C’est là qu’intervient dans une plus grande proportion (2,3 DPG) le diphoshoglycérate (les chiffres 2 et 3 sont une notation qui indiquent la position des atomes de phosphore sur les atomes de carbone n°2 et n°3).
D’ou provient-il ? C’est à l’origine un sous produit ou un dérivé indirect de la glycolyse, en fait il est formé à partir d’une enzyme DPG mutase et de (1,3 DPG).
Il se lie avec une plus grande affinité à l’hémoglobine désoxygénée (par exemple, lorsque le globule rouge est proche d’un tissu respiratoire) qu’à l’hémoglobine oxygénée (par exemple, dans les poumons) en raison de différences respectives de structures moléculaires : (d’une taille estimée à environ 9 Å) s’insère dans la conformation de l’hémoglobine désoxygénée (avec une poche de 11 Å), mais moins bien dans la conformation oxygénée (5 Å).
Rappel du Angstrom : 10^-10 donc plus petit que le nanopar rapport au système métriqued’unedécimale
Formule moléculaire, origine et transformation du DPG :
La voie glycolytique normale génère du 1,3-BPG, qui peut être déphosphorylé par la phosphoglycérate kinase (PGK), générant ainsi de l’ATP, ou être dérivé vers la voie de Luebering-Rapoport , où le diphosphoglycérate mutase catalyse le transfert d’un groupe phosphoryle de C1 à C2 du 1,3-BPG, donnant ainsi du 2,3-BPG. Le 2,3-BPG, l’organophosphate le plus concentré dans l’érythrocyte, forme du 3-PG par l’action de la bisphosphoglycérate phosphatase . La concentration de 2,3-BPG varie proportionnellement à la concentration en [H+].
Formule moléculaire wikipedia américain
Liaison OH apparente, carbones non notés.
Formule moléculaire wikipédia française
Oxygène avec un état d’oxydation -1 par l’Hydrogène caché(moins pédagogique)voir électronégativité et mon article sur les états d’oxydation mais représentation de CRAM en arrière du plan pour un groupe phosphate. Carbones non notés.
Il interagit avec les sous-unités de l’hémoglobine désoxygénée et diminue l’affinité pour l’oxygène, touten favorisant de manière allostérique la libération des molécules d’oxygène restantes liées à l’hémoglobine oxygénée.
Par conséquent, il améliore la capacité des globules rouges à libérer de l’oxygène à proximité des tissus qui en ont le plus besoin.
Comme il réduit l’affinité il stabilise l’état de Tension tout en diminuant l’état de Relaxation.
c/Potentiel Hydrogène du sang (pH) et acide lactique
Le potentiel hydrogène va diminuer et donc s’acidifier une première fois du aux premiers déchets de dioxyde de carbone, de bicarbonate et d’ions H+ (déshydratation). Par la suite
Si les cellules musculaires ne reçoivent pas suffisamment d’oxygène pour la respiration cellulaire, elles ont recours à la fermentation lactique , qui libère de l’acide lactique comme sous-produit. Cela augmente l’acidité du sang bien plus que le CO₂ seul , ce qui reflète le besoin encore plus important des cellules en oxygène.
En effet, en conditions anaérobies, les muscles produisent de l’acide lactique si rapidement que le pH du sang qui les traverse chute à environ 7,2, ce qui entraîne une libération d’environ 10 % d’oxygène supplémentaire par l’hémoglobine.
Le pH normal du sang artériel se situe entre 7,35 et 7,45 (légèrement alcalin). Pour le sang veineux, il est un peu plus bas, autour de 7,31 à 7,41.
Acidémie : pH < 7,35
Alcalémie : pH > 7,45
Ces valeurs sont maintenues par les systèmes tampons (bicarbonates, protéines), la ventilation et les reins.
Pendant l’effort physique : L’affinité diminue pour garder en réserve une part d’ hémoglobine. Elle est utile pour que les poumons puisse en stocker afin d’alimenter les autres parties du corps. L’oxyhémoglobine(HbO²) est transportée en abondance vers les tissus qui le nécessitent en fonction de leurs mouvements (rôle de communication joué par les nerfs du corps et le système nerveux). Ces muscles rejettent du dioxyde de carbone qui va se transformer avec l’eau en bicarbonate, et en ions H+ par déshydratation. (voir équation bilan plus haut)
Dans une deuxième phase l’effet Bohr va favoriser la dissociation de l’hémoglobine avec l’oxygène pour en libérer encore plus aux muscles. Intervient alors soit le diphosphate glycérate 1,3 qui se transforme directement en adénosine triphosphate(ATP) par une kinase (enzyme en mouvement) pour favoriser la respiration cellulaire des muscles.
Ou bien celui-ci se transforme en diphosphate glycerate 2,3 qui va se lier de manière préférentielle de part sa structure et sa taille atomique à la désoxyhémoglobine(HHb) et à l’hémoglobine restante afin de fournir encore plus d’oxygène. (oxyhémoglobine) (HbO²).
Enfin il faut souligner la baisse du potentiel hydrogène qui tendra vers l’acidité de par l’accumulation du dioxyde de carbone dans un premier temps, puis par fermentation lactique qui libère encore plus d’acide. On comprend mieux alors le besoin de s’hydrater constamment pour les sportifs afin de rééquilibrer le pH sanguin et d’éviter les crampes causées par l’acide lactique.
Conséquences sur le corps : Affinité diminué, Hypoxie, Anémie, Hypoxémie, Fièvre, Cyanose, pH acide, crampes.
B/ Quels sont les facteurs qui déplacent la courbe vers la gauche(Vert) et augmentent l’affinité ?
Voilà encore un mécanisme complémentaire de l’effet Bohr. L’effet Haldane permet à l’hémoglobine désoxygénée donc Hhb après l’effort physique de se lier avec les ions H+ et le CO2 notamment dans les tissus.
Une fois envoyé dans les poumons cela va favoriser la libération de CO² et par incidence leur élimination. Ainsi l’air inspiré de nouveau se liera plus facilement à l’hémoglobine et aura une meilleur affinité.
Conséquences sur le corps : Alcalose, Hyperventilation, adaptation à la pression de l’oxygène en altitude.
John Haldane 1860-1936
4/Mesures
Une valeur de SaO2 (saturation artérielle en oxygène, déterminée par une analyse des gaz du sang artériel inférieure à 90 % indique une hypoxémie qui peut également être causée par une anémie ). Une hypoxémie due à une faible SaO2 est indiquée par une cyanose . La saturation en oxygène peut être mesurée dans différents tissus.
La saturation veineuse en oxygène (SvO₂ ) est le pourcentage d’hémoglobine oxygénée retournant vers le côté droit du cœur. Elle peut être mesurée pour vérifier si l’apport d’oxygène répond aux besoins des tissus. La SvO₂ varie généralement entre 60 % et 80 %.
Une valeur inférieure indique un manque d’oxygène et l’apparition de maladies ischémiques. Cette mesure est souvent utilisée lors d’un traitement par circulation extracorporelle et peut donner à la personne qui pratique une perfusion une idée du débit sanguin nécessaire au maintien de la santé du patient.
La saturation des tissus en oxygène(StO₂ ) peut être mesurée par spectroscopie proche infrarouge .
Bien que ces mesures soient encore largement débattues, elles donnent une idée de l’oxygénation des tissus dans diverses conditions.
La saturation périphérique en oxygène (SpO² ) est généralement mesurée au bout du doigt à l’aide d’un oxymètre de pouls.
5/Limites et Nuances
La saturation ne reflète pas directement le Contenuen oxygène (CaO₂), qui dépend aussi de la concentration d’Hb. Une anémie sévère peut exister avec SaO₂ normale mais un transport total réduit.
B/ L’extraction tissulaire c’est à dire la part de l’oxygène diffusé aux tissus dépend aussi du débit sanguin et de la diffusion (loi de Fick), pas seulement de l’affinité.
C/Les courbes se réfèrent à HbA (Hémoglobine A, Adulte) en conditions standard.
Les pathologies (HbS, pour hémoglobine Sickle Cell), thalassémies) qui sont des maladies génétiques qui modifient parfois la forme et la position.
6/L’oxymètre périphérique (pulsation)
L’oxymétrie (mesure de l’oxygène) périphérique (SpO2) est un examen non invasif d’oxymétrie permettant de quantifier la saturation en oxygène de l’hémoglobine au niveau des capillaires sanguins.
Les deux variables biométriques(mesurer les caractéristiques vitales) sont la SpO2 et la fréquence cardiaque. La SpO2 et la fréquence cardiaque sont considérées comme des paramètres vitaux en médecine clinique.
La SpO2, saturation périphérique en oxygène, est très proche de la SaO2, saturation artérielle en oxygène.
Fonctionnement
L’oxymètre périphérique est placé au niveau de la phalange distale car c’est un endroit fin. Un vernis à ongles peut fausser la mesure car c’est une technique d’absorbance de la lumière du sang, on dit parfois qu’elle est colorimétrique. (mesure la couleur)
Fonctionne d’abord avec un émetteur de lumière dans deux longueurs d’onde : celles de l’infrarouge et celles dans le proche infrarouge ainsi qu’un capteur d’électrons qui excitent des photons captées à leur tour :
1/ La part transmise par les os, tissus, veines SpO²
2/La pulsation lumineuse mesure également la variation du flux sanguin systolique et permet de mesurer la fréquence cardiaque notée FC.
1/ Pour calculer les électrons de valence c’est à dire les électrons sur la dernière couche, on se base toujours sur le gaz noble antérieur dans le tableau périodique.
2/ Par contre pour calculer les ions monoatomiques on se base sur le gaz noble dit méta-stable le plus proche.
3/ Pour les métaux en transition on peut se baser sur le tableau périodique quantique et sur la fonction orbitale ce qui n’est pas possible sur le tableau périodique classique. On doit aussi remplir le tableau, l’élément selon la méthode de Kuchlowski pour déterminer la configuration électronique complète du métal en transition. Voir mon article sur le tableau périodique quantique
Antoine de Lavoisier a inventé le terme d’oxydation pour décrire l’effet des atomes d’oxygène sur l’atome central d’un composé tel qu’un oxyde, un hydrate, un acide, ou bien un composé ionique ou covalent.
Antoine de Lavoisier 1743-1790
Ne représente pas la charge ionique mais permet de faire des prédictions d’un composé.
On calcule les états d’oxydation de chaque atome dans une molécule par une échelle d’électronégativité. Comme je l’ai déjà expliqué dans le tableau périodique quantique l’électronégativité est la force attractive de l’atome sur ses électrons lors de la liaison chimique avec une autre espèce.
Chaque atome à une électronégativité déjà calculée en chimie, il s’agit de l’échelle de Pauling :
voici un tableau périodique de l’électronégativité. Concrètement à partir d’une structure de Lewis, on va pouvoir replier les liaisons atomiques de deux espèces en fonction de l’atome qui a l’électronégativité la plus forte :
Linus Pauling 1940-1970
Cet article wikipedia résumé en anglais est bien fait : Etat d’oxydation
Il a été travaillé spécialement pour cet article.
Pour chaque atome il faut toujours se reporter à l’échelle de Pauling pour comprendre son OS. Cela va vous demander beaucoup d’attention et de pratique pour vérifier les états de l’oxydation marqués en rouge dans l’article mais c’est un bon exercice.
Règles de base pour comprendre :
L’hydrogène perd un électron quand l’oxygène en gagne deux. Les états sont calculés par un nombre propre appelé OS état d’oxydation. Les transferts ou non transferts d’électrons sont marqués par un trait supplémentaire en rouge. (Parfois on replie la liaison) (Parfois on ne la compte pas, exemple O-O) Connaitre le nombre d’électrons sur la couche externe est important. La plupart du temps la molécule est neutre, l’oxydation s’équilibre pour un composé.
L’oxydation pour notre corps
Passons à la suite, en général le suffixe -ate désigne les composés ont plus de 2 atomes d’oxygène.
Exemple prenez une bouteille d’Evian :
vous allez trouver des sulfates, des nitrates, et des bicarbonates de formules respectives : NO3-, SO4²- et HCO3-. Dans le cas présent ces composés sont des anions dont les atomes centraux sont oxydés, ils ont charge négative. Heureusement vous avez des minéraux tels que le Magnésium et le Sodium cations qui viennent équilibrer dans la bouteille.
La règle générale dans la nature du corps humain veut que plus l’on respire, plus un composé est soumis à l’oxygène plus il vieillit, il s’oxyde.
Pour résumer : La réduction est l’inverse de l’oxydation. Lorsque qu’un atome perd des électrons il s’oxyde car les protons de charge positive ou + prennent le dessus en nombre. Quand un atome gagne des électrons il se réduit car la charge négative prend le dessus.
Dans l’appareil cérébral humain la charge négative correspond à l’état de repos alors que la charge positive correspond à l’influx nerveux libéré donc à un potentiel positif et à un état de réflexion.
Que se passe-t-il lorsque vous mangez, imaginons que vous mangiez un aliment qui contient des glucides, ou plus précisément du glucose (carbohydrates) qui est essentiel pour la vie des métabolites telles que nos mitochondries qui sont l’usine énergétique de nos cellules neuronales.
La glycolyse a lieu ce qui entraine tout d’abord un léger effet d’oxydoréduction calorique(chaleur), le sucre est ingéré digéré par le glycogène et l’action de l’acide pyruvique puis redistribué par le foie ainsi se produit une phosphorylation oxydative c’est à dire que par le mécanisme que j’ai déjà expliqué dans mon article sur l’influx nerveux : l’adénosine diphosphate va se transformer and adénosine triphosphate ce qui correspond au phénomène de respiration cellulaire.
Il va y avoir une différence de concentration ioniques entre les ions sodium et potassium de part et d’autre de la membrane cytoplasmique ce qui va libérer un potentiel électrique par la mise sous tension de l’enzyme d’ATP Synthase qui est un biocatalyseur de nature protéique. Après perméabilisation de la membrane cela va declencher la valeur seuil, puis va générer votre influx nerveux.
Nos mitochondries vont rejeter ce qu’on appelle des Dérivés Réactifs de l’Oxygène, dont font partie les radicaux libres.
Si ces Dérivés réactifs (peroxyde, ions oxygénés) sont importants dans le système immunitaire pour lutter contre des agents pathogènes ils peuvent être très nocifs en particulier les radicaux libres de par leur nature électronique (couche de valence non appareillé correctement).
Il faut à tout prix éviter une réaction en chaîne c’est à dire qu’un électron qui s’est libéré crée un autre radical et ainsi de suite et forme des bi ou tri radicaux. c’est la principal cause du vieillissement cellulaire.
Pour lutter contre ce vieillissement cellulaire, vous pouvez prendre des anti-oxydants tels que des vitamines ou des oligo-éléments, des polyphénols mais il existe aussi des enzymes spéciales telles que le superoxyde dismutase, ou le glutathion peroxydase qui peuvent empêcher les cellules de muter.
Il y’a d’autres enzymes génétiques cette fois qui permettent de lutter contre le vieillissement et j’en parlerai dans un prochain article sur les différents Acide Ribonucléiques, dits ARN il s’agit de la Télomérase.
Voici un article qui me tient à cœur car aujourd’hui je veux sauver les personnes qui se font empoisonner parce qu’elles partagent des connaissances en toute liberté. En effet, je me dirige vers des études de médecine après avoir étudié l’appareil cérébral dans l’homme neuronal que je vous conseille de lire dans son contenu intégral car j’ai occulté volontairement les parties les plus intéressantes.
Samedi j’ai fais des analyses et j’ai étudié mes résultats ce matin.
Dans un premier temps il faut parler des entreprises qui fabriquent ces automates par lesquelles elles réalisent ces calculs et mesures.
Dans le cas de mon labo et au niveau hématologique c’est à dire ce qui correspond à l’étude du sang c’est Sysmex.
1/ Hematies en Tera /L ou millions de mm³
La première donnée qui nous concerne sont les Hématies, ce sont l’ensemble des globules rouges du sang aussi appelés Erythrocytes mesuré en Tera / L.
Dans un premier temps je n’avais pas fait la correspondance avec la numération globulaire car ce n’était pas la même unité sur l’encyclopédie en ligne.
En effet la numération globulaire dans les calculs est notée en millions de mm³.
