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TP muscle gastrocnémien...

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JG

Éttude de la concentration du muscle gastrocnemmien chez la grenouille jhgfhtd

1 Étude de la contraction du muscle gastrocnémien chez la grenouille

I.

Introduction : quelques bases sur la contraction musculaire

Un muscle est un ensemble de fibres musculaires (ou myocytes) disposées parallèlement les unes aux autres, et regroupées en faisceaux. Chacune des fibres musculaires possède un grand nombre de noyaux latéraux et des myofibrilles. Ces fibres sont composées d’une répétition linéaire de sarcomères, unités fonctionnelles de base de la contraction. Les sarcomères, délimités par deux stries Z, sont eux-mêmes composés de filaments fins d’actine, de troponine et de tropomyosine qui interagissent avec des filaments épais de myosine. Ces interactions permettent le raccourcissement du sarcomère, ce qui provoque la contraction musculaire. Lorsque le muscle n’est pas contracté, les sites de liaison à la myosine sur les filaments d’actine sont recouverts par la troponine.

La contraction musculaire Pour qu’il y ait contraction musculaire, il faut générer un potentiel d’action sur le motoneurone ou directement sur le muscle, grâce à un choc électrique. Le potentiel d’action se propage le long de l’axone jusqu’à la plaque motrice (synapse neuromusculaire) ou il décharge de l’acétylcholine. L’acétylcholine se fixe alors sur les récepteurs nicotiniques provoquant l’ouverture des canaux sodiques. Le sodium entrant provoque une dépolarisation, ce qui permet la formation du potentiel d’action qui se propage jusqu’aux tubules transverses du réticulum sarcoplasmique où il y a libération de calcium. Ce calcium libéré se fixe à la sous unité C de la troponine, provoquant le changement de conformation du filament d’actine, engendrant le cycle de fixation-relâchement de la myosine à l’actine. Ce cycle permet le raccourcissement des sarcomères. Ainsi, le muscle se raccourcit et augmente de diamètre. Cette contraction musculaire se caractérise par un temps de latence de l’ordre de 10 msec pour le muscle gastrocnémien de la grenouille. Sa phase de contraction est d’environ 30 à 40 msec. Puis il subit une phase de relâchement musculaire d’une centaine de msec. La contraction du muscle s’arrête lorsque la membrane musculaire revient à son potentiel de repos. Mais la durée totale de la contraction dépend de l’état physiologique du muscle, et notamment de son

2 Étude de la contraction du muscle gastrocnémien chez la grenouille état de fatigue. L’amplitude du raccourcissement du muscle dans sa totalité dépend de la stimulation de son nerf moteur. Plus la stimulation est intense, plus le muscle se contracte. En effet, quand l’intensité de la stimulation augmente, le recrutement des fibres musculaires est plus important. Quand toutes les fibres musculaires seront recrutées, la réponse du muscle sera maximale, et une stimulation plus importante ne changera pas sa contraction. Le recrutement croissant des fibres est dû au fait que chaque fibre musculaire possède son propre seuil d’excitation. Mais toutes ces fibres musculaires répondent à une stimulation répondant à la loi du ‘‘tout ou rien’’. À partir d’un certain seuil d’excitation, la contraction du muscle a immédiatement une amplitude maximale.

