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1 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=01><source=http://www.vulgaris-medical.com/encyclopedie/potentiel-de-repos-de-la-membrane-cellulaire-3797.html>
2 potentiel de repos de la membrane cellulaire
3 définition
4 voir également membrane cellulaire. différence de potentiel qui existe de part et d autre de la membrane de la cellule au repos. dans chaque cellule de l organisme quand elle est au repos, un potentiel de repos de la membrane s observe. ce phénomène s explique par la différence de perméabilité qui existe d une part et d autre de la membrane de la cellule et ceci pour certains types de molécules plutôt que pour d autres. ce phénomène est à l origine de la création d un voltage (si l on préfère un courant électrique) qui est utilisé par la cellule comme une forme d énergie potentielle. ce potentiel de membrane est le résultat de la séparation des charges électriques qui sont de signes opposés. pour résumer il existe des charges négatives et positif de chaque côté de la membrane cellulaire, ce sont des ions (calcium et potassium ayant perdu des électrons).
5 quand une cellule est au repos on dit que celle-ci présente un potentiel de repos de la membrane qui se situe généralement entre -20 et -200 milivolts (millième de volts) selon l organisme et le type de cellules considérées.
6 à l état normal des cellules baignent dans un liquide appelé liquide interstitiel qui est plutôt riche en ions sodium (na+). ces ions sodium sont le résultat d un atome de sodium qui a perdu un électron. pour comprendre le phénomène de potentiel de membrane il est nécessaire également de savoir que la membrane de la cellule est légèrement perméable à l ion potassium (k+) et presque imperméable à (na+). il s opère donc une entrée de sodium vers l intérieur de la cellule attiré par son propre gradient de concentration (voir ci-dessus) alors que l on observe parallèlement une sortie de potassium également en suivant son gradient de concentration. c est la diffusion inégale de ces deux types d ions à travers la membrane de la cellule qui produit une accumulation d ions positifs à l extérieur de la cellule et d ions négatifs à l intérieur de la cellule. ceci crée le potentiel de repos de la membrane. autrement dit la concentration de potassium est plus élevée dans la cellule que dans le liquide interstitiel extracellulaire (à l extérieur de la cellule). à partir de cet instant la diffusion du potassium vers l extérieur va créer une séparation de charges de part et d autre de la membrane, celle-ci est entretenue par l action de la pompe à sodium et à potassium.
7
8 certaines cellules comme les cellules nerveuses, les cellules musculaires sont dites excitables car elles possèdent la propriété de modifier l entrée et la sortie des ions précédemment cités, à travers leur membrane, sous l influence d une stimulation (influx nerveux). ceci a pour but de créer un potentiel d action qui inverse les polarisations. la polarisation est l accumulation d ions d un côté ou de l autre de la membrane de la cellule.
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10 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=02><source=http://fr.wikipedia.org/wiki/potentiel_de_repos>
11 potentiel de repos
12
13 le potentiel de membrane d une cellule est du à la séparation de charges consécutive au flux ionique à travers les canaux potassium, lui même du au déséquilibre ionique entretenu activement par les pompes sodium/potassium
14
15 le potentiel de repos (soit un des états possible du potentiel de la membrane) est la polarisation électrique en situation physiologique de repos d une membrane plasmique. en introduisant une électrode de mesure à l intérieur de la cellule (voir la méthode de patch-clamp), on constate une différence de potentiel (ddp): l intérieur de la cellule est négatif par rapport à une électrode de référence extracellulaire.
16
17 cette différence de potentiel est due à la séparation de charge de part et d autre de la membrane provoquée par un courant permanent majoritairement d ion potassium à travers des canaux ioniques. ce courant dissipe la force électroosmotique causée par des différences de concentration entre différentes espèces ioniques. cette différence de concentration est maintenue en permanence par l activité consommatrice en énergie des pompes sodium/potassium.
18
19 l existence d un potentiel de membrane est universelle aux cellules vivantes.
20
21 sommaire
22
23 1 mécanismes
24 1.1 facteurs biologiques
25 1.2 mécanismes physiques
26 1.3 calcul de la séparation de charge
27 2 rôles physiologiques
28 3 articles connexes
29
30 mécanismes
31
32 facteurs biologiques
33
34 les propriétés de la membrane plasmique sont à l origine de cette différence de potentiel (ddp):
35
36 propriétés propres à la bicouche phospholipidique:
37 imperméabilité qui permet de maintenir les différences de concentration de part et d autre de la membrane, et donc un gradient chimique (voir le tableau ci-dessous)
38 haute résistance électrique qui permet de maintenir une différence de potentiel, donc un gradient électrique
39 propriétés propres aux protéines membranaires
40 les canaux potassium de fuite sont responsable d une perméabilité sélective de la membrane ne laissant passer que les ions potassium
41 les pompes potassium/sodium transportent activement les ions sodium vers l extérieur et les ions potassium vers l intérieur.
42
43 les concentrations physiologiques des principaux ions chez l homme
44 ion concentration intracellulaire (mmol/l) concentration extracellulaire (mmol/l) rapport potentiel d équilibre d après l équation de nernst
45 na+ 7-12 144 1:12 ca. +60 mv
46 k+ 160 4 40:1 -91 mv
47 ca2+ 10-5-10-4 2 +125 mv bis +310 mv
48 cl- 4-7 120 -82 mv
49 hco3- 8-10 26-28 -27 mv
50 protéine anionique (chargée négativement) 155 5
51
52 mécanismes physiques
53
54 le modèle pompe/fuite (pump/leak) repose sur les effets antagonistes de la pompe sodium/potassium (na/k atpse) d une part et des canaux potassium d autre part.
55
56 la na/k atpase utilise l énergie contenue dans l atp pour maintenir une différence de composition ionique entre l intérieur de la cellule et l extérieur. l activité de la pompe a pour effet direct que les ions potassium sont majoritaires dans le cytoplasme de la cellule, tandis que les ions sodium sont majoritaires à l extérieur de la cellule. l ouverture de canaux potassiums, les seuls canaux qui soient ouverts a l état basal dans la majorité des cellules, permet au gradient chimique du potassium de se dissiper. la séparation de charge résultante crée la différence de potentiel électrique mesurée. l électroneutralité des deux compartiments est violée à proximité de la membrane. toutefois, compte tenu de la géométrie du système, il ne faut qu un surplus d environ 2 ions sur 100 000 pour rendre compte du potentiel de membrane. l électroneutralité est bien respectée macroscopiquement. le champ électrique crée empêche les ions potassiums de sortir.
57
58 pour résumer, le potentiel chimique des ions potassiums est en faveur d une sortie de ces ions. cette sortie crée une force électrique qui s oppose à la sortie d un nombre plus important d ions potassium.
59
60 dans les neurones et autres cellules excitables, un signal provoque l ouverture transitoire des canaux sodium responsables d une dépolarisation transitoire appelée potentiel d action. le potentiel de nernst des ions sodiums est de l ordre de + 60 mv. également, la spécificité des potentiels d actions est conférée par la grande diversité des canaux ioniques impliqués selon la cellule considérée.
61
62 calcul de la séparation de charge
63
64 l application numérique qui suit a pour but de démontrer que l électroneutralité de la solution est respectée, malgré l existence d une différence de potentiel membranaire.
65
66 l intensité du champ électrique se dissipant à travers la membrane d épaisseur 75 nm est de 1.5 million de volts par mètre, ce qui est considérable et est à la limite de la fracture de la membrane.
67
68 rôles physiologiques
69
70 toute cellule vivante a un potentiel de membrane. le potentiel électrochimique qui lui correspond constitue une réserve d énergie potentielle qui permet d assurer les transports des substances nécessaires à la survie de la cellule.
71 le potentiel de repos joue un rôle important pour les cellules excitables, comme les neurones et les myocytes. en effet le franchissement par le potentiel de repos d un certain seuil de dépolarisation déclenche chez ces cellules un potentiel d action par l activation de canaux dépendent du potentiel (canaux voltage-dépendent). l importance de la polarisation du potentiel de repos determine donc l excitabilité de la cellule. quand il est très hyperpolarisé (par l activation tonique de canaux potassiques ou chlorures par exemple), la cellule est difficilement excitable, c est á dire qu il faut beaucoup dépolariser la cellule avec des potentiels postsynaptiques excitateurs pour qu elle décharge un potentiel d action. quand le potentiel de repos est très dépolarisé (par la fermeture de canaux potassium ou par l ouverture permanente de canaux sodium), la cellule est plus proche du seuil de déclenchement d un potentiel d action, et donc plus excitable.
72
73 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=03><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/defpotrepos.html>
74 la membrane neuronale est soumise en permanence à une différence de potentiel transmembranaire : le potentiel de repos
75 dès la fin du xviiième siècle, galvani montrait que l information nerveuse était de nature électrique : il contractait un muscle en appliquant un courant électrique sur son nerf. au début du xxème siècle, adrian démontrait clairement la nature électrique du message nerveux spontané de même que le fait qu une contraction musculaire s accompagne d une activité électrique. ainsi, les nerfs et les muscles en activité donnent naissance à des signaux électriques. ces éléments, capables d émettre des signaux électriques, sont eux même excitables: ils répondent par un signal électrique à une stimulation électrique. l excitabilité est la propriété fondamentale à la base de leur fonctionnement.
76
77 si l on place l extrémité d une microélectrode dans une cellule nerveuse, il est possible, dès l entrée dans la cellule, d enregistrer une différence de potentiel (ddp) par rapport au milieu extérieur d environ 60 mv. cette ddp, appelée potentiel de repos, est variable d une cellule à l autre et caractéristique de toutes les cellules vivantes. l intérieur de la cellule est négatif par rapport à l extérieur, ce qui s exprime par un potentiel de repos ou potentiel de membrane (vm) égal à - 60 mv.
78
79 la membrane neuronale au repos peut donc être considérée comme une pile électrique, génératrice de courant, dont le pôle négatif serait situé à l intérieur de la cellule et le pôle positif à l extérieur.
80
81 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=03><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/propelect.html>
82 les propriétés électriques de la membrane neuronale
83 la membrane neuronale est constituée d une bicouche lipidique dans laquelle s insèrent des protéines. elle sépare le compartiment intracellulaire du compartiment extracellulaire.
84
85 les protéines membranaires sont des molécules chargées électriquement et, comme tout élément porteur de charges, peuvent conduire un courant électrique. cette propriété peut être schématisée par une conductance ou par une opposition au passage du courant, soit par une résistance (inverse de la conductance : r = 1/g). membranaire transversale. le circuit électrique équivalent à la membrane neuronale correspond donc jusque là à celui d un générateur de courant (pile) de 60 mv dont le pôle positif est orienté vers le compartiment extracellulaire et le pôle négatif vers l intérieur de la cellule alimentant une résistance membranaire rm. la valeur de cette résistance membranaire (rm), directement fonction de la quantité de protéines incluses dans une portion de membrane, est très variable : de 102 à 104 w . cm2; ces valeurs correspondent à des conductances (g = 1/r) variant de 10-4 à 10-2 siemens / cm2.
86
87 à l inverse, la bicouche lipidique est constituée de phospholipides non conducteurs, donnant à la membrane des propriétés capacitives, qui peuvent être représentées par un condensateur (deux éléments conducteurs séparés par un isolant) de capacité cm. ce condensateur ne modifie pas la valeur de la ddp mais joue le rôle d un réservoir de charges, qui absorbe les variations instantanées de ddp entre les deux faces de la membrane. la séparation des charges positives et négatives portées par le condensateur induit une ddp entre les deux éléments conducteurs telle que v (volts) = q (coulombs) / cm (farads) où q est la charge portée par les éléments conducteurs. la valeur de la capacité membranaire cm varie peu d un élément de membrane à l autre; elle est en moyenne de 1 µf/cm2.
88
89 les deux milieux, intra- et extracellulaire, ne sont pas des conducteurs parfaits. ils présentent une résistance vis à vis du passage du courant électrique, qui peut être schématisée par une résistance longitudinale rl. le schéma du circuit électrique équivalent à la membrane neuronale est maintenant quasi complet.
90 ces propriétés électriques de la membrane neuronale ont des conséquences fonctionnelles.
91
92 si l on tient compte des propriétés résistives de la membrane neuronale (résistance transversale rm), l injection d un courant i au travers de cette membrane (courant transmembranaire im) fait apparaître, aux bornes de cette membrane, une tension um telle que :
93
94 um = rm x im (loi d ohm)
95
96 en réalité, si la variation du courant est rapide, la variation du potentiel de membrane suit une courbe exponentielle, du fait des propriétés capacitives (cm) de la membrane. la résistance transversale rm et la capacité cm conjuguent leurs effets pour déterminer l évolution dans le temps de l installation de la tension um aux bornes de la membrane. le produit rm . cm est la constante de temps du circuit (t). ce produit indique, en secondes, le temps nécessaire pour que la tension aux bornes de la membrane atteigne 63,2% de sa valeur maximum.
97 si l on applique un courant très près d un point a de la membrane d un axone et que l on mesure la tension obtenue aux points a, b, c et d, de plus en plus éloignés du point d application, on observe que l amplitude de la tension maximum observée va en diminuant de a à d. ce phénomène est dû à la résistance longitudinale (rl) de la fibre nerveuse. le courant qui traverse la résistance rl de chaque segment (a-b / b-c / c-d) provoque une chute de tension égale au produit de ce courant par la résistance rl du segment. si l on représente l évolution des tensions maximales mesurées aux différents points a, b, c et d en fonction de leur distance par rapport au point de stimulation, on observe que la chute de tension suit une courbe exponentielle. la distance correspondant à une baisse de la tension de départ de 63,2% détermine la constance d espace du système (l).
98 or, la chute de tension au travers de rl est directement proportionnelle à la valeur même de rl. ainsi, si la résistance longitudinale est faible, la chute de tension est faible et le signal peut être conduit sur une grande distance : la constance d espace l est élevée. au contraire, si la résistance longitudinale est importante, la chute de tension est importante et le phénomène initial décroît très vite : la constance d espace l est faible. la résistance longitudinale rl est directement liée au volume de l axoplasme : une grande résistance longitudinale, et donc une constance d espace faible, est due à un faible volume de l axoplasme, qui correspond à un axone de faible diamètre; au contraire, une fibre de gros diamètre a un volume axoplasmique important, une résistance longitudinale rl faible et donc, une constance d espace élevée. la propagation des phénomènes électriques le long des fibres nerveuses sera donc plus ou moins efficace selon le diamètre des fibres.
99
100 fibre de gros diamètre volume élevé rl basse équivaut à chute de tension basse implique l élevée
101 fibre de petit diamètre faible volume rl élevée équivaut à chute de tension élevée implique l basse
102
103 de par sa structure, la membrane neuronale est mauvaise conductrice. une stimulation électrique de cette membrane est déformée comme dans un système résistif-capacitif (rm - cm) et ne se propage que sur de courtes distances liées aux diamètres des fibres (rl).