J’ai du faire une équivalence entre le Tera qui est égal 10^12, le Litre égal à 1 dm³ avec les millions de mm^3
Au cube, puisque c’est 3 dimensions on multiplie par 10³ pour chaque saut d’unité donc 1dm³ = 1000 cm³= 1 000000 mm³
Passage de Tera au million : soit 10^12 à 10^6 donc ordre de 10^-6
Pour 10^12= 10^6 = Millions
En toute logique 4,75 Tera / dm³ = 4,75 Millions par mm³
L’égalité est respecté on a une valeur plus petite d’un ordre 10^-6 dans un volume plus petit 10^-6.
Mais alors quelles sont les techniques pour étudier cette numération ?
1.1/ l’impédance et la focalisation hydrodynamique :
Les analyseurs utilisent l’impédancecombinée à la technique de focalisation hydrodynamique pour la numération des globules rouges et des plaquettes.
L’impédanceà volume fixe calibré permet de compter les cellules à travers un micro-orifice de comptage.
Cet orifice de comptage est composé de 2 électrodes traversées par un courant continu afin d’obtenir des impulsions électriques proportionnelles au volume des cellules sanguines qui le traverse.
Ces données électriques sont converties en histogrammes, représentant la distribution du volume.
La focalisation hydrodynamique en amont et en aval de la zone de mesure garantit une injection du liquide de gainage permettant l’unicité des passages, le parfait centrage des cellules ainsi que l’absence de déformation cellulaire (respect de la forme telle que « in vivo »).
Sur cette image partez du bas vers la gauche, vous voyez les globules rouges amassés et par la suite au niveau de l’anneau central (micro-orifice de comptage) être décomptés un à un, au niveau duquel les deux flèches qui se rencontrent indiquent l’endroit ou les électrodes sont placées.
Tout autour du tube dans lequel sont présent les hématies vous avez un fluide qui sert à focaliser c’est à dire diriger à la fois les hématies et garantir l’injection d’un liquide de gainage, ce liquide de gainage(pour envelopper ou protéger), permet l’unicité (1 à 1) des passages donc l’énumération ou le décompte (Niveau central)
2/Hémoglobine (en g/dL) 1 décilitre est égal à 100 cm^3.
Vous voyez le groupe hème au centre qui contient un atome de Fer
L’Hémoglobine est une protéine de la famille des globine, c’est une métalloprotéine car elle contient du fer (hème) et c’est une protéine du sang qui permet de transporter l’oxygène par l’appareil respiratoire jusqu’aux tissus musculaires du corps pour la respiration cellulaireaérobie (lié à l’oxygène).
Quelle est la technique utilisée ?
2.1/La spectrophotométrie ou mesure du spectre par la lumière
La méthode recommandée par le comité international de standardisation de l’hématologie l’ICSH pour mesurer la concentration d’hémoglobine est la méthode de la cyanméthémoglobine. (j’ai crée deux hyperliens pour ce mot)
Le procédé de détection de l’hémoglobine utilise du laurylsulfate de sodium (LSS), un réactif sans cyanure.
Il lyse (les dissocie) les globules rouges et les globules blancs de l’échantillon.
Les groupes hydrophiles Laurylsulfate de sodium peuvent désormais se lier à l’hème(contenant un atome de fer) et former un complexe coloré stable (LSS-HGB pour Hémoglobine)) qui est analysé à l’aide d’une méthode photométrique.
Une Diode Électroluminescente émet une lumière monochromatique, qui est absorbée par les complexes LSS-HGB du mélange.
L’absorbance est mesurée par un capteur photosensible et est inversement proportionnelle à la concentration en hémoglobine de l’échantillon.
Les méthodes photométriques d’absorption sont généralement influencées par la turbidité de l’échantillon (lipémie ou leucocytose).
La méthode LSS-HGB permet de minimiser ces interférences grâce à une dilution au 1/747e.
La méthémoglobine (metHb) est une forme de l’hémoglobine dans laquelle le cation de fer de l’hème est à l’état d’oxydation +3 (ferrique), et non à l’état d’oxydation +2 (ferreux) qui est celui de l’hémoglobine. Elle a une forme bleu-brun. L’action du Lauryl sulfate de sodium transforme l’hémoglobine en méthémoglobine par catalyse des hématies (destruction de leur membrane). Voilà pourquoi vous aurez un article sur les états d’oxydation prochainement.
3.Taux d’hématocrite en %
Le taux d’hématocrite représente le volume occupé par les globules rouges par rapport au volume total dans le sang exprimé en %.
Le taux d’hématocrite représente à peu près 45 % du volume sanguin.
Ce taux est obtenu par centrifugation ce qui permet de séparer les globules rouges des globulesblancs du plasma.
Calcul des trois constantes globulaires (attention le terme constante est utilisé à tort)
Le volume globulaire moyenmesure la taille du globule rouge et permet de caractériser le type d’anémie à savoir si il s’agit d’une macrocytose (gros globules) ou d’une microcytose (petits globule) La macrocytose est une anémie du au tabac ou à l’alcool. Une microcytose liée à un manque de fer par exemple.
Le volume globulaire moyen se calcule par le taux d’hématocrite(3) divisé par le nombre d’hématies(1). Cliquez sur le lien pour voir les petits ajustements au niveau du calcul.
Mais on peut aussi utiliser la technique suivante :
Quelle est la technique utilisée pour calculer le volume globulaire moyen ?
4.1/La fluoro-cytométrie en flux ou mesure de la cellule par un flux de lumière fluoré
Avec la cytométrie en flux, est examiné les cellules et les particules qui passent par un orifice de comptage très étroit.
Dans un premier temps, un échantillon de sang est aspiré et proportionné, puis dilué pour atteindre une teneur prédéfinie et marqué à l’aide d’un fluorochromequi se lie spécifiquement aux acides nucléiques.
L’échantillon est ensuite transporté dans la chambre de mesure. L’échantillon est illuminé par le faisceau d’un laser semi-conducteur, capable de séparer des cellules au moyen de trois signaux différents :
dispersion frontale de la lumière (FSC : « forward scatter »)
dispersion latérale de la lumière (SSC : « side scatter »)
fluorescence latérale de la lumière (SFL : « side fluorescence light »).
L’intensité de la diffusion frontale indique le volume de la cellule ; la diffusion latérale fournit des informations sur le contenu de la cellule, telles que la taille du noyau ou les granulations. La fluorescence latérale indique la quantité d’ADN et d’ARN que contient la cellule.
Les cellules ayant des propriétés physiques et chimiques similaires forment une population similaire sur un graphique appelé diagramme de dispersion (scattergram).
Moyenne de la concentration massique dans un certain volume de globules rouges. Cette moyenne permet de considérer une anémie hypochrome. Mais rien ne remplace l’examen de la cellule au microscope électronique sur une lamelle afin de voir la couleur de la cellule.
Se calcule en divisant l’Hémoglobine(2) par le taux d’Hématocrite.(3)
Cliquez sur le lien pour les ajustements au niveau des calculs
7.Leucocytes
Leukos vient du grec qui veut dire blanc, ces cellules sont spécialisés dans la défense de l’organisme face aux agents pathogènes. Ils font parti de ce qu’on appelle le système immunitaire.
7.1 Polynucléaires neutrophiles en giga/L (occupent 63% du volume sanguin)
On les appelle polynucléaires à tort, ils n’ont pas plusieurs noyaux, mais celui-ci se divise en 3 lobes.
On les appelle neutrophiles car ils sont marqués grâce à un colorant neutre (voir Potentiel Hydrogène → pH). Le potentiel hydrogène, noté pH, est une mesure de l’activité chimique des protons ou ions hydrogène en solution.
Il peut être acide, basique, ou neutre.
Ces globules blancs sont constitués de fines granulations dans le cytoplasme (membrane plasmique de la cellule)
Ce sont des myéloblastes, ils sont issus de la moelle osseuse.
Leur rôle est de s’attaquer à tous les micro-organismes (10⁻6), bactéries, levures, (champignons).
Ils sont attirés vers ces bactéries par chimiotactisme et traversent ainsi les vaisseaux sanguins par diapédèsepour gagner les tissus.
Ils sont attirés également par une fraction de protéines qu’on appelle lesystème du complément. (Système enzymatique participant à la destruction des antigènes)
Ils ont une capacité à un ingérer des particules étrangères (bactéricide) par phagocytose grâces à leurs granules.
Enfin, ces granules exècrent des substances qui participent à la réaction inflammatoire des tissus ce qui leur permet de recruter d’autres cellules immunitaires et d’autre part de détruire les pathogènes mais qui peut être nocif pour le corps si l’inflammation est trop forte (neurones nociceptifs).
Enzymes contenues dans les granules
Les neutrophiles possèdent trois types de granules qui libèrent leur contenu par dégranulation :
a. Granules primaires (azurophiles)
Myélopéroxydase (MPO) : produit de l’acide hypochloreux (HOCl), très bactéricide.
Élastase : dégrade les parois bactériennes et les tissus (protéase).
Cathepsine G : enzyme antimicrobienne.
Protéine liant la vitamine B12 : inhibe la croissance bactérienne.
b. Granules secondaires (spécifiques)
Lactoferrine : capte le fer, limitant sa disponibilité pour les bactéries.
Lysozyme : détruit les parois bactériennes.
Collagénase : intervient dans la dégradation des tissus.
c. Granules tertiaires
Gélatinase : dégrade la matrice extracellulaire (migration facilitée).
Métalloprotéinases : participent à la migration et au remodelage tissulaire.
7.2 Polynucléaires éosinophiles (en gigal/L) 3 ,5 %du sang humain
Ils sont marqués par un colorant acide rouge, l’éosine.
Noyau à deux lobes
Anti-parasitaire
Anti-allergique
Bon pour les tissus (évite les endocardites, les lésions articulaires, nerveuses, vasculaires)
Ils agissent par phagocytose mais pas anti-bactérienne
7.3 Polynucléaire basophiles (giga /L) 0,7 %
Contient de l’héparine une molécule anticoagulante.
Contrairement à ce qu’on pourrait penser, on l’appelle héparine parce qu’on l’a découverte dans le foie d’un chien mais ce n’est pas le foie qui en contient le plus.
Un excès de ces globules blancs est un mauvais signe, en effet une basocytose sont souvent signe de cancers liés au sang, à la moelle osseuse et des hyperlipidémies.
Un petit conseil au passage essayez de vous renseigner sur la fonction amine, elle est ultra présente dans la chimie du vivant et de la nature : Dopamine, Histamine, Transaminases, Acide aminés, Vitamines etc…
Amine (lien Wikipédia, on trouve trois types d’amines)
7.4 Lymphocytes (24,2% du sang)
7.4.1/ Lymphocytes B ou Bone Marrow (Moelle osseuse en anglais)
Comme leur nom l’indique ils se développent dans la moelle osseuse
Portent des immunoglobulines spécifiques (récepteurs d’antigène).
Ces mêmes immunoglobulines vont produire des anticorps en réaction à son antigène complémentaire.
Ils se transforment en plasmocytesc’est à dire qu’ils produisent des anticorps directement dans le plasma sanguin et se divisent en clone par division cellulaire de la cellule mère.
Se développent dans la moelle osseuse puis le thymus
Comme les Lymphocytes B les lymphocytes T possèdent des molécules de membrane – récepteurs d’antigènes mais qui doit leur être présenté par une cellule macrophage tel qu’un monocyte ou un autre lymphocyte B. Le macrophage va dégrader l’antigène en les associant à des molécules dites de présentation : les molécules du complexe majeur d’histocompatibilité (C.M.H) C’est ce qui définit la compatibilité pour les greffes.
7.4.3/ Les Lymphocytes T CD4 (Classe de différenciation 4)
Les Lymphocytes T dits helper sont des lymphocytes spécialisés dans la fabrication de cytokines et interleukines, ce sont des cellules spécialisées dans la communication avec d’autres, elles jouent le rôle de médiateur.
7.4.4/ Les Lymphocytes T CD8 (Classe de différenciation 8)
Ces lymphocytes sont dites cytotoxiques, elles ciblent les cellules responsables de cancers et de cellules infectées par des virus, ils jouent un rôle de suppresseur, ils contrôlent la réponse immunitaire
7.4.5/ Les Lymphocytes NK (Tueurs Naturelles)
Ces cellules sont spécialisés dans la réponse immunitaire cytotoxique et par l’intermédiaire des interleukines forment des cellules tueuses activés par lymphokines, on utilise ces cellules dans l’utilisation de certains cancers.
Exploration
Afin de déterminer chaque type de lymphocytes dans le sang on effectue une numération formule sanguine classique mais pour quantifier chaque classe de différenciation par contre on va avoir recours à des molécules membranaires qui réagissent à des techniques d’immunofluorescence. Il existent aussi des études plus complexes qui permettent de déterminer leur réaction face à des signaux d’activation.
Pathologie
Le nombre de lymphocytes dans le sang permet de déterminer si le patient souffre de pathologies, il existe divers maladies liées à un dysfonctionnement des lymphocytes comme les maladies auto-immunes (sclérose en plaques, diabète insulino-dépendant) ou allergiques.
8/ Les Monocytes (8,5%)
Ils sont issus de la moelle osseuse et ce sont la plus grosse cellule sanguine. Leur cytoplasme étendu est bleu clair ou gris. Ils séjournent dans le sang avant de traverser les tissus.
Il intervient dans l’élimination de bactéries, c’est un macrophage qui élimine les hématies âgées. En tant que macrophage il participe à la réponse immunitaire et aide le travail des lymphocytes T pour dégrader l’antigène.
Il transforme les particules étrangères en peptides antigéniques.
9 / Plaquettes ou Thrombocytes
Les plaquettes sont les principaux agents de coagulation du système sanguin.
Dépourvues de noyaux
Provient des mégacaryocytes grandes cellules de la moelle osseuse.
Elles mesurent entre 2 et 4 micromètre et leur longévité dure 7 jours.
Il y’a maintenant plusieurs années je m’étais intéressé à la réplication de l’ADN et à son fonctionnement, je voulais vous synthétiser dans un petit article comment fonctionne cette double hélice essentielle au plus profond des cellules de notre corps.
Dans les bras de nos chromosomes, les télomères se trouvent nos gènes dans lesquels se trouve une structure à double hélice, j’ai nommé l’acide désoxyribonucléique.
Cherchons dans un premier temps un peu à analyser la structure orthographique de ce mot : désoxy peut faire penser à l’atome d’oxygène en moins, ribo peut faire penser au ribosome mais surtout à la ribose ou encore ribose.
Nucl, veut dire le noyau.
Cet acide est composé de quatre bases : l’adénine, la guanine, la thymine et la cytosine.
Etudiez les bases nucléiques, c’est fondamental pour comprendre l’ADN, il existe deux types de bases, les bases puriques et les bases pyrimidiques, la grande différence entre les bases est le nombre de liaisons dans l’espace, une base pyrimidique forme 1 à 6 liaisons atomiques dans l’espace, une base purique en forme 1 à 9.
Alors comment ça marche ?
L’Acide a la forme d’une double hélice.
Voici le schéma que j’ai amélioré pour vous aider à comprendre, une petite explication s’impose. 5 et 3 sont les deux chiffres magiques qui vont déterminer le sens de lecture et le sens de synthèse.
La synthèse du brin de réplication(brun synthétisé) se base sur la lecture du brin inverse (brun matrice) dans le sens des extrémités 3 à 5, du 3ème atome de carbone qui forme le sucre ribose jusqu’au 5ème jusqu’à la liaison avec le phosphate.
Petit aparté, le phosphate est un ion phosphore oxydé par 4 atome d’oxygène et tous les composés qui se terminent par ate subissent l’effet de l’oxydation.
J’ai amélioré un graphique en deux dimensions ce qui n’est pas tout à fait convenable pour expliquer la structure en double hélice mais cette amorce va vous aider à comprendre le principe. J’ai numéroté tous les atomes de carbone pour vous aider à comprendre le sens de réplication.
Donc pour reprendre on veut synthétiser le brun gauche qui commence par la base Adénine (en vert) on sait que l’extrémité est 5, de l’autre côté le brun inverse de par la structure en double hélice, l’extrémité est 3 en haut donc le brun gauche va commencer par lire l’information (phase 1) puis la synthèse commence (phase 2).
