Anxiété : symptômes musculaires et traitement (sujet national, juin 2014, partie 2, ex. 2)

Énoncé

Anxiété : symptômes musculaires et traitement
Synthèse
L'anxiété chronique peut s'accompagner de contractions musculaires brusques et inopinées des muscles squelettiques. Ces contractions musculaires peuvent être soignées par des médicaments antidépresseurs comme les benzodiazépines.
À partir de l'exploitation des documents et de l'utilisation des connaissances, expliquer l'apparition des symptômes musculaires dus à l'anxiété et leur traitement par les benzodiazépines.
Aucune connaissance préalable sur les synapses étudiées ici n'est nécessaire.
L'exploitation du document de référence n'est pas attendue.
Document de référence
Montage expérimental et localisation des expériences menées sur un motoneurone de moelle épinière de mammifère
Montage expérimental et localisation des expériences menées sur un motoneurone de moelle épinière de mammifère
Source : d'après http://www.didier-pol.net/.
Document 1
Résultats expérimentaux d'une stimulation au niveau de S1, de S2 et d'une stimulation simultanée de S1 et S2 chez les mammifères
« Les motoneurones qui commandent des cellules musculaires des muscles squelettiques sont soumis à des informations diverses qu'ils intègrent sous la forme d'un message nerveux unique. Chaque information reçue par le motoneurone perturbe son potentiel de repos ; si cette perturbation atteint un certain seuil, des potentiels d'action se déclenchent.
En période de crise d'anxiété, les informations que les motoneurones intègrent sont modifiées. »

Sujet national, juin 2014, partie 2, exercice 2 - illustration 2
Source : d'après http://www.didier-pol.net/.
Document 2
Effet sur le motoneurone de mammifère d'une injection de GABA ou d'acétylcholine en l'absence de toute stimulation électrique
Effet sur le motoneurone de mammifère d'une injection de GABA ou d'acétylcholine en l'absence de toute stimulation électrique
Source : d'après http://www.didier-pol.net/.
Document 3
Reproduction expérimentale des signes de l'anxiété chez les mammifères
« On peut reproduire expérimentalement la situation des synapses associée à l'anxiété. Pour cela on injecte de la picrotoxine dans la fente synaptique F1.
La picrotoxine est capable de se fixer sur les récepteurs membranaires au neurotransmetteur GABA situés sur le motoneurone. »

Sujet national, juin 2014, partie 2, exercice 2 - illustration 4
Source : d'après www.etudiant-podologie.fr.
Document 4
Action des benzodiazépines chez les mammifères
« De nombreuses substances utilisées en médecine comme médicaments se lient spécifiquement aux récepteurs membranaires.
Les benzodiazépines (comme le Valium® et le Librium®) sont des tranquillisants (utilisés contre l'anxiété) qui se fixent de manière spécifique aux récepteurs membranaires du GABA. »