La commande motrice Les muscles striés squelettiques sont des muscles volontaires qui sont innervés par le système nerveux cérébro-spinal qui permet leur coordination. C’est la terminaison axonale des motoneurones qui sont l’origine de la commande nerveuse musculaire. L’accolement de la membrane de cette terminaison nerveuse avec la membrane du sarcolemme constitue une jonction neuromusculaire, aussi appelée plaque motrice. C’est au niveau de cette région spécialisée que se fait la transmission de l’excitation du motoneurone à la fibre musculaire. Au niveau de chaque synapse de la plaque motrice, de l’acétylcholine est libérée. Lorsque celle-ci est recaptée par des récepteurs spécifiques de la fibre musculaire postsynaptique, elle déclenche une cascade de réactions aboutissant à la contraction du muscle. Le recrutement des fibres musculaires dans le muscle et la fréquence de l’activité du motoneurone stimulateur module, ajuste la contraction musculaire. Le recrutement des fibres musculaires par son innervation Un seul motoneurone innerve plusieurs fibres musculaires d’un même muscle, alors qu’une fibre musculaire n’est innervée que par un seul motoneurone. L’ensemble composé des fibres musculaires et du motoneurone qui les innerve est appelé unité motrice. Le recrutement d’une unité motrice se fait selon la loi du ‘‘tout ou rien’’. Rien ne se passe tant que les influx nerveux n’ont pas atteint un seuil limite. Mais comme l’ensemble des unités motrices qui constituent un muscle ne sont pas activés de manière homogène à cause de leurs seuils d’excitation différents, la force que développe le muscle est d’autant plus grande que le niveau d’excitation est important. C’est le recrutement spatial. La fréquence d’activité des motoneurones La force totale que développe le muscle est aussi modulée par la fréquence de décharge des motoneurones. Plus la fréquence de décharge du motoneurone s’accroit, plus la force développée par l’unité motrice est importante. C’est la sommation temporelle. La stimulation d’une unité motrice avec une fréquence suffisamment basse permet à cette unité motrice de se contracter et se relâcher totalement entre deux contractions successives. L’augmentation de fréquence des influx permet le déclenchement d’une secousse pendant la phase de relâchement de la secousse précédente. Cette fusion partielle des deux secousses est accompagnée d’une sommation des forces développées par chaque secousse individuelle. C’est ce qu’on appelle le tétanos imparfait ou non fusionné. Par électromyographie, on obtient un tracé en plateau au sommet ondulé, et sur lequel chaque ondulation correspond à une secousse.

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L’augmentation de la fréquence des influx permet une fusion complète des secousses et une sommation des forces plus importante. Le relâchement entre deux contractions disparait. La fusion complète correspond au tétanos parfait ou fusionné, qui définit la force maximale développée par l’unité motrice, identifiée sur l’enregistrement par un plateau au sommet lisse.

Cette manipulation consiste à mettre en évidence quelques propriétés physiologiques du muscle strié squelettique en étudiant la contraction du muscle gastrocnémien de grenouille, en réponse à l’excitation de son motoneurone, le nerf sciatique. Grâce à une myographie, on enregistre la réponse mécanique du muscle après stimulations électriques. Les tracés de la contraction musculaire (myogrammes) permettent d’analyser les différents paramètres de la contraction musculaire. Les myogrammes nous permettrons de mettre en évidence le seuil d’excitation du muscle, et le phénomène de sommation des secousses conduisant au tétanos. Enfin, nous pourrons observer la pseudo-fatigue et la fatigue musculaire.

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II.

Matériel et méthodes

Matériel Pour réaliser ce TP, il nous faut une grenouille décérébrée et démédullée, des électrodes stimulatrices, un myographe isotonique permettant au muscle de se raccourcir librement, et un capteur myographe, un stimulateur et amplificateur. Le stimulateur délivre un courant électrique dont nous pouvons faire varier l’intensité, la durée et la fréquence d’application. Nous enregistrerons la réponse musculaire grâce à un ensemble capteur-transducteur qui va convertir le déplacement de la tige mobile, reliée au muscle gastrocnémien, en variation de tension électrique. Pour suivre cette variation témoin, le transducteur est branché à une imprimante enregistreuse qui nous fournira les tracés nécessaires à l’interprétation des résultats. Dissection de la patte de la grenouille Tout d’abord, il nous faut placer la grenouille sur la face dorsale pour inciser et découper la peau d’une des pattes postérieures, du talon jusqu’à la ceinture pelvienne. Lors de cette dissection, il nous faut éviter de toucher aux muscles. Il nous faut ensuite décoller le muscle gastrocnémien du tibia, le muscle gastrocnémien étant le muscle situé sur la face postérieure de la patte. Il nous faut alors nouer un fil d’une dizaine de cm autour du tendon d’Achille, qui relie le muscle gastrocnémien au talon, avant de sectionner le tendon le plus près possible du talon. (Cf schéma) Dans un second temps, nous devons réaliser la dissection du nerf sciatique au niveau de la cuisse en évitant de le pincer et de tirer dessus. Pour cela, il nous faut d’abord repérer le tissu conjonctif qui sépare les muscles et le sectionner. Une fois que nous l’avons fait, il nous est alors possible d’écarter les muscles pour repérer l’artère fémorale qui longe le nerf sciatique. Nous devons alors séparer le nerf sciatique de l’artère fémorale, sans la léser. Par la suite, il nous faut dégager le nerf sur une longueur suffisante pour avoir la place de positionner les électrodes de stimulation. (Cf schéma)