(phase 3) Par la suite on lit le brun gauche en partant du bas dans le sens 3 à 5 à nouveau
( brun matrice) pour synthétiser le brun droit dans le sens 5 vers 3 (phase4)
L’ADN Ligase (lien catalyseur) est une enzyme qui va permettre aux bases respectives de se lier et de former l’acide.
Alors c’est bien gentil mais comment ca peut marcher aussi bien, il faut bien un début et une fin pour lire l’information et synthétiser ? Et bien vous avez raison L’ADN Polymerase qui est l’enzyme qui amorce la réplication va avoir besoin des fragments d’Okazaki.
En effet lors de la réplication compte tenu de ce que nous avons déjà expliqué, nous ne pouvons répliquer les bruns simultanément par magie donc nous allons avoir un brun précoce qui sera répliqué et un brun tardif qui sera répliqué de manière discontinue grâce aux fragments brun bleu du bas.
Lors de mon précédent article sur le tableau périodique de la physique classique que je vous avais présenté, je vous avais dit que je souhaitais approfondir mes recherches sur ce monument de science réalisé par Mendeleïevet bien aujourd’hui, nous allons attaquer la version quantifiée (de la physique des quantas).
Accrochez-vous parce que ce n’est pas si intuitif et il y’a des termes à approfondir dans un premier temps, en voici une liste.
Je vous ai préparé un tableau qui essaie de représenter ces concepts plus visuellement que ce que l’on trouve sur Wikipédia.
Ce qu’on remarque en premier lieu comparé au tableau de physique classique c’est que nous avons deux fois moins de cases. Les éléments ne sont plus représentés mais laissent place à des couches et des sous-couches électroniques.
Essayez de zoomer ou de télécharger mon tableau pour le comprendre.
Nous n’avons donc plus 118 éléments mais une correspondance entre orbitales, couches, sous-couches et blocs définies par 59 cases : une case est une sous-couche, une couche est une ligne ou période.
Les couches sont représentées par le nombre quantique N qu’on peut aussi appeler période ; pour essayer de réconcilier le tableau de la physique classique et le tableau de la physique quantique. C’est ce que j’ai essayé de faire dans ce tableau.
Le nombre quantique N représente l’énergie de l’électron en fonction de sa place sur l’orbital, le nombre quantique L représente le moment angulaire de l’électron c’est à dire sa position sur l’orbital.
D’autre part les blocs (en bas sur mon tableau) sont représentés par le nombre quantique secondaire L dit azimutal : 0 ≤ ℓ ≤ n – 1. Cela vient du terme en astronomie azimut.
Révisons un petit peu le tableau périodique classique :
Tableau périodique classique :
Tableau périodique quantique :
Comme je l’ai déjà écrit nous n’avons donc plus 118 éléments mais une correspondance entre orbitales, couches, sous-couches et blocs définies par 59 cases.
N est le nombre quantique qui représente le nombre de couches électroniques de l’atome, la période c dite classique reprend les couches du tableau périodique classique.
A gauche vous avez le nombre d’électrons total par période, blocs, orbitales, couches et sous-couches, En quantique on fonctionne toujours par pair, la première sous-couche 1S(harp) compte 2 électrons.
Prenons la deuxième couche, elle compte 4 sous-couches 2S(harp) 3 sous couches 2P(rincipal) qui totalisent 8 électrons.
Pour vous expliquer comment les électrons se répartissent parmi ces couches
On va commencer par faire un petit calcul de configuration électronique pour un élément très important en médecine pour prendre la tension cardiaque systolique et diastolique : le Mercure de symbole atomique Hg.
Si on compare les deux tableaux on a un atome de mercure en position 80 (numéro atomique= nombre de charges = nombre d’électrons) en physique classique ce qui correspond à la case 5d(iffuse ) du bloc L2(moment angulaire) pour 5 orbitales dans les métaux dits de transitions.
On sait comme en physique classique que pour calculer la configuration électronique d’un élément chimique, il faut se reporter au gaz stable rare le plus proche en dessous dans le tableau périodique, dans notre cas précis c’est le Xénon.
Le Xénon [Xe] à un numéro atomique de 54 donc nous avons deux solution pour calculer la couche électronique du Mercure Hg
1ère méthode : partir du gaz rare stable le plus proche
On part du Xénon et on va déterminer 80 électrons (mercure)-54 électrons(Xenon) = 36 il nous reste 36 électrons à placer.
Partez maintenant de la sous-couche correspondant à la place du mercure 5d(iffuse) à prendre les 3 sous-couches du Mercure en partant vers la gauche sur le tableau : 4f14+ 5d10 + 6s2 soit (14+10+2) électrons = 36.
54([Xenon])+36 = 80 (numéro atomique, nombre de charges(protons et électrons)).
Pour récapituler la configuration électronique est : [Xenon] 54 + les sous-couches 4f14+5d10+6s2
Mais alors comment repérer les électrons de valence avec cette notation ? : C’est simple ce sont les électrons associés à la couche du numéro atomique N le plus élevé car c’est la couche la plus éloignée du noyau atomique.
Dans notre exemple le Mercure a bien la couche 6s2 de nombre quantique 6 est celui qui va délimiter le nombre d’électrons sur la dernière couche N6 ou de période P = 2.
2ème méthode pour disposer la configuration électronique à partir du tableau quantique, on va utiliser la méthode de Kachlowski reportez-vous bien au tableau pour voir le nombre d’électrons associés à chaque bloc :
On va remplir d’abord la première case du tableau :
1/ D’après la méthode de Kachlowski on remplit d’abord la couche et la sous-couche 1s(harp), ce qui nous donne 2 électrons.
2/ Ensuite on remplit la sous-couche de la deuxième couche 2s(harp) ce qui nous donne encore 2 électrons.
3/ Ensuite on remplit deux sous-couches de deux couches différentes : 2p(rincipal) et 3s(harp) ce qui nous donne 8 électrons.
4/ Ensuite on remplit deux autres sous-couches de deux couches différentes : 3p(rincipal) et 4s(harp) ce qui donne encore 8 électrons.
5/ Ensuite on remplit 3 sous-couches de 3 couches différentes 3d(iffuse), 4(principal), 5s(harp) ce qui nous donne 18 électrons.
6/Ensuite on remplit 3 sous-couches de 3 couches différentes 4d(iffuse), 5(principal), 6s(harp) ce qui nous donne 18 électrons.
7/Enfin on remplir 2 sous-couches de 2 couches différentes 4f,5d. ce qui nous donne 24 électrons
Voici un autre graphique pour utiliser la méthode pour utiliser la règle de Kachlowski :
Vous avez compris ? Moi cela m’a pris un peu de temps, cela demande patience et application.
Je reviendrais plus tard compléter l’article en rapport aux orbitales, au nombre quantique magnétique noté ml et le nombre quantique magnétique de spin(rotation de l’électron).
Je vous ai mis les liens au début de l’article, a vous de les approfondir.
Ce qui m’intéresse maintenant c’est de vous détailler les propriétés chimique d’un élément en particulier le Mercure et dans ses moindres caractéristiques.
MERCURE (HG) 80
Note : Mercure est un élément physique de symbole Hg, de numéro atomique 80 (nombre de protons et d’électrons) il est communément appelé Argent rapide (Quicksilver). Mercure est l’unique élément qui est liquide à des conditions standards pour la température et la pression. Le seul autre élément qui est liquide dans ces conditions est le brome.
Il a été découvert par les égyptiens.
Spectre d’émission : le mercure émet des ondes électromagnétiques donc des ondes de lumière visibles intensément dans le bleu et aussi dans le vert.
La force de l’attraction terrestre sur l’atome en g/mol
Un petit point par rapport à la mole noté mol, c’est une unité du système international noté SI qui quantifie le nombre de molécules dans une entité et qui est basé sur la constante d’Avogadro. ( En mathématiques une constante est le contraire d’une variable )
Le point de fusion est le point auquel l’élément change de phase en passant de l’état solide à l’état liquide. Il dépend aussi de la pression mesuré en atmosphère ou kPa (kilo pascal)
Le mercure (Hg) est un élément chimique classé dans le groupe IIB du tableau périodique, ce qui correspond aujourd’hui au groupe 12 selon la numérotation moderne de l’IUPAC. (chimie appliquée) Historiquement, la notation IIB vient de l’ancienne classification périodique utilisée dans certains pays (notamment les États-Unis), où les groupes étaient divisés en A (éléments représentatifs) et B (éléments de transition).
Valence : I, II 1 ou 2 atomes seulement peuvent participer à des liaisons covalentes.
(Nombre d’électrons sur la couche externe pouvant participer à une liaison chimique)
Période : 6 (couche P dans le tableau)
Block : d-block veut dire diffuse bloc dans le tableau périodique quantique (voir le tableau périodique quantique que j’ai réalisé) En effet il est à la position 5d dans les métaux dits de transition.
L’ion mercure :
L’ion mercure est chargé deux fois Hg2+. Comme je l’avais pensé, cela est du à la perte des deux électrons de la dernière couche externe dite de valence ainsi l’avant dernière sous-couche va être dans un état méga stable avec 10 électrons remplie 5d(iffuse).
Voici un point sur lequel je vais m’arrêter longuement, on a abordé dans mes précédents articles sur le tableau périodique classique et les différentes représentations moléculaires : les liaisons covalentes ou les électrons sont échangés entre les atomes pour former une molécule tout aussi neutre grâce aux électrons de valence.
Mais ces liaisons covalentes ne sont qu’une partie de la chimie, en effet la plupart des autres composés obéissent à des liaisons électro-ioniquesou les électrons ne sont pas échangés mais transférés par électronégativité.
Voilà qui mérite un article à lui seul mais sachez que les états d’oxydation pour un atome dans un composé ionique peuvent aller de -5 à +9 en passant par 0. Ces états ne veulent pas dire que le composé est chargé électriquement ou négativement mais cela représente une valeur scalaire des atomes d’oxygène ou d’hydrogène dans un composé.
Je décrirai toutes ces règles dans un autre article mais sachez que pour le mercure d’après mon tableau périodique avancé, l’atome Hg peut avoir l’état 0, +1, +2, +4.
Je vous renvoie à la définition si vous voulez approfondir mais ce qu’il faut savoir c’est que c’est la plus petite approche d’un atome par une sphère donc potentiellement un autre atome.
Exprime la capacité du matériau à conduire les électrons. Réciproque de la résistivité.
L’unité utilisé que je ne connaissais pas est le (S/m) Siemens par mètreWerner Von Siemens est le nom d’un ancien physicien qui s’intéressait de près à la conductivité du mercure.
On comprend mieux pourquoi une marque porte son nom (Note pour moi-même, a expliquer à nos enfants pour les aider à développer leur pensée)
Le préfixe dia, veut dire à travers, cela explique pourquoi dans nos anciens sphygmomanomètres le mercure sert à mesurer la pression artérielle systolique et diastolique. Il émet un champ magnétique extérieur opposé ce qui le transforme en instrument de mesure de la pression.
Un tensiomètre électronique fonctionne de manière automatisée, principalement grâce à la méthode oscillométrique.
L’enthalpie de fusion anciennement appelée la chaleur de fusion est une fonction que je ne connaissais pas mais qui permet de regrouper en une seule équation toutes les variables thermodynamiques d’un matériau. Les trois variables sont l’énergie interne, la pression et le volume.
J’ai toujours pensé que la cristallisation était une des quatre opérations importante de la nature avec l’ionisation, la polymérisation, et la polarisation.
Les paramètres cristallins, aussi appelés paramètres de maille, sont des grandeurs utilisées pour décrire la maille d’un cristal. On distingue trois longueurs (a, b, c) et trois angles (α, β, γ) qui déterminent entièrement le parallélépipède qu’est la maille, élémentaire ou multiple.
Les paramètres a, b et c sont mesurés en Angstrom en nanomètres (nm), parfois en picomètres, et α (alpha), β (Beta) et γ (Gamma) en degrés (°).
L’Angstrom est une unité juste en dessous du nanomètre c’est à dire 10^-10m
Le mercure peut avoir deux paramètres de maille car il peut exister sous plusieurs phases cristallines, et l’une d’elles peut avoir une maille non cubique, nécessitant deux paramètres pour la décrire (ex. : a et c dans une structure hexagonale).
En thermodynamique et pour la physique des états solides, le modèle de Debye est une méthode développé par Peter Debye pour estimer la contribution du phonon (son) à la chaleur spécifique. Il permet de traiter les vibrations du réseau cristallin de l’atome comme les phonons dans une boite contrastant avec l’effet photoélectrique d’Einstein qui traite du solide comme de nombreux oscillateurs harmoniques quantiques individuels et non interactifs.
En science des matériaux, le ratio est un rapport à deux dimensions, il exprime la déformation perpendiculaire par la pression mesuré par le symbole ν (nu)) . Il est défini comme le ratio d’une augmentation de la pression infinitésimale qui a pour résultat une décroissance du volume.
En science des matériaux, le module de cisaillement ou le module de rigidité, noté G, ou parfois S ou μ, est une mesure de la raideur élastique d’un matériau et est défini comme le rapport entre la contrainte de cisaillement et la déformation de cisaillement
L’électronégativité est une quantification de la force d’attraction des atomes sur les électrons qui vont participer à la liaison chimique pour se lier à d’autres atomes.
En physique nucléaire la section efficace des neutrons est utilisé pour décrire l’interaction entre un neutron et une autre particule à noyau.
Barn : est une unité de mesure de surface plus petite que le femtomètre (unité la plus petite du système métrique classique 10^-15) donc très utile pour le calcul quantique.
Enfin pour terminer, faisons un petit exercice, cherchons à comprendre comment calculer les ions dérivés de l’atome de fer Fer.
Le Fer est un métal de transition dont le gaz rare stable le plus proche est l’argon. La configuration électronique [Ar]=18 3d6,4s2.
On ne peut pas déterminer les ions monotomiques des métaux en transition à partir du simple tableau périodique classique. Pourtant, on sait que l’atome de Fer se dérive en deux ions Fe2+ (Ferreux) et Fe3+(Ferrique). Mais alors ?
Comment fait-on pour déterminer ces ions par une simple lecture : en effet on sait que le fer à une couche de valence avec deux électrons, donc si on retire les deux électrons de valence on obtient le premier ion Ferreux Fe2+.
Il s’agit de la sous-couche 4s(harp)2 dont on va retirer les deux électrons.
Mais quid de Fe3+ ? Et bien c’est là que le tableau périodique en rajoutant une variable d’orbitale va permettre de déterminer l’ion Fe3+.
En effet on sait que la sous-couche 3d6 qui contient 6 électrons au lieu de 10 pour respecter l’équivalence atomique, l’orbitale par contre est de 5. Donc en retirant un électron de la sous-couche 3d6 cette sous-couche va se stabiliser puisque le le nombre d’électrons sera le même que l’orbital
Vous avez compris ? Enfin je remercie mon ami russe qui a réalisé ce tableau périodique pour moi que je consulte sur mon IPHONE américain. Paix pour un monde meilleur. 😊
Toute forme représentant un hexagone fermé est un cycle, par exemple le carbone lié par des liaisons covalentes comme ceci en est un.
Une molécule est une liaison d’atomes. Chaque sommet de l’hexagonereprésente un atome de carbone s’il n’y a pas d’autre dénomination symboles du tableau périodique ou composé moléculaire. (Un cadeau pour celui qui cliquera 3 fois sur les trois liens hexagone : hexagone , hexagone).
Sur ce cycle on voit un hexagone de 6 atomes de carbones en noirs liées chacun à 6 atomes d’oxygènes en périphérie.
Un rond dans un cycle permet d’aborder Cycle avec des liaisons doubles supplémentaires positionnables à n’importe quel endroit de l’espace. On parle aussi de résonance.
Sur les encyclopédies en ligne : vous trouverez beaucoup de molécules représentés sous forme d’hexagone ou de pentagone, l’hexagone est le cycle (dans lequel l’oxydation et l’entropie sont diminuées.)
Le pentagone quant à lui est le sucre, ou aussi appelé « ose » composant de la chimie organique essentiel à la nature et à l’humanité (réplication de l’ADN (ribose, désoxyribose) glycoprotéine, glycolyse, métabolise l’énergie au sein des mitochondries dans tout les corps cellulaires.
On peut noter que cela facilite la mémoire visuelle et la mémoire des formes.
