Exercices: Récepteurs et effecteurs

Classer les récepteurs sensoriels selon le type de stimulus qu'ils détectent (photorécepteurs, mécanorécepteurs, chimiorécepteurs, thermorécepteurs et nocicepteurs) et donner un exemple corporel pour chacun.

Distinguer extérocepteurs, intérocepteurs et propriocepteurs, en indiquant où ils se situent et quelle information chaque type apporte.

Citer les trois types d'organes effecteurs de la fonction de relation et donner un exemple de réponse coordonnée pour chacun.

Nommer les cinq sens « classiques » et ajouter au moins deux sens internes moins connus (équilibre, proprioception, faim, soif, douleur viscérale), en indiquant quelle information chacun apporte.

Expliquer le trajet de la lumière dans l'œil (cornée, pupille, cristallin, humeur vitrée, rétine) et le rôle de chaque élément, en indiquant où se forme l'image et où elle est transformée en signal nerveux.

Distinguer les bâtonnets et les cônes de la rétine : ce que détecte chaque type (lumière faible ou couleur et détail), où il est abondant (périphérie ou fovéa) et pourquoi nous voyons en noir et blanc la nuit.

Décrire le trajet du son dans l'oreille (pavillon, conduit auditif, tympan, osselets, cochlée) et expliquer dans quelle structure les vibrations sont converties en messages nerveux.

Distinguer le goût et l'odorat, et expliquer pourquoi, lors d'un gros rhume, les aliments « n'ont plus aucun goût », en s'appuyant sur l'olfaction rétronasale et sur la notion de saveur comme combinaison des deux sens.

La peau contient plusieurs types de récepteurs (toucher, pression, température et douleur). Expliquer quel avantage procure cette intégration sensorielle et décrire ce qui se passe quand on touche en même temps quelque chose de froid, de rugueux et de piquant.

Comparer l'œil composé d'un insecte et l'œil d'un vertébré : structure de base de chacun, type d'image formée et avantage que chaque conception offre à l'animal qui la possède.

Face à un bruit brusque, les pupilles se dilatent et le cœur s'accélère, comme le résume le schéma. Indiquer quel élément de la chaîne (récepteur, centre nerveux ou effecteur) représente chaque case numérotée (1 à 4) et quelle partie du système nerveux (volontaire ou autonome) contrôle chaque étape.

Expliquer en quel point se forme l'image dans un œil myope et dans un œil hypermétrope (devant ou derrière la rétine), quel type de lentille corrige chaque défaut (divergente ou convergente) et quels facteurs sont liés à l'augmentation de la myopie chez les jeunes (travail de près, peu d'heures passées en plein air).

L'oreille interne est aussi l'organe de l'équilibre. Expliquer ce que détectent les canaux semi-circulaires et l'utricule (rotations et accélérations, position de la tête) et pourquoi le mal de mer sur un bateau résulte d'un conflit entre ce que perçoit la vue et ce que perçoit l'oreille interne (cinétose).

Les nocicepteurs nous avertissent d'une lésion. Expliquer le rôle protecteur de la douleur et justifier pourquoi les personnes atteintes d'insensibilité congénitale à la douleur subissent des brûlures, des fractures et des infections qu'elles ne détectent pas à temps.

Le bout des doigts distingue deux piqûres espacées d'un millimètre ; le dos, seulement si elles sont espacées de plusieurs centimètres. Expliquer le test de discrimination de deux points, ce qui le détermine (densité de récepteurs et territoire cortical) et ce qu'il révèle de la sensibilité de chaque zone.

Qu'est-ce que l'homoncule sensoriel ? Expliquer comment le corps est représenté dans le cortex somatosensoriel, pourquoi les lèvres et les mains occupent un territoire bien plus grand que le dos ou les cuisses, et ce que cela signifie quant à l'importance de chaque zone pour le toucher.