Sujet national, juin 2014, partie 2, exercice 2 - illustration 5
Source : d'après Jean-Claude Orsini, Jean Pellet, Introduction biologique à la psychologie, Bréal.
Comprendre la question
Il s'agit de comprendre l'origine des contractions musculaires involontaires en cas d'anxiété chronique et d'expliquer comment les benzodiazépines permettent de lutter contre ces contractions. Pour répondre à ces questions, l'énoncé propose l'étude d'un montage expérimental présenté dans le document de référence. Le montage expérimental permet l'enregistrement de l'activité du motoneurone en contact avec deux neurones pré-synaptiques. Les variations du potentiel de membrane du motoneurone sont enregistrées dans différentes conditions : stimulations électriques des neurones pré-synaptiques, injection dans les fentes synaptiques de neuromédiateurs et de picrotoxine mimant l'effet de l'anxiété, ou encore présence de benzodiazépines. Les expériences sont à analyser soigneusement, en mentionnant les valeurs des potentiels membranaires enregistrés. Chaque expérience conduit à une conclusion mettant en évidence un aspect du contrôle de l'activité du motoneurone. L'énoncé précise que la réponse attendue se structure en 2 parties. La première partie correspond, à partir de l'étude de l'activité du motoneurone, à l'explication de l'origine des contractions musculaires involontaires liées à l'anxiété. La seconde partie vise à expliquer l'action des benzodiazépines, qui traitent les contractions musculaires dues l'anxiété. Le document de référence n'est pas à analyser en lui-même mais il est nécessaire pour exploiter les expériences des documents 1 à 4. Comme l'indique l'énoncé, aucune connaissance sur les synapses n'est requise pour traiter le sujet car les informations peuvent être déduites des documents. Certaines connaissances sont cependant rappelées dans le corrigé proposé. Cet exercice est assez difficile car l'analyse des documents est longue et doit être menée avec rigueur.
Procéder par étapes
1re étape : identifier le type de réponse attendue.
La réponse attendue comprend une introduction, un développement structuré s'appuyant sur l'exploitation rigoureuse des documents associée à l'utilisation des connaissances et une conclusion. Aucun schéma n'est attendu.
2e étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique.
3e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et des connaissances.
Le tableau ci-après présente un exemple de démarche construite au brouillon.
Parties du problème
Éléments issus des documents
Éléments issus des connaissances
Introduction : Comment expliquer l'apparition de brusques contractions musculaires en cas d'anxiété chronique et comment justifier que les benzodiazépines permettent de les traiter ?
Comment expliquer l'apparition de brusques contractions musculaires en cas d'anxiété chronique ?
Doc. 1 et de réf. Stimulation en S1 : hyperpolarisation, absence de potentiels d'action dans le motoneurone et de contraction musculaire. S1 est donc une synapse inhibitrice. Stimulation en S2 : dépolarisation, présence de potentiels d'action dans le motoneurone et d'une contraction musculaire. S2 est donc une synapse excitatrice. Stimulation en S1 et S2 : faible dépolarisation, absence de potentiels d'action dans le motoneurone et de contraction musculaire. Intégration nerveuse du motoneurone.
Doc. 2 et de réf. Injection de GABA en F1 : hyperpolarisation. Le GABA est donc un neurotransmetteur inhibiteur. Injection d'acétylcholine en F1 : dépolarisation. L'acétylcholine est donc un neurotransmetteur excitateur.
Doc. 3 et de réf. Stimulation en S1 sans picrotoxine : hyperpolarisation. Stimulation en S1 avec picrotoxine : absence de modification du potentiel membranaire du motoneurone. L'anxiété entraîne une levée de l'inhibition du motoneurone, d'où les contractions musculaires.
Le motoneurone commande la contraction musculaire. Il conduit un message nerveux codé en fréquence de potentiel d'actions. La synapse est la zone de contact entre deux neurones. À l'arrivée d'un message nerveux dans le neurone pré-synaptique, celui-ci libère des neurotransmetteurs dans la fente synaptique qui se fixent sur des récepteurs spécifiques de la membrane plasmique du neurone post-synaptique, déclenchant un message nerveux. Le motoneurone intègre les informations nerveuses qu'il reçoit de différents neurones en un message nerveux unique.
Comment justifier que les benzodiazépines permettent de traiter les contractions musculaires liées à l'anxiété chronique ?
Document 4 et document de référence. Injection de GABA en F1 en absence de benzodiazépines : faible hyperpolarisation. Injection de GABA en F1 en présence de benzodiazépines : forte hyperpolarisation. Les benzodiazépines rétablissent l'effet inhibiteur sur le motoneurone et limite ainsi l'effet d'anxiété.

Conclusion

4e étape : rédiger la réponse sur la copie.