5 Étude de la contraction du muscle gastrocnémien chez la grenouille

Pour enregistrer la myographie du muscle gastrocnémien grâce au myographe isotonique, nous devons relier horizontalement l’extrémité sectionnée du muscle par le tendon en accrochant le fil au stylet transducteur du myographe. Dès à présent, nous pouvons fixer l’animal sur le support. Pour cela, nous devons solidement attacher le genou grâce à une épingle, en laissant le muscle en dehors de celle-ci, en faisant attention à ne pas laisser trop de tissu conjonctif résiduel autour du genou (Cf schéma). Enfin, il ne mous reste plus qu’à placer le stylet parallèlement au transducteur, et vérifier l’orthogonalité du système en évitant de déplacer le support de l’animal pour ne pas tirer sur le muscle.

Pour finir, nous devons placer les électrodes stimulatrices sous le nerf sciatique, sans l’étirer ni le pincer, et de sorte à ce que les électrodes ne touchent que le nerf et rien d’autre. Nous pouvons alors fixer les électrodes sur le support. La préparation est désormais terminée. Nous ne devons pas oublier d’humecter régulièrement la préparation de Ringer, mais sans en mettre sur les électrodes stimulatrices car cela pourrait provoquer des artéfacts sur les enregistrements.

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III.

Résultats

Mise en évidence du phénomène de recrutement musculaire Relation entre l’intensité de stimulation et l’amplitude de la réponse Déroulement du papier : 5mm/s Durée du choc de stimulation : 0,5ms Détermination du seuil de stimulation : On remarque que de 30 à 80mV, le seuil de stimulation n’est pas franchi car on n’observe pas de pic de stimulation à ces valeurs. En revanche, pour une stimulation de 100mV, on observe une nette réaction du muscle. Le seuil se situe donc avant 100mV. En effet, nous ne remarquons une réaction du muscle qu’à partir de 90mV. Cette valeur correspond donc au seuil de stimulation du muscle, à partir duquel le muscle commence à se contracter. Pour cette stimulation de 90mV, l’amplitude de la réaction du muscle est de 2,6 cm.

Détermination du seuil de contraction musculaire maximale : On observe qu’à partir du seuil de stimulation, plus on augmente le voltage de stimulation, plus l’amplitude de contraction du muscle est important, mais ce jusqu’à au seuil de contraction maximale. En effet, à 90mV, l’amplitude de contraction est minimale à 5,4 cm. Puis avec des stimulations croissantes, les amplitudes de contractions augmentent aussi. Puis, pour une stimulation de 190mV, l’amplitude de contraction est maximale à 6,8 cm.

Pour une durée de choc de 0,5ms, le seuil de stimulation est à 90mV (2,6 cm). Et le seuil de contraction maximale est de 190mV (6,8 cm).