La représentation de CRAM
Il existe plusieurs représentations dans le plan et son espace, certaines molécules peuvent être situées en arrière ou d’autre en avant du plan.
Un trait simple indique une liaison dans le plan.
Un trait plein en forme de triangle de la liaison entre le carbone et l’hydrogène indique une liaison entre les deux atomes légèrement en avant du plan et les triangles en pointillés indique une liaison en arrière du plan.
Cela permet de représenter les molécules dans une fausse 3D et laisse place à notre pensée visuelle.
Des représentations en 2D volumétrique et une couleur pour chaque atome en rouge sont aussi efficaces l’oxygène, en violet le nitrogène, en blanc l’hydrogène, en gris/noir pour le carbone.
La projection de Haworth
Dans le plan les traits les plus épais indiquent une position spatiale plus proche par rapport au lecteur, un trait plus fin au contraire une distance proximale plus éloignée.
La projection Haworth est un moyen simple de représenter une molécule de sucre (ose)
On remarque que c’est par l’atome d’oxygène O du composé OH que la liaison se fait.
Ou bien par l’atome de Carbone du composé CH2OH.
La projection de Fischer
Dans la projection de Fischer la place centrale est réservée au carbone, c’est le squelette ou l’armature de la représentation.
La Formule brute
Ex : C2H6O
Indispensable mais reprend pour ainsi dire les lettres des éléments du tableau périodique avec une valeur numérique qui définit le nombre d’atomes, d’anion ou de cation de chaque composé moléculaire. Il s’agit toujours de regarder la formule brute en premier lieu.
Je complète aujourd’hui cette article pour vous montrer comment deviner le nom d’une molécule à partir de sa formule brute, en effet c’est un bon exercice pour travailler votre intelligence sachez qu’il existe cinq composés différents que l’on peut déterminer : Ionique (+ ou -), covalents, oxyde, hydrate, acide sachant que des oxydes ou acides peuvent être covalents. (A compléter plus tard).
Formule développée plane : représente toutes les liaisons en détail, couteux en termes de temps et rébarbatif, à utiliser au début lorsque l’on débute en chimie.
Formule Semi-Développée :
Ne représente que certaines liaisons de composés moléculaires peut s’exprimer orthogonalement (des deux côtés) voir mon article sur l’influx nerveux.
Formule développée
Permet de représenter la formule dans l’espace, en 2 ou 3 dimensions ce qui est très pratique pour différencier les isomères. Un isomère étant comme son nom l’indique des molécules qui ont la même formule brute.
Mettre en avant des atomes liés particuliers, l’exemple de la xanthine :
Voici la formule de la Xanthine, les sommets qui ne sont pas représentés sont des atomes de carbone. A partir d’une formule brute on peut compléter cette représentation.
Vous remarquerez que les atomes d’azote du composé NH appelées en anglais Nitrogène sont mis en avant par rapport à son atome d’hydrogène pour bien montrer le nitrogène est lié 2 ou même 3 fois à chaque fois.
La structure de Lewis
La structure de Lewis permet de représenter pour chaque atome. Les électrons sur la dernière couche externe ainsi que les électrons de valence et j’en ai déjà parlé sur mon article du tableau périodique, ce sont les électrons qui participent à la liaison chimique lors de liaisons covalentes.
Malgré ses limites formelles, la représentation de Lewis est très utilisée en chimie organique pour préparer les mécanismes réactionnels.
Au niveau de l’atome :
Lewis est utilisé soit au niveau de l’atome en lui-même soit à un degré plus haut au niveau de la molécule. Commençons par l’atome, par une simple lecture du tableau périodique (voir mon article) vous pouvez savoir combien d’électrons sont sur la couche externe.
On sait qu’un atome de nitrogène a un numéro atomique de 7 donc sur ses 2 couches : K2 L5.
A partir du moment ou un atome a plus de quatre électrons sur sa couche externe on lie les électrons par deux sous forme d’un trait. (Doublet non liant). Un doublet est stable alors qu’un électron célibataire est réactif.
L’atome de soufre qu’on verra plus loin au niveau de la molécule a 6 électrons sur sa dernière couche et peut avoir 2, 4, ou 6 électrons de valence donc on peut faire 3 doublets non liants.
Nous allons voir par la suite que la structure de Lewis est très utile pour calculer les états d’oxydation domaine de la chimie inorganique sauf pour les composés cristallins(solides) que j’expliciterai dans mon article sur le tableau périodique quantique pour les propriétés du Mercure.
Au niveau de la molécule :
1/Acide Sulfurique
La formule de Lewis au niveau de la molécule a l’avantage de montrer les doublets non liants c’est à dire les électrons sur la dernière couche qui ne participent pas à la liaison chimique.
Partons de la formule brute du pour notre première molécule c’est-à-dire l’acide Sulfurique (Soufre) :
Formule brute : H2 S O4 : 2 atomes d’Hydrogène 1 atome de Souffre et 4 atomes d’Oxygène
On sait qu’un atome de souffre qui est l’atome clé de notre composant a un numéro atomique de 16 dans le tableau périodique soit un nombre de charges (nombres de protons (+) et d’électrons (-) de 16 (Je rappelle que l’atome est neutre)
Donc sur les 3 couches :
K L M (la règle du duet (2) sur la couche K s’applique sur la première couche,
La règle de l’octet (8) L sur la deuxième couche
La configuration électronique de la 3ème couche M est donc de 16-8-2 = 6
On doit donc respecter 6 liaisons pour l’atome de Soufre.
On a dû casser les doublets non liants de l’atome de souffre ce qui veut dire que cette représentation au niveau atomique et on remarque à chaque fois 2 doublets non liants soit 4 électrons pour l’oxygène.
L’Oxygène à un numéro atomique de 8 donc on a 2 électrons sur la couche K et 6 sur la couche L donc 6 électrons de valence également alors qu’il n’a que deux couches.
2/ Composé organique(Carbone)
Molécule d’Ethanol
Un atome de carbone peut avoir 2 ou 4 électrons de valence, un atome d’hydrogène a 1 électron de valence. Un atome d’oxygène en a 2 mais a 6 atomes sur sa dernière couche donc il aura deux doublets non liant.
3/ Composé ionique
Ion Positif dans la structure de Lewis.
Ici le composé moléculaire est formé de 3 atomes d’hydrogène avec un seul électron de valence sur la couche K (1) et pour l’oxygène on a 6 électrons sur la dernière couche K (2) L (6).
On voit qu’il a déjà 3 liaisons électroniques avec des atomes d’hydrogène. Un doublet non liant plein et un doublet non liant vide (ou cassé).
Ce doublet non liant vide représenté en blanc veut dire qu’un électron s’est libéré pour transformer l’atome d’oxygène en ion positif.
Enfin pour finir je vous parlerai de chimie organique et donc notamment de la chimie du carbone, d’azote aussi appelé nitrogène, de chlore et de brome. par opposition à la chimie des minéraux.
Les notations internationales chimiques
Il existe des notations qui permettent de mieux comprendre comment s’agencent les molécules sur le plan atomique.
Vous trouverez dans la version Anglaise de Wikipédia bien plus riche en termes de contenu que la version française quant à la terminologie de ces nomenclatures.
Je compléterai cet article car elles obéissent à des règles complexes qui ont notamment été établies par l’union internationale pure de chimie appliquée(IUPAC), je pense notamment à la forme structurale.
Enfin pour finir voici une petite liste des logiciels que vous pouvez utiliser sur ordinateur pour représenter des molécules :
Voici quelques solutions (gratuites pour la plupart) qui transforment automatiquement un simple nom (ou formule/IUPAC/SMILES) en modèle 3D manipulable ; elles couvrent aussi bien les molécules discrètes que les composés ioniques cristallins :
Outil
Où ?
Ce qu’il suffit de faire
Points forts / limites
MolView
Web (molview.org)
Tape le nom (« caféine », « chlorure de sodium », etc.) dans la barre de recherche ➜ le viewer charge la structure PubChem et l’affiche en 3D (bouton « 3D » ou « 2D → 3D »).
Extrêmement rapide, aucune installation, export .mol/.pdb possible. Modèles cristallins simplifiés pour les solides ioniques. MolView
PubChem 3D Viewer
Web (pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)
Recherche ton composé ➜ onglet 3D conformer ➜ visualisation interactive, téléchargement (SDF, PDB).
Base de données géante ; propose plusieurs conformères + génération d’images HD. PubChem
ChemSpider
Web (chemspider.com)
Recherche par nom ➜ clic sur « 3D » (JSmol) pour manipuler la molécule.
Avant de s’attaquer à la chimie et à la représentation des molécules, il est nécessaire de faire un point sur ce qui est le socle de l’électronique intrinsèquement lié à cette discipline, j’ai nommé le tableau périodique.
Pourquoi ? Car pour garder des molécules neutres il est nécessaire d’avoir une équivalence électronique qui va être la balance de la charge positive protonique hormis pour les anions (-) ou les cations (+)
Je vais vous présenter plusieurs tableaux différents dont deux premiers que l’on analysera en détail pour en comprendre la structure.
Il n’est pas si aisé de savoir lire le tableau périodique imaginé par Mendeleïev en 1869, car en fait il regorge d’informations ou encore d’interprétations.
Parlons de sa structure première, il hiérarchise les éléments en colonnes 18 qu’on appellera couches et en 7 lignes qu’on appellera périodes, qui sont en fait les périodes de révolutions des électrons (leur trajectoire orbitale sur la couche). Il présente 118 éléments en fonction de leur masse croissante par rapport à l’isotope(même nombre de protons mais pas de neutrons) du carbone 12.
Chaque élément présents sur la même couche ou colonne présentent un nombre d’électrons sur la dernière couche, dits électrons de valence. Certains de ces électrons vont participer à la liaison chimique quand deux atomes vont former une molécule.
L’Hélium qui n’en comporte que deux est l’exception qui confirme la règle.
Il faut distinguer électrons de valence, et la valence chimique, tous les électrons de valence ne participent pas à la liaison chimique donc parmi ces électrons on peut déterminer leur valence chimique, qui sont les électrons qui vont participer à la liaison chimique entre deux atomes au sein d’une molécule.
Je vais expliquer cela avec le dioxyde de carbone plus tard dans l’article.
Tout d’abord comment se lit une case du tableau périodique :
Le nombre atomique représente le nombre de protons, la lettre son appellation lorsque l’on lit une formule moléculaire. La masse soit quantité de matière figure en dessous ou en haut a droite dans un dictionnaire .
Sur certains tableaux on peut trouver l’élément sous la forme à l’état 0° avec une équivalence de pression en kPa et parfois le nombre de masse (c’est à dire le nombre de protons et de neutrons) par opposition au nombre de charges qui sont le nombre d’électrons et donc insidieusement de protons (l’atome étant neutre).
L’hydrogène à une certaine pression forme des nuages.
L’hydrogène est sur la colonne 1 donc il a un électron sur sa couche externe, c’est à dire un électron de valence.
Maintenant le tableau dans son intégralité :
A partir de la 13ème couche on note la colonne : 13-10 = 3 pour occulter les métaux dits de transition en beige dans le tableau.
Premier exemple :
Lorsque je prends le Carbone, je vois qu’il est en couche 14-10 = 4, il a donc 4 électrons sur sa couche externe(valence).
Bien mais si je veux le lier à un atome d’oxygène pour former par exemple du dioxyde de carbone. Je lis que l’oxygène est sur la couche 16 -10 = 6, il a donc 6 électrons sur sa couche externe(valence).
Comment faire pour les assembler correctement sur le plan de la molécule ? Car il n’ont pas le même nombre d’électrons qui participent à la liaison chimique.
Lorsque l’on travaille en seconde ou première, nous travaillons principalement avec 3 couches électroniques : la couche K, la couche L et la couche M.
Cette répartition en 3 couches est fondamentale pour appliquer la règle du duet(2) et de l’octet(8),
On cherche à saturer ces couches pour que la dernière d’entre elle, j’ai nommé la couche externe forme des liaisons covalentes entre différents atomes du tableau périodique pour former des composés moléculaires. Les liaisons covalentes sont aussi appelés des doublets liants : les électrons sont échangés et non transférés.
Il faut savoir que la couche K est saturé par un duet,(2) d’électrons que la couche L par un octet (8) d’électrons et que la couche M par un nombre de 18. Nous verrons qu’il existe bien d’autres couches…
Pour calculer les électrons sur la couche externe de chaque atome, on va se baser sur la composition électronique du gaz antérieur le plus proche : pour les deux atomes qui nous intéressent il s’agit de l’hélium qui n’a que deux électrons sur sa couche K(2), cela n’a donc pas d’importance pour notre calcul puisque le carbone et l’oxygène ont une couche K saturé d’un duet (2) également.
Reprenons, le carbone et l’oxygène comme on l’a vu ont 4 et 6 électrons sur leur couche
Carbone 6 : K(2) L(4)
Oxygène 8: K(2) L(6)
On a donc 6 électrons sur la couche externe pour l’oxygène et 4 électrons sur la couche externe pour le carbone externe mais l’oxygène qui veut respecter la règle de l’octet et saturer sa couche externe pour se stabiliser n’a que deux électrons qui vont participer à la liaison chimique.
Donc pour respecter l’équivalence, il nous faudra deux atomes d’oxygène puisque le carbone central a 4 électrons.
Un trait représentant deux électrons, on voit bien que chaque atome d’oxygène a deux liaisons et que le carbone en a au total 4 de par sa position centrale dans la molécule.
Tableau périodique version minéral :
Tableau périodique Applications usuelles :
Autre utilité du tableau périodique : déterminer les ions propres à chaque atome : dits monoatomiques.
Là encore on va s’attaquer à calculer sur la base du numéro atomique soit son nombre de charges (protons, électrons)
L’atome va chercher à devenir encore plus stable ainsi il va chercher à se lier au gaz rare méta-stable le plus proche sur le tableau.
Ainsi Le fluor de nombre de charges 9 va gagner un électron en essayant de se stabiliser au néon (10) le gaz rare noble qui lui est associé ce qui va donner l’ion F-¹ .
Le chlore (17e) va gagner lui aussi gagner 1 électron en essayant de se stabiliser comme l’argon (18e) donc on aura Cl-1
Mais pourquoi le carbone n’a pas d’ion monoatomique ? Et bien c’est le propre de la chimie organique : voici une petite explication fournie par chat gpt :
Par contre, ce qu’il faut comprendre c’est que le tableau périodique dit classique contrairement au quantique n’est pas adapté pour calculer les ions monoatomiques des métaux en transition.
Le fer a deux ions Fe2+ et Fe3+ dans ces conditions une structure avec des blocs des sous-couches, des couches, des orbitales sera plus adapté pour calculer ses ions. voir mon article sur le tableau périodique quantique.
Résumé :
Pour calculer les électrons sur la couche externe, on se base toujours sur le gaz noble antérieur. Par contre pour calculer les ions monoatomiques on se base sur le gaz stable le plus proche. Pour les métaux en transition on peut se baser sur le tableau périodique quantique et sur la fonction orbitale ce qui n’est pas possible sur le tableau périodique classique. On doit aussi remplir le tableau, l’élément selon la méthode de Kuchlowski pour déterminer la configuration électronique complète du métal en transition.
Ceci est un résumé du chapitre 3 de Changeux « L’homme neuronal » :
Accrochez-vous c’est à mon sens un des chapitres les plus denses du livre l’homme neuronal de Jean Pierre Changeux en termes de concepts mais il est fondateur !
Electroencéphalographie
Après avoir étudié les différentes parties du cerveau, la manière dont elles se structurent entre elles de manière typologique et topologique sur un plan statique. Passons à l’étude dynamique de leurs fonctions : comment la machine cérébrale organise la transmission de signaux à travers les différents organes sensoriels et moteurs.
Nous savons notamment que le cerveau fonctionne grâce à des impulsions électriques, commençons par une étude d’électroencéphalographie :
Hans Berger 1873-1941
Hans Berger plaça pour la première fois des électrodes sur le cerveau humain contrairement à Caton et Matteucci qui avaient pris pour cobaye des animaux. Ces électrodes ne pouvant être implantés directement dans le cerveau, elles sont apposées à la surface du crâne, la traduction du signal étant optimisé par un amplificateur de gain.
