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Une application pour étudier la sommation temporelle

par Philippe Cosentino

Dans la partie “Corps humain et santé” des nouveaux programmes de spécialité SVT de terminale, l’intégration nerveuse est abordée, et notamment les notions de sommations spatiales et temporelles (citées comme notions fondamentales).

Extrait du B.O. : “Notions fondamentales : intégration par le neurone moteur, sommation temporelle et spatiale, aire motrice, plasticité cérébrale.”

Pour la sommation spatiale, nous proposions déjà une application en ligne, hébergée sur l’académie de Nice (voir fin de l’article pour l’URL).

L’application que nous vous présentons cette fois-ci permet de traiter la sommation temporelle.

Présentation de l’interface

L’interface du logiciel est divisée en 3 parties :

  • la moitié basse de l’écran correspond au matériel biologique, c’est à dire une chaîne composée de 4 éléments : un récepteur sensoriel (de type corpuscule de Pacini), un neurone sensitif (tel que celui étudié dans le réflexe myotatique), un motoneurone, une cellule musculaire
  • le quart supérieur gauche correspond au dispositif de stimulation, qui peut être mécanique ou électrique
  • le quart supérieur droit correspond au dispositif d’enregistrement (à la manière d’un oscilloscope), où les variation de différence de potentiel électrique mesurées par les 2 électrodes en verre apparaissent
Capture d'écran du logiciel "Sommation temporelle"

Capture d’écran du logiciel “Sommation temporelle”

 

Utilisation du dispositif de stimulation

L’élève peut stimuler le neurone sensitif de deux façon :

  • en comprimant le récepteur sensoriel (stimulation mécanique), à l’aide d’un curseur mobile
  • en envoyant une brève décharge électrique directement au niveau de la fibre du neurone sensitif, en appuyant sur la barre d’espace ou sur le bouton “Stimuler” (un potentiel d’action unique sera engendré à chaque appui)

Aspect de l’interface lorsqu’on choisit une stimulation électrique

 

Enregistrement du signal

Un dispositif enregistre en permanence la différence de potentiel électrique entre les 2 électrodes de verre sélectionnées (il est possible de changer la paire d’électrodes actives en cliquant sur une autre paire).

L’enregistrement est continu, et défile de gauche à droite.

Par ailleurs, les potentiels d’action sont également visibles directement sur les fibres nerveuses, sous la forme de disques jaunes.

Il est possible de mettre l’application en pause en cliquant sur le bouton “Pause” situé en haut à gauche de ce dispositif.

Train de potentiels d’action enregistré au niveau de l’axone du motoneurone.

 

Exploitation du modèle

En plaçant les électrodes sur les positions 1, 2 et 4 (fibres nerveuses), l’élève peut remobiliser ce qu’il a déjà acquis au sujet des potentiels d’action :

  • leur amplitude ne varie pas (que l’on enregistre en 1 ou en 2)
  • lorsque l’intensité de la stimulation (mécanique) augmente, la fréquence des potentiels d’action augmente

La nouveauté pour eux, c’est ce qu’il se passe au niveau de l’emplacement 3 (dans le corps cellulaire, à proximité de l’élément post-synaptique).

Exemple d’enregistrement obtenu en position 3

L’élève constate alors qu’à chaque fois qu’un potentiel d’action arrive au niveau de la synapse, des neuromédiateurs (visibles à l’écran sous forme de points) sont libérés (c’est normalement un acquis des élèves).

Si le potentiel d’action afférent est isolé, on enregistre alors une dépolarisation, de l’ordre d’une quinzaine de mV, qui n’aboutit toutefois pas à un potentiel d’action. Par la suite, la différence de potentiel enregistrée diminue à nouveau pour revenir à la valeur du potentiel de repos.

Si plusieurs potentiels d’action parviennent à la synapse, on constate que les dépolarisations s’additionnent dans le temps jusqu’à atteindre une valeur seuil (autour de -30mV) au delà de laquelle un potentiel d’action est engendré. C’est cela que l’on appelle la sommation temporelle.

En faisant varier la fréquence des potentiels d’action afférents, l’élève constatera plus précisément :

  • qu’en dessous d’une certaine fréquence, les dépolarisations ne s’additionnent pas, la polarité ayant le temps à chaque fois de revenir à sa valeur de repos
  • que plus la fréquence du train de potentiel d’actions afférents est élevée, plus la valeur seuil sera atteinte rapidement, et par conséquent, plus la fréquence des potentiels d’action engendrée au niveau du motoneurone sera elle aussi élevée

 

Ainsi, grâce à ce modèle, et sans parler explicitement de PPSE (cette notion n’étant pas au programme), l’élève pourra construire par lui-même la notion de sommation temporelle.

 

Liens

Lien vers l’application “Sommation temporelle” :
https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/somtemp/

Dossier web à télécharger pour une utilisation “hors ligne” :
https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/somtemp/somTemp.zip

Lien vers l’article décrivant l’application “Sommation spatiale” :
https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/flash/somspat/