Une équipe de recherche enregistre l'activité électrique de deux neurones sensoriels différents soumis à un stimulus mécanique continu et d'intensité constante, appliqué pendant 10 secondes :

• Dans le neurone A, la fréquence des potentiels d'action chute rapidement jusqu'à zéro au bout de 0,8 seconde, alors que le stimulus reste actif.

• Dans le neurone B, la fréquence des potentiels d'action diminue légèrement au début, mais reste élevée et constante pendant les 10 secondes complètes.

1. a) Déduire en justifiant lequel de ces enregistrements correspond à un récepteur à adaptation rapide (phasique) et lequel à un récepteur à adaptation lente (tonique). Associer chaque comportement à un exemple fonctionnel du corps humain : la perception du frottement des vêtements sur la peau et la détection de la douleur causée par une brûlure prolongée (nociception).
2. b) Justifier, d'un point de vue évolutif et de survie, pourquoi il serait inadapté, voire fatal, pour un animal que ses nocicepteurs présentent le même schéma d'adaptation sensorielle que les récepteurs olfactifs ou tactiles face à un stimulus nocif constant.

Lors d'une consultation médicale, on évalue l'équilibre de deux patients grâce au test de Romberg (rester debout, pieds joints et bras le long du corps, d'abord les yeux ouverts puis fermés) :

• Le patient 1 reste stable les yeux ouverts, mais perd immédiatement l'équilibre et vacille, avec un risque de chute, dès qu'il ferme les yeux.

• Le patient 2 présente une instabilité et une démarche chancelante aussi bien les yeux ouverts que fermés, sans amélioration visuelle notable.

1. a) Sachant que l'un des patients souffre d'une dégénérescence des voies proprioceptives des cordons postérieurs de la moelle spinale et que l'autre présente une atrophie du cervelet, déduire en justifiant quel diagnostic correspond à chacun à partir de l'intégration multisensorielle de l'équilibre.
2. b) Une personne en bonne santé peut garder l'équilibre sur un vélo en mouvement les yeux fermés pendant quelques secondes, mais échoue si elle essaie de le faire avec le vélo complètement à l'arrêt, sans poser les pieds. Expliquer quelle information sensorielle dynamique apportent les canaux semi-circulaires de l'oreille interne et le mouvement de pédalage, par rapport à l'équilibre purement statique.

Dans un laboratoire de neurophysiologie, on analyse l'effet de deux toxines :

• La toxine X bloque spécifiquement les récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine de la plaque motrice du muscle squelettique, sans altérer les récepteurs muscariniques.

• La toxine Y agit comme un antagoniste compétitif puissant des récepteurs muscariniques de l'acétylcholine dans les viscères et les glandes.

1. a) Prévoir en justifiant les effets immédiats de l'intoxication par la toxine X sur la ventilation pulmonaire (diaphragme), le péristaltisme intestinal et le diamètre des pupilles.
2. b) Un élève affirme : « Comme le système somatique contrôle les actes volontaires et le système autonome les actes involontaires, la toxine X n'affectera aucun réflexe spinal, alors que la toxine Y paralysera tous les mouvements automatiques du corps ». Réfuter son affirmation en analysant ce qui se passe pour le réflexe rotulien sous l'effet de la toxine X et pour le rythme cardiaque sous l'effet de la toxine Y.
3. c) Laquelle des deux intoxications nécessitera de toute urgence une intubation avec ventilation mécanique assistée pour éviter la mort par asphyxie ? Justifier la réponse d'après le type d'innervation motrice du diaphragme.

Un patient amputé du bras gauche au-dessus du coude présente une expérience sensorielle frappante : lorsqu'on touche sa joue gauche avec un coton-tige, les yeux fermés, il affirme sentir nettement des caresses sur le pouce et l'index de sa main gauche amputée. De plus, il souffre de douleurs intenses car il sent sa main fantôme fermée en un poing rigide et crispé, les ongles enfoncés dans la paume.