104
105 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=03><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/mecanion.html>
106 les mécanismes ioniques à l origine du potentiel de repos
107
108 dans toutes les cellules, la répartition des ions de part et d autre de la membrane est inégale. les principaux ions libres rencontrés sont les ions na+, k+, ca2+ et cl-.
109
110 la distribution des ions de part et d autre d une membrane plasmique obéit à deux grands principes : l électroneutralité et l équilibre osmotique
111
112 les solutions ioniques des milieux intra et extracellulaire doivent être électriquement neutre. elles doivent chacune contenir autant d anions (a-) que de cations (c+). c est le principe de l électroneutralité.
113
114 milieu extérieur
115
116 [cations]e = [anions]e en meq
117
118 [na]e + [k]e + 2 x [ca]e = [cl]e
119 140 + 5 + (2 x 1) = 147
120 milieu intérieur
121
122 [cations]i = [anions]i en meq
123
124 [na]i + [k]i + 2 x [ca]i = [cl]i + [p]i
125
126 14 + 140 + (2 x 10-4) = 14 + [p]i
127 [p]i = - 140 meq
128
129 le nombre de particules en solution situé de chaque côté de la membrane doit être le même, quelle que soit la charge de ces particules. c est l équilibre osmotique. en effet, si la pression osmotique des deux milieux n est pas égale, il se produira des mouvements d eau (du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré) qui modifieront le volume cellulaire.
130
131 [ions]e = [ions]i en mosm
132
133 [na]e + [k]e + [ca]e + [cl]e = [na]i + [k]i + [ca]i + [cl]i + [p]i
134
135 140 + 5 + 1 + 147 = 14 + 140 + 10-4 + 14 + [p]i
136
137 [p]i = 125 mosm
138 valence de p = - 140 / 125 = - 1,12
139
140 l existence d un gradient de concentration d un ion de part et d autre d une membrane perméable à cet ion entraîne la formation d un gradient électrique
141
142 soit une membrane séparant deux compartiments 1 et 2, contenant des solutions ioniques isotoniques. cette membrane est perméable à l eau et aux cations (+) mais imperméable aux anions (-). la concentration en anions (-) et en cations (+) est plus élevée dans le compartiment 1 que dans le compartiment 2.
143
144
145 a. sous l influence du gradient de concentration : [c+]1 supérieur à [c+]2, les cations, seuls diffusibles, vont passer du compartiment 1 vers le compartiment 2 (flèches noires). ces cations, quittant le compartiment 1, libèrent les charges (-) des anions non diffusibles et créent un excédent de charges (+) dans le compartiment 2. le travail fourni pour déplacer un ion le long de son gradient de concentration dépend :
146
147 de la constante des gaz parfaits r = 8.314 joules / mol./ °k
148
149 de la température absolue t° kelvin = t° celsius + 273
150
151 des concentrations dans chaque compartiment [c+]1 & [c+]2
152
153 tel que : w [ ] = r. t. ln [c+]2 / [c+]1
154
155 b. le transfert des cations de 1 vers 2 a polarisé la membrane [1 : (-) - 2 : (+)] et crée un gradient électrostatique de 2 vers 1, qui tend à s opposer à la fuite ionique né du gradient de concentration. le travail électrostatique, s opposant à la diffusion de l ion dépend :
156
157 de la valence de l ion z
158 de la quantité d électricité que représente un ion gramme f = faraday = 96 500 coulombs
159 de la force électromotrice générée e
160
161 tel que : w e = z. f. e
162
163 le flux ionique né d un gradient de concentration est autolimité par le champ électrique qu il engendre.
164
165 z. f. e. = r. t. ln [c+]2 / [c+]1
166
167 eion (volts) = r .t / z . f . ln [c+]2 / [c+]1
168
169 équation de nernst
170 attention !
171
172 pour effectuer ces calculs, nous partons, à chaque fois, du principe que la membrane est perméable à un seul ion et imperméable aux autres. de plus, les valeurs calculées varient selon les cellules en fonction des concentrations ioniques des milieux extra- et intracellulaires comme de la température centrale de l espèce (invertébrés ou mammifères ) à laquelle appartiennent les cellules étudiées.
173
174 soit une membrane neuronale de mammifère :
175
176 t = 37°c = 37 + 273 = 310 °k
177
178 r . t / f = (8.314 . 310) / 96 500 = 0.026
179
180 ln = 2.3 log10
181
182 1 volt = 1 000 millivolts (mv)
183
184 si, par convention, le milieu extracellulaire est le milieu de référence et que nous prenions les valeurs des concentrations ioniques extra- ([ion]e) et intracellulaires ([ion]i) indiquées sur la figure :
185
186 eion (mv) = [(1 000 x 0.026 x 2.3) / z] log10 [ion]e / [ion]i = 60 / z log10 [ion]e / [ion]i
187
188 potentiel d équilibre des ions k+
189
190 ek = - 87 mv
191 potentiel d équilibre des ions na+
192
193 ena = + 60 mv
194 potentiel d équilibre des ions ca2+
195
196 eca = + 120 mv
197 potentiel d équilibre des ions cl-
198
199 ecl = - 61 mv
200
201 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=03><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/mecamemb.html>
202 perméabilité membranaire et canaux ioniques : les mécanismes membranaires à l origine du potentiel de repos
203 nous savons que, la couche bilipidique étant imperméable aux ions, les mouvements passifs des ions ne se font qu au niveau de protéines transmembranaires spécialisées : les protéines-canaux dont la structure tridimensionnelle délimite un pore aqueux au travers duquel passent sélectivement certains ions. elles assurent elles-mêmes le passage des ions à travers la membrane - elles sont aussi appelées canaux ioniques.
204 1. le gradient électrochimique : vm - eion
205
206 pour traverser la membrane, un ion est soumis à un gradient électrochimique (ou driving-force des anglo-saxons), qui s exprime par la différence entre le potentiel de membrane (vm) de la cellule et le potentiel d équilibre de l ion considéré (eion). le flux net d une espèce ionique au travers de ses propres canaux est proportionnel à ce gradient électrochimique.
207 potentiel d equilibre
208
209 gradient electro-chimique
210
211 flux net
212 ek = - 87 mv vm - ek = -60 - (-87) = + 27 mv
213 sortant
214 ena = + 60 mv vm - ena = -60 - (+60) = - 120 mv
215 entrant
216 eca = + 120 mv vm - eca = -60 - (+120) = - 180 mv
217 entrant
218 ecl = - 61 mv vm - ecl = -60 - (-61) = + 1 mv
219 équilibre
220 par convention, le flux net est positif quand un cation a tendance à sortir de la cellule et est négatif quand le cation a tendance à y entrer.
221 2. la conductance ionique membranaire
222
223 d une manière générale, la conductance électrique (exprimée en siemens, s) mesure la facilité avec laquelle un courant se déplace entre deux points : c est l inverse de la résistance (exprimée en ohms, w).
224
225 dans le cas d un canal ionique, la conductance caractérise la facilité avec laquelle les ions traversent le pore aqueux de la protéine-canal.
226
227 la conductance de toute la membrane d une cellule pour un ion (conductance ionique membranaire), gion, est proportionnelle à la conductance élémentaire d un canal ionique : gion, mais aussi au nombre total de canaux de l espèce ionique considérée dans la membrane : nion et à la probabilité p0 pour que ces canaux soient à l état ouvert :
228
229 gion = gion . nion . p0
230
231 la valeur de gion peut varier de 10 à 200 ps (1 picosiemens, ps = 10-12 siemens) selon le type de canal ionique. notons que la plupart des canaux ioniques ne sont pas parfaitement sélectifs : la mesure de gion dépend donc des conditions expérimentales et, en particulier, de la présence d autres ions.
232 3. les courants ioniques
233
234 l électrophysiologiste mesure des courants. l intensité du courant (iion, exprimé en ampères : coulombs.sec-1) traversant un canal ionique ou courant ionique élémentaire est égale à :
235 courant ionique membranaire (iion) = gion (vm - eion)
236
237 ce qui n est que la transposition de la loi d ohm (v = ri donc i = g v) à un gradient électrochimique
238 4. la membrane neuronale est perméable à plusieurs ions : détermination du potentiel de repos
239
240 on pensait, au début (j. bernstein, 1902), que la membrane neuronale était sélectivement perméable aux ions k+. des études plus récentes ont pu montrer que la membrane neuronale au repos est perméable, à la fois, aux ions k+ et na+. il apparaît simplement, qu au repos, la conductance membranaire des ions k+ (gk) est plus grande que celle des ions na+ (gna).
241
242 supposons une cellule dont la membrane comporte, à la fois, des canaux k+ et na+ ouverts. nous savons que cette cellule dispose de mécanismes de transport actif (pompe na+/k+/atpase) qui permettent de maintenir les concentrations des ions k+ et na+, de part et d autre de la membrane, constantes. les potentiels d équilibre des ions k+ (ek) et na+ (ena) restent donc constants. le potentiel de membrane (vm), qui va s établir, est donc intermédiaire entre les potentiels d équilibre des deux ions, soit entre ek (-87 mv) et ena (+ 60 mv).
243
244 le potentiel de membrane de la cellule (vm) atteindra un état stable quand le flux net des charges (k+ & na+) passant à travers la membrane sera nul, soit, en termes de courants ioniques, quand ina + ik = 0.
245
246 or nous savons que :
247
248 ik = gk (vm - ek)
249
250 ina = gna (vm - ena)
251
252 quand :
253
254 gk (vm - ek) + gna (vm - ena) = 0
255
256 vm = (gk . ek + gna . ena) / (gk + gna)
257
258 la valeur du potentiel de membrane dépend de la conductance relative des deux ions, leurs potentiels d équilibre restant constants, et donc du rapport gna / gk
259
260 si a = gna/gk :
261
262 vm = (ek + a. ena) / 1 + a
263
264 dans notre exemple, où vm = -60 mv, ek = -87 mv et ena = + 60 mv, a = 0.2, ce qui signifie que la conductance des ions k+ est 5 fois plus grande que celle des ions na+ soit : gk = 5. gna.
265
266 dans la majorité des cellules au repos, il y a beaucoup plus de canaux k+ que de canaux na+ ouverts. mais, le courant sortant potassique n est cependant pas 5 fois plus important que le courant entrant sodique car le gradient électrochimique potassique (vm - ek = + 27 mv) est beaucoup moins important que le gradient électrochimique sodique (vm - ena = - 120 mv). en fait, 2 ions k+ sortent de la cellule quand 3 ions na+ y entrent. la cellule nerveuse aurait donc tendance à se vider de son k+ et à se remplir de na+ si un système de transport actif, et donc consommateur d énergie, ne venait rétablir l équilibre en expulsant 3 ions na+ contre l entrée de 2 ions k+.
267 5. la pompe na / k / atpase maintient les concentrations ioniques en k+ et na+ intra- et extracellulaire constantes
268
269 une expérience, aujourd hui classique, utilisant du na+ radioactif, montre que du na+ est perpétuellement rejeté de la cellule contre son gradient électrochimique. un axone géant de calmar est incubé quelques minutes dans du liquide de ringer contenant du na+ radioactif : le na+ radioactif pénètre par diffusion passive dans l axone, en fonction du gradient électrochimique du na+.
270
271 1. l axone est ensuite placé dans un milieu normal : le milieu s enrichit progressivement en na+ radioactif, qui ne peut provenir que de l axone (sortie de na+), et ce par un mécanisme de transport actif qui s oppose au gradient électrochimique du na+.
272 2. si l axone empli de na+ radioactif est plongé dans un milieu contenant du dinitrophénol (dnp), soit un inhibiteur du métabolisme cellulaire, le flux sortant de na+ s arrête, et ce de façon réversible : la sortie de na+ est donc bien un phénomène actif lié à des processus métaboliques. l atp étant la plaque tournante du métabolisme énergétique dans la cellule, l adjonction d atp au milieu contenant du dnp provoque bien une reprise de la sortie du na+, dont l importance est proportionnelle à la quantité d atp ajoutée.
273 3. si l axone empli de na+ radioactif est plongé dans un milieu dépourvu d ions k+, le flux sortant de na+ s arrête également : la sortie de na+ dépend de la présence d ions k+ dans le milieu ([k+]e).
274 4. en modifiant les concentrations de na+ intracellulaire, on peut également montrer que la sortie de na+ de l axone est fonction de la concentration intracellulaire en na+ ([na+]i).
275
276 le modèle, encore hypothétique, de la pompe na+/k+/atpase postule l existence d une protéine transmembranaire dont la partie externe aurait 3 sites de liaison : 2 sites pour les ions k+ et un site pour l ouabaïne (bloquant de la pompe). - la partie interne de la protéine, située vers le cytoplasme de la cellule, porterait le site de liaison de l atp et 3 sites de liaison pour les ions na+. chaque fois que 3 ions na+ sont expulsés de la cellule, 2 ions k+ entrent dans la cellule.
277
278 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=04><source=http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/physiogerland/physiologie_nerveuse/pot_repos.htm>
279 le potentiel de repos
280
281 tout le fonctionnement du neurone, autrement dit la réception d informations d entrée, leur convergence grâce aux dendrites sur le corps cellulaire, l élaboration au delà d un seuil d un signal électrique bref, le potentiel d action, propagé le long de l axone et l initiation du processus de transmission synaptique chimique, repose sur l existence de protéines ou canaux ioniques incluses dans la double couche de phospholipides qui forme la membrane cellulaire. ces protéines mettent en communication le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. par les pores remplis d eau qu elles constituent au travers du film de phospholipides, elles permettent ce contrôler les échanges d ions entre les deux milieux. nous verrons que ces échanges d ions déterminent l état de repos et celui d activité du neurone.
282
283 le corps cellulaire du neurone renferme, comme les autres cellules de l organisme, tous les éléments nécessaires à la synthèse de macromolécules. ces synthèses sont guidées par l information contenue dans le noyau de la cellule et elles concernent en grande partie des éléments constitutifs du neurone, des filaments du squelette cellulaire, qui sont des polymères protéiques formant l architecture spécialisée de la cellule en ses différentes parties ; corps cellulaire, dendrites, axone et terminaisons axonales. certaines synthèses ont lieu dans les dendrites elles-mêmes. par contre, l axone n est pas un lieu de synthèse. un double flux de son contenu transporte les éléments nécessaires.
284
285 flux antérograde : du corps cellulaire vers l extrémité de l axone, ce sont essentiellement des protéines membranaires qui sont transportées, protéines de structure de la membrane cellulaire ou des membranes des organites internes, enzymes de synthèse du ou des neurotransmetteurs, précurseurs du ou des neurotransmetteurs.
286
287 flux rétrograde : de l axone vers le corps cellulaire, il permet d évacuer des déchets.
288
289 bien que tous ces éléments soient nécessaires au fonctionnement cellulaire, nous n accorderons attention qu à ceux qui sont directement responsables de la fonction du neurone en tant que cellule spécialisée dans l élaboration et la transmission de messages nerveux, autrement dit aux protéines constituant les canaux ioniques.