7 Étude de la contraction du muscle gastrocnémien chez la grenouille Relation entre la durée de la stimulation et la contraction musculaire Durée du choc de stimulation : 0,05ms Détermination du seuil de stimulation : Comme précédemment nous avons cherché le seuil de stimulation que nous avons trouvez pour une stimulation de 180mV. L’amplitude est alors de 0,5 cm. Détermination du seuil de contraction maximale : l’amplitude est donc minimale à 180mV et augmente progressivement jusqu’au seuil de contraction maximale. D’après le tracé que nous avons obtenu, l’amplitude est maximale à 6,5 cm, pour une stimulation de 250mV. On voit bien que pour une stimulation de 300mV, l’amplitude de contraction n’est pas supérieure à celle obtenue à 250mV.

Pour une durée de choc de 0,05ms, le seuil de stimulation est à 180mV (0,5 cm). Et le seuil de contraction maximale est de 250mV (6,5 cm).

Durée de choc de stimulation : 2ms Détermination du seuil de stimulation : ici, avant une stimulation à 80mV, on ne remarque aucune activité du muscle. 80mV est donc le seuil de stimulation. L’amplitude est alors de 0,5 cm. Détermination du seuil de contraction maximale : à partir de 80mV, avec des intensités de stimulation croissantes, l’amplitude de contraction augmente jusqu’à une amplitude maximale de 6,9 cm, correspondant à une stimulation de 180mV, qui est donc notre nouveau seuil de contraction maximale. Pour une durée de choc de 2ms, le seuil de stimulation est à 180mV (0,5 cm). Et le seuil de contraction maximale est de 250mV (6,9 cm).

Étude de la contraction du muscle gastrocnémien chez la grenouille 8 Nous disposons les résultats obtenus dans le tableau suivant : Durée du choc de stimulation (ms) Seuil de stimulation (mV) Seuil de contraction maximale (mV)

0,05

0,5

2

180

90

80

250

190

180

D’après ce tableau, nous remarquons que le muscle à un seuil de stimulation et un seuil de contraction maximale d’autant plus élevés que la durée du choc de stimulation est faible.

Nous avons ensuite reporté ces valeurs sur un graphique :

Étude de la contraction du muscle gastrocnémien chez la grenouille 9 Ensuite, nous étudions l’amplitude maximale en fonction de la durée du choc de stimulation : Durée du choc de 0,05 0,5 2 stimulation (ms) Amplitude maximale 6,5 6,8 6,9 de contraction (cm)

Nous pouvons alors remarquer que la durée du choc de stimulation influe très peu sur

10 Étude de la contraction du muscle gastrocnémien chez la grenouille Mise en évidence du phénomène de sommation musculaire Déroulement du papier : 0,5mm/s Durée du choc de stimulation : 0,5ms Voltage de stimulation du nerf sciatique : 150mV La double stimulation du nerf sciatique Fréquence : 1Hz D’après le tracé, on remarque qu’avec 2 chocs séparés de 1000ms, les deux stimulations commencent déjà à fusionner partiellement. Puis on diminue progressivement le temps séparant les deux chocs, ce qui entraine une fusion de plus en plus complète des stimulations. Nous pouvons observer que les contractions sont parfaitement fusionnées dès lors que les chocs sont séparés de seulement 70ms. L’amplitude de contraction est alors de 8,5 cm.

La stimulation répétitive du nerf sciatique Durée entre 2 chocs : 0,5ms Contraction témoin que à vons une l’on 4 et jours s se btient Tétanos imparfaits pour cm à 0Hz, les amplitudes car le tracé ne le permet pas. Mais nous observons tout de même des tétanos imparfaits. Dès que l’on cesse de stimuler le muscle, celui-ci se décontracte immédiatement après.

11 Étude de la contraction du muscle gastrocnémien chez la grenouille

Lorsque nous recommençons à stimuler le nerf sciatique dans les conditions précédentes mais avec une fréquence de stimulation de 15Hz, nous remarquons que le tétanos obtenu est désormais parfais. L’amplitude de ce tétanos parfait est alors de 12 cm.

Tétanos parfait

Dès que nous arrêtons de le stimuler, le muscle se décontracte tout de suite.