1. a) En s'appuyant sur la distribution de l'homoncule somatosensoriel de Penfield dans le cortex pariétal, expliquer pourquoi la stimulation tactile du visage déclenche des sensations dans les doigts de la main absente. Quel phénomène de neuroplasticité et de réorganisation corticale sous-tend cette observation ?
2. b) Le cerveau du patient continue d'envoyer des ordres moteurs à la main pour ouvrir le poing, mais ne reçoit aucun signal proprioceptif en retour, ce qui entretient une boucle de douleur. Concevoir un protocole de thérapie par miroir (boîte à miroir de Ramachandran) et prévoir quel signal visuel le patient doit produire pour tromper son cortex sensorimoteur et soulager le spasme fantôme.

La rétine humaine trichromate normale possède trois types de cônes dont les photopigments (opsines) ont des maxima d'absorption à des longueurs d'onde différentes : S (bleu, ~420 nm), M (vert, ~530 nm) et L (rouge, ~560 nm). Les gènes codant les opsines M et L sont situés en tandem sur le chromosome X.

1. a) Un individu atteint de deutéranopie est totalement dépourvu d'opsine M fonctionnelle. Si l'on lui projette deux faisceaux lumineux de même radiance, l'un à 540 nm et l'autre à 565 nm, déduire et justifier si son cortex visuel pourra les distinguer comme deux couleurs différentes par comparaison des signaux entre cônes, ou s'il les percevra comme des teintes indiscernables.
2. b) Dans une population à l'équilibre génétique, la prévalence du daltonisme lié au chromosome X chez les hommes est de 6,0 % (0,06). Calculer en justifiant la fréquence allélique attendue, le pourcentage de femmes daltoniennes et le pourcentage de femmes conductrices ayant une vision phénotypiquement normale.
3. c) Une femme à la vision normale dont le père est daltonien a des enfants avec un homme à la vision normale. Justifier la probabilité que leurs fils et leurs filles soient daltoniens. Pourquoi, en raison du processus d'inactivation aléatoire du chromosome X (lyonisation), les femmes conductrices peuvent-elles présenter une mosaïque cellulaire dans la rétine sans manifester de cécité des couleurs cliniquement avérée ?

Dans un service d'oto-rhino-laryngologie, on prend en charge deux cas de surdité neurosensorielle bilatérale profonde :

• Patient A : jeune de 19 ans ayant subi une ototoxicité médicamenteuse qui a provoqué la destruction irréversible des cellules ciliées de l'organe de Corti, mais dont les neurones du ganglion spiral et le nerf vestibulocochléaire (VIIIe paire crânienne) sont intacts.

• Patient B : adulte de 50 ans présentant une compression bilatérale avancée du nerf vestibulocochléaire due à des neurinomes de l'acoustique qui ont interrompu la conduction axonale.

1. a) Justifier pourquoi un implant cochléaire est une option thérapeutique efficace pour le patient A mais totalement inopérante pour le patient B. Décrire le trajet suivi par l'influx électrique depuis l'électrode de l'implant jusqu'au cortex auditif primaire dans le cas où l'implant est viable.
2. b) La membrane basilaire présente une tonotopie : sa base est rigide et étroite (elle entre en résonance avec les hautes fréquences, ou sons aigus), tandis que son apex est souple et large (il entre en résonance avec les basses fréquences, ou sons graves). Expliquer comment l'équipe médicale doit programmer l'activation spatiale des électrodes le long de la cochlée pour que le patient A distingue une voix aiguë (4000 Hz) du son grave d'une grosse caisse (150 Hz).

Dans l'illusion de l'échiquier d'Adelson, un cylindre opaque projette une ombre sur des cases en damier. Le patch A (situé dans une zone éclairée et perçu comme une case gris foncé) et le patch B (situé dans l'ombre et perçu comme une case blanche) renvoient vers les yeux exactement la même irradiance physique (le même nombre de photons par millimètre carré stimule les photorécepteurs de la rétine).