290
291 la polarisation membranaire de repos
292
293 au repos, le neurone est électriquement polarisé. la différence de potentiel mesurée par une électrode placée dans la cellule est d environ 60 millivolts par rapport à une électrode de référence placée dans le milieu extracellulaire. cette polarisation membranaire de repos est stable dans le temps, tant que le neurone n est pas sollicité sur ses entrées dendritiques par des neurones situés en amont dans le réseau. la distribution des ions de part et d autre de la membrane plasmique est inégale. on trouve davantage d ions k+ à l intérieur de la cellule qu à l extérieur. pour les ions na+, ca++ et cl- c est l inverse. ces gradients de concentration qui existent pour chaque espèce ionique entraînent des transports passifs par diffusion. les ions étant des particules chargées, leur déplacement sera fortement influencé par la présence d un champ électrique transmembranaire. ainsi, pour chaque espèce ionique, la condition d équilibre ne sera pas nécessairement obtenue par l égalisation des concentrations comme dans le cas des solutés électriquement neutres.
294
295 une différence de concentration de part et d autre de la membrane peut exister dans des conditions d équilibre pour un électrolyte si elle est contrebalancée par une différence de potentiel électrique entre les deux compartiments. cette différence de potentiel est appelée potentiel d équilibre pour un ion donné (e ion). elle se calcule avec l équation de nernst
296
297 e(ion) = rt/zf ln ( [ion]ext / [ion]int )
298 r : constante des gaz parfaits
299 t : température absolue en degrés kelvin
300 z : valence de l ion
301 f : faraday, 96500 coulombs/mole d ion
302 [ion]ext : concentration extracellulaire
303 [ion]int : concentration intracellulaire
304
305 pour un neurone de mammifère, les potentiels d équilibre calculés sont :
306
307 ek = -84mv, ena = +60mv, e ca = +116mv, e cl = -58 mv.
308
309 si la membrane n était perméable qu à un seul ion, le potentiel de membrane au repos serait égal au potentiel eion calculé comme ci-dessus. tel n est pas le cas et chaque ion est soumis à un gradient électrochimique exprimé par la différence entre le potentiel de repos em de la membrane et le potentiel théorique calculé e (ion), gradient dont l effet sera de créer un flux d ion, donc un courant ionique. la transposition de la loi d ohm u = r i à un gradient électrochimique donne :
310
311 i (ion) = g (ion) ( em – e ion)
312 i (ion ): courant ionique
313 g (ion) : conductance de la membrane pour l ion (inverse de la résistance)
314 em : potentiel de membrane mesuré
315 e (ion) : potentiel d équilibre de l ion considéré.
316
317 em est proche de ek : donc ce sont surtout les ions k+ qui déterminent le potentiel de repos. des canaux potassiques dits canaux de fuite sont en permanence ouverts dans la membrane au repos et autorisent la libre sortie des ions k+ selon leur gradient de concentration. en revanche, peu de canaux de fuite na+ sont ouverts au repos. ainsi em se stabilise à une valeur intermédiaire entre ek et ena au prorata des perméabilités respectives. (si la perméabilité de la membrane était la même pour les deux ions potentiel serait à mi valeur entre ek et ena).
318
319 on comprend que la forte tendance des ions k+ à sortir de la cellule (nombreux canaux ouverts) et la faible tendance des ions na+ à entrer (peu de canaux ouverts) devrait conduire à un changement des concentrations extra et intracellulaires observées, ce qui n est pas vérifié. il existe donc un dispositif qui récupère les ions k+ qui s échappent de la cellule et qui refoule les ions na+ qui pénètrent dans la cellule. ce dispositif qui déplace des ions, contre leur gradient de concentration, est un transport actif qui nécessite de l énergie : on l appelle la pompe na-k. ( voir le site sur le rein). elle utilise l adénosine triphosphate (atp) comme source d énergie pour transporter les ions contre leur gradient. son rôle, en maintenant stables les concentrations de part et d autre de la membrane pour na et k, est de maintenir stable le potentiel de repos en fonction du temps.
320
321 recapitulons
322
323 les neurones sont polarisés négativement au repos. la membrane est perméable aux ions qui la traversent librement par des canaux de fuite. l état de repos est principalement du à la perméabilité de la membrane au k+, l ion principal du milieu intracellulaire, qui sort par diffusion. de façon plus limitée, un peu de na+, l ion majoritaire du milieu extérieur, tend à entrer par diffusion à travers les canaux na+ de fuite. ces mouvements passifs d ions devraient tendre à équilibrer les concentrations de part et d autre de la membrane ce qui annulerait la valeur du potentiel de repos. ce phénomène est contrebalancé par le fonctionnement d une pompe na+/k+ qui utilise l énergie pour s opposer aux fuites par diffusion. le potentiel de repos peut ainsi se maintenir stable en fonction du temps.
324
325
326 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=05><source=http://www.csrs.qc.ca/mitchellmontcalm/proj/neurones/21.htm>
327 partie ii: des neurones bien branchés!
328
329 objectifs:
330
331 - démontrer le fonctionnement du potentiel de repos
332 - démontrer les caractéristiques du potentiel d action
333 - démontrer le fonctionnement du potentiel d action dans l axone
334
335 le potentiel de repos
336
337 toute cellule comporte une membrane. la membrane est ce qui délimite la cellule, ce qui lui donne forme. on pourrait comparer la membrane des cellules à la pelure d une orange. elle lui donne la forme, la délimite, la protège… on voit donc que la membrane des cellules est extrêmement importante pour elles, comme notre peau pour nous. mais pour les neurones, la membrane est encore plus importante que pour les autres cellules. en effet, en plus de les protéger, de leur donner forme, la membrane sert à conduire les messages, les potentiels d action. si le neurone n avait pas de membrane, il aurait donc fallu trouver un autre moyen pour les neurones de conduire l influx nerveux, le potentiel d action. la membrane est donc d une extrême importance. et grâce à elle, le mécanisme de transmission du potentiel d action, qui se propage électriquement des dendrites jusqu aux synapses est un mécanisme des plus extraordinaires! voyons donc l importance de la membrane à travers du moyen de communication des neurones: le potentiel d action.
338
339 au départ, il faut connaître l état inactif du neurone, lorsqu il ne fait rien, lorsqu aucun potentiel d action ne s y propage. cet état, c est le potentiel de repos. nous entrerons donc dans des explications un peu plus détaillées, expliquant son fonctionnement. mais à la fin de toutes ces explications, on comprendra le potentiel de repos, et après, le potentiel d action, le moyen de communication des neurones.
340
341 lorsque l axone du neurone est au repos, il est inactif. des chercheurs on vérifié, à l aide d une micropipette et d une électrode, le potentiel électrique (mesuré en millivolts ou mv) à l intérieur du neurone, et le potentiel électrique à l extérieur du neurone, lorsqu il est au repos. ils ont donc introduit la micropipette à l intérieur du neurone raccordé à une électrode située à l extérieur. les deux instruments mesuraient donc chacun les milieux où ils étaient (la micropipette mesurait l intérieur, l électrode mesurait l extérieur). on a mesuré une différence de potentiel électrique entre l intérieur et l extérieur de -70 mv. l intérieur était donc chargé négativement et l extérieur positivement. on appelle potentiel membranaire, la différence de potentiel électrique entre l intérieur du neurone et l extérieur, et non l inverse, ceci étant une convention. le potentiel membranaire du neurone au repos est donc de -70 mv. mais comment peut-il garder, lors de son état inactif, une différence de -70 mv entre l intérieur et l extérieur de sa membrane? c est grâce à sa membrane! nous allons donc voir maintenant le fonctionnement du potentiel de repos qui sert en effet à garder un potentiel membranaire de -70 mv.
342
343 tout d abord, essayons de comprendre un élément extrêmement important tant pour le potentiel de repos que pour le potentiel d action. cet élément c est l ion. un ion est un atome qui a perdu sa neutralité électrique (tout atome est neutre ayant autant d électrons que de protons) par acquisition ou perte d un ou plusieurs électrons. ainsi, s il perd un ou plusieurs électrons, il devient positif. s il en gagne, il devient négatif. voyons maintenant le rapport des ions avec les neurones. les milieux extérieur et intérieur du neurone baignent dans un liquide. l extérieur du neurone baigne dans un liquide riche en ions sodium, chargés positivement, et en ions chlore chargés négativement. tandis que l intérieur du neurone baigne dans un liquide riche en ions potassium chargés positivement et en protéines chargées négativement. bien entendu, puisque le neurone est neutre, il y a autant de charges positives que négatives baignant dans les liquides des milieux intra et extra cellulaires (à l intérieur et à l extérieur de la cellule).
344
345 la membrane du neurone est percée de petits canaux (pores) de différentes tailles, appelés électrorécepteurs. il y en a deux types: les électrorécepteurs sodium, qui ne laissent circuler que les ions sodium, et les électrorécepteurs potassium, qui ne laissent passer que les ions potassium. la membrane cellulaire est traversée également par une pompe sodium-potassium. cette pompe est l élément qui maintient le potentiel membranaire à -70 mv lorsque le neurone est au repos. en effet, lorsque le neurone est au repos, seule la pompe sodium-potassium est ouverte (les électrorécpeteurs sont inactifs). cette pompe a une caractéristique spéciale: pour 3 ions sodium qu elle laisse passer, elle laisse passer deux ions potassium. lorsque le neurone est au repos, les ions ont donc tendance, par diffusion, à vouloir aller du côté où ils sont le plus concentrés, vers le côté où ils sont le moins concentrés. lorsque c est l hiver et qu on ouvre la porte extérieure, un grand courant d air froid vient nous faire grelotter! l air, comme plusieurs autres substances, a donc la même tendance que les ions à vouloir aller du côté le plus concentré vers le moins concentré; c est-à-dire qu il cherche à se disperser, à se diffuser. les ions sodium, chargés positivement, plus nombreux à l extérieur qu à l intérieur du neurone, par diffusion, voudront aller vers le côté où ils sont le moins concentrés, et passeront donc à travers de la membrane pour diffuser à l intérieur du neurone, tandis que les ions potassium, chargés eux aussi positivement, plus nombreux à l intérieur qu à l extérieur, par diffusion, voudront aller vers le côté où ils sont le moins concentrés, et passeront donc à travers de la membrane pour diffuser à l extérieur. c est là que la pompe sodium-potassium entrera en jeu. pour 3 sodium expulsés à l extérieur, elle replacera 2 ions potassium à l intérieur. puisque ces 2 types d ions sont tous les deux à charges positives, il y aura plus de charges positives rejetées à l extérieur qu à l intérieur du neurone, et il y aura donc un potentiel membranaire de -70 mv. c est donc de cette façon que le neurone réussit à maintenir, lors de son inactivité, un potentiel membranaire de -70 mv. et lorsque le neurone est dans cet état, on dit qu il est polarisé, c est-à-dire qu il y a plus de charges positives à l extérieur qu à l intérieur.
346
347 1- le potentiel de repos se déroule lorsque le neurone est en état inactif.
348 2- il y a donc un potentiel membranaire de -70 mv, et le neurone est ainsi qualifié de polarisé .
349 3- c est grâce à la pompe sodium-potassium qui envoie à l extérieur 3 ions sodium pour 2 ions potassium à l intérieur qu on a un potentiel membranaire de -70 mv.
350
351 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=06><source=http://www.cardiologie.info/anatomie/donnees_physiologiques/le_potentiel_de_repos.shtml>
352 le potentiel de repos
353
354 les cellules cardiaques sont entourées d une membrane siège de mécanismes actifs de passage de différents ions, ce qui aboutit à des différences de concentration de part et d autre de la membrane cellulaire.
355
356 ainsi:
357
358 le sodium (na+) est 10 fois plus concentré à l extérieur qu à l intérieur de la membrane;
359 la concentration intracellulaire de potassium (k+) est 30 fois supérieure à sa concentration extracellulaire;
360 la concentration extracellulaire de calcium (ca++) est très supérieure à sa concentration intracellulaire.
361
362
363 les différences de concentration de ces particules chargées électriquement aboutissent à des différences de potentiel entre l intérieur et l extérieur de la membrane cellulaire.
364
365 au repos, l intérieur de la cellule est chargé négativement avec une différence de potentiel de -90mv.
366
367 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=07><source=http://sites.univ-provence.fr/wfcup/site/img/pdf/ch2_p4-message_nerveux.pdf>
368
369 i – les propriétés de la membrane du neurone au repos
370 la membrane d un neurone présente un état électrique particulier appelé potentiel de repos.
371 on utilise pour ce dispositif une fibre nerveuse de calmar (axone) car son diamètre (0.5 à 1 mm) permet de placer les électrodes réceptrices de part et d autre de ma membrane plasmique de la fibre nerveuse et sa robustesse la rend apte à l étude in vitro.
372 en l absence de stimulation, il existe une différence de potentiel ou ddp entre les 2 faces de la membrane plasmique.
373 la face interne est négative par rapport à la face externe.
374 cette tension électrique entre les 2 faces est appelée potentiel de membrane ou potentiel de repos. elle est exprimée négativement pour rappeler que l intérieur est négatif par rapport à l extérieur.
375 i – le message nerveux à l échelle de la fibre nerveuse : le potentiel d action
376 ii – la propagation du potentiel d action au niveau de la fibre nerveuse
377 iii – le message nerveux à l échelle du nerf
378 dispositif expérimental de mesure du potentiel de repos
379 enregistrement de la différence de potentiel transmembranaire d une fibre nerveuse au 3repos
380 au temps t0 : les 2 électrodes réceptrices e1 et e2 sont placées en surface de la fibre nerveuse sur la membrane plasmique.
381 au temps t1 : l électrode e2 reste externe et l électrode e1 est introduite dans le milieu intracellulaire (électrode intracellulaire)
382 daeu- cours de sciences de la nature et de la vie – marie claire garnier
383 3
384 le potentiel de repos est donc – 60 mv pour la fibre de calmar à – 70 mv pour une fibre humaine
385 cette inégale répartition des charges est due à une inégale répartition des ions chargés. le milieu extracellulaire est riches en na+ et le milieu intracellulaire est riche en k+.
386 ce potentiel de repos est caractéristique de toutes les ¢ vivantes. sa valeur varie selon les types ¢aires, mais il est toujours polarisé dans le même sens.