Corrigé

Synthèse
L'anxiété chronique peut s'accompagner de contractions musculaires brusques et inattendues. Ces contractions musculaires disparaissent lors de traitement à base de médicaments anxiolytiques comme les benzodiazépines. Comment expliquer l'apparition de ces brusques contractions musculaires inopinées en cas d'anxiété chronique et comment justifier que les benzodiazépines permettent de traiter ces contractions musculaires liées à l'anxiété ? Pour comprendre l'origine de ces contractions musculaires liées à l'anxiété, nous analyserons les résultats d'expériences de simulations au niveau des synapses localisées sur le corps cellulaire d'un motoneurone innervant une fibre musculaire, puis nous caractériserons l'effet de benzodiazépines sur l'activité de ce motoneurone.
La commande des muscles squelettiques s'effectue par des motoneurones, dont les corps cellulaires sont situés dans la substance grise de la moelle épinière. La synapse est la zone de contact entre le corps cellulaire des motoneurones et les boutons synaptiques des neurones pré-synaptiques. Pour caractériser le contrôle de l'activité du motoneurone, le montage expérimental suivant est effectué au niveau d'un motoneurone de la moelle épinière relié à une fibre musculaire : le corps cellulaire d'un motoneurone est en contact synaptique avec les extrémités de deux neurones pré-synaptiques : les neurones 1 et 2 (document de référence).
En absence d'anxiété chronique, la stimulation au niveau de l'électrode S1, située sur le neurone 1, est responsable d'une faible hyperpolarisation du motoneurone enregistrée en E1 au niveau du corps cellulaire du motoneurone : le potentiel membranaire du motoneurone passe de − 70 mV à − 80 mV puis revient à sa valeur initiale en quelques ms (document 1). L'électrode réceptrice E2, située dans l'axone du motoneurone, n'enregistre aucune modification de la valeur du potentiel membranaire et la fibre musculaire reliée au motoneurone ne se contracte pas. Ainsi, la stimulation en S1 du neurone 1 entraîne une faible hyperpolarisation enregistrée dans le motoneurone, mais qui n'atteint pas le seuil de dépolarisation (− 40 mV) nécessaire au déclenchement du potentiel d'action dans le motoneurone. Aucun potentiel d'action n'est enregistré en E2 dans l'axone du motoneurone, d'où l'absence de contraction de la fibre musculaire. La synapse entre le neurone 1 et le motoneurone est donc une synapse inhibitrice.
La stimulation au niveau de l'électrode S2, située sur le neurone 2, entraîne une dépolarisation du motoneurone enregistrée en E1 et un train de potentiels d'action enregistré par E2 dans l'axone du motoneurone. Ce train de potentiels d'action se propage dans le motoneurone et déclenche la contraction musculaire. La dépolarisation enregistrée en E1 fait passer le potentiel membranaire de − 70 mV à − 30 mV, dépassant le seuil de dépolarisation (− 40 mV) nécessaire au déclenchement du potentiel d'action dans le motoneurone. La synapse entre le neurone 2 et le motoneurone est donc une synapse excitatrice.
La stimulation simultanée des électrodes S1 (neurone 1) et S2 (neurone 2) entraîne une faible dépolarisation enregistrée en E1 : le potentiel de membrane passe de − 70 mV à − 60 mV puis revient à sa valeur initiale. En E2, aucun potentiel d'action n'est enregistré et la fibre musculaire reliée au motoneurone ne se contracte pas. Ainsi, le corps cellulaire du motoneurone a intégré les informations nerveuses reçues au même moment des neurones 1 et 2. Cette opération d'intégration du motoneurone est une sommation spatiale. Le résultat de cette intégration nerveuse est une faible dépolarisation au niveau du corps cellulaire du motoneurone (− 60 mV), inférieure au seuil de dépolarisation (− 40 mV) de déclenchement du potentiel d'action dans le motoneurone. En absence de potentiels d'action dans le motoneurone, la fibre musculaire ne se contracte pas. Ainsi, en absence d'anxiété, l'inhibition du motoneurone par le neurone 1 l'emporte sur son activation par le neurone 2, d'où l'absence de potentiels d'action dans le motoneurone et donc de contractions musculaires.