En A, d’abord les ondes alpha (repos) puis augmentation de la fréquence à partir de la flèche pour un passage aux ondes Beta : l’attention se fixe et retour aux ondes alpha. (Repos) En B, le sommeil lent et les ondes delta à forte amplitude et fréquence très lente, la flèche indique le passage à l’état de réveil avec un retour des ondes alpha (repos) En C, à gauche le sommeil lent avec les ondes delta, à droite le sommeil paradoxal (rêve) Le deuxième tracé indique le passage des ondes delta à un rythme paradoxal en rafale. Le troisième tracé lorsque les yeux bougent pendant le sommeil. Le quatrième le tonus musculaire qui s’affaisse lors du sommeil paradoxale (à droite)
A l’état de repos la fréquence des ondes électriques est lente et de 10 cycles par secondes et leur amplitude est forte. Ce sont les ondes alpha α. Au contact d’un corps solide telle une tige de verre, la fréquence des ondes devient plus forte, la fréquence est plus forte et l’amplitude diminue : l’attention se fixe, ce sont les ondes Beta β. #ondes
Lors du sommeil lent l’amplitude des ondes est encore plus forte et la fréquence encore plus faible qu’à l’état de repos. Ce sont les ondes delta δ. Lors du réveil on passe des ondes δ à α donc à l’état de repos. #ondes
Un autre état est celui de sommeil paradoxal ou rêve, contrairement au sommeil lent les impulsions électriques sont souvent en rafales. Les yeux bougent et le tonus musculaire s’affaisse. #ondes
Cependant cette étude s’avère beaucoup trop généraliste de par l’irrégularité des ondes β et la similitude de fréquence et d’amplitude des ondes δ et α pour comprendre les phénomènes intrinsèques qui se produisent au niveau cellulaire et moléculaire. #ondes
On doit alors passer au cerveau de l’animal pour pénétrer le cortex avec l’électrode, on obtiendra en une fois ce qu’on a obtenu avec les électrodes apposées sur le crâne humain dont les résultats furent cumulés. #ondes
En utilisant une électrode dont la pointe est entre 0,5 et 5 micromètres plus petite que celle de la cellule nerveuse et on obtient des impulsions très brèves dont l’intensité s’accroît puis s’évanouit (discrètes) lorsque l’on déplace la microélectrode sur toute la surface corticale.
On répète l’expérience en plaçant l’électrode dans le cortex somatosensoriel, on stimule alors la patte du rat et l’on obtient une activité qui permet de mettre en lumière une source électrique forte continue et produite par des entités discontinues j’ai nommé le neurone.
En haut une one globale avec une legere polarisation, en haut a droite une polarisation plus forte mais toujours globale. La correspondance en bas permet de mettre en evideidence la microstructure du neurone.
Cette démarche encéphalographique permet donc la mise en relation de l’activité électrique avec sa microstructure (neurone) mais ne pourra rendre compte du fonctionnement électrique du neurone de par sa multitude et des interactions complexes entre chacun.
L’influx nerveux
La vitesse de propagation électrique de l’influx nerveux chez les animaux primitifs se déplacent de 0,1 m/s (méduses) contre 100 m/s pour certains mammifères ce qui reste inférieur à la vitesse du son mais peuvent atteindre le mètre. La membrane cellulaire du neurone conduit le courant et remplace les fils de cuivre dans une communication électronique.
La durée de l’impulsion ne varie pas, une période réfractaire intervient pour maintenir sa durée ainsi que pour espacer deux influx successifs. L’amplitude des impulsions d’un dixième de Volt ne varie pas non plus. Quel que soit l’endroit où on l’enregistre ou la manière dont il est produit l’influx nerveux à la même forme.
La communication dans le système nerveux se traduit par un système nerveux très uniforme d’impulsions électriques voir universel.
Schéma représentant le signal électrique d’une onde d’influx nerveux dans l’axone géant du calmar à gauche (directement dans l’animal) (à droite après dissection) On peut même expulser le cytoplasme de l’axone, le placer dans une solution saline et on obtient à peu près le même potentiel.
Si l’on pénètre maintenant avec la microélectrode dans le neurone même on obtient un potentiel électrique stable dit de repos. La valeur varie par rapport à celle de la périphérie (Axone) de 0,50 à 0,90 mV.
Comment expliquer cette différence de potentiel avec l’expérience précédente à la périphérie au niveau de l’axone dans lequel le potentiel électrique était plus fort ?
Le neurone est une pile électrochimique
Le neurone est constitué d’atomes de sodium et de potassium, cependant on relève dix fois moins de sodium à l’intérieur qu’à l’extérieur mais dix fois plus de potassium. La chimie se transforme en électricité par ionisation, la libération d’un électron (particule charge négative) de valence va transformer le sodium et le potassium en ions positifs Na+ et K+. La membrane va filtrer ces ions et ne laisser passer à l’état de repos que les ions potassium de part et d’autre provoquant une force électromotrice négative à l’intérieur.
L’énergie qui maintient les concentrations d’ions potassium et sodium est une molécule biochimique : l’adénosine triphosphate ATP produite par respiration cellulaire (phénomène par lequel la mitochondrie (métabolite) transforme par phosphorylation (phosphore) oxydative l’Adénosine Di(2)phosphate en Adénosine Tri(3)phosphate). L’ATP Synthase qualifiée d’enzyme pompe de l’ATP (le suffixe ase désigne toutes les enzymes) sectionne ensuite l’ATP et cette scission va servir d’énergie pour provoquer l’influx nerveux de part et d’autre de la membrane.
Au repos la membrane est donc quand même mise sous tension par l’ATP mais elle ne laisse pas passer les ions sodium. La théorie du repos a été défendue par Julius Bernstein
Julius Bernstein 1839-1917
et confirmée plus tard par Charles Overton qui théorisera l’effondrement de la membrane par scission d’ATP pour expliquer la génération d’impulsion nerveuse.
Charles Overton 1865-1933
Huxley et Hodgkin vont préciser de manière universelle tout ce que nous venons de voir (mécanique ionique de l’influx nerveux) à partir d’une série d’expérience en utilisant encore l’axone géant du Calmar. En effet la perméabilisation de la membrane aux ions sodiums est commandée par une valeur seuil de potentiel électrique.
Les ions sodiums s’engouffrent dans des molécules canaux et le potentiel passe d’un signe négatif à un signe positif + 20 mv. L’impulsion électrique générée dépasse l’amplitude de 100 mV le long de l’axone. Ces canaux vont se refermer, d’autres canaux pour le transport d’ions potassium vont s’ouvrir et l’on retournera à l’état de repos, cette impulsion électrique aura duré 1ms.
Huxley 1917-2012
Hodgkin 1914-1988
Ceci s’applique universellement du nerf sciatique du rat à l’axone du Calmar et au cerveau humain.
Les oscillations
On a vu que même à l’état de sommeil lent au niveau encéphalographie, l’activité électrique était présente même sans stimulation sensorielle. Les neurones mis en cultures et tumoraux ont quand même un potentiel électrique régulier. Ces oscillations témoignent d’une activité spontanée du neurone.
Les expériences réalisées sur l’aplysie, la limace de mer qui présente l’avantage d’avoir des neurones géants vont faire état d’oscillations en rafales d’une parfaite régularité d’une dizaine d’impulsions toutes les 5 à 10 secondes.
Le ganglion abdominal de l’Aplysie avec ses neurones géants, on étudie le R3 et le R15.En A l’horloge à rafale électrique spontanée du neurone R3, En B l’horloge à rafales régulières d’impulsions (stochastique) La ligne supérieur représente le schéma de l’implantation de l’électrode au niveau du neurone en gardant l’animal dans son entier. En dessous l’implantation de l’électrode dans le neurone isolé du reste de l’animal.
Ilya Prigogine s’empare de la question pour voir si ces oscillations cadrent avec les lois de la thermodynamique son domaine scientifique de prédilection. Voici les trois lois établies avant lui par Lord Kelvin à laquelle obéit cette science macroscopique :
Ilya Prigogine 1917-2003
1/ L’énergie est égale dans l’univers, on ne peut ni créer ni détruire, on peut faire l’analogie avec Lavoisier qui dit que rien ne se perd mais tout se transforme. Ainsi on peut résumer cette loi par le syntagme d’Echange universel.
2/ L’Entropie augmente toujours dans un système isolé, l’entropie se caractérise par l’énergie thermique qui ne peut être utilisé d’aucune manière. Au sens général l’entropie est une grandeur propre au désordre de la matière d’un système.
3/ La troisième introduit le zéro absolu -276,15 C° et dit qu’à cet état l’entropie est nulle. Mais on sait qu’aucun être vivant rien ne peut vivre à cette température cependant on comprend que plus on tend vers une entropie faible, plus l’état énergétique est stable.
On parle même d’état métastable un peu comme la supraconduction qui expulse le champ magnétique et fait flotter le train hyperloop au-dessus des rails.
Comment les oscillations du neurone cadrent-t-elle avec ses trois lois ?
Je mettrai des chiffres à côté des mots qui vous permettent de relier ces conclusions aux 3 lois.
Première conclusion : les oscillations du neurone appartiennent à un système ouvert (2) dans lequel il y’a échange (1) constant (3) d’énergie. (De par la perméabilité de la membrane, dans lequel l’énergie s’échange grâce à l’ATP)
Deuxième conclusion : Les oscillations ne se développent jamais près de l’équilibre, pour cela il faut que le système soit hors d’équilibre*mais stable (3). Le neurone répond parfaitement à ces deux conditions (transfert inégale et continu d’ions)
Troisième conclusion : Des relations non linéaires* (propre des oscillations) doivent exister entre forces et flux, concrètement cela se présente lorsque des réactions se développent de manière explosive et lorsque des couplages s’établissent entre entrées et rétroaction (feedback en cybernétique) Le déclenchement de l’influx nerveux satisfait à ces conditions.
*Pour illustrer ces conclusions il est bon de souligner que Prigogine s’est écarté à la fin de sa vie de la thermodynamique classique a établi le concept de structure dissipative : « une nouvelle ‘structure’ est toujours la conséquence d’une instabilité. Elle est engendrée par une fluctuation. »
La particularité de cette oscillation est sa rafale :
Chaque rafale se greffe sur un générateur d’oscillation(pacemaker, rythme) dont le potentiel électrique oscille entre deux valeurs extrêmes de part et d’autre du seuil d’apparition de l’influx nerveux. Lorsque la valeur seuil du potentiel électrique est franchie une impulsion part et puis une autre tant que le potentiel reste au-dessus de la valeur seuil.
Comme pour l’influx nerveux on retrouve deux molécules canaux mais leur ouverture est de l’ordre d’une seconde pleine contre une milliseconde pour ce dernier. D’autre part le filtrage de la membrane du neurone est différent, les molécules-canaux filtrent les ions potassium et calcium (exclu de l’intérieur du neurone par une enzyme comme l’ion sodium) :
Schéma très simplifié de la boucle qui s’opère lors des oscillations de base générés par l’ouverture des molécules canaux Calcium et Potassium. Le calcium passe, est rejeté par l’enzyme pompe, le canal se ferme mais l’ion provoque l’ouverture du canal potassium, l’ion potassium passe et même le même schéma se répète.
La canal calcium très lent s’ouvre par diminution du potentiel électrique crée par le canal potassium et laisse passer l’ion Ca++ qui une fois rejeté par l’enzyme pompe va provoquer l’ouverture du canal potassium dont on récupère l’ion K+ et on recommence comme dans un cycle. Ce couplage rétroactif est donc en parfait accord avec la troisième conclusion de Prigogine.
Si l’oscillation a une amplitude suffisante pour que la valeur seuil de l’influx nerveux soit franchie une rafale part à la crête de chaque oscillation lente : la longueur de la rafale dépend de l’amplitude et de la durée de l’oscillation.
Si le temps est bref on peut n’avoir qu’une impulsion voir pas du tout.
On a donc soit une horloge à rafale soit un générateur stochastique d’impulsion déterminé par la concentration de calcium dans la membrane.
Les sens et l’activité spontanée
Les récepteurs sensoriels ont pour but de transduire les signaux perçus par le monde extérieur en impulsion électrique : Lorsque l’on fait tourner un singe assis sur une chaise auquel on a placé une électrode dans le nerf vestibulaire de l’oreille dans un sens : on obtient 30 impulsions. Dans l’autre sens on obtient plus que 10 impulsions.
L’organe vestibulaire se compose de neurones tournés en direction du système nerveux central et de cils palpeurs qui baignent dans du liquide. Lorsque l’on tourne d’un côté la membrane va être orienté de telle façon que les canaux calciums s’ouvrent : diminution, ou se ferment : accroissement.
La variation d’un paramètre physique (gravitationnel, chimique ou lumineux) se trouve donc traduite en variations d’impulsions nerveuses. Les organes des sens se produisent comme des commutateurs d’horloge moléculaire. Les stimuli physiques les avancent, les mettent à l’heure où les retardent.
Les propriétés de générateurs d’impulsions ne sont pas réservées aux cellules sensorielles Il s’agit d’une propriété générale de la cellule nerveuse distribuée à de multiples niveaux.
La machine nerveuse contient donc de multiples générateurs d’impulsions distribuées tant au niveau du système nerveux lui-même que dans son ensemble.
D’un neurone à l’autre
Le sens de propagation des impulsions électriques est unidirectionnel, il part du corps cellulaire jusqu’à la terminaison de l’axone puis les dendrites comme dans un circuit électronique avec des sens obligatoires et des sens interdits.
On sait que les neurones et dendrites ne sont pas toujours en continuité les uns avec les autres. Certains neurones sont juxtaposés et séparés les uns aux autres. Comment peut-on expliquer la transmission du courant dans cette organisation discontinue ?
Comment expliquer cette polarité étant donné que lorsque l’on induit du courant électrique au milieu de l’axone le courant part dans les deux sens ?
Sherrington dont on a parlé dans l’histoire des neurosciences l’explique par la synapse en comparant un tronc nerveux ou le signal est bidirectionnel et l’arc réflexe unidirectionnel (stimuli sensorielle entraînant une réaction nerveuse comme un mouvement). Pour lui la synapse est une barrière intercellulaire : un nexus (espace proche) entre deux neurones.
Sherrington 1857-1952
Ceci va engendrer un débat entre les pharmacologues pour lesquels la transmission est chimique et les électro-physiologistes qui soutiennent la thèse électrique. Un compromis est trouvé : il existe des synapses électriques et des synapses chimiques.
Les synapses électriques sont symétriques et se placent entre deux neurones contigus de 2 nanomètres d’épaisseur, il y’a communication directe entre les neurones la plupart du temps sans polarité de manière multidirectionnelle comme une horloge qui mettrait les neurones à la même heure.
La transmission chimique est paradoxalement découverte par un électro-physiologiste dont on a déjà parlé dans l’article premier Du Bois Reymond mais aussi aux pharmacologues Elliott, Sir Henry Dale, et Langley qui prélèvent sur certains organes cibles de la grenouille un ester de la choline, l’acétylcholine.
Thomas Renton Elliott 1877-1961
Sir Henry Dale 1875-1968
Emil Heinrich Du Bois Raymond 1818-1896
Ce neurotransmetteur a été découvert dans la nature à partir de l’ergot de seigle et synthétisé par Crum-Brown et Frazer
Alexander Crum Brown 1838-1922
James Frazer 1854-1941
Faisons un petit exercice de biochimie en considérant la formule brute, la formule semi-développée et la formule développée de l’acétylcholine en partant de la composition d’un ester et de la choline.
Formule Brute Acétylcholine : C7,H16,N+O2
On trouve donc 7 atomes de carbone, 16 atomes d’hydrogènes, un atome d’azote, et deux atomes d’oxygène.
Voici la formule semi-développée qui présente une première disposition dans l’espace de manière rectiligne ainsi que les liaisons entre les atomes.
Formule semi développée de l’acétylcholine (Basé sur l’ion positif d’Azote de symbole atomique N)
Comparons avec la choline formule brute C5,H14,N+O :
On retrouve bien le nombre d’atomes énoncés dans la formule brute
J’ai complété la formule développée en deux dimensions que l’on trouve sur wikipedia à partir de l’énoncé de la formule brute avec des cercles et des liaisons atomiques.
on retrouve les liaisons CH3 autour de l’atome d’azote, les deux sommets cerclés n’étaient pas notés atomiquement, je les ai rajouté.