387 ¢ musculaire - 90 mv
388 axone géant de calmar - 60 mv
389 ¢ sensorielle de la rétine - 20 mv
390
391 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=08><source=http://www.encyclopediefrancaise.com/potentiel_d%27action_cardiaque.html>
392 potentiel de repos de membrane
393 le potentiel de repos de membrane de est provoqué par la différence dans des concentrations et des conductances ioniques à travers la membrane de la cellule pendant la phase 4 du potentiel d action. le potentiel de repos normal de membrane dans le myocarde ventriculaire est environ -85 à -95 système mv. ce potentiel est déterminé par la perméabilité sélective de la membrane de cellules à de divers ions. la membrane est la plus perméable au k+ et relativement imperméable à d autres ions. le potentiel de repos de membrane est donc dominé par le potentiel d équilibre de de k+ selon le gradient de k+ à travers la membrane de cellules. le potentiel de membrane peut être calculé using l équation de tension de goldman-hodgkin-katz de . l entretien de ce gradient électrique est dû à de divers pompes d ion et mécanismes d échange, y compris le na+ - la pompe d échange ionique de k+, l échangeur du ca2+ de na+- courant et le d ik1 rectifiant vers l intérieur le courant de k+.
394
395 intracellulairement (dans la cellule), k+ est le cation principal , et le phosphate et les bases de conjugé de des acides organiques sont les anions dominants extracellularly (en dehors de la cellule), le na+ et le cl- prédominent.
396
397
398 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=09><source=http://www.santetropicale.com/resume/39106.pdf>
399
400 le potentiel de repos
401 les cellules nerveuses possèdent à l état de repos un
402 potentiel de membrane [14] de l ordre de -90mv du fait
403 d une différence de concentration ionique, principalement
404 en cations na+ et k+ de part et d autre de leurs
405 membranes. en théorie, ce potentiel de repos devrait
406 disparaître car il répond à un double phénomène de
407 gradient de concentration (k+ attiré par le milieu intérieur moins concentré)
408 et de gradient électrique (expulsion de l anion cl- et attraction des cations k+ et na+)
409 entre l extérieur et l intérieur de la membrane nerveuse.
410 en réalité, il existe un mécanisme de transport ionique
411 actif capable en particulier de maintenir le k+ intracellulaire
412 et le na+ extracellulaire (tab. 1) mis en évidence
413 par hodgkin et huxley [5] appelé pompe à sodium/potassium.
414
415 tableau n°1 : répartition ionique au repos
416
417 peu élevé elevé
418 extérieur k+ na+ cl-
419 intérieur na+ cl- k+
420
421 il résulte de ce bilan de charge que le milieu intérieur est
422 considéré comme électro-négatif par opposition au milieu extérieur électro-positif.
423 le potentiel de repos reste constant tant que l équilibre entre d une part,
424 les gradients de concentration et les perméabilités ioniques membranaires
425 et d autre part, la pompe na+/k+ ne sont pas altérés.
426 claude bernard [16] a montré que l irritabilité d une cellule se traduit par l inhibition ou l excitabilité. au
427 niveau de la fibre neuronale elle correspond à une fuite de k+ vers le milieu extra cellulaire (inversion de polarisation),
428 sa concentration y est donc corrélée à la notion de douleur [17]. si elle atteint le seuil d excitation (rhéobase)
429 apparaît alors un nouveau potentiel dit d action du
430 fait d une dépolarisation (créant une inversion de charge)
431 se propageant, en s atténuant, le long de la fibre nerveuse
432 par une entrée de na+ très rapide et une sortie de k+.
433 elle est brutale atteignant d emblée sa valeur maximale (spike), expliquant d ailleurs le caractère fulgurant de la
434 douleur dentaire et revient lentement par repolarisation à son état initial, période pendant laquelle la fibre est
435 inexcitable. le retour au potentiel de repos résulte d une part d un arrêt rapide de la diffusion du na+
436 (freiné par le gradient de concentration) associé à une augmentation
437 progressive de la perméabilité au k+ et d autre part de la pompe na+/k+ refoulant le ne, recaptivant le k+
438 déplacé lors de l excitation.
439
440 <langue=fr><sujet=potentiel-de-repos><num=10><source=http://www.neur-one.fr/17_pot_derepos.pdf>
441
442 chapitre 4
443 le potentiel de repos
444 toutes cellules vivantes de l organisme présentent une différence de potentiel électrique transmembranaire ou potentiel de membrane.
445 quand la cellule est au repos, cette différence de potentiel électrique reste stable : c est le potentiel de repos. sa valeur est une caractéristique électrophysiologique de la cellule.
446 certaines cellules (les cellules ‘ excitables , comme les cellules nerveuses, musculaires et glandulaires), sous réserve qu elles soient en activité, (activité spontanée, ou évoquée par stimulation), deviennent capables de produire une (ou plusieurs) brusque(s) et ample(s) variation(s) transitoire(s) de leur potentiel de membrane, et ce à partir de leur potentiel de repos: ces variations rapides et importantes du potentiel de membrane sont les pa. ils caractérisent eux-aussi le type d activité de la cellule émettrice (voir le chapitre suivant).
447 i - mesure du potentiel de repos (fig. 1)
448 1) mise en évidence
449 le potentiel de repos (er) est caractéristique de toutes les cellules vivantes. il se manifeste par une différence de potentiel entre les deux faces de la membrane cytoplasmique, différence de potentiel qui reste stable tant que la cellule est au repos (et vivante).
450 la figure 1 schématise un enregistrement intracellulaire dans un neurone. durant l étape 1, la microélectrode est approchée de la surface du neurone ; sa pointe est dans le milieu physiologique extracellulaire ; reliée à l une des deux entrées d un voltmètre, elle ne mesure aucune différence de potentiel avec l électrode de référence immergée elle aussi dans le bain extracellulaire et connectée à l autre entrée du voltmètre. l étape 2 débute lors de l introduction de la pointe de la microélectrode dans le corps cellulaire : on constate une brusque déflexion de ‘ l aiguille du voltmètre qui se stabilise à une valeur correspondant ici à -75mv.
451 pour la plupart des cellules, er est compris entre -90 et -60mv ; sa valeur est caractéristique du type de cellules.
452 fig. 1 – mesure et valeur du potentiel de repos
453 cette différence de potentiel er est orientée de façon telle que l intérieur de la cellule est à un potentiel négatif par rapport à l extérieur. en termes d électricité tout se passe comme si les deux faces de la membrane correspondaient aux deux pôles d une pile électrique de force électromotrice égale à er et dont le pôle négatif serait situé vers l intérieur de la cellule. la membrane plasmique séparant deux compartiments liquidiens de compositions ioniques différentes, er ne peut s expliquer que par une répartition différentes des ions de part et d autre de la membrane associée à une perméabilité sélective et dominante de la membrane au repos pour une espèce ionique, ici les ions potassium
454 2)
455 effets de la modification de la concentration en ions potassium du milieu extracellulaire sur la valeur du potentiel de repos
456 si, comme dans l expérience schématisée dans la figure2, la concentration de potassium du milieu extracellulaire est modifiée de 2,5, 5, ... à 100mm pendant la mesure de er, on s aperçoit que les valeurs de er se stabilisent chaque fois à des valeurs de moins en moins négatives.
457 fig. 2 – mesures de er d une cellule périfusée par différentes solutions de liquide extracellulaire contenant différentes concentrations de potassium.
458 la courbe en trait plein rouge de la figure 3 représente les variations de er mesuré en fonction de [k+]e (échelle logarithmique).
459 fig. 3 – variations des valeurs mesurées de er en fonction du log [k+]e
460 ii - origine ionique du potentiel de repos
461 dans les cellules d eucaryotes, la distribution des ions de part et d autre de la membrane plasmique est inégale. il y a plus d ions k+ à l intérieur de la cellule qu à l extérieur. la situation pour les ions na+, ca2+ et cl- est inverse. ces gradients de concentrations qui existent pour chaque espèce ionique entraînent des phénomènes de transports passifs par diffusion. mais les ions étant des particules chargées, leur déplacement sera également fortement influencé par la présence d un champ électrique transmembranaire. ainsi pour chaque espèce ionique, la condition d équilibre ne sera pas nécessairement (et généralement) obtenue par l égalisation des concentrations comme dans le cas d un soluté électroneutre, mais résultera de l absence d une différence de potentiel électrique entre les deux compartiments. cette différence de potentiel électrique est le plus souvent appelée potentiel d équilibre (eion, ei) et est donnée par l équation de nernst.
462 de plus, ces ions traversent la membrane au niveau de structures spécialisées, des protéines qui font la distinction entre les différentes espèces ioniques, permettant à certaines de traverser la membrane plus facilement que d autres. ces
463 structures sont variées; il peut s agir des transporteurs, des pompes, des canaux ioniques. les protéines qui nous intéressent en premier lieu ici sont les canaux ioniques (et dans une moindre mesure les pompes, voir plus loin). on envisagera à la fin de ce chapitre les différents facteurs qui influencent le mouvement des ions de part et d autre d une membrane à travers les canaux ioniques.
464 1) expérience de nernst (fig. 4))
465 l expérience de nernst est schématisée figure 4. au début de l expérience (t=0), 2 compartiments a et b remplis de solutions de kcl à concentrations différentes sont séparés par une membrane strictement perméable aux ions k+. seuls les ions k+ vont passer sous l action du gradient de concentration (d[k+]a-b) du compartiment où ils sont le plus concentrés (a) vers le compartiment où ils sont le moins concentrés (b). simultanément (t1) à la diminution de d[k+]a-b, un gradient de potentiel électrique (d[e]a-b) apparaît à travers la membrane ; ce gradient de potentiel résulte de l accumulation des ions k+ dans b et d un excédent concomitant de cl- dans a. a l équilibre les 2 gradients de potentiel et de concentration sont de même intensité mais dirigés en sens contraire : il en résulte que les ions k+ soumis à 2 forces de même intensité dirigées en sens contraire ne se déplacent plus à travers la membrane bien qu ils soient toujours plus concentrés dans le compartiment a que dans le compartiment b, et en excès par rapport aux ions cl- dans le compartiment b. cette situation d équilibre des ions k+ est à l origine de la polarisation de la membrane.
466 a l équilibre la valeur du potentiel transmembranaire est égal au potentiel d équilibre thermodynamique pour les ions potassium (ek) donné par l équation de nernst (fig. 4b).
467 fig. 4 – equation de nernst
468 168
469 la courbe bleue de la figure 5 représente les variations de ek calculées par l équation de nernst en fonction de [k+]b , en prenant comme valeur de [k+]a 140mm.
470 fig. 5 – variations des valeurs calculées de ea-eb en fonction du log [k+]b (pour [k+]a = 140 mm)
471 2)
472 le potentiel de repos est-il un potentiel d équilibre pour les ions potassium ?
473 en première approximation, er = ek (superposition des courbes en trait plein rouge de la figure 3 et bleu de la figure 5, pour des concentrations de k+ supérieur à 10mm
474 en réalité, la membrane cytoplasmique n est pas seulement perméable aux seuls ions k+ , elle est aussi un peu perméable aux ions sodium (pna/pk = 0,01). l existence de cette faible perméabilité aux ions sodium empêche que er soit strictement égal à ek. dans ces conditions, la valeur du potentiel de repos est donnée par l équation de goldman qui est celle d un potentiel de diffusion (voir ci-dessous). c est cette faible perméabilité au sodium de la membrane cytoplasmique au repos qui rend compte de la différence, pour les concentrations de k+ inférieur à 10mm, entre les courbes en pointillés et en trait plein des figures 3 et 5.
475 curieusement les canaux responsables du potentiel de repos sont encore mal connus. on sait qu il existe des canaux qui sont ouverts au potentiel de repos (canaux k+, canaux cationiques divers dont des canaux na+) et dont les propriétés cinétiques et pharmacologiques ont été mal caractérisées.
476 iii - généralisation de la notion de potentiel de membrane et propriétés électriques passives de la membrane
477 1) cas où la membrane est perméable à un seul ion: pile de concentration (équation de nernst)
478 d une manière générale, si la perméabilité de la membrane cytoplasmique pour une espèce ionique i augmente, le potentiel de membrane devient égal au potentiel d équilibre thermodynamique de cet ion i donné par l équation de nernst:
479 où: r = constante des gaz parfaits, t = température absolue z = la valence de l ion (+ 1 pour le k+ et le na+, - 1 pour le ci-, et +2 pour le ca2+), f = faraday, [ion]e = concentration de l ion à l extérieur de la cellule, [ion]i = concentration de l ion à l intérieur de la cellule, à 20°c, rt/f = 25 mv.
480 si z = +1, en base 10:
481 si, par convention, le milieu extracellulaire est le milieu de référence, en prenant les valeurs des concentrations ioniques intra- et extracellulaires indiquées dans la figure 1 du n°2 (neurone de mammifère), on trouve que: 169
482 le potentiel d équilibre des ions k+ est: ek = - 84 mv;
483 le potentiel d équilibre des ions na+ est: ena = + 58 mv;
484 le potentiel d équilibre des ions ci- est: ecl = - 58 mv;
485 le potentiel d équilibre des ions ca2+ est: eca = +116 mv
486 2) gradient électrochimique; courant ionique à travers un canal
487 au repos, l intérieur des cellules est chargé négativement par rapport à l extérieur. ce potentiel vm, dit de repos, est rarement égal au potentiel d équilibre d une espèce cationique. ceci est essentiellement dû au fait (comme nous le verrons dans le § ci-dessous) que la membrane n est pas sélectivement perméable à un seul ion, mais que différents types de canaux ioniques sont ouverts dans la membrane lorsque le potentiel de membrane est à sa valeur de repos. lorsqu une espèce ionique n est pas en équilibre, le flux net n est pas nul. a ce flux net correspond un courant que l on peut mesurer.
488 a. la différence (vm - eion) est appelée gradient électrochimique
489 le potentiel de membrane (vm) d une cellule au repos varie entre -20 et -90 mv suivant le type cellulaire. il est situé le plus généralement entre -40 et -60 mv, et n est égal à aucun des potentiels d équilibre d une espèce cationique. c est-à-dire qu en définitive, aucun cation n est en équilibre, et (vm - ecation) est différent de 0. on appelle cette différence (vm - ecation): gradient électrochimique (ou driving-force).
490 en première approximation, le flux net d une espèce ionique, jion, sera proportionnel à ce gradient:
491 jion. = (vm. - eion.)
492 par convention, un flux net est positif lorsqu un cation a tendance à sortir de la cellule et négatif lorsqu il a tendance à entrer. ainsi, les ions na+ et ca2+ vont avoir tendance à entrer dans la cellule et les ions k+ à en sortir. la situation pour les ions ci- est plus complexe. dans beaucoup de cellules animales, la concentration intracellulaire en ions chlorure n est pas fixée par un système de transport actif aussi efficace que celui des ions sodium et potassium. il s en suit que, dans beaucoup de cellules les ions chlorure se distribuent uniquement passivement de part et d autre de la membrane, la valeur de ecl s ajustant à une valeur de vm fixée essentiellement par les ions na+ et k+.
