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Le système nerveux central (SNC) humain est constitué du cerveau et de la moelle épinière, qui hébergent ensemble environ 100 milliards de neurones. Chaque neurone contient un corps cellulaire qui orchestre sa fonction, des dendrites qui reçoivent les signaux des autres neurones et un long axone qui transporte les impulsions électriques.
Des signaux électriques appelés influx nerveux se déplacent le long des axones, permettant une communication rapide au sein du système nerveux.
La neurotransmission est le relais des signaux d'un neurone à un autre. Lorsque l’axone d’un neurone se déclenche, l’influx nerveux qui en résulte atteint les dendrites du neurone suivant. L’impulsion initie alors un autre potentiel d’action, propageant le message plus loin dans la chaîne. La vitesse de cette transmission dépend en grande partie de la présence de myéline, une gaine isolante produite par les cellules de Schwann du système nerveux périphérique (SNP) et des oligodendrocytes du SNC. La myéline s'enroule autour de l'axone, laissant des espaces appelés nœuds de Ranvier. Cette configuration permet aux impulsions de sauter entre les nœuds (un processus appelé conduction saltatoire) augmentant la vitesse jusqu'à environ 250 milles par heure.
Toutes les cellules maintiennent un potentiel membranaire, la différence de tension aux bornes de leur membrane. Au repos, un neurone a une charge interne négative, en grande partie due à une concentration plus élevée d'ions potassium (K⁺) à l'intérieur de la cellule et d'ions sodium (Na⁺) et chlorure (Cl⁻) à l'extérieur. Lorsqu'un stimulus arrive, les canaux Na⁺ dépendants du potentiel s'ouvrent, laissant Na⁺ affluer et dépolariser la membrane. Cette dépolarisation constitue le potentiel d'action, qui ne dure que 1 à 2 millisecondes. Peu de temps après, les canaux K⁺ dépendants du potentiel rouvrent, rétablissant la charge négative (repolarisation). Ce cycle rapide de dépolarisation et de repolarisation transporte l'impulsion électrique le long de l'axone.
Au terminal axonal, le signal électrique est converti en signal chimique. Les neurotransmetteurs sont libérés dans la fente synaptique (l'espace étroit entre les neurones) et se diffusent pour se lier aux récepteurs de la dendrite du neurone post-synaptique. La liaison ouvre les canaux ioniques, modifiant le potentiel membranaire de la cellule postsynaptique et déterminant si elle devient stimulée ou inhibée. Ensuite, les neurotransmetteurs sont soit dégradés par voie enzymatique, soit réabsorbés (recapture) pour être réutilisés. Cette signalisation chimique s'étend au-delà des neurones, permettant au système nerveux de coordonner les muscles, les glandes et d'autres organes.