En utilisant le même montage expérimental, on cherche à caractériser l'effet de l'injection de deux neurotransmetteurs : le GABA et l'acétylcholine sur la transmission synaptique au niveau du corps cellulaire du motoneurone en l'absence de toute stimulation électrique (document 2). L'injection de GABA au niveau de F1, fente synaptique entre le neurone 1 et le motoneurone, entraîne en E1 une diminution du potentiel membranaire, qui passe de − 70 mV à − 90 mV puis revient à sa valeur initiale. Cette hyperpolarisation ne permet pas au potentiel membranaire de dépasser la valeur seuil de déclenchement du potentiel d'action. L'hyperpolarisation observée et l'absence de potentiels d'action qu'elle entraîne dans le motoneurone permettent de conclure que le GABA est un neurotransmetteur inhibiteur. On peut alors supposer que le GABA est le neurotransmetteur inhibiteur de la synapse entre le neurone 1 et le motoneurone. L'injection de l'acétylcholine au niveau de F2, fente synaptique entre le neurone 2 et le motoneurone, entraîne en E1 une augmentation du potentiel membranaire, qui passe de − 70 mV à − 30 mV puis revient à sa valeur initiale (document 2). Cette dépolarisation permet au potentiel de membrane de dépasser la valeur seuil de déclenchement du potentiel d'action (− 40 mV). La dépolarisation observée et la propagation de potentiels d'action qu'elle entraîne dans le motoneurone permettent de conclure que l'acétylcholine est un neurotransmetteur excitateur. On peut également supposer que l'acétylcholine est le neurotransmetteur excitateur de la synapse entre le neurone 2 et le motoneurone.
En utilisant le même montage expérimental, on cherche maintenant à caractériser le mécanisme de l'anxiété au niveau du corps cellulaire du motoneurone (document 3). Pour cela, on utilise une molécule appelée la picrotoxine, qui permet de reproduire les effets de l'anxiété au niveau du motoneurone. En l'absence de picrotoxine en F1, la stimulation en S1 entraîne une hyperpolarisation de la membrane du motoneurone enregistrée par E1, qui passe de − 70 mV à − 72 mV. En effet, la synapse impliquée est inhibitrice et se caractérise par l'action d'un neurotransmetteur inhibiteur : le GABA. En présence de picrotoxine en F1, la stimulation en S1 n'entraîne aucune modification du potentiel membranaire du motoneurone, qui reste égal au potentiel de repos (− 70 mV). Ainsi, la picrotoxine annihile l'effet de la stimulation en S1 sur la polarisation membranaire du motoneurone. Or, on sait que la picrotoxine est une molécule capable de se fixer sur les récepteurs membranaires du GABA situés sur le motoneurone. La fixation de la picrotoxine empêche donc le GABA libéré dans la fente synaptique d'agir. Ainsi, la picrotoxine inhibe l'action du neurotransmetteur inhibiteur. Le motoneurone ne reçoit donc plus de message nerveux inhibiteur du neurone 1 mais reçoit seulement le message excitateur du neurone 2. La fixation de l'acétylcholine sur ses récepteurs du motoneurone entraîne une dépolarisation suffisante pour déclencher la propagation des potentiels d'action, d'où la contraction musculaire. Ainsi l'anxiété, comme la picrotoxine, est responsable d'une inhibition de la synapse inhibitrice au contact du motoneurone et entraîne la propagation du message nerveux dans le motoneurone générant la contraction musculaire. Comment expliquer l'effet des benzodiazépines qui permettent de faire disparaître ces contractions musculaires en cas d'anxiété ?
En absence de benzodiazépines et en présence de GABA injecté en F1, la stimulation en S1 entraîne une hyperpolarisation (de − 70 mV à − 95 mV) de la membrane du motoneurone enregistrée par E1 (document 4). En présence de benzodiazépines et de GABA injectés en F1, la stimulation en S1 entraîne une hyperpolarisation accrue (de − 70 mV à − 140 mV) de la membrane du motoneurone enregistrée en E1. Ainsi, les benzodiazépines, fixées sur les récepteurs membranaires du GABA de la synapse inhibitrice, accentuent l'hyperpolarisation de la membrane du motoneurone. En cas d'anxiété chronique traitée par les benzodiazépines, le motoneurone reçoit un message nerveux inhibiteur provenant de la synapse inhibitrice où agissent à la fois le GABA, l'anxiété et les benzodiazépines et un message nerveux excitateur provenant de la synapse à acétylcholine. La résultante de l'intégration nerveuse par le motoneurone est une hyperpolarisation de la membrane du motoneurone, entraînant l'absence de potentiels d'action dans le motoneurone : le muscle ne se contracte pas. L'effet inhibiteur du GABA, normalement annulée par l'anxiété, est donc rétabli par les benzodiazépines.
Ainsi, l'anxiété chronique entraîne des contractions musculaires brusques et inopinées, qui s'expliquent par la levée de l'inhibition du motoneurone au niveau de la synapse inhibitrice à GABA. Les benzodiazépines permettent de traiter ces contractions involontaires en rétablissant l'inhibition du motoneurone. Les benzodiazépines sont donc un traitement intéressant pour la prise en charge des troubles dus à l'anxiété. Mais les benzodiazépines sont connues pour entraîner une dépendance. Quels sont alors les mécanismes expliquant la dépendance due à la prise des benzodiazépines ?