493 b. on définit un terme opérationnel: la conductance
494 d une manière générale, la conductance électrique est une mesure de la facilité avec laquelle le courant se déplace entre deux points. la conductance entre deux électrodes placées dans une solution ionique augmente lorsque l on ajoute plus de sel dans la solution. dans le cas d un canal ionique, la conductance caractérisera la facilité avec laquelle les ions traversent le pore. la conductance s exprime en siemens (s), et est l inverse de la résistance r exprimée en ohms (o):
495 ion = 1 /rion
496 par convention, pour une espèce ionique donnée, ion sera la conductance d un canal, ou conductance élémentaire, et gion. la conductance de toute la membrane de la cellule pour cet ion. gion. est proportionnelle à ion, mais aussi au produit nion p0., où nion est le nombre total de canaux de l espèce ionique considérée dans la membrane, et p0. la probabilité pour que ces canaux soient à l état ouvert
497 gion = ion nion p0
498 la valeur de ? peut varier entre 10 et 200 ps suivant le type de canal ionique. il faut signaler que la plupart des canaux ioniques ne sont pas parfaitement sélectifs, c est-à-dire qu ils laissent préférentiellement passer une certaine espèce ionique, mais que d autres espèces ioniques peuvent aussi, plus ou moins, traverser le pore. cela signifie que la mesure de ? dépendra des conditions expérimentales et en particulier de la présence d autres ions.
499 c. l électrophysiologiste mesure des courants. transposition de la loi d ohm à un gradient électrochimique
500 on peut écrire que l intensité du courant (iion) traversant un canal ionique est égale à:
501 iion. = ion. (vm. - eion)
502 cette expression n est que la transposition de la loi d ohm à un gradient électrochimique. le canal peut donc être représenté par le circuit électrique équivalent ci-contre: le gradient de concentration est assimilé à une pile avec une force électromotrice égale au potentiel d équilibre de l ion mis en jeu. cette pile est placée en série avec une conductance
503 d une manière analogue, on peut écrire que, pour une cellule entière, le courant transmembranaire (iion) transporté par une espèce ionique à travers tous les canaux ioniques de la membrane d une cellule, est égal à :
504 iion = gion (vm. - eion) 170
505 soit :
506 iion = ion nion p0 (vm. - eion)
507 iion = iion. nion p0
508 gion étant la conductance transmembranaire pour une espèce ionique.
509 un courant électrique (à travers un canal ou la membrane) est équivalent à un flux net de particules chargées (ions). l unité de courant est l ampère (coulomb . s-1). on peut convertir le courant en flux :
510 iion = z * f * jion.
511 où f est la constante de faraday = 96500 c . mole-1 .
512 3) cas d une membrane perméable à plusieurs ions. potentiel de repos
513 julius bernstein, en 1902, fut le premier à proposer une interprétation de l origine du potentiel de repos dans les cellules: les membranes biologiques seraient sélectivement perméables aux ions k+. cette hypothèse reposait sur les données de la distribution des différents ions de part et d autre de la membrane. avec le développement des techniques et des microélectrodes, on s aperçut, une quarantaine d années plus tard, que, au repos, la membrane était aussi perméable aux ions na+.
514 a. que se passe-t-il si la membrane contient deux populations différentes de canaux ouverts ?
515 imaginons une cellule fictive dont la membrane comporterait à la fois des canaux k+ et na+ ouverts (fig. 6). supposons que cette cellule possède également un mécanisme permettant de maintenir constantes les concentrations intracellulaires en ions k+ et na+ (les pompes ioniques jouent effectivement un tel rôle). ek et ena, les potentiels d équilibre des ions k+ et na+, restent donc constants car les concentrations en ions na+ et k+ de part et d autre de la membrane restent constantes. on comprend bien que le potentiel de membrane (vm) qui va s établir ne peut être égal ni à ena, ni à ek mais à un potentiel situé à un niveau intermédiaire. le potentiel d une telle cellule évoluera vers un état stable qui sera atteint quand le flux net de charges à travers la membrane (ici ce ne peut être que les ions na+ et k+) sera nul, ce qui, exprimé en termes de courants ioniques, donne:
516 ig. 6 - quel est le potentiel de membrane d une cellule
517 si la membrane contient autant = 10ps et k = 50 ps, vm sera
518 f
519 dont la membrane est perméable à la fois aux ions na+ et k+ ? supposons que la membrane contienne 5 fois plus de canaux k+ que de canaux na+, tous les canaux étant ouverts (p. = 1 et nk = 5nna), et que les conductances élémentaires de ces deux types de canaux soient égales ( k = na). avec ek = -84 mv et ena = +58 mv, vm. sera égal à: de canaux na+ que de canaux k+, nna = nk; mais si na
520 aussi égal à –60mv. ce qui compte, c est le rapport gna/ gk.
521 b. dans les membranes biologiques, le potentiel de repos se rapproche de ek
522 au repos, gk est plus grande que gm,
523 de l équation précédente, on voit que la valeur du potentiel de membrane va donc dépendre de la conductance relative des différents ions. si a = gna/gk 171
524 si a est petit, c est-à-dire si gk est grand par rapport à gna, vm se rapprochera de ek. dans notre exemple, avec vm = -60 mv, ek = -84 mv, et ena. = +58 mv, on peut calculer que a = 0,2 , c est-à-dire que le conductance aux ions k+ est 5 fois plus grande que celle des ions na+.
525 or nous avons vu que: gion = ion.* nion. * po
526 où: nion. est le nombre total de canaux de l espèce ionique considérée;
527 ion. la conductance élémentaire d un canal;
528 p0. la probabilité pour que ces canaux soient à l état ouvert.
529 on voit que gk peut être plus grand que gna. si la conductance élémentaire des canaux k+ ouverts au potentiel de repos est plus grande que celle des canaux na+, k supérieur à na , ou si le nombre de ces canaux k+ ouverts est plus grand que le nombre de canaux na+ ouverts, nk * p0. supérieur à nna * p0. dans la majorité des cellules, au repos, il y a beaucoup plus de canaux k+ que de canaux na+ ouverts. l inégalité gk supérieur à gna. explique que l intérieur d une cellule soit négatif par rapport à l extérieur.
530 quels sont les canaux responsables du potentiel de repos ?
531 curieusement, ces canaux sont encore mal connus. on sait qu il existe des canaux qui sont ouverts au potentiel de repos (canaux k+ divers, canaux cationiques non sélectifs, ... ) et dont les propriétés cinétiques et pharmacologiques ont été bien caractérisées. mais il est possible qu il existe également d autres canaux qui participent au potentiel de repos de la cellule mais dont la conductance est trop faible pour que leur activité puisse être enregistrée avec des techniques électrophysiologiques actuelles.
532 généralisation: expression du potentiel de membrane (équation de goldmann)
533 dans les cellules animales, la membrane plasmique possède une grande variété de canaux ioniques et sera donc perméable non seulement aux ions k+ et na +, mais également aux ions ca2+ et cl-. comme précédemment, si l on suppose que des gradients transmembranaires peuvent rester constants, le système évoluera vers un état d équilibre avec un potentiel transmembranaire, vm, qui sera atteint lorsque:
534 4) variations du potentiel de membrane: dépolarisation, hyperpolarisation, potentiel électrotonique. schéma électrique équivalent de la membrane.
535 lorsque le potentiel de membrane se déplace vers les valeurs plus négatives, on dit que la cellule s hyperpolarise ; lorsqu il se déplace vers les valeurs plus positives, la cellule se dépolarise (fig. 7). un flux entrant de cations dépolarise la cellule; un flux sortant l hyperpolarise.
536 le potentiel de membrane vm peut évoluer entre 2 valeurs extrêmes correspondant aux potentiels d équilibre le plus négatif et le plus positif, soit dans le cas de la plupart des cellules animales entre ek et ena. cette évolution est fonction des conductances relatives de la membrane. si les ions cl- sont distribués passivement, alors le potentiel de repos (vm) d une cellule est en première approximation égal à:
537 ainsi, tout ce qui peut faire varier ena, ek, gna ou gk va modifier la valeur de vm. si par exemple ek se rapproche de 0 (par exemple si [k]e augmente), le deuxième terme (gk.ek) diminue et donc vm se rapproche de ena. toutes les autres solutions sont possibles.
538 fig. 7 – les réponses dépolarisantes ou hyperpolarisantes passives en réponse à des injections de courant à l intérieur de la cellule sont appelées potentiels électrotoniques. deux microélectrodes, l une servant à mesurer le potentiel de membrane, l autre à passer du courant sont placées à l intérieur du neurone. un saut de courant sortant (positif) appliqué par l expérimentateur à l intérieur de la cellule la dépolarise; un saut de courant entrant (négatif) l hyperpolarise. ces sauts de courant entraînent l apparition de potentiels électrotoniques dépolarisants ou hyperpolarisants.
539 dans la figure 8, on voit que les potentiels électrotoniques mettent un certain temps à s établir. la capacité (cm) et la résistance (rm) du schéma électrique équivalent de la membrane sont placés en parallèle. lorsque initialement, un courant (i) est appliqué, celui-ci va charger d abord la capacité de membrane. ic représente le courant passant à travers cm. quand la capacité de membrane est chargée, ic redevient nul après être passé par un maximum; simultanément, à mesure que vm change, de plus en plus de courant traverse les canaux ioniques : lorsque, ic étant devenu nul, tout le courant im passe par rm, le potentiel atteint un plateau. ce changement de potentiel est appelé potentiel électrotonique. le front de montée de ce potentiel est une exponentielle dont la constante de temps t = rm*cm ; t peut être mesuré expérimentalement, il correspond au temps mis par le potentiel pour atteindre 63% de sa valeur finale.
540 fig. 8 – les potentiels électrotoniques mettent un certain temps à s établir, en fonction de la valeur de la capacité de membrane.
541 le schéma illustré sur la figure 9 est en fait la représentation électrique de la membrane de la quasi-totalité des cellules animales, alors que le potentiel transmembranaire est à sa valeur de repos.
542 fig. 9 – schéma électrique équivalent de la membrane au potentiel de repos. chaque type de canal ionique représenté par la combinaison d une pile et d une résistance en série est placé en parallèle avec cm, la capacité de la membrane et les pompes na/k et ca2+.
543 5) un flux entrant de cations dépolarise la cellule (fig. 10); un flux sortant de cations l hyperpolarise (fig. 11).
544 fig. 10 – un flux entrant de cations dépolarise la cellule. sur un neurone de mammifère on applique localement, près de la surface cellulaire, de la batrachotoxine (btx). cette toxine ouvre des canaux na+ normalement fermés au potentiel de repos de la cellule (a). la membrane (vm=-60mv) se dépolarise jusqu à une valeur v m=-50mv (b). le circuit électrique équivalent correspondant à l état stationnaire est représenté en (c). la btx provoque l ouverture de canaux na+ (branche de gauche) qui sont représentés par gna. dans cette branche du circuit, le courant est entrant. il se reboucle dans la branche de droite par les canaux ouverts au potentiel de repos, où il est sortant. dans la branche de gauche la chute de potentiel aux bornes de gna. est de –108mv, dans la branche de droite, aux bornes de gm, elle est de +10mv.
545 fig. 11 – un flux sortant de cations hyperpolarise la cellule. on applique sur le corps cellulaire de la morphine (a). la cellule s hyperpolarise (b) (v m=-70mv). cette drogue, sur ce neurone, ouvre des canaux k+ symbolisés par gk sur le circuit électrique équivalent (c). des ions k+ sortent de la cellule, hyperpolarisant la cellule. ce courant se reboucle par les canaux ouverts au potentiel de repos, dans la branche de droite, où il est entrant. la chute de potentiel aux bornes de gk est de +14mv, aux bornes de gm, elle est de –10mv.
546
547 <langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=11><source=http://chimge.unil.ch/fr/propsol/1prop15.htm>
548
549 4. le potentiel de membrane
550
551 considérons une membrane réelle imperméable aux anions mais partiellement perméable aux cations. la pression osmotique fait que a+ migre de 1 vers 2. le compartiment 1 se charge négativement (perte de a+) et le compartiment 2 se charge positivement créant ainsi un potentiel électrique appelé potentiel de membrane qui s oppose à la migration de a+.
552
553 on peut montrer que ce potentiel dépend des concentrations de l ion de part et d autre de la membrane et on a :
554
555 où z est la charge de l ion migrant (z = 1 pour a+) et c2 inférieur à c1.
556
557 <langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=11><source=http://chimge.unil.ch/fr/propsol/1prop16.htm>
558
559 application : stockage d énergie dans les systèmes vivants et transmission de l influx nerveux
560
561
562 un gradient de concentration d un même ion séparé par une membrane produit un potentiel de membrane. par exemple, les pompes biologiques à potassium et à sodium maintiennent en permanence des gradients de concentration opposés pour ces deux ions.
563
564 on peut calculer les potentiels de membrane à 37°c associés à chaque cation:
565
566
567 ces potentiels sont de signes opposés puisque le rapport des concentrations est inversé. la présence d un potentiel électrique dû à un gradient de concentration est d une importance primordiale pour la physiologie et la biologie :
568
569
570 la présence du potentiel de membrane permet de stocker ou de restituer de l énergie à partir du gradient des concentrations. en effet, le potentiel électrique est lié à l énergie libre selon :
571
572 on peut donc calculer que de = +88 mv correspond à un stockage d énergie de :
573
574 a la fin du mécanisme de la respiration aérobique, le stockage de l énergie résultant de la combinaison de nadh2 avec o2 (chaîne de transferts d électrons) se fait sous forme de gradient de h+ à travers la paroi de la mitochondrie . ce gradient est ensuite utilisé pour recharger l adp en atp.
575
576
577 la modification du potentiel de membrane lors d un changement du gradient de concentration est caractéristique de la transmission nerveuse. si un gradient de concentration peut produire un potentiel électrique, le contraire est aussi vrai; l application d un potentiel électrique peut provoquer la diffusion d ions. c est l origine de notre sensiblité aux chocs électriques.
578
579 <langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=12><source=http://biologique.free.fr/cours/nerophysiologie/potentiel%20de%20membrane.pdf>
580
581 potentiel de membrane
582 1. introduction
583 les systèmes hormonal et nerveux sont les deux grands systèmes de communication.
584 système nerveux :
585 le neurone réagit à beaucoup de stimulations : thermiques, chimiques, mécaniques.
586 la cellule sensorielle réagit à des informations extérieures.
587 la cellule nerveuse est à l origine de signaux électriques et l information transmise est
588 appelée influx nerveux. cette conduction est due à des modifications de l état de repos du neurone.
589 la transmission entre neurones met en jeu des phénomènes chimiques mais on peut
590 trouver des synapses électriques.
591 on peut enregistrer des phénomènes électriques avec l électrophysiologie pour étudier le
592 fonctionnement du système nerveux :
593 electroencéphalogramme : étude globale du cerveau. enregistrement in vivo et
594 visualisation des rythmes du cerveau.
595 enregistrements extracellulaires sur tranches de cerveau : étude de réseaux,
596 communication entre cellules.
597 etudes intracellulaires, patch-clamp : récepteur ou canaux ioniques membranaires.