En chimie, la fonction esterdésigne un groupement caractéristique formé d’un atome lié simultanément à un atome d’oxygène par une double liaison et à un groupement alkoxy
liaison double deux traits lie l’atome de carbone à l’atome d’oxygène, alkoxy est symbolisé par le groupement R et R’
Lorsque l’atome lié est un atome de carbone , on parle d’ester carboxylique, dont la forme générale est R-COO-R’.
Cette fonctionnalisation sert à caractériser un groupe d’atome qui chaque fois présent dans une structure moléculaire différente en modifie les propriétés chimiques de manière analogue.
Elle permet également de réprésenter les chaînes carbonnées en chimie organique. Le methyl a un atome de carbone quand l’éthyl en a deux.
Comparons maintenant la partie ester de la formule moléculaire de l’acétylcholine brute avec sa formule développée en 2D sur Wikipédia : C7,H16,NO2
on retrouve la double liaison caractéristique entre l’atome d’oxygène et l’atome de carbone, l’ester d’acétate se caractérise par la chaîne O–CO–CH3 :
Ester D’acétate (Acétylisation de la choline ) –> AcetylcholineFormule semi développée de l’acétylcholine (Basé sur l’ion positif d’Azote de symbole atomique N)Représentation complète en 2 dimensions
Reprenons ou nous en étions :
Schéma fléché de la libération de l’acétylcholine de sa synthèse par le nerf moteur jusqu’à sa destruction par une enzyme pompe, la cholinestérase.
Cette molécule est libérée par l’influx nerveux entre le nerf moteur et le muscle strié. A la différence de la synapse électrique, la synapse chimique est polarisée (directionnel) et l’espace entre le nerf moteur et le muscle strié est 10 à 25 (20 à 50 nm) fois plus grand que l’espace entre deux neurones électrique.
D’autre part, leur morphologie est différente, la synapse chimique est asymétrique : d’un côté une terminaison nerveuse bourrée de vésicules de 30 à 60 nm pleines du neurotransmetteur. De l’autre un épaississement de la membrane ou densité post-synaptique.
Grossissement de la synapse au microscope électronique 10^5. A gauche une mitochondrie ou métabolite énergétique de la cellule avec des multiples vésicules, à droite une épine dendritique dont la fonction morphologique est d’optimiser la liaison inter-neuronale. Au centre une synapse avec un épaississement post-synaptique caractéristique de son asymétrie.
Ces synapses révèlent la présence d’électricité générée par les impulsions issues de l’influx nerveux qu’elle transmet à la fibre musculaire de manière unidirectionnelle. Ces synapses fonctionnent comme une valve. Le signal ne fonctionne que dans un sens du nerf moteur au muscle.
On observe un délai entre 0,3 et 0,8 ms à la mesure de l’électricité dans le muscle, plus long que celui de l’influx nerveux : relation entre vitesse, distance et temps puisque le neurotransmetteur n’est pas présent dans le muscle à la base ce qui explique la polarisation.
Mécanisme de libération de l’acétylcholine
A la terminaison nerveuse, au niveau de la jonction nerf-muscle on sait que l’impulsion électrique provoquée par l’influx nerveux provoque la libération de 300 paquets d’environ 10.000 molécules chacune d’acétylcholine ce qui représente 3.000.000 de molécules.
Ce nombre est en définitive petit comparé à l’unité de matière basé sur la constante d’Avogadro qui est de 6,02 x 10^23 molécules dans une mole de matière mais dans un volume si petit que cette concentration est relativement forte.
Au repos, on a donc 10^-9 mole par litre d’acétylcholine mais lors du passage de l’impulsion nerveuse cette valeur est donc comprise entre 10^-4 et 10^-3 moles par litre pour une durée de l’ordre de la milliseconde puis s’évanouit grâce à une enzyme spécialisée : la cholinestérase.
Retour d’une onde électrique
De l’autre côté de la terminaison nerveuse, au niveau de la face post-synaptique on enregistre une onde électrique bien différente de l’électricité générée à la base par l’influx nerveux. Son amplitude est 5 à 10 fois plus faible et sa durée est à 3 à 5 fois plus longue. (3 à 5 ms).
Réponse électrique de la membrane post-synaptique d’une synapse chimique (ici la jonction nerf-muscle) La forme et les propriétés de l’onde diffèrent de celles de l’influx nerveux. Le tracé du haut a été enregistré après la libération d’un seul paquet d’acétylcholine par la terminaison nerveuse. Celui du bas lors de l’application locale d’une goutte par micropipette d’acétylcholine. Les tracés se superposent.
Cette onde résulte de la perméabilisation de la membrane de la synapse qui engage les ions sodiums, potassiums et calciques individuellement et non séquentiellement. (Un canal s’ouvre individuellement sans lien commun avec les autres et brutalement (1ms) (le caractère individuel rend plus simple la transmission du signal)
En A l’activité électrique de la membrane sous synaptique de la face post-synaptique avec à gauche l’onde sans acétylcholine, à sa droite avec acétylcholine, Forte augmentation du bruit. (1 et 2) En B l’ouverture et la fermeture brutale unique (carré) des canaux sodiums, potassiums, calciums bien individualisés résultant de l’onde électrique générée par la transmission d’acétylcholine.
Résumé synthétique de la multiplicité des signaux
La libération de l’acétylcholine par l’influx nerveux entraîne la transformation d’un signal électrique (1) en signal chimique(2) L’ouverture des canaux ioniques constitue l’étape inverse et la transformation du signal chimique(3) en signal électrique(4) que j’appellerai onde de retour : elle résulte de l’ouverture de canaux au niveau de la synapse et est réencodée vers le premier neurone de la terminaison neurale pré-synaptique par lequel l’influx nerveux est passé afin de lui communiquer que le signal a été transmis.
Synthèse morphologique
Au niveau de la jonction nerf muscle strié, le potentiel déclenché par l’influx nerveux et la réponse synaptique dont résulte la transmission d’acétylcholine suffit à déclencher un influx. A chaque impulsion du nerf répond une contraction du muscle strié. La transmission est efficace à 100 %. Ce n’est pas toujours le cas en revanche pour des synapses entre deux neurones.
Ces terminaisons sont si petites qu’elles ne peuvent libérer qu’un seul paquet d’acétylcholine et pas nécessairement à chaque fois qu’un influx nerveux envahit la terminaison. Il n’en reste pas moins que le schéma général de la transmission chimique établi au départ avec la jonction nerf moteur muscle strié s’applique au système nerveux central.
Types de neurotransmetteurs
Franck Campbell McIntosh 1909-1992
L’acétylcholine a été isolé dans le cerveau pour la première fois par McIntosh en 1941 et la noradrénaline par Vogt en 1954 et ces deux neurotransmetteurs sont les membres d’honneurs d’une liste de substances chimiques qui s’allongent de jour en jour tels que :
Acides aminés
Amines biogène « double fonction » : dopamines, sérotonine…
Ce dernier a été découvert dans l’intestin ce qui montre bien que l’interaction entre le système nerveux périphérique et le système nerveux central.
Un autre exemple est la somatostatine qui bloque l’hormone de croissance et qu’on retrouve dans le pancréas.
On retrouve ces neurotransmetteurs en particulier chez tous les vertébrés. Aucun neurotransmetteur n’est propre à l’être humain. (Chimie prégnante dans le vivant)
La diversité biochimique qui ne cesse de s’accroître au fur et à mesure des recherches en neurosciences contraste avec l’uniformité du signal électrique. Un même neurone peut recevoir des dizaines de milliers de synapses et que ces synapses peuvent employer des neurotransmetteurs différents.
Cette diversité dans la nature chimique et dans les effets ioniques introduit une combinatoire de signaux qu’un neurone électrique n’effectuerait pas de la même manière ou n’effectuerait même pas du tout.
Les molécules serrures
La synapse chimique tient une place centrale dans la communication entre deux neurones, Elle canalise le transfert de signaux de cellule à cellule en créant une polarité dans ce transfert, crée des circuits et introduit une diversité au niveau de la membrane du neurone. Ses dimensions sont de l’ordre de grandeur d’une cellule bactérienne.
Afin de démonter le fonctionnement de la synapse chimique, il convient d’étudier l’effet du neurotransmetteur sur la face post-synaptique. Hors Emil Fischer postule en 1906 que pour qu’une molécule puisse agir sur un corps, elle doit pouvoir se fixer.
« Corpora Non Agunt nisi fixata »
Emil Fischer 1852-1919
Comment cette fixation se fait-elle ?
La cellule contient une substance chimiquement active (un récepteur) qui porte une configuration géométrique adapté complémentaire de celle du corps considéré (le neurotransmetteur). La métaphore est celle de la clé dans une serrure.
Langley montre que cette substance répond au curare (effet inhibiteur) à l’acétylcholine et à la nicotine de manière analogue et qu’elle n’est localisée sur le muscle adulte qu’au niveau de la terminaison nerveuse : c’est la serrure ou la molécule réceptrice.
John Newport Langley 1852-1925
Schéma illustrant tout le fonctionnement d’une communication synaptique avec passage et nouveau déclenchement d’influx nerveux (macromolécule : réceptrice en violet qui a la forme de micro sacs adaptés à la réception des différents ions dont l’ouverture de canaux pour le retour d’une onde électrique séquentielle. (Vu plus haut)
Comment le prouver ?
La nature recèle de richesse et le poisson « torpille » aussi appelé « gymnote » dont trois décharges de 500 V à 0,5 A tuent un homme résultent de la mise à feu d’un milliard de synapses très semblables par leurs propriétés à celles que l’on trouve à la jonction nerf-muscle de l’humain. L’organe électrique se compare à un muscle dont l’appareil contractile aurait été enlevé pour laisser les synapses à vif.
Cette accumulation gigantesque va se révéler fort utile pour le biochimiste. En plus ces synapses ont toute la même composition chimique : travailler sur 1 kg d’organe chimique revient à travailler sur une synapse géante qui pèserait le même poids.
Poisson Torpille
Dans un premier temps on va utiliser comme produit radioactif pour marquer la face post-synaptique et détecter la forme et la position de cette fameuse molécule réceptrice le neurotransmetteur lui-même (acétylcholine). L’expérience échoue car de nombreuses molécules lie de manière non sélective à beaucoup trop de molécules du récepteur lui-même.
La nature va encore venir au secours des biochimistes : les serpents cobra et bungare ont une mauvaise réputation de par la toxicité de leur venin qui paralyse les voies respiratoires au même titre que le curare des Amérindiens. Cette toxine alpha qui bloque les récepteurs va être utilisé comme marqueur radioactif pour détecter la localisation sur de la molécule en question.
Serpent Bungare
On trouve des serpents marins mangeurs de poissons torpilles dans la mer du Japon, leur réunion dans le tube à essai va permette d’isoler cette fameuse molécule réceptrice sur laquelle se fixe l’acétylcholine.
Cette molécule isolée a une masse de 250.000 soit 3,5 fois plus que celle de l’hémoglobine, elle se compose de plusieurs chaînes de quatre types différents dont une répétée deux fois. Elle est disposé sur toute la membrane sous-synaptique de la face post-synaptique.
Leur forme géométrique étudiée par centrifugation de broyats d’organes électriques est celle de micro sacs que l’on peut remplir d’ions sodiums ou potassiums radioactifs pour mieux comprendre l’effet de l’acétylcholine qui provoque l’ouverture des canaux.
Ou se trouvent ces canaux ioniques ? On disperse les micro-sacs grâce à des détergents sans les détruire dans le tube à essai. Elle garde ainsi toutes ses fonctions natives comme sur la membrane sous synaptique. On peut ainsi en étudier son électrophysiologie qui renvoie plusieurs signaux exactement similaires à l’ouverture de plusieurs canaux individualisés brutalement (1 ms) de forme carré.
La molécule de masse 250.000 contient à la fois le site récepteur et le canal ionique.
Schéma traduisant l’expérience de la synapse géante du poisson torpille qui prouve l’ouverture brutale du canal ionique et le passage du sodium Na++ localisé sur la molécule réceptrice. (Flèche)
Cette molécule est analogue à une protéine allostérique, ce concept défini par Jacques Monod et Jean-Pierre Changeux veut que la fixation d’une molécule effectrice sur un site modifie les conditions de fixations d’une autre molécule en un autre site distant de la même protéine un peu comme deux particules quantiques intriquées.
Ces protéines sont sujettes à des transitions discrètes entre états moléculaires distincts actifs ou inactifs. Dans notre cas, le récepteur, l’illustration est l’ouverture et la fermeture ultra-rapide des canaux. #carré
L’onde post-synaptique enregistrée au niveau de la fibre musculaire correspond donc à l’ouverture simultanée d’une collection importante de récepteurs-canaux. #fibre
Elle s’identifie à la somme d’évènements moléculaires discrets au même titre que l’impulsion nerveuse s’identifie à l’ouverture de canaux sodiums dans la membrane de l’axone et aux flux ioniques qui en résultent.
La molécule réceptrice comme toute protéine cellulaire se compose d’acides aminés enchaînés les uns aux autres (environ 2500) Chaque acide aminé contient entre 10 et 30 atomes qui déterminent intégralement sa réactivité chimique, ses possibilités de liaison avec ses congénères (polymérisation) (plusieurs parties réunies) pour construire son édifice protéique (macromolécule) (Ex : peptide)
@Wikipédia Comparez la structure moléculaire d’un seul acide aminé avec celle d’un peptide et vous comprendrez la polymérisation et la constitution d’une protéine que l’on peut qualifier de manière réductrice de macromolécule.
Conclusion transitionnelle
Nous accédons donc à une organisation au niveau moléculaire, atomiques et ioniques de la transmission chimique entre deux neurones.
Synthèse
Les atomes psychiques réexaminées (Démocrite)
La même méthode en définitive, conduit de l’enregistrement de l’encéphalogramme à celui des impulsions électriques produites par des neurones uniques, de la réponse post-synaptique aux transitions d’ouvertures des canaux ioniques, eux même identifiables à des changements de structure moléculaire.
A chaque étape il y’a réduction d’un niveau d’organisation à une unité plus élémentaire : de la population des neurones corticaux, à la cellule ou à la synapse, de l’impulsion nerveuse (ou à des courants post-synaptiques) à la molécule.
L’étude dynamique des différentes pièces du cerveau sont donc descriptibles avec les mêmes termes que ceux du physicien et du chimiste.
On pourrait plus loin et décrire la formule atomique de la molécule réceptrice dont on vient d’étudier le fonctionnement pour comprendre sur quoi se base sa réaction à l’acétylcholine.
L’activité spontanée et évoquée est donc directement issue de propriétés atomiques. Doit-on alors réexaminer les atomes psychiques de Démocrite ? Les ions sodiums et potassiums qui traversent les canaux de l’axone sont les mêmes que ceux que l’on trouve dans l’eau de mer ou à l’intérieur du neurone.
Les molécules de neurotransmetteurs sont composées de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote qui n’ont rien de propre aux êtres vivants. Le système nerveux se compose de et emploie pour fonctionner – la même matière que le microcosme.
Celles-ci s’organise en édifices moléculaires qui interviennent dans la communication nerveuse au même titre que d’autres règlent la respiration cellulaire ou la réplication des chromosomes. Les protéines tiennent la une place critique puisqu’enzyme pompes (destruction ou aspiration), enzymes de synthèse des neurotransmetteurs et leurs récepteurs sont des protéines.
Au lieu de reprendre le terme d’atomes psychiques, doit- on parler de molécules psychiques ? Le trait le plus frappant qui se dégage des recherches actuelles, c’est que l’électricité et la chimie du cerveau sont les mêmes que celles des organes périphériques. On retrouve dans la nature : ce qui est vrai pour l’organe électrique du Gymnote est aussi vrai pour Homo Sapiens.
Au niveau des mécanismes élémentaires de la communication nerveuse, rien ne sépare l’homme des animaux. Aucun récepteur, canal ionique ou neurotransmetteurs n’est propre à l’homme.
Cet article est un résumé du chapitre 2 du livre « l’homme neuronal » de Jean-Pierre Changeux neurobiologiste célèbre qui a révolutionné les pistes de recherches dans le domaine des neurosciences.