1. a) Si l'on recouvre la scène d'un carton opaque percé de deux petits trous isolant uniquement les cases A et B de leur contexte et de l'ombre, prévoir ce que percevra l'observateur. À partir de ce résultat, justifier la différence formelle entre sensation et perception visuelle.
2. b) Si les deux cases envoient un signal sensoriel identique, pourquoi le cortex visuel s'obstine-t-il à « voir » la case B beaucoup plus claire que la case A quand on observe l'image entière ? Expliquer le concept de constance de la couleur et de la luminosité, et justifier quel avantage adaptatif cela a représenté pour les primates par rapport à l'alternative consistant à enregistrer uniquement la photométrie physique absolue de leur environnement.

Une équipe d'éthologues étudie les mécanismes sensoriels de deux prédateurs à l'aide de montages expérimentaux :

• Expérience 1 : un requin nage dans un bassin avec du sable. Il attaque avec précision un poisson plat vivant enfoui au fond. Si le poisson est remplacé par des morceaux de viande fraîche enveloppés dans un plastique isolant imperméable à l'eau et à l'électricité, le requin passe son chemin. En revanche, si l'on enfouit sous le sable un dipôle électrique émettant un microcourant continu de 5 nV/cm (semblable à l'activité neuromusculaire branchiale de la proie) sans aucune trace chimique de nourriture, le requin se jette sur les électrodes pour les mordre.

• Expérience 2 : on observe des chauves-souris insectivores capturant des papillons de nuit dans l'obscurité. Lorsqu'on introduit des papillons de la famille des Erebidae, on constate qu'ils émettent des trains de clics ultrasonores quand ils détectent que la chauve-souris accélère ses cris d'écholocalisation ; dans ce cas, le pourcentage de captures de la chauve-souris chute de 80 %.

1. a) À partir de l'expérience 1, déduire quel récepteur sensoriel guide l'attaque finale du requin (ampoules de Lorenzini ou chimiorécepteurs olfactifs) et justifier pourquoi la barrière plastique a empêché la détection malgré l'odeur de viande.
2. b) À partir de l'expérience 2, formuler une hypothèse neurophysiologique sur la manière dont les ultrasons émis par le papillon perturbent le système d'écholocalisation de la chauve-souris et interpréter cette interaction comme un cas de coévolution sensorielle prédateur-proie.
3. c) Utiliser les deux exemples pour argumenter le concept d'« Umwelt » de Jakob von Uexküll et justifier pourquoi concevoir un piège à nuisibles en se fondant uniquement sur les capacités sensorielles humaines s'avère souvent inefficace.

Défi du thème. Comment ton corps réagit-il face à une alerte ou à un effort ? Concevoir une investigation à la maison sur le temps de réaction et l'intégration neuroendocrinienne.

1. Recueil de données : Avec l'aide d'une personne de votre foyer, réaliser le test de la règle au repos puis après $1\text{ min}$ d'activité physique intense (comme sauter ou faire des squats). Mesurer la distance de chute ($d$, en mètres) cinq fois par condition et calculer le temps de réaction moyen à l'aide de la formule $t = \sqrt{2d/g}$ (avec $g = 9,8\text{ m/s}^2$). Relever également votre pouls au repos et après l'effort.

2. Traitement : Construire un tableau avec les moyennes obtenues et réaliser un diagramme en barres comparant le temps de réaction et la fréquence cardiaque dans les deux situations.

3. Compte rendu physiologique : Rédiger un compte rendu bref qui interprète les résultats : identifier les récepteurs sensoriels activés, décrire les voies nerveuses afférentes et les effecteurs musculaires impliqués, et expliquer la modulation endocrinienne exercée par l'adrénaline sur la réponse cardiaque et l'état d'alerte.

Seront évalués :

• La rigueur dans le recueil des données expérimentales et un calcul mathématique correct avec la virgule décimale.

• Une représentation graphique claire, ordonnée et correctement légendée.

• Une maîtrise conceptuelle précise des récepteurs, des effecteurs et de la coordination entre le système nerveux et le système endocrinien.