598 2. mesure du potentiel
599 microélectrode intracellulaire
600 potentiel de membrane au repos
601 on utilise une électrode remplie e kcl poly1 pour un bon contact électrique.
602 on enregistre des différences de potentiels de repos différents selon les cellules. on
603 parle aussi de potentiel de membrane. ce sont des différences de concentrations en
604 ions entre l intérieur et l extérieur de la cellule qui déterminent le potentiel.
605 on dit d une membrane qu elle est polarisée si elle est chargée négativement.
606 mesure du potentiel d action
607 on implante une microélectrode au niveau de l axone et on stimule le neurone au
608 niveau du corps cellulaire poly1.
609 dépassement dépolarisation de la cellule. l intérieur de la cellule devient négatif. le
610 pic dépend du type de cellule.
611 phase descendante de repolarisation suivie d une hyperpolarisation et retour à la valeur
612 de repos.
613
614 electrode extracellulaire
615 si les cellules sont trop petites ou si les axones sont trop fins on utilise ce genre
616 d enregistrement. de plus, on peut reconnaître différents types de cellules.
617 on injecte un courant, ce qui amène des charges positives dans l axone. ces charges vont se
618 déplacer le long de l axone, ouvrir les canaux sodiques et déclencher un p.a.
619 si la stimulation est trop faible, on n arrive pas à avoir de p.a. poly2 i
620 variations triphasiques du potentiel
621 ii on a plus de charges positives dans la cellule que dans le bain.
622 on stimule avec deux plaques en métal pour stimuler un nerf poly3 et on utilise aussi deux
623 plaques pour les enregistrements.
624 si on stimule fortement on recrute plus d axones et on enregistre une variation maximale due
625 aux nombres d axones recrutés (des plus petits aux plus grands).
626 3. mesure des courants membranaires
627 invention de la technique de potentiel imposé par cole, hogkin et huxley et, on a compris
628 le fonctionnement du p.a. en étudiant l activité des canaux.
629 technique basée sur la loi d ohm u=ri
630 on va rendre u constant et on mesure i. on voit la variation de résistance de la membrane et on
631 voit l état des canaux. si r diminue, les canaux s ouvrent.
632 pour imposer le potentiel il faut pouvoir accéder à l intérieur de la cellule, il faut un potentiel de commande
633 choisi par l expérimentateur et un appareil capable de comparer la tension de la
634 membrane et le potentiel que l on veut imposer. cet appareil va injecter un courant pour que le
635 potentiel de la membrane soit au potentiel souhaité.
636 la double microélectrode intracellulaire
637 poly4
638 on implante une microélectrode qui va mesurer le potentiel de membrane. il va être comparé
639 à l électrode de référence.
640 on va comparer la tension de la membrane à celle que l on veut mesurer. l amplification va
641 injecter un courant à l aide d une seconde électrode pour amener le potentiel de membrane au
642 potentiel que l on veut.
643 il est impossible d utiliser cette technique sur de petites cellules ou des cellules fragilisées.
644 ici on mesure des courants globaux, tous les canaux sont présents et, on ne contrôle pas la
645 composition du milieu intracellulaire.
646 technique de patch-clamp 647 on utilise une pipette en verre qui va coller sur la membrane des cellules poly5. on a des
648 milliers d ions qui vont passer dans les canaux et qu on va pouvoir enregistrer.
649 il existe plusieurs modes pour le patch-clamp :
650 mode cellule attachée
651 mode cellule entière : on enregistre des courants globaux
652 mode outside out : les extrémités de la membrane vont rester attacher et se rabattre sur la
653 pipette
654 mode inside out : la face interne est à l extérieur de la pipette
655 les deux derniers modes sont des patchs excisés.
656
657 <langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=13><source=http://www.lille.inserm.fr/site/ifr114ea2689/page.asp?page=208>
658 3. dissipation du potentiel de membrane mitochondriale, respiration et fonction contractile
659
660 la mitochondrie est un élément essentiel de la production d énergie de la cellule cardiaque. dans le muscle cardiaque, plus de 30 % du volume cellulaire est occupé par les mitochondries. grâce au maintien de la phosphorylation oxydative, les mitochondries assurent un perpétuel renouvellement en atp nécessaire aux phénomènes de contraction-relaxation des cardiomyocytes. la production d atp est conditionnée par l activité de l atp synthase ou fof1-atpase, elle-même déterminée par la présence d une force protomotrice générant une différence de potentiel.
661 nous avons montré que les mitochondries isolées de coeurs de rats traités par le lps présentent des anomalies caractérisées par une augmentation de perméabilité, une diminution du potentiel de membrane et une fuite de facteurs pro-apoptotiques, comme le cytochrome c (fauvel et al., 2002). la présence cytosolique de cytochrome c conduit à l activation de la caspase-9, elle-même responsable du clivage et de l activation de la caspase-3. l inhibition pharmacologique de la transition de perméabilité mitochondriale par la cyclosporine permet de prévenir l ensemble de ces phénomènes et améliore la fonction myocardique. ces résultats sont en accord, montrant que la production de tnf-a myocardique conduit à une diminution du potentiel de membrane mitochondrial des cardiomyocytes (favory et al., 2004).
662
663
664 objectifs :
665
666 nous testons actuellement dans le laboratoire l hypothèse selon laquelle la dissipation du potentiel de membrane mitochondrial des cardiomyocytes est un évènement majeur induit par le lps qui, en plus de fuite mitochondriale de facteurs pro-apoptotiques comme le cytochrome c, est responsable de la défaillance myocardique septique.
667 nous réaliserons des expériences montrant que la dissipation du potentiel de membrane mitochondrial des cardiomyocytes est responsable d anomalies mitochondriales qui associent une augmentation de perméabilité, un découplage de la chaîne respiratoire, une augmentation de la production de radicaux libres de l oxygène et des anomalies de l homéostasie calcique.
668
669 a) dans un modèle de péritonite chez la souris, nous étudierons d abord les effets du sepsis sur le potentiel de membrane mitochondrial des cellules cardiaques. la réduction attendue du potentiel de membrane sera associée à des modifications de la respiration mitochondriale qui sera évaluée grâce à un oxygraphe polarographique haute résolution. l ensemble des résultats obtenus permettra de confirmer que la mitochondrie représente une cible importante modulant la réponse à une agression septique.
670
671 b) nous confirmerons également que les modifications de la respiration mitochondriale induites par la péritonite chez la souris s accompagnent d une augmentation de production d espèces réactives de l oxygène (ros) et la concentration de calcium intramitochondrial.
672
673 c) une étude fonctionnelle sur cardiomyocytes isolés permettra de montrer le bénéfice fonctionnel de l inhibition de la dissipation du potentiel mitochondrial par l utilisation de la cyclosporine et de dérivé non immunosuppresseur, le n-methyl-4-isoleucine csa (nim 811).
674 en effet, dans ce contexte, un traitement par la cyclosporine et le nim 811 administrés immédiatement après l induction de la péritonite chez la souris prévient la baisse de potentiel de membrane mitochondrial et la libération de cytochrome c.
675 le rôle de bcl-2, une protéine mitochondriale qui peut dans certaines conditions s opposer à la baisse de potentiel de membrane mitochondrial et la libération de cytochrome c, sera évalué grâce à l utilisation de souris transgéniques.
676 nous confirmerons l hypothèse que la sur-expression de la protéine anti apoptotique bcl-2 chez la souris transgénique bcl-2 /22 permet de prévenir la baisse de potentiel de membrane mitochondrial, les anomalies contractiles cardiaques et de réduire la mortalité induite par la péritonite.
677
678 méthodes :
679
680
681 les préparations tissulaires et cellulaires seront réalisées à partir de coeurs de rats ou de souris traités ou non par une injection de lps grâce à des protocoles standardisés. les préparations servant à l étude de la fonction mitochondriale seront réalisées sur fibres cardiaques perméabilisées et mitochondries isolées selon des techniques standardisées (ea 2689).
682
683 un oxygraphe polarographique haute résolution (oroboros oxygraph-2k) permettra la mesure de la consommation d oxygène et l utilisation de substrats et d inhibiteurs spécifiques des complexes de la chaîne respiratoire permettra d évaluer leur activité respective (ea 2689).
684
685
686 le potentiel de membrane mitochondrial sera évalué par l utilisation de tmre, un fluorophore cationique de localisation mitochondriale. la baisse de la fluorescence obtenue avec le tmre témoigne de la baisse de potentiel de membrane mitochondrial ( m)
687
688
689 la production d espèces réactives de l oxygène (ros) sera évaluée par des techniques de microscopie de fluorescence de la dihydrofluoreceine dcf (eclipse e800 nikon, tokyo, japan) (ea 2689). la transition de perméabilité mitochondriale et le calcium mitochondrial seront évalués en microscopie confocale de fluorescence de la calcéine et du rhod-2, respectivement (leica tcs nt, microsystems, rueil malmaison, france) (service commun d imagerie imprt université de lille2, lille).
690
691 une souche transgénique bcl-2 /22 surexprimant le gène bcl-2 (c.d.t.a institut de transgénose, c.n.r.s, orléans) sera utilisée. la vérification de la surexpression de bcl-2 des souris étudiées est effectuée au niveau de la queue, pour chaque souris tg fournie, par l institut de transgénose (dr marie laure dessain - cdta orléans).
692
693
694 la fonction contractile ventriculaire sera évaluée par échocardiographie (toshiba power vision 6000 - sonde linéaire de 8-14 mhz) (inserm u426, faculté de médecine x bichat, paris) et sur coeur isolé et perfusé (harvard apparatus, les ulis, france) (ea 2689). la fraction de raccourcissement des cardiomyocytes sera évaluée par technique de détection de bord cellulaire et la concentration intracellulaire de calcium (ionoptix, milton, ma, usa) sera déterminée par microscopie de fluorescence du fluo-3 (ea 2689)
695
696
697 les paramètres retenus pour l évaluation de la fonction systolique seront les suivants : diamètres du ventricule gauche (vg) en fin de diastole (dtdvg) et en fin de systole (dtsvg), fraction d éjection (fe = dtdvg3 - dtsvg3 / dtdvg3), et la fraction de raccourcissement (fr = dtdvg - dtsvg / dtdvg).
698
699
700 <langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=14><source=http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/07/98/48/pdf/cfm2005_chatkaew_biomecanique_2005.pdf>
701 contribution du potentiel de nernst à la mécanique des
702 membranes biologique
703 résumé :
704 une membrane biologique est constituée d une barrière, la bicouche lipidique, quasi-imperméable aux ions présents dans la
705 solution dans laquelle baigne la cellule. le transfert des ions à travers la membrane est effectué spécifiquement par des protéines localisées au sein de la membrane. l activité membranaire génère ainsi une différence de potentiels électriques v à la
706 membrane et des différences parfois très importantes de concentrations entre l intérieur et l extérieur de la cellule. dans le cas des cellules animales, v est proche du potentiel d équilibre de nernst de l ion potassium. le potentiel de nernst est la différence de potentiels électrique à la membranes nécessaire afin d équilibrer la différence de concentrations entre les concentrations interne et
707 externe de l ion potassium. l objet de ce papier est de déterminer comment les propriétés élastiques d une membrane biologique
708 sont modifiées par la présence du potentiel de nernst. d un point de vue électrique, la membrane peut être considérée en
709 première approximation, comme un diélectrique de très faible épaisseur. le potentiel de nernst engendre donc
710 une distribution ionique de part et d autre de la membrane. le système considéré est une cellule cylindrique. l énergie associée au processus de nernst a été calculée et ainsi, nous montrons que le module élastique de courbure est renormalisé et qu une courbure spontanée de la membrane apparaît. la stabilité de la membrane est affectée.
711 abstract :
712 the structure of a biological membrane is a thin lipid bilayer where proteins are embedded. as the lipid bilayer is a dielectric,
713 ionic transfer through the membrane is maintained by proteins such as pumps and channels. theirs activities generate an electric
714 membrane potential v and differences between intracellular and extracellular concentrations. in the case of animal cells, v is
715 well described by the nernst equilibrium potential of the potassium ion. this potential is the difference of electric potentials
716 across the membrane that equilibrates the difference between internal and external concentrations of the potassium ion. in this
717 paper, the contribution of the nernst potential to the elastic properties of cellular membranes is determined. especially, the
718 renormalization of the elastic modulus of curvature is computed. we show that a spontaneous curvature appears, modifying the
719 stability of the membrane.
720 mots clefs :
721 mécanique des membranes ; élasticité ; potentiel de nernst
722 1 la problématique
723 l étude de la structure et de la dynamique des membranes est un thème central de recherche dans des
724 domaines aussi divers que la physique des colloïdes, physique et mécanique des interfaces [1,2] ou bien
725 encore de la biomécanique [3]. les motivations sont aussi diverses que leur utilisation dans l industrie
726 cosmétique ou agroalimentaire ou bien encore, une meilleure compréhension de processus biologiques dans
727 lesquels la membrane joue un rôle important. deux exemples patents sont l exocytose et l endocytose.
728 dans le cadre de ce papier, nous nous intéressons aux membranes biologiques [4].
729
730 fig. 1 – une membrane biologique est composée d une bicouche de lipides dans laquelle baignent les
731 protéines. le potentiel de membrane v est la différence de potentiels électriques entre l interne et l externe.
732 les membranes biologiques et de protéoliposomes sont constituées d une matrice, une bicouche lipidique
733 formée de deux monocouches de lipides dans laquelle il existe un grand nombre de protéines membranaires :
734 figure 1. l épaisseur est de l ordre de 5 nm. la bicouche lipidique étant imperméable aux ions,
735 la conduction ionique est effectuée par plusieurs classes de protéines membranaires [4,5]. les pompes
736 sont les seules qui soient actives : elles consomment de l énergie chimique par hydrolyse de l atp pour
737 transférer un ion d un côté à l autre de la membrane. dans le régime stationnaire, le courant transmembranaire est nul :
738 le flux membranaire produit par les pompes est compensé par celui d autres protéines telles que les canaux, les cotransporteurs ou bien encore les uniports. ces protéines sont passives.
739 le résultat de cette activité est la génération d un potentiel de membrane v
740 (v est la différence de potentiels électriques entre l interne et l externe) qui varie suivant le type cellulaire de –30 mv à –250 mv. il existe
741 d autres sources du potentiel de membrane comme le potentiel de donnan ou bien le potentiel de nernst.
742 ce dernier décrit correctement le potentiel de membrane v lorsque la conductance des protéines passives
743 de l un des ions transférés par la pompe est grande devant le courant de la pompe divisé par
744 le potentiel de membrane. c est notamment le cas des les cellules animales dont le potentiel de membrane v est bien
745 représenté par le potentiel de nernst de l ion potassium [5] :
746 k t
747 v b (1)
748 où n10 et n18 sont respectivement les densités interne et externe de l ion potassium. la nature
749 thermodynamique du potentiel de nernst provient de l équilibre de la différence de concentrations interne
750 et externe par le potentiel de membrane. elle sera explicitée dans la partie 3.1. l objet de ce papier est
751 d étudier la contribution du potentiel de nernst aux propriétés mécaniques de la membrane : figure 2.