Jean Pierre Changeux 1936 – X
Partons du général pour arriver au plus précis :
Un classement a été établi d’après Roland Bauchot et Heinz Stephan afin de faire un parallèle entre le poids du corps et le poids de l’encéphale de plusieurs espèces par le calcul d’un indice d’encephalisation.
Lorsque l’on applique des coordonnées logarithmiques (dont le résultat est basé sur le nombre de puissance) avec une fonction exponentielle (fonction puissance elle-même) on obtient une fonction linéaire ce qui est très pratique pour comparer les évolutions entre différentes espèces. On obtient ainsi une série de droite parallèles qui ne se superposent pas.
Echelle ou système de coordonnées logarithmique avec le poids du corps en abscisse et le poids de la tête en ordonné. La fonction exponentielle est la bijection réciproque de la fonction logarithme décimal ce qui explique pourquoi on obtient une fonction linéaire. @Bauchot et Stephan
Explication arithmétique et pédagogique de la représentation graphique :
Pour que vous puissiez remonter sur le graphique au fur et à mesure des explications je vais vous créer des ancres hypertextes internes tout du long de celles-ci.
J’ai glosé et calculer tous les poids, tracer des lignes pour les correspondances en fonction des logarithmes, mais à titre pédagogique exerçons nous.
Si vous avez suivi mon article sur les logarithmes la base employée ici est 10, quelle valeur le résultat d’un logarithme égal à 5 pour un nombre de puissances de 10 ? :
100.000 grammes soit 10^5 soit 10^2 kg de poids de corps. #graphique
Vous remarquerez que mon crayon à papier a volontairement tracé la ligne de l’homme à partir du point (elle n’est pas tracée sur le schéma original, ainsi que la continuité des singes (simiens) car l’auteur fait une comparaison unitaire entre les trois espèces :
Pour un logarithme du poids du corps égal à 1 entre les trois espèces soit 10g le singe a un cerveau environ de 11,3 plus gros que celui de l’insectivore de base. L’homme a un cerveau 28,7 fois plus gros. #graphique
Fonction antilogarithme
Il parle aussi d’un insectivore avec un poids égal à logarithme de 5 alors j’ai fait un point pour représenter un insectivore avec un tel poids et faire une correspondance en pointillé avec le poids de l’encéphale en ordonnée. #graphique
Partez toujours de l’abscisse soit log = 5, prenez votre doigt et remontez jusqu’au point de l’homme, par lecture graphique on voit que la correspondance avec l’ordonnée est log = 3,1. #graphique
Comment faire pour calculer le poids exact en kg ? je vais introduire un autre concept du logarithme fort simple, la fonction antilogarithme. On sait que la base utilisée est 10 et on sait que le résultat du logarithme est égal à 3,1 approximativement d’après notre tracé horizontal en pointillé. #graphique
On va utiliser la réciproque du logarithme décimal ou antilog que j’ai formalisé sur LATEX (voir mon article dessus) #graphique
Pour l’anecdote j’ai trouvé un code source latex qui symbolise l’antilogarithme comme pouvez le voir, il a la forme d’un N inversé qui s’étend comme une racine
La pente
La pente d’une droite est son inclinaison en ordonné pour un espace unitaire entre deux valeurs de x, par lecture graphique vous pouvez voir qu’elle est égale à 0,63. #graphique
Sur le schéma elle est représentée par les deux tracés pointillés verticaux entre 2 et 3 de log Poids du corps. Cette valeur alpha α correspond au rapport entre la surface et le volume dans cette représentation ce qui veut dire que le poids de l’encéphale est plutôt indexé sur la surface du corps que sur son poids.
Conclusion
L’homme dépasse donc tous les vertébrés, le chimpanzé est proche (moins d’un facteur 2,5 soit : 520 g
Log (520) = 2,7 plus dangereux sont les phoques et les dauphins dont le coefficient par rapport à l’insectivore de base est respectivement de 15 et 20. #graphique
Annexe partie 1 : Expansion du néocortex entre 3 vertébrés
Bauchot et Stephan compare maintenant l’évolution du cortex à l’intérieur de l’encéphale entre les reptiles, les primates et l’homme grâce à un indice de progression, le reptile est à 1, le primate qui a le néocortex le plus développé est à 58 (chimpanzé) tandis qu’homo sapiens à un indice de 156.
Heinz Stephan 1924-2016
Le néocortex est si développé qu’il occuperait dans le cas où le cerveau aurait la forme d’un cube 7 dm² alors que la surface totale de l’écorce cérébrale mesure 22 dm². On connaît donc le pourquoi de la morphologie des circonvolutions du cerveau en plicatures enfouies dans les sillons en profondeurs.
En noir le néocortex (à gauche insectivore, au centre le chimpanzé, à droite l’homme.)
Chez l’homme, la fraction de l’encéphale représente une part de plus en plus importante du poids du corps. Cela s’explique en partie par la corticalisation de l’encéphale qui est une caractéristique de tous les mammifères. (A noter qu’entre les trois schémas, le bulbe olfactif représenté par a ne fait que diminuer) L’homme à moins d’odorat que beaucoup d’animaux primitifs.
Partie 2 : Typologie et topologie des cellules du cortex
Dans le Cortex Baillarger grâce à des coupes histologiques a pu étudier le type de cellules présentes dans un cortex qu’il stratifie en 6 couches. Chez l’homme on compte deux catégories principales de cellules inégalement réparties à travers son épaisseur :
François Baillarger 1809-1890
François Baillarger
Les neurones se différencient donc en neurones pyramidaux qui se caractérisent par la longueur de leur axone et la forme de leur corps cellulaire comme leur nom l’indique. Les cellules en étoiles ou astrocytes font partie des cellules glies (vient du grec « gloios » qui veut dire glue)
Quant à ce qu’on appelle les neurites: pour faire simple ce sont les axoneset les dendrites.
Les dendrites pour un neurone peuvent être apicales (au sommet de l’axone) ou basales (à la base du corps cellulaire).
Les cellules étoilées ont des corps cellulaires(soma) plus petits et de structure ovoïde. A titre d’exemple, dans l’aire visuel du cortex elles se répartissent dans trois couches densément et ont même exceptionnellement des épines au bout de leurs dendrites.
Les cellules étoilées ont des axones qui se projettent moins vers la surface et ont une fonction d’interneurone avec les cellules pyramidales caractérisée par leur arborisation dendritique différente ( en bouquet) de celle des cellules pyramidales.
Les cellules F, A, G, B sont des cellules pyramidales, elles projettent leur axone vers la surface du cortex tandis que les cellules étoilées C, D, E, H, M restent à l’intérieur et assurent le rôle de soutien. Elles ont des dendrites ramifiées de différentes sortes : à double bouquet (H), à axone court et ramifié en longues branches horizontale (E) etc…
Même si à travers les cortex ces deux types de cellules se répartissent différemment globalement l’homme et les mammifères ont un cortex avec une grande unité morphologique.
En effet à travers le lobe pariétal, temporal, occipital, frontal, on trouve la même catégorie de cellules qui seront spécifiées plus tard par les interactions biochimiques (neurotransmetteurs).
Le nombre de cellules pour une carotte entre l’homme, le primate et le rat est le même sauf dans l’aire visuelle de tous les mammifères ou l’on trouve 2,5 fois plus de cellules ce qui est logique compte tenu du volume et de la richesse d’informations transmises à traiter par notre rétine.
On en revient donc à la surface du cortex et de manière indu à l’expansion du néocortex comme facteur d’accroissement du nombre de neurones et de calculs chez l’homme.
L’architecture cellulaire du cortex varie d’apparence d’une aire à l’autre. A gauche section à travers un cortex sensoriel (aire visuelle) où les cellules étoilées s’accumulent dans trois couches denses d’où le nom de cortex granulaire. A droite cortex moteur avec des cellules pyramidales de grande taille.
Par contre chez les invertébrés on compte une grande diversité de ces catégories de cellules ce qui rend le fonctionnement de leur cortex plus complexe à étudier, à l’exception des céphalopodes qui ont la même tendance évolutive que les mammifères.
Partie 3 : Câblage
Grâce à la révolution de la microscopie électronique, on aurait pu croire qu’il aurait été plus facile d’étudier comment ces neurones sont reliés mais l’uniformité de la synapse est encore plus grande que celle des cellules.
Comment faire alors sachant qu’il y’a plus de 10^15 synapses dans le cortex de l’homme ? Cela prendrait 30.000 ans de les dénombrer une par une.
Powell a réussi à voir qu’il y’avait le même pourcentage de cellules en étoile et de cellules pyramidales dans deux aires très distinctes du cerveau le cortex moteur et le cortex visuel. Même si leur distribution dans les différentes strates comme on l’a vu est inégale. On peut donc schématiser comment le câblage s’opère.
Thomas Shroud Powell 1923-1996
Entrée/Sorties
Pavlov a prouvé que les organes des sens se projettent au niveau de certaines aires spécialisées, pourtant aucun d’entre eux n’entrent directement dans le cortex. Ils empruntent plutôt la voie du thalamus dans lequel certains neurones vont prendre le relais au niveau d’aires sous-corticales.
Ivan Pavlov 1849-1936
Représentation des entrées et des sorties ainsi que des interconnexions entre les différentes types de cellules. les lignes : les fibres de neurones avec leurs axones, Les étoiles : représentent les synapses, les chiffres romains : les couches corticales, les traits horizontaux les connexions avec les cellules gliales ou astrocytes.
Pour mieux comprendre le schéma et son explication je vais créer des ancres ou hyperliens à l’intérieur de la page pour vous permettre de remonter et de regarder le schéma en parallèle du texte :
Toutes les aires corticales (6 couches en chiffres romains) qu’elles soient motrices ou d’association reçoivent des fibres provenant du noyau thalamique dans une unité d’organisation remarquable. Le cortex lui-même en est un point d’entrée. (2ème en partant de la gauche).
Les fibres issues du thalamus s’arrêtent toutes à la couche IV dans une arborisation en boule ou les synapses (étoiles) vont se relier aux dendrites ou d’autres neurones vont prendre le relais. Les impulsions vont donc se propager verticalement mais aussi par contact horizontal avec les astrocytes (lignes horizontales pointées). #schéma
On a pu analyser grâce à la coloration au peroxydase du raifort que la sortie des entrées du cortex est le cortex lui-même (3ème en partant de la gauche) dont certaines fibres d’association retournent vers le cortex du même côté (couches en chiffres romains) (ipsi) ou du côté opposé (contra) pour former des boucles. Le reste des sorties des cellules pyramidales s’arrêtent dans des zones sous-corticales. #schéma
Le second point d’impact est le noyau du thalamus (5ème en partant de la gauche) dont là encore les fibres du cortex retournent dans le cortex pour former un autre circuit en boucle, (les calculs s’enchaînent) #schéma
Enfin le troisième et dernier point d’impact des cellules pyramidales sont les autres aires sensorielles telles que le Colliculus supérieur qui coordonne les mouvements des yeux et de la tête. Celles-ci vont déclencher des réactions motrices. Mais certains axones vont encore plus loin jusqu’à la moelle épinière dans des neurones moteurs qui commandent les contractions musculaires. #schéma
Ainsi on peut effectuer une analogie entre le fonctionnement du cerveau et celui de la machine dont les entrées-sorties peuvent former des boucles. #schéma
Partie 4 : Modules ou cristaux
Modules
La structure des interactions entre chaque neurone est-elle organisée en module ce qui implique une fixité des dimensions (géométriquement définies) et répétés ? Vernon Mountcastle va reprendre les techniques d’encéphalogramme de Caton (voir mon article sur l’histoire des neurosciences) qu’il va optimiser à l’aide d’électrodes de plus petite taille qu’il va implanter dans la zone corticale pour étudier les réactions des neurones chez le chat sur un plan transversal.
Vernon Mountcastle 1918-2015
Lorsqu’il implante l’électrode dans l’alignement vertical les bandes de neurones répondent selon la même modalité (verticalement). Lorsque l’électrode est implantée sur un plan oblique la modalité varie brusquement ce qui laisse supposer que les colonnes sont organisées non par leur géométrie verticale dans le cortex mais par leur organisation avec les périphéries qui constitueraient les modules du cortex.
Les petites flèches sont les électrodes au centre placé en ligne droite, les trois sur la droite sont oblique ce qui montre une variation de la modalité représentée par la discontinuité des bandes verticales en noir.
Hubel et Wiesel vont aller plus loin, même si dans un premier temps la stimulation sensorielle à partir de chaque œil semble confirmer l’organisation verticale et la fixité de dimensions propre à une structure modulaire, lorsqu’ils vont changer de plan et voir le cortex de haut c’est-à-dire à plat, ils vont remarquer un réseau similaire aux bandes noires et blanches d’un zèbre.
Torsten Wiesel 1924-X
Dave Hubel 1923-2013
En enlevant complètement l’œil d’un chat à la naissance ils vont même voir que les bandes de l’œil qu’ils ont gardé envahissent toute la structure corticale par compensation, les bandes œil droit, œil gauche n’ont donc pas de dimensions fixes.
Les points de tissage corticaux du thalamus forment une arborisation en boule comme nous l’avons dit précédemment et s’organisent donc selon un tissage en 3 dimensions. En fait l’organisation neuronale du cortex est donc extrinsèque (part du thalamus) et non intrinsèque.
De même lorsque l’on stimule l’œil du chat avec de la lumière les bandes n’ont pas la même taille que par la stimulation de l’électrode. Le schéma en module de dimensions fixes même avec des petits modules dans des hyper modules emboîtées est donc trop réducteur.
Cristaux
On va chercher d’autres aires cérébrales dont la disposition cellulaire est plus simple et notamment le cortex du cervelet (visuel et granulaire) que l’on connaît bien. Chez les vertébrés la typologie de cellules est la suivante :
On compte 5 types de cellules dont celles de Purkinje qui peuvent être prises comme homologues des cellules pyramidales, les cellules en grain comme l’analogue des petites cellules étoilées et le reste est composé de 3 gros types de cellules étoilées.
Dans le cervelet les cellules s’organisent en trame horizontale dans le plan du cortex, elles s’organisent comme un nœud de réseaux, les dimensions varient d’une catégorie de neurones à l’autre. Une organisation analogue se trouve dans la rétine. Les hypothétiques modules s’organisent en fait sous la forme de cristaux en deux dimensions dont l’interconnexion en forme une troisième.
Distribution régulière des cellules ganglionnaires dans le plan de la rétine : à gauche cellules étoilées, au centre schématisation ou leurs connexions sont tracés par un trait continu. A droite, schématisation en cercle ou la régularité paraît moins bonne qu’au centre. Les cellules d’une même catégorie s’organisent de manière quasi cristalline.
Cette organisation en cristal est adaptée aux système d’entrée/sorties que nous avons vu et l’arborisation en boule du thalamus (couche IV du schéma entrée sortie), d’autre part, plus l’axone est long plus le corps cellulaire est gros et par la même occasion les dendrites basales ce qui contredit l’hypothèse en module de dimensions fixes.
Par ailleurs, on sait que chaque aire corticale est différente en termes de disposition et de densité cellulaire ce qui singularise chaque connexion cristalline.
Notre cerveau est donc un répertoire de singularités de connexions reliées par des dizaines de milliers de synapses. La tâche pour comprendre chaque singularité est immense !
Synthèse
Le cerveau de l’homme ne diffère en rien de celui des mammifères dans leurs typologies et leurs morphologies. En effet dans une carotte de cortex on trouve la même densité de cellules et de synapses du rat à l’homme.
Cependant le cerveau de l’homme se distingue donc par l’expansion du néocortex, son épaisseur trois fois plus grande, mais aussi principalement par l’augmentation de sa surface 400 fois par rapport au rat. Celle-ci reflète un saut quantitatif résultant de l’accroissement de nombre de connexions possibles.
D’autre part, chaque aire du cerveau humain est différente de par la disposition et distribution intrinsèque aux zones corticales des deux types de cellules dans les différentes strates ce qui augmente de manière exponentielle les fonctions de calcul et sa singularité.
Afin d’introduire notre catégorie sur les neurosciences, il me paraît opportun de vous faire part de leur histoire au fil des siècles de l’antiquité jusqu’à aujourd’hui. J’ai utilisé beaucoup d’images de portraits volontairement pour travailler votre physionomie ainsi que des illustrations d’appareils cérébraux pour rendre le propos plus concret.
