Lycée · Terminale · Spécialité SVT
Le cerveau et les fonctions cognitives
Organisation cérébrale, plasticité synaptique et bases neurales des fonctions supérieures (programme de Terminale Spécialité SVT)
À propos de cette page
Organisation générale du système nerveux central
Le système nerveux central (SNC) comprend l'encéphale (cerveau, cervelet, tronc cérébral) et la moelle épinière. L'encéphale est protégé par la boîte crânienne et les méninges, et baigné par le liquide céphalo-rachidien (LCR).
Le cerveau est divisé en lobes : frontal (planification, langage, motricité), pariétal (intégration sensorielle), temporal (mémoire, audition) et occipital (vision). En profondeur se trouvent des structures sous-corticales cruciales : l'hippocampe (mémoire), l'amygdale (émotions), les noyaux gris centraux (ganglions de la base, motricité automatique) et le thalamus (relais sensoriel).
Organisation des principales structures de l'encéphale.
Structure et fonctionnement du neurone
Le neurone est la cellule de base du système nerveux. Il est composé de :
- Le corps cellulaire (soma) : contient le noyau et les organites.
- Les dendrites : prolongements courts, récepteurs des signaux entrants.
- L'axone : prolongement long (jusqu'à 1 m), couvert d'une gaine de myéline (sauf aux nœuds de Ranvier), conduit l'influx nerveux vers les synapses.
Les ions impliqués :
| Phase | Ion | Mouvement |
|---|---|---|
| Dépolarisation | Na⁺ | Entrée massive dans la cellule |
| Repolarisation | K⁺ | Sortie de la cellule |
| Hyperpolarisation | K⁺ | Sortie prolongée |
La transmission synaptique
La synapse est la zone de communication entre deux neurones (ou entre un neurone et une cellule effectrice). Elle comprend :
- Un neurone pré-synaptique avec des vésicules de neurotransmetteurs.
- Une fente synaptique (20–40 nm).
- Une membrane post-synaptique avec des récepteurs spécifiques.
Principaux neurotransmetteurs :
| Neurotransmetteur | Rôle principal | Pathologie associée |
|---|---|---|
| Glutamate | Excitateur (SNC) | Excitotoxicité (AVC) |
| GABA | Inhibiteur (SNC) | Épilepsie, anxiété |
| Dopamine | Récompense, motricité | Parkinson, addiction |
| Sérotonine | Humeur, sommeil | Dépression |
| Acétylcholine | Motricité, mémoire | Myasthénie, Alzheimer |
Après sa fixation, le neurotransmetteur est éliminé par recapture (dans le neurone pré-synaptique), par dégradation enzymatique ou par diffusion.
La plasticité synaptique
La plasticité synaptique est la capacité des synapses à modifier leur efficacité en réponse à leur activité. C'est le fondement neurobiologique de l'apprentissage et de la mémoire.
Mécanismes cellulaires de la PLT :
- Entrée de Ca²⁺ par les récepteurs NMDA.
- Activation de protéines kinases (CaMKII).
- Insertion de nouveaux récepteurs AMPA dans la membrane post-synaptique → augmentation de la réponse au glutamate.
- À long terme : synthèse de nouvelles protéines et croissance de nouvelles épines dendritiques (plasticité structurale).
Étapes successives de la potentialisation à long terme (PLT).
La plasticité synaptique est aussi à la base du développement cérébral postnatal : les connexions peu utilisées sont éliminées (élagage synaptique) tandis que celles sollicitées se renforcent, notamment pendant les périodes critiques (ex. : développement visuel).
Les aires cérébrales et la cartographie corticale
La cartographie corticale (ou représentation somato-sensorielle/motrice) est une organisation topographique du cortex : chaque région du corps est représentée dans une zone précise du cortex. Elle a été établie par stimulation électrique du cortex chez des patients éveillés (travaux de Penfield, XXe siècle) et par neuro-imagerie (IRMf) plus récemment.
| Aire corticale | Localisation | Fonction |
|---|---|---|
| Aire motrice primaire | Lobe frontal (gyrus précentral) | Commande volontaire des muscles |
| Aire somato-sensorielle primaire | Lobe pariétal (gyrus post-central) | Réception des sensations corporelles |
| Aire visuelle primaire (V1) | Lobe occipital | Traitement de l'information visuelle |
| Aire auditive primaire | Lobe temporal | Traitement des sons |
| Aire de Broca | Lobe frontal gauche | Production du langage |
| Aire de Wernicke | Lobe temporal gauche | Compréhension du langage |
Le cortex associatif (préfrontal, pariétal postérieur, temporal inférieur) intègre les informations multimodales et soutient les fonctions supérieures (mémoire de travail, prise de décision, conscience).