La physiologie du muscle Durée du choc de stimulation : 0,5ms Voltage de stimulation du nerf sciatique : 150mV Fréquence : 1Hz Déroulement du papier : 2mm/s Phénomène de pseudo-fatigue On stimule le muscle à basse fréquence pour que les contractions successives ne soient pas fusionnées. On excite ensuite le muscle directement par l’intermédiaire des électrodes stimulatrices.

suivante).Le phénomène de pseudo-fatigue n’intervient donc pas au niveau du muscle, mais en amont.

Phénomène de fatigue musculaire

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Le muscle est désormais stimulé directement à basse fréquence via les électrodes stimulatrices. Au début, le muscle se contracte normalement. Mais lorsqu’on continu à le stimuler, il se contracte de moins en moins. Son amplitude diminue progressivement. Le muscle s’épuise. Lorsque l’on prélève un morceau du muscle fatigué pour en mesurer le pH, puis on le compare avec celui de l’autre muscle gastrocnémien non fatigué. On observe alors que le pH du muscle fatigué est plus faible que celui du muscle étant resté au repos (pH ≈ 7). Ainsi, le muscle fatigué est plus acide que le muscle qui est resté au repos.

IV.

Discussion des résultats

13 Étude de la contraction du muscle gastrocnémien chez la grenouille Contraction du muscle gastrocnémien Comme nous l’avons vu dans l’introduction, pour qu’il y ait contraction musculaire, il faut générer un potentiel d’action sur le motoneurone ou directement sur le muscle. Le potentiel d’action se propage dans le motoneurone et libère de l’acétylcholine au niveau de la plaque motrice. Le temps de latence de 10 ms correspond au temps de genèse de ce potentiel d’action par le nerf, de sa propagation jusqu’à la plaque motrice et de la libération et fixation de l’acétylcholine sur les récepteurs nicotiniques des fibres musculaires. Il y a alors ouverture des canaux sodiques, ce qui provoque l’entrée de Na+ qui génère le potentiel de la plaque motrice. Puis ce potentiel se propage le long de la fibre musculaire jusqu’aux tubules du réticulum sarcoplasmique qui libère alors du Ca2+. Latence

La phase de contraction du muscle elle, correspond au Ca 2+ libéré qui se fixe à la sous unité C de la troponine, provoquant le changement de conformation du filament d’actine, engendrant le cycle de fixation-relâchement de la myosine à l’actine. Ce cycle permet le raccourcissement des sarcomères qui dure entre 30 et 40ms. Cette phase est très brève car le neurotransmetteur de la plaque motrice (acétylcholine) est rapidement détruit par la cholinestérase qui le scinde en deux éléments, choline et acide acétique. Quant à la phase de relâchement, il s’agit de la recapture du Ca2+ dans le réticulum sarcoplasmique. Cette recapture provoque le détachement des têtes de myosine des filaments d’actine. Cette phase est plus lente (environ 100ms) et progressive à cause des composants élastiques comme le tendon et les tissus conjonctifs qui mettent plus de temps à revenir dans leur état normal, non étiré. Recrutement musculaire D’après nos résultats, nous observons qu’une fois le seuil de stimulation d’amplitude dépassé, l’augmentation croissante de l’intensité de stimulation provoque l’augmentation de l’amplitude de la réponse musculaire. Ainsi, plus le muscle est stimulé, plus la plaque motrice recrute de fibres musculaires, jusqu’au seuil de contraction maximale. Comme toutes les fibres musculaires d'une même unité motrice reçoivent la même stimulation nerveuse, elles se contractent toutes au maximum. Lorsqu'une force faible est nécessaire pour le mouvement, seules quelques fibres sont excitées. L'augmentation de force se fait donc par augmentation du nombre de fibres recrutées au maximum de leur force. Lors des expériences, nous avons vu que le muscle à un seuil de stimulation et un seuil de contraction maximale d’autant plus élevés que la durée du choc de stimulation est faible. De plus, nous savons que dans un muscle, il existe deux types de fibres muscula...