752 fig. 2 – la déformation d une membrane dépend du module élastique de courbure et de la présence d une
753 courbure spontanée. l objet de ce papier est l étude de la stabilité d une membrane cylindrique en
754 déterminant ses caractéristiques mécaniques en présence d un potentiel de nernst.
755 2 mécanique de la membrane
756 les propriétés élastiques des bicouches lipidiques sont caractérisées par trois types de déformation élastique
757 associées à trois énergies élastiques de nature différente: élongation, cisaillement et courbure [6].
758
759 la première déformation correspond à un étirement isotrope (ou contraction) dans le plan de la membrane
760 d un élément de surface. elle est donc reliée au module de compressibilité de la membrane. l énergie
761 nécessaire afin d augmenter la surface de quelques % est considérable devant l énergie d agitation thermique
762 kbt. dans notre travail, la surface de la membrane est donc constante. la seconde déformation est le
763 cisaillement lié au mouvement opposé des deux monocouches à surface constante.
764 dans les membranes fluides que nous considérons, la résistance est faible. ce terme est donc négligé. le troisième type de déformation est la courbure de la membrane à surface constante. la densité surfacique d énergie fmech est
765 alors [2,6] :
766
767 où ? et g sont le modules élastique de courbure et le module gaussien. c1,2 et c0 sont respectivement les
768 courbures principales et la courbure spontanée de la membrane. l intégration se fait sur la surface de la membrane.
769 d après le théorème de gauss-bonnet, le second terme de l énergie ne dépend que de la topologie du système [2].
770 il est donc constant dans cette étude. il est omis dans la suite.
771 3 modèle
772 3.1 système et équations de base
773 le système étudié est une membrane cylindrique de rayon r et d épaisseur d. la membrane contient divers
774 ions notés j dont la valence est zj et la densité est nji. elle est plongée dans une solution contenant aussi les
775 ions j dont la densité est nje. dans le cadre d un modèle simple, on suppose que seul l ion 1 est susceptible
776 de traverser la membrane. si les densités interne et externe de 1 sont différentes, l ion 1 traverse la membrane
777 et charge donc la capacité que constitue la bicouche électrique. le potentiel de membrane v
778 engendré est la différence entre les potentiels électriques interne fi et externe fe: v=fi-fe.
779 les distributions spatiales de chaque ion sont affectées de part et d autre de la membrane par v. dans une théorie de champ 780 moyen, le profil de chaque densité ionique est donné par la distribution de boltzmann. les effets de
781 corrélation sont négligés [7,8]. les densités ioniques vérifient l équation de poisson :
782
783 où nj8 et nj0 sont les densités ioniques de l ion j loin de la membrane à l extérieur et à l intérieur. vi est le
784 potentiel de membrane tandis que ve est choisi égal à zéro (origine des potentiels). au sein de la membrane,
785 entre r+=r+d/2 et en r-=r-d/2, le potentiel électrostatique satisfait l équation de laplace.
786 le potentiel électrostatique est continu à la traversée de chaque interface solution-membrane en r+ et en r- tandis que le
787 champ électrique est discontinu :
788 en. f i,e =e mn. f mi,me (4)
789 où e, em et n sont respectivement la permittivité de l eau, la permittivité de la membrane et le vecteur
790 unitaire normal à la membrane. le système d équations est résolu analytiquement et numériquement le cas
791 échéant dans le cadre de l approximation de debye-hückel. c est à dire que les potentiels fe et fi-v sont
792 petits devant le potentiel thermique kbt/e ˜ 25 mv, approximation justifiée
793 dans le cadre du potentiel de nernst. ainsi, les distributions de botzmann sont linéarisées et l intégration facilitée.
794 3.2 méthode et calcul de l énergie
795 l énergie associée au processus de nernst comprend deux contributions. la première est électrostatique et
796 provient de l existence d une différence de potentiels électriques à la membrane et donc,
797 d une distribution ionique de chaque côté de la membrane. la seconde est fournie par l agitation thermique qui se retrouve
798 aussi dans le profil des distributions ioniques. le cas n10 inférieur à n18 est considéré car, c est celui-ci qui peut être
799 validé expérimentalement par une étude sur les protéoliposomes : à noter que la figure 1 correspond au cas
800 opposé (celui des cellules animales). les résultats ne dépendent pas de cette hypothèse. une manière simple
801 d évaluer l énergie de nernst est de considérer la variation d énergie dfnernst lorsque une quantité dn1 d ions
802 1 est transférée à la membrane : dfnernst=(µ1i-µ1e)dn1 où µ1i = z1efi+kbtln(n10) et µ1e = z1efe+kbt ln(n18)
803 sont respectivement les potentiels électrochimiques de l ion 1 à l intérieur et à l extérieur.
804 les potentiels chimiques standards ont été omis car, ils n interviennent pas dans le calcul. l intégration s effectue entre n1
805 égal à zéro et la quantité finale n1f d ions 1 transférés. n1f se détermine par la condition d équilibre dans
806 l état final : µ1i=µ1e qui fournit la valeur du potentiel v dans l état final donnée par l équation (1). dans le
807 cas d une membrane cylindrique, la somme des densités surfaciques d énergies mises en jeu f = fnernst +
808 fmech peut être développée en puissance de 1/r : f= fplan +b/r+c/r2 où fplan est l énergie de la densité d énergie d une membrane plane. ce développement correspond aussi à celui d une membrane élastique cylindrique
809 dont le module élastique effectif de courbure eff et la courbure spontanée c0eff sont
810 renormalisés : eff = 2c et c0eff = -b/2c. cette méthode est générale. elle a été appliquée dans la littérature
811 au cas de membranes dont les lipides ou protéines portent une charge fixe [9,10].
812 4 résultats
813 la résolution des équations (3,4) permet de déterminer la variation du potentiel électrique dans le système.
814 le potentiel électrique comprend deux parties : figure 3. la première est le saut de potentiel de l ordre de v
815 à la traversée de la membrane. son origine thermodynamique a été précisé en 3.1. c est le potentiel de nernst.
816 la seconde partie est la couche de debye de part et d autre de la membrane. la densité de charge
817 est écrantée sur une longueur caractéristique appelée la longueur de debye d= ?-1 : figure 3. elle varie
818 comme l inverse de la racine carrée de la concentration en sel : e z j n j0, j /ekbt
819
820 fig. 3 – le potentiel électrique d une membrane soumise à un potentiel de nernst v (v=0.1 v) varie
821 exponentiellement à l approche de la membrane. cela correspond à l écrantage ionique. ainsi, la différence
822 de potentiels à la membrane vm = fi(r-) - fe(r+) est différente du potentiel de nernst v. les valeurs des
823 paramètres ont été choisies pour la clarté de la figure : 0=5.107 m-1, 8=108 m-1, r=1 µm, d=5 nm,
824 em=5.10-11 fm-1 et e=7.1 10-10 fm-1.
825 int ext
826
827 toute la contribution à la mécanique de la membrane est contenue dans la couche de debye. car, l énergie
828 nécessaire pour courber la membrane doit prendre aussi en compte les changements induits dans la distribution ionique.
829 ainsi, le module effectif eff de plus de 10 % est modifié pour des valeurs de 0
830 inférieures à 5.0 107 m-1 ce qui correspond à une concentration interne en sel monovalent de 0.25 mm :
831 figure 4. dans les cellules biologiques, la concentration ionique dépasse largement les 100 mm. il est facile
832 de conclure que le potentiel de nernst ne modifie pas la valeur du module élastique de courbure des cellules biologiques.
833 en revanche, les systèmes modèles tels que les vésicules géantes contiennent de faibles
834 quantités d ions (en général, moins d 1mm) et sont donc affectés par le potentiel de nernst. pour un cas
835 extrême dont la concentration ionique interne est de 0.01 mm, le module de courbure est plus que doublé.
836 le terme en 1/r du développement de l énergie (partie 3.2) est non nul pour une membrane asymétrique.
837 c est à dire pour une membrane dont les concentrations ioniques interne et externe sont différentes. dans
838 la limite où 0 inférieur à 8 , on montre : ( ) eff
839 c e e mv 2ed / 2
840 0 ˜ 0 . ce dernier résultat sera présenté en détail
841 dans une future publication.
842 fig. 4 – variation du module élastique effectif de courbure eff en fonction de l inverse de la longueur
843 interne de debye (x10-7). les valeurs des paramètres sont : 8=108 m-1, d=5nm, em=5 10-11 fm-1 et e=7.1
844 10-10 fm-1, = 10 kbt et v= 100 mv.
845 5 conclusion
846 dans ce papier, nous avons montré comment évaluer un effet de l activité cellulaire sur les propriétés mécaniques stationnaires des membranes biologiques. si le module de courbure est peu affecté dans le cas
847 de cellules biologiques, il n en va pas de même pour les systèmes modèles tels que les protéoliposmes et
848 vésicules. toutefois, la caractéristique fondamentale est l apparition d une courbure spontanée due
849 uniquement au potentiel de nernst. il est nécessaire que les solutions ioniques interne et externe aient des
850 concentrations ioniques différentes ce qui est généralement cas que ce soient pour des systèmes modèles ou
851 bien des cellules biologiques.
852
853
854 <langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=15><source=http://www5.ac-lille.fr/~svt/exao/expotmemb/potmemb.htm>
855
856 mesure du potentiel de membrane d une cellule oeuf
857
858 objectif de la manipulation
859
860
861
862 mettre en évidence l existence d un potentiel de membrane en mesurant, à l aide de deux électrodes, l une externe, l autre interne, cette différence de potentiel entre les deux faces de la membrane plasmique qui entoure le jaune d un oeuf de poule.
863
864 principe de la manipulation
865
866 enregistrer par exao la différence de potentiel qui apparaît dès qu une électrode pénètre dans le jaune d oeuf, la seconde électrode restant à l extérieur.
867
868 matériel et montage
869
870 matériel exao : interface nortek et logiciel winbio.
871 une vieille loupe binoculaire dont les optiques ont été enlevées et remplacées par deux bouchons perforés portant les électrodes. la crémaillère de la loupe binoculaire permet le mouvement des électrodes au moment de la pénétration dans le jaune d oeuf. les trous des valets permettent de fixer une fiche de mise à la terre.
872 deux électrodes réalisées à l aide de fil téléphonique (50 cm) dont une extrémité à été dénudée sur quelques centimètres ; l autre extrémité est reliée à la borne a (+) ou b (-) de l ampli 2 de l interface. deux gaines de stylos feutres permettent de rigidifier les électrodes qui traversent les deux bouchons percés de la loupe binoculaire ; le fil est collé dans la gaine du stylo à chaque extrémité (colle pour plastique), seule la partie dénudée dépasse de la pointe de la gaine.
873
874 electrode externe : faire une boucle avec la partie dénudée du fil pour qu il puisse prendre appui sur le jaune d oeuf sans le crever. elle sera reliée à la borne b de l ampli 2.
875
876 electrode interne : la partie dénudée (environ 1 cm) sera en un premier temps à la surface du jaune puis devra y pénétrer jusqu à la base de la gaine qui servira d isolant vis à vis du blanc d oeuf. elle sera reliée à la borne a de l ampli 2.
877
878 le montage obtenu est analogue à celui d une microélectrode interne reliée à la plaque supérieure d un oscilloscope.
879
880 matériel biologique : un oeuf de poule, à température ambiante, cassé dans un bécher de 50 ml de forme haute. ne conserver que la quantité de blanc nécessaire pour couvrir le jaune qui doit toucher le fond du bécher afin d éviter son enfoncement lors du mouvement des électrodes.
881 visualiser le montage
882
883 protocole
884
885 lancer winbio / choisir une manipulation / choix de la manipulation / phénomènes lents. attendre la fin du chargement du logiciel de l interface.
886 choisir les conditions de la mesure : mesure / mesure ampli 2. ajuster verticalement l échelle à la taille de l écran.
887 vérifier que le bouton poussoir de l interface est en position manu.
888
889 choisir les échelles :
890 echelle de temps : 0 à 1 min
891 echelle de tension = échelle ampli 2 : - 100 à + 25 mv
892 amener les deux électrodes à la surface du jaune d oeuf.
893 lancer une mesure (exécution / lancer la mesure) et bien amener le graphe à 0 à l aide du bouton decalage continu de l interface ; arrêter la mesure (double clic droit) ; lancer à nouveau la mesure.
894 au bout d une vingtaine de secondes, faire pénétrer l électrode interne dans le jaune d oeuf en tournant d un coup sec la vis de mise au point de la loupe binoculaire.
895
896 résultats
897
898 visualiser un enregistrement
899
900 difficultés
901
902 elles peuvent être dues à la présence de parasites qui perturbent l enregistrement. dans ce cas, éloigner au maximum le dispositif d enregistrement et l interface des ordinateurs. il suffit souvent de tenir à la main le bécher contenant l oeuf pour que les parasites disparaissent. on peut aussi disposer à l arrière et sous le bécher une feuille d aluminium type albal . la mise à la terre du support des électrodes est indispensable.
903 si l électrode interne déchire la membrane, le potentiel enregistré peut s atténuer rapidement : il faut coller minutieusement le fil de cuivre à l extrémité de l étui plastique et empêcher les bavures de colle.
904
905 obligations
906
907 utiliser un oeuf le plus frais possible pour une bonne amplitude du potentiel de membrane et le porter à température ambiante avant la mesure.
908
909 remarques
910
911 l électrode interne peut aussi être fabriquée à l aide de fil téléphonique et d une pipette pasteur : on chauffe l extrémité de la pipette de manière à ce qu elle se soude à la partie dénudée du fil qui dépasse d environ 1 cm. une telle électrode est toutefois plus fragile.
912
913 avantage : le jaune d oeuf peut facilement être utilisé deux fois de suite voire plus ; chaque élève peut faire sa mesure.
914
915 inconvénient : aucun
916
917 temps de réalisation :
918 10 min
919 temps de préparation :
920
921 5 min par poste de travail.
922 coût : celui des oeufs manipulation : facile.
923 sensibilité : très bonne danger : aucun.
924
925 <langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=15><source=http://www5.ac-lille.fr/~svt/exao/expotmemb/resultat.htm>
926
927 potentiel de membrane d une cellule-oeuf de poule.
928
929 <langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=16><source=http://www.cnrs.fr/cnrs-images/sciencesdelavieaulycee/lexique.htm>
930
931 potentiel de membrane : différence de potentiel électrique entre les deux faces de la membrane plasmique d une cellule. le coté interne de la membrane est polarisée négativement par rapport à la face externe.