La mémoire : types et mécanismes
La mémoire n'est pas une entité unique : différents systèmes mnésiques, aux bases neurales distinctes, coexistent.
| Type de mémoire | Durée | Structure impliquée | Exemple |
|---|---|---|---|
| Mémoire sensorielle | < 1 s | Cortex sensoriel primaire | Image rémanente |
| Mémoire de travail (CT) | Quelques secondes | Cortex préfrontal | Retenir un numéro de téléphone |
| Mémoire épisodique (LT) | Jours à toute la vie | Hippocampe → cortex | Souvenir de vacances |
| Mémoire sémantique (LT) | Toute la vie | Cortex temporal | Connaissance des capitales |
| Mémoire procédurale (LT) | Toute la vie | Cervelet, noyaux gris | Faire du vélo |
Le rôle clé de l'hippocampe a été mis en évidence par le cas H.M. (Henry Molaison) : après ablation bilatérale de l'hippocampe, il ne pouvait plus former de nouveaux souvenirs épisodiques (amnésie antérograde), mais conservait ses souvenirs anciens et sa mémoire procédurale.
Étapes de la consolidation mnésique : de l'encodage au stockage cortical durable.
Le langage et les autres fonctions cognitives supérieures
Le langage est une fonction cognitive supérieure propre à l'espèce humaine. Il repose sur deux aires corticales principales, situées dans l'hémisphère gauche (dominant pour le langage chez 95 % des droitiers) :
- Aire de Broca (lobe frontal gauche, aire 44/45 de Brodmann) : production du langage, structure grammaticale. Sa lésion provoque une aphasie de Broca : le patient comprend mais ne peut pas s'exprimer correctement (langage haché, agrammatisme).
- Aire de Wernicke (lobe temporal gauche, aire 22) : compréhension du langage. Sa lésion provoque une aphasie de Wernicke : le patient parle couramment mais de façon incohérente et ne comprend pas ce qu'on lui dit.
Ces deux aires sont reliées par le faisceau arqué. L'aphasie de conduction (lésion du faisceau arqué) altère la répétition tout en épargnant relativement la production et la compréhension.
D'autres fonctions cognitives supérieures sont assurées par le cortex préfrontal : mémoire de travail, planification, inhibition, flexibilité mentale, fonctions exécutives. Ces fonctions permettent d'adapter le comportement à des situations nouvelles.
Perturbations des fonctions cognitives
Les fonctions cognitives peuvent être perturbées par diverses causes : lésions cérébrales (AVC, traumatismes), maladies neurodégénératives, substances psychoactives.
| Pathologie / Cause | Mécanisme | Fonction affectée |
|---|---|---|
| Maladie d'Alzheimer | Agrégats de protéines tau et amyloïde → mort neuronale (hippocampe d'abord) | Mémoire épisodique, puis démence globale |
| Maladie de Parkinson | Dégénérescence des neurones dopaminergiques (substance noire) | Motricité, fonctions exécutives |
| AVC | Ischémie ou hémorragie → mort neuronale locale | Variable selon la zone atteinte |
| Cannabis (THC) | Mimétisme des endocannabinoïdes → perturbation des synapses hippocampiques | Mémoire de travail, attention |
| Cocaïne | Blocage de la recapture de la dopamine → hyperactivation du circuit de récompense | Addiction, fonctions exécutives |
- Le cerveau est organisé en aires spécialisées (motrices, sensorielles, associatives) cartographiées par neuro-imagerie.
- Le potentiel d'action, loi du tout ou rien, se propage de façon saltatoire le long de l'axone myélinisé.
- La synapse transmet l'influx via des neurotransmetteurs (glutamate, GABA, dopamine…) libérés par exocytose.
- La plasticité synaptique (PLT) est le mécanisme cellulaire de l'apprentissage : stimulation répétée → entrée Ca²⁺ par NMDA → renforcement durable.
- L'hippocampe est indispensable à la formation des souvenirs épisodiques ; leur consolidation implique le sommeil.
- Le langage repose sur deux aires gauches : Broca (production) et Wernicke (compréhension).
- Les drogues et maladies neurodégénératives perturbent les fonctions cognitives via des dysfonctions synaptiques.
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