Les sciences du cerveau ont impliqué à travers l’histoire un nombre conséquent de grands hommes et femmes qui ont cherché à comprendre une première question : qu’est ce qui génère notre pensée ?
Premier débat sujet à controverses :Cœur ou cerveau ? Cardio-centristes contre Céphalo-centristes.
Déjà à l’époque comme dirait Jean Didier Vincent : on sait qu’il y a deux manières radicales de tuer un homme : lui couper la tête, ou lui planter une épée dans le cœur.
Démocrite (-460 -370) père de l’atome pense déjà que le siège de notre cerveau est dans notre tête. Pour lui notre cerveau serait constitué d’atomes psychiques qui parcourent tout notre corps. Ces atomes permettent d’animer nos muscles.
Démocrite
Aristote (-384 -322) s’oppose à cette idée, le cœur est pour lui le siège de nos fonctions motrices et psychiques. Pourquoi ? En anatomie, lorsque l’on envoie un fluide avec une pression sur le cœur, cela entraîne une réaction de contraction mécanique contrairement au cerveau.
Aristote
Le premier débat et qui durera fort longtemps était né et voit s’opposer céphalo-centristes aux cardio-centristes.
Galien (129-201) céphalo-centriste comme Platon, Hippocrate, Hérophile, et Erasistrate qui sont trois médecins grecs, va à peine plus loin que Démocrite. Pour lui l’âme est matérialisée par un pneuma (souffle) psychique qui circule du cerveau jusqu’à nos nerfs.
Galien 129-201
Erasistrate -310 -250
Hérophile -320 – 250
Les pères de l’église et notamment Némésius (350-420) vont plus loin, ils vont assigner des fonctions de notre pensée à des ventricules de notre cerveau. Ce sont les premières démarches localisationnistes.
Némésius
Cartographie des premières localisations de fonctions cérébrales par Némésius
Au 16ème siècle au cours de la Renaissance va s’effectuer le retour des thèses anatomiques. Léonard de Vinci et Varole dissèquent le cerveau tandis que Vésale va illustrer avec fidélité toutes les circonvolutions et vaisseaux sanguins de notre appareil cérébral. Ils sont les premiers phrénologues.
Léonard De Vinci 1452-1519
Vésale 1514-1564
Varole 1543-1575
Dessin des circonvolutions exactes du cerveau par Vésale
Descartes (1596-1650) quant à lui va se montrer plus radical, pour lui le corps est une machine composée d’os de nerfs et de muscles, esprit plus rationnel qu’anatomiste, il va lier l’âme à la glande pinéale qui est unique mais réalisera une description du fonctionnement des mouvements du corps si précise qu’elle est encore en adéquation avec les théories actuelles sur l’arc réflexe.
René Descartes
Thomas Willis (1621-1675) attribue la primauté au cortex cérébral, il identifie le corps calleux qui sépare les deux hémisphère et isole la matière grise et la matière blanche médullaire (moyen) dont la description est proche de celle qu’on utilise aujourd’hui pour la production d’influx nerveux. Cependant encore une fois pour ne pas s’attirer les foudres de l’église, il va lier l’âme aux corps striés mais accepte l’idée de son caractère immatériel.
Thomas Willis
Découpe du corps calleux en deux hémisphères et isolation de la matière blanche et matière grise par Willis
La fin de l’immatérialité de l’âme
En parallèle Gassendi (1592-1650) qui pourtant fait partie de l’église réhabilite les atomistes grecs et considère que les animaux qui font preuve de mémoire doivent eux-aussi avoir une âme ce qui dévalue beaucoup la supériorité de l’homme sur les animaux.
Gassendi
Le concept d’immatérialité de l’âme va être enterré peu à peu lorsque Vaucanson (1709-1782) dont j’ai déjà parlé dans mon article sur les sciences cognitives aidé par le chirurgien Le Cat (1700-1768) va fabriquer les premiers automates d’animaux avec le canard qui bat des ailes, se déplace, et digère les aliments. La Mettrie (1709-1751) se verra banni par l ‘église pour avoir dit que les hommes sont des animaux machines. Et Cabanis (1757-1808) dira que le cerveau secrète la pensée comme le foie secrète la bile.
Vaucanson
Le Cat
La Mettrie
Cabanis
La phrénologie
Franz Joseph Gall (1757-1828) achève la laïcisation du cerveau (rupture avec l’église) déjà bien entamée par La Mettrie et Cabanis. Il se distingue également des thèses sensualistes de John Locke (1632-1704) et Etienne de Condillac (1714-1780) (primauté des sens). En effet, véritable père de la phrénologie Gall va décrire 35 facultés morales et psychiques propre à l’être humain et les cartographier au cortex cérébral. Gall est un localisationniste mais ses méthodes sont très discutables, il va abandonner l’étude des circonvolutions ( dissection des aires du cerveau ) pour développer la science des crânes ou cranioscopie directement issue de la phrénologie.
Franz Joseph Gall
Etienne de Condillac
John Locke
Cartographie complète des fonctions du crâne par Gall (35)
Deuxième débat sujet à controverses: Unité ou fragmentation du cerveau ? Unitaristes contre Localisationnistes
Flourens (1772- 1844) dont les idées sont très appréciées par l’église et l’état va mettre Gall à rude épreuve. Il va pratiquer des ablations (méthode utilisée encore aujourd’hui) dont les résultats confirment les thèses localisationnistes mais va en faire une interprétation unitariste. Il considère que par l’ablation de certaines zones du cortex, toutes les fonctions générales disparaissent peu à peu (unité) alors qu’en fait chaque zone du cerveau à une fonction bien précise.
Pierre Flourens
En parallèle, François Leuret (1797-1851) et Pierre Gratiolet (1815-1865) vont établir les premières cartographies presque exacte des circonvolutions du cerveau. On leur doit la scissure de Rolando et la scissure de Sylvius et la découpe en différent lobes : pariétal, temporal, occipital, frontal.
Leuret
Gratiolet
Scissure de Rolando
Scissure de Sylvius
Jean baptiste Bouillaud (1797-1861) élève de Gall et continuateur de ses travaux va essayer de faire le lien entre langage et certaines aires du cerveau. Il invente l’anatomopathologie qui deviendra par la suite la neuropsychologie.
Jean Baptiste Bouillaud
Paul Broca (1824-1880), réussit cet objectif notamment avec le patient du nom de Leborgne dont on étudiera le cerveau après la mort. Leborgne n’arrivait pas à formuler une phrase mais répétait toujours « tan-tan ». Son cerveau présentait une lésion dans le lobe frontal de l’hémisphère gauche. On fait donc le lien entre la production du langage et cette zone corticale. Broca va donc cartographier toutes les zones du cerveau de manière fonctionnelle. Il va mettre en valeur une asymétrie entre les deux hémisphères du cerveau ce que ne soupçonnait pas Gall.
Paul Broca
Korbinian Brodmann (1868-1918) va ainsi proposer une carte fonctionnelle complète des aires du cerveau humain et du singe qu’on utilise toujours aujourd’hui.
Korbinian Brodmann
La carte des aires de Brodmann
Les localisationnistes s’imposent donc vers 1900 bien que certains unitaristes pensent toujours qu’ils ont raison. Ainsi il faut souligner le point de vue du docteur Head qui émet une critique plus nuancé du localisationnisme. Il explique que la localisation n’est pas intrinsèquement liée qu’au cortex et qu’elle est trop simpliste pour rendre compte intégralement du fonctionnement du système nerveux. Ses critiques vont stimuler encore plus la recherche des vainqueurs du débat.
Henry Head
Pendant ce temps, Van Leeuwenhoek (1632-1723) et Robert Hooke (1635-1703) découvrent la cellule dans les tissus végétaux et dans le sang. On cherche alors à répondre à la question suivante : de quoi la matière grise et blanche sont constituées ?
Van Leeuwenhoek
Robert Hooke
L’histologie du neurone
L’histologie est l’étude grâce aux microscopes, d’abord rudimentaires, au fil du temps les microscopes vont devenir de plus en plus précis en passant de l’optique à l’électronique.
Mais n’allons pas trop vite Malpighi (1628-1694) observe pour la première fois un cerveau avec un appareil grossissant en 1685.
Marcello Malpighi
Van Leeuwenhoek observe les nerfs avec un appareil d’optique rudimentaire si bien qu’ils croient que les nerfs sont creux. En fait il observe les axones composés d’une gaine de myéline (substance blanche).
Jusqu’en 1824 et Dutrochet (1776-1846), les observations au microscope ne progressent pas jusqu’à ce que que celui-ci découvre le corps cellulaire ou soma. Plus tard Valentin découvrira les queues protoplasmiques qui sont les dendrites. Deiters (1834-1863) dans une lettre posthume va conclure que le soma (voir aussi pericaryon) a un noyau et un cytoplasme que l’axone est unique et que les dendrites sont ramifiées.
Dutrochet
Deiters
Malheureusement ? Comment confirmer ? En effet les somas ne s’assemblent pas entre eux. Les neurones s’assemblent par les dendrites ce qui est impossible à voir au microscope optique à l’époque.
C’est ainsi que naît le troisième débat sujet à controverse :
Troisième débat sujet à controverses : Système nerveux continu ou contigu ? Réticularistes contre Neuronistes.
Joseph Von Gerlach (1820-1896) chef de file des réticularistes (voir la définition de réticule en médecine) identifie un plexus dendritique grâce à la coloration au chlorure d’or. En réalité ce plexus est un artefact et Golgi réticulariste tout comme lui qui enseigne l’histologie à Pavie met au point une coloration : la réazione néra qui révèle l’intégralité de la cellule nerveuse avec ses axones et ses dendrites. Spécialiste du cortex, il croit voir un réseau axonal continu et avouera en 1906 qu’il ne peut abandonner l’idée d’une thèse ou le système nerveux serait continu. En fait derrière les thèses réticularistes transpirent les thèses unitaristes.
Golgi
Joseph Von Gerlach
Réaction noire de Golgi
Première estocade portée à Golgi par Wilhelm Kuhne (1837-1900), en effet celui-ci décrit que quand le nerf moteur arrive au niveau de la fibre, il ne pénètre jamais dans le muscle ou cylindre contractile.
Wilhelm Kuhne
Wilhelm His (1831-1904), embryologiste suisse va porter un autre coup : en effet le neurone au stade embryonnaire est dépourvue de neurites qui sont les axones et les dendrites.
Wilhelm His
Viennent se mêler les psychiatres, Freud (1856-1939) de formation neurologiste fait des travaux d’anatomie qu’il pense venir au soutien des thèses réticularistes pendant que Forel (1848-1931) étudie la dégénérescence du réseau axonal et dendritique et analyse que les unités endommagés ne pénètre pas le corps cellulaire. (neuroniste)
Sigmund Freud
Forel
Le coup final à l’avantage des neuronistes est porté par Ramon y Cajal (1852-1934) grâce à un type de cellules spéciales qu’on appelle les cellules de Purkinje dans le cervelet qui possèdent un axone en corbeille du corps cellulaire et qu’il est anatomiquement indépendant de la cellule cible.
Ramon y Cajal
Cellules de Purkinje
La microscopie électronique confirmera les thèses des neuronistes dont le mot neurone et chromosome viennent de Waldeyer. Plus encore elle mettra en évidence le fait que le système nerveux est contigu et que l’espace entre ces neurones est comblé par la synapse dont le nom vient de Sherrington (1857-1952)
Waldeyer
L’électricité et les substances médicamenteuses
Francis Glisson (1577-1677) professeur de physique de l’université de Cambridge extrapolait déjà en réaction à la machinerie de Descartes, une thèse à propos de l’excitabilité des tissus nerveux ainsi qu’une sensibilité propre à ces nerfs.
Francis Glisson
Albrecht Von Haller (1708-1777) expérimentera à l’aide d’alcool, de potasse caustique et de vitriol le deuxième point : les muscles se contractent. Mais quelle est la substance qui provoque cette contraction ?
Von Haller
Luigi Galvani (1737-1798) qui travaille sur l’électricité atmosphérique utilise une barre de fer et implante la moelle épinière de la grenouille avec un crochet en cuivre et les pattes se contractent. Volta (1745-1827) son compatriote conteste, pour lui Galvani n’a prouvé que la conduction de l’électricité métallique et il a raison. On devra d’ailleurs à Volta la création de la pile et en son honneur l’unité de tension électrique.
Luigi Galvani
Alessandro Volta
Galvani réagit et enlève la moelle épinière du corps de la grenouille, dénude une cuisse et la met en contact avec la moelle, la cuisse se contracte encore. Voici une autre controverse entre électricité métallique et animale qui ne prendra fin qu’avec Mateucci en 1838 et grâce à un appareil électrique qui va enregistrer un courant propre issu du muscle : le galvanomètre dont le nom dérive de Galvani.
On va donc passer de la biologie à la physique et ce grâce à Du Bois Reymond (1818-1896) qui va porter la physiologie mécanique ancêtre de ce qu’on appelle aujourd’hui la biophysique. Il montre que le signal qui se propage le long du nerf est une onde de négativité qui se transforme en courant électrique et en potentiel d’action.
Du Bois Reymond
Von Helmholtz (1821-1894) applique son expertise de la balistique pour mesurer la vitesse du courant électrique et celui-ci est bien inférieur à la vitesse du courant dans un fil de cuivre et même du son (340 m/s) pour atteindre entre 25 et 40 m/s.
Von Helmholtz
Ainsi Mateucci et Flourens vont essayer de stimuler le cortex chimiquement et électriquement sur des grenouilles pour en activer les cuisses, mais rien ne se passe. Au grand plaisir de Flourens qui s’était déjà opposé à Gall et dont les thèses spiritualistes sont très en vogue à l’époque.
Mais Fritz et Hitzig deux médecins berlinois sont sur d’eux, ils ont vu un mouvement des yeux sur l’homme après stimulation corticale. Ils entreprennent alors des expériences sur les chiens, animal voisin de l’homme et constatent bien un mouvement oculaire. Mais comme dirait Volta, cela ne veut pas dire que le cortex génère sa propre électricité !
Caton (1842-1926) vient à leur secours, en 1875, il place une électrode sur la matière grise du lapin et avec son galvanomètre obtient une mesure du courant électrique. Lorsqu’il expose la rétine à une onde lumineuse il obtient un signal plus fort. Caton invente là l’électroencéphalographie(ECG) : Le cortex cérébral génère donc lui aussi des ondes électriques.
Richard Caton
Mais que se passe t-il alors entre la terminaison de l’axone moteur et le muscle ? Si les neuronistes ont raison que le système nerveux est contigu et non continu comment en rendre compte ?
La pharmacologie
Claude Bernard (1813-1878) en 1857 tente de montrer l’effet du curare utilisé par les amérindiens sur des flèches pour paralyser leur proie sur le système nerveux. Il postule la mort du nerf moteur une fois le curare introduit. Mais il se trompe, le curare ne fait qu’interrompre la communication entre le nerf moteur et les muscles. On suppose alors une substance chimique analogue au curare qui assurerait la communication dans le système nerveux.
Claude Bernard
Elliott apporte la solution avec la vessie du chat et sa stimulation par l’adrénaline isolée quelques années plus tôt. L’adrénaline se comporte donc comme un stimulant libéré chaque fois que l’influx nerveux arrive à la périphérie. Plusieurs dizaines d’années après, l’acétylcholine sera identifiée comme la substance produite par la cellule nerveuse qui assurent le transfert du signal électrique par la synapse.
Pharmacologistes et biochimistes vont alors découvrir dès 1940 par Martha Louise Vogt que de l’acétylcholine est présente dans le cortex central.
Martha Vogt
Von Euler (1905-1983) va isoler la noradrénaline que Hillarp (1916-1965) et ses collègues suédois vont détecter par fluorescence sur des coupes histologiques des neurones qui en contiennent. Le système nerveux se pense donc maintenant en cations sodium, potassium, calcium, molécules et en neurotransmetteurs.
Ulf Von Euler
Voilà donc l’histoire synthétisée des neurosciences d’Aristote jusqu’à peu de temps avant nos jours. Je m’attaquerai volontiers quand j’aurai plus de temps au fonctionnement général du cerveau de manière détaillée dans plusieurs articles à suivre au sein de la catégorie Neurosciences.
