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Une cellule nerveuse répond à un stimulus par une modification de ses propriétés membranaires. Chez l'homme, on trouve plusieurs types de cellules excitables : a) des cellules nerveuses, qui transmettent des influx qu'elles sont susceptibles de modifier au niveau des liaisons intercellulaires, b) des cellules musculaires qui répondent à ces influx par une contraction.

Le système nerveux est constitué de plus de 2-10¹⁰ cellules nerveuses (neurones). Le neurone est l'unité structurelle et fonctionnelle du système nerveux. Typiquement, un neurone (motoneurone) présente un corps cellulaire (soma) muni de deux types de prolongements : a) l'axone (neurite) et b) les dendrites. Comme la plupart des autres cellules le neurone renferme un noyau cellulaire, des mitochondries etc., et en plus des neurofibrilles et des neurotubules. Les dendrites transmettent les influx nerveux d'une cellule nerveuse à une autre. L'axone, qui prend naissance au niveau du soma cellulaire et qui sur son parcours se subdivise souvent en collatérales, transmet le signal nerveux à d'autres cellules nerveuses, musculaires ou glandulaires. L'axone et les collatérales se divisent et se terminent par des renflements, les boutons synaptiques ou boutons terminaux qui comportent des vésicules contenant des neurotransmetteurs. Au niveau de la synapse, les boutons terminaux entrent en contact avec le soma, les dendrites ou l'axone du neurone suivant. Sur un seul neurone il y a des milliers de sites de contact qui recouvrent environ 40% de la surface totale du neurone.

Partant du soma vers les terminaisons dendritiques et axoniques (et en partie en sens inverse), on peut observer, à travers les neurotubules un courant de transport axoplasmique de protéines, d'acides aminés, de médiateurs chimiques etc. (se déplaçant à une vitesse d'environ 200-400 mm/jour). Le mécanisme de ces systèmes de transport et leur rôle (éventuellement en vue de la nutrition cellulaire, de la croissance ou des modifications à long terme des propriétés d'excitabilité) n'ont pas encore reçu d'explication univoque. Pour leur transport le long de la paroi externe des neurotubules vers la périphérie, les neurotransmetteurs sont enveloppés dans des vésicules ; l'actine des tubules et l'ATPase des vésicules ont un rôle important dans ces mécanismes.

La membrane cellulaire du soma se prolonge au niveau de l'axone par l'axolemme . L'axone est environné dans le système nerveux central par les oligodendrocytes et au niveau du système nerveux périphérique par les cellules de Schwann. L'axone + son enveloppe = fibre nerveuse. Dans certains neurones, les cellules de Schwann forment un revêtement lipoprotéiques de couches concentriques autour de l'axone appelé gaine de myéline laquelle sert d'isolant pour les courants ioniques (protéine hydrophobe). Le long de l'axone, la gaine de myéline est interrompue à intervalle d'environ 1,5 mm par les nœuds de Ranvier. La vitesse de conduction dans les fibres myélinisées est relativement élevée comparée à la conduction lente des fibres amyéliniques. La conduction est aussi d'autant plus faible que le diamètre de la fibre nerveuse est petit.

La synapse est la zone de jonction entre l'axone d'une cellule nerveuse et un autre neurone, mais aussi avec des cellules musculaires ou des cellules glandulaires. Chez les mammifères (à de rares exceptions près), il n'y a pas de contact véritable au niveau synaptique. L'espace synaptique (10-40 nm) séparant deux neurones sert d'isolateur. La transmission d'un signal électrique atteignant la membrane présynaptique nécessite la libération d'un transmetteur chimique, le neuromédiateur, dans l'espace synaptique. Il y a de nombreux transmetteurs : l'acétylcholine, la norépinéphrine. l'acide γ-aminobutyrique, la dopamine, la glycine, le glutamate, la substance P etc., mais en général, chaque neurone a son neurotransmetteur spécifique (dans certains cas, la libération d'un « co-transmetteur » est discutée). Le transmetteur, libéré des vésicules présynaptiques par exocytose, diffuse vers la membrane postsynaptique et génère un nouveau signal électrique.

Bien qu'il n'y ait pas de libération de neurotransmetteur au niveau de la membrane postsynaptique, les synapses ne laissent passer le signal que de la membrane pré vers la membrane postsynaptique : elles ont une fonction de valve unidirectionnelle. La synapse est aussi le site où la transmission neuronale de signaux peut être modifiée par d'autres éléments nerveux. Suivant sa nature, le transmetteur peut produire soit une réponse excitatrice, soit une réponse inhibitrice.