932
933
934 <langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=17><source=http://www.apteronote.com/revue/neurone/article_80.shtml>
935
936 neurone
937
938 le génie des neurones: repos et action
939
940 a- enregistrement de 100msec d un neurone de l hippocampe de rat en courant imposé. b- schéma d un potentiel d action d une durée de 3msec.
941 dans la section précédente, on a vu que les neurones possèdent des canaux ioniques dépendants du voltage, spécifiques pour divers ions (na+, k+ et ca++), qui s ouvrent lorsqu ils sentent un changement de voltage membranaire pour laisser passer un petit courant électrique déterminé par un des gradients électrochimiques générés par les pompes échangeuses d ions. a partir de ces protéines électroniques , comment un neurone est-il capable de produire des influx nerveux?
942
943 on mesure l activité des neurones par des techniques d électrophysiologie principalement par la technique de courant imposé (current-clamp) qui mime mieux les conditions physiologiques normales. pendant un enregistrement électrophysiologique de courant imposé, le voltage (ou potentiel) membranaire du neurone varie librement tandis que le courant est contrôlé par l expérimentateur. faisons un petit rappel : la loi d ohm, u=rxi, affirme que le voltage (u) est le produit de la résistance (r) et du courant (i). rappelons-nous aussi que les canaux ioniques dans la membrane des neurones changent la résistance (r) de la membrane. ainsi, tous changements de résistance de la membrane (dûs à l activité du neurone et ses canaux ioniques), dans des conditions de courant imposé (stable et connu par l expérimentateur), se reflètent en variations de voltage. un enregistrement typique d un neurone est présenté à la première figure. on y voit le potentiel de membrane qui varie selon l activité du neurone. on utilise généralement le terme potentiel, au lieu de voltage ou tension ou encore différence de potentiel. tous ces termes sont cependant équivalents. initialement, le neurone est inactif ou au repos et son potentiel de membrane est autour de -70mv. on appelle le potentiel durant cette période potentiel de repos . ensuite, le neurone produit une série de pics de potentiels que l on appelle des potentiels d action. les potentiels d action sont l expression électrique de nos influx nerveux.
944
945
946 en regardant de plus près un potentiel d action, on se rend compte que celui-ci possède plusieurs caractéristiques. premièrement, toute augmentation du potentiel de membranaire est nommée dépolarisation parce qu elle rend la membrane moins négative (de -70mv, on va vers zéro et les valeurs positives). inversement, une diminution du potentiel membranaire est nommée hyperpolarisation puisqu elle rend la membrane encore plus négative (de -70mv vers des valeurs encore plus négatives). le potentiel d action est donc la dépolarisation maximale qu un neurone peut produire. en fait, le potentiel d action est une vague d inversion de la polarité électrique de part en part de la membrane cellulaire passant de -70mv à +40mv. pour qu un potentiel d action puisse se produire, le potentiel membranaire doit dépasser un seuil que l on appelle potentiel de seuil . on dit d ailleurs que la production d un potentiel d action se fait selon la loi du tout ou rien . il n y a pas de demi-mesure : on a un potentiel d action ou on en a pas ! après le potentiel d action, il y a toujours une chute du potentiel membranaire sous le potentiel de repos que l on nomme post-hyperpolarisation . cette période, suivant le potentiel d action, est aussi nommée période réfractaire parce qu il est plus difficile durant ce temps de stimuler le neurone étant donné que son potentiel est plus loin du potentiel de seuil.
947 le potentiel de repos des neurones est établi grâce à l ouverture de quelques canaux ioniques au potassium (k+). la pompe na/k établit un gradient chimique de tel sorte que les ions k+ sont concentrés dans le milieu interne du neurone.cependant, quelques ions k+ sortent de la cellule via les canaux potassiques entraînant un surplus de charges positives du côté externe. le gradient électrostatique généré par la différence de distribution des charges de part et d autre de la membrane, s oppose au gradient chimique. un équilibre de flux d ions k+ entrant et sortant s établit. a l aide l électrode de chaque côté de la membrane, on mesure un potentiel de repos autour de -70mv.
948 le repos des neurones : potentiel de repos
949
950 lorsque les neurones sont au repos, ils ont un niveau de potentiel membranaire relativement stable qui dépend principalement des canaux ioniques au potassium (k+). les autres canaux ioniques sont fermés parce que niveau de potentiel membranaire nécessaire pour les activer n est pas atteint. seuls les canaux ioniques au potassium, qui ont un niveau d activation plus bas, peuvent s ouvrir.
951
952
953 la pompe échangeuse na/k fait continuellement sont travail, lentement mais sûrement, établissant les gradients chimiques pour les ions sodium (na+) et potassium (k+) (voir génie 101). les ions na+ sont concentrés à l extérieur du neurone, tandis que les ions k+ sont concentrés dans le neurone. le travail des pompes échangeuses d ions garde le potentiel pratiquement neutre (autour de zéro) et ne permet pas d établir un potentiel électrique à elles seules. cependant, puisque les canaux ioniques au k+ sont ouverts, quelques ions k+ sortent du neurone sous la poussée du gradient chimique des ions k+. cette sortie d ions k+ déséquilibre les charges électriques de chaque côté de la membrane. par conséquent, il y a plus de charges positives du côté externe du neurone que du côté interne. en mesurant avec des électrodes de chaque côté de la membrane, on a déterminé que le potentiel de repos était autour de -70mv. suite à l établissement du potentiel de membrane à une valeur négative, une autre force agit sur les ions k+. en effet, les charges négatives dans le neurone attirent les ions k+, tandis que les charges positives les repoussent. dit autrement, une force électrostatique attire les ions k+ vers le milieu interne du neurone. -70mv est le point d équilibre entre le gradient chimique et la force électrostatique pour les ions k+ ce qui explique l établissement du potentiel de repos à cette valeur. cependant, les ions na+ ont un léger effet qui dépolarise la membrane au repos parce que de rares canaux sodiques sont ouverts. le potentiel de repos est donc légèrement plus positif qu à l effet seul des canaux potassiques et des ions k+.
954 neurone at work : potentiel d action
955
956
957 le potentiel d action est une vague d inversion de la polarité électrique de la membrane cellulaire, selon le principe du tout ou rien. si le potentiel de repos implique les canaux ioniques au potassium (k+), le potentiel d action nécessite en plus les canaux ioniques au sodium (na+) (voir canaux sodiques). voyons-le étape par étape (voir la figure au bas de la page).
958
959
960 initialement, le neurone est au repos et sa membrane est autour de -70mv (en 1). seuls quelques canaux au k+ sont ouverts (canal en vert). les canaux ioniques au na+ sont tous fermés. le gradient électrostatique est plus positif à l extérieur de la membrane.
961
962
963 conductances des canaux ioniques au sodium et au potassium en relation avec les étapes d un potentiel d action.
964 soudainement (en 2), un stimulus représenté par l étoile rouge et généralement produit par l action des synapses, dépolarise la membrane légèrement. si le potentiel de membrane atteint alors le potentiel de seuil, un potentiel d action est déclenché. le potentiel de seuil représente la limite minimale à laquelle suffisamment de canaux sodiques peuvent s ouvrir. l ouverture des canaux au na+ permet un influx important d ions na+ dans le neurone (canal en jaune). cet influx d ions chargés positivement change rapidement la polarité de la membrane vers des valeurs plus positives. la membrane se dépolarise. l entrée d ions na+ est forte parce que le gradient chimique des ions na+ (en jaune) et le gradient électrostatique (en noir) vont dans la même direction. l ouverture des canaux sodiques et l entrée d ions na+ agissent ensemble comme une réaction en chaîne (ou comme une rétroaction positive). plus de canaux sodiques s ouvrent, plus d ions na+ entrent et dépolarise la membrane qui active plus de canaux sodiques…
965
966
967 rapidement cependant, la membrane se dépolarise complètement jusqu à +30mv. ce faisant, le gradient statique s inverse (en 3). l entrée d ions na+ diminue de plus en plus (canal en jaune), puisque la force statique (en blanc) s oppose au gradient chimique des ions na+ (en jaune). par contre, sous l influence de la dépolarisation de la membrane, plusieurs canaux ioniques au k+ s ouvrent (canal en vert). de plus, le gradient électrostatique de la membrane dépolarisée et le gradient chimique des ions k+ vont maintenant tous les deux dans la même direction (vers l extérieur) et permettent la sortie massive d ions k+.
968
969
970 les canaux ioniques au sodium (en 4) s inactivent rapidement (en jaune), ce qui bloque l entrée d ions na+. cependant, les canaux potassiques (en vert), plus lents à réagir, laissent toujours sortir des ions k+ en grand nombre. cette sortie massive d ions potassium chargés positivement rend l extérieur de la membrane plus positive et l intérieur plus négative. la membrane se repolarise, c est-à-dire que son potentiel membranaire revint vers des valeurs plus négatives.
971
972
973 les canaux au potassium sont lents au point où trop d ions k+ sortent et le potentiel membranaire passe sous le potentiel de repos (en 5). la membrane s hyperpolarise le temps que la plupart des canaux potassiques se referment et que le gradient chimique des ions k+ et le gradient électrostatique se rééquilibrent. pendant, ce temps, les canaux ioniques au na+, inactivés pendant le potentiel d action, se rechargent et reprennent une conformation fermée, mais activable. puisque les canaux sodiques sont inactivés, il est très difficile de stimuler le neurone pour avoir un autre potentiel d action immédiatement. cette période est donc nommée période réfractaire.
974
975
976 la découverte du mécanisme du potentiel d action date de 1952 et est l exploit de hodgkins, huxley et katz. dans cinq articles scientifiques de grande qualité, tant par la clarté que l élégance des expériences, ils ont présenté leur étude électrophysiologique de l axone géant du calmar. hodgkins et huxley ont gagné le prix nobel pour cette formidable découverte. l idée que les pores laissant passer les ions sont en fait des protéines date des années 70 et a pu être possible grâce à la découverte de drogues bloquant les canaux ioniques au sodium et au potassium impliqués dans le potentiel d action.
977
978
979 <langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=18><source=http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/cmlv/cmlv-b2.htm#2>
980 la cellule musculaire lisse vasculaire (cmlv)
981 2.1.1 couplage électromécanique : modification du potentiel de membrane
982
983 2.1.1.1 potentiel de membrane
984
985 en fonction des territoires vasculaires, le potentiel de membrane des cellules musculaires lisses varie entre -45 et -70 mv (hirst et al., 1989 ; serebryakov et al., 1992). deux types de canaux ioniques interviennent dans la modulation du potentiel de membrane dans les cmlv : des canaux k+ et des canaux cl-, tous deux dépendant du ca2+. dans le cas d une augmentation de la concentration en ca2+, ces canaux sont activés. le canal chlore dépendant du ca2+ va provoquer une sortie de cl-, et donc une dépolarisation de la membrane plasmique. au contraire, l activation par le ca2+ des canaux potassiques dépendants du ca2+ provoque une sortie de k+ et donc une hyperpolarisation et par voie de conséquence une diminution du tonus vasculaire.
986
987 2.1.1.2 canaux calciques dépendants du voltage
988
989 la modification du potentiel de membrane de 3 mv augmente (dépolarisation) ou diminue (hyperpolarisation) de deux fois l entrée de ca2+ par les canaux calciques voltage dépendants. les études pharmacologiques et électrophysiologiques ont montré qu il existe six types de canaux calciques voltage dépendants (ccvds) : les ccvds de type l, t, n, r, q et p (godfraind et govoni, 1995). dans les cmlv, deux types sont présents : le type l ( long-lasting ) et le type t ( transient ) (hurwitz, 1986 ; bean, 1989 ; pelzer et al., 1990 ; tsien et al., 1991). les canaux de type t sont activés par des dépolarisations moyennes (-30 mv) et sont inactivés rapidement (20 à 60 ms). les canaux de type l sont activés par de forte dépolarisation, à partir de –40mv, mais leur activation est complète à 0 mv, et ils sont inactivés moins rapidement que les canaux de type t (300 à 600 ms) (tsien et al., 1991 ; mcdonald et al., 1994).
990
991
992 <langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=19><source=http://www.vet-nantes.fr/rech/elements/posters_secualiments/listeria.pdf>
993 physiologie cellulaire des formes viables non cultivables de campylobacter jejuni
994
995 obtention des formes vnc : 3 souches de c. jejuni d origine humaine (bf, 79 et 85) sont mises en suspension dans de l eau de surface, filtrée, stérilisée, ajustée à ph 6,
996 agitée (100rpm) et incubée à 4°c. le dénombrement des formes cultivables est réalisée par étalement sur gélose columbia au sang, le dénombrement total et le dénombrement des formes viables sont déterminés par la double coloration ctc/dapi (4).
997 mesures des paramètres physiologiques : après 15 et 30 jours d incubation, les cellules sont prélevées, centrifugées et lavées. le volume cellulaire, le ph interne et le
998 potentiel de membrane sont mesurés par un marquage radioactif (5-6-7). les concentrations en ions potassium sont mesurées par spectrophotométrie d absorption atomique après minéralisation sulfurique. les dosages des atp, adp et amp sont réalisés par hplc.
999 j0 j15 j30
1000 volume cellulaire (ml/mg de protéines)
1001 bf 1,85±0,41 5,07±0,72 10,60±0,39
1002 79 1,04±0,50 5 ,07±0,76 11,24±0,31
1003 85 2,31±0,79 3,87±0,25 11,06±0,83
1004 ph interne
1005 bf 6,73±0,10 6,30±0,21 5,85±0,35
1006 79 6,75±0,19 6,13±0,008 6,05±0,21
1007 85 6,63±0,18 6,00±0,11 5,75±0,05
1008 potentiel de membrane (mv)
1009 bf -54±1 -31±8 -5±1
1010 79 -66±3 -34±1 -14±
1011 85 -79±1 -50±1 -2±1
1012 concentration en potassium (mmol-1)
1013 bf 115±3,1 21,2±0,7 2,3±0,4
1014 79 124±2,5 6,3±0,2 1,5±0,3
1015 85 170±5,2 3,6±0,2 1,7±0,5
1016 j0 j15 j30
1017 atp (nmol.mg protéines-1)
1018 bf 0,47±0,007 nd nd
1019 79 0,32±0,007 nd nd
1020 85 0,19±0,004 nd nd
1021 adp (nmol.mg protéines-1)
1022 bf 0,13±0,003 nd nd
1023 79 0,13±0,003 nd nd
1024 85 0,13±0,004 nd nd
1025 amp (nmol.mg protéines-1)
1026 bf 0,21±0,005 0,26±0,006 0,26±0,005
1027 79 0,51±0,010 0,13±0,003 0,19±0,004
1028 85 0,68±0,015 0,29±0,006 0,39±0,008
1029 resultats et discussion
1030 introduction
1031 materiels et methodes
1032 chez les souches de c. jejuni étudiées, le passage à l état vnc s accompagne :
1033 - d une diminution du ph interne,
1034 - d une diminution du potentiel de membrane qui tend à s annuler,
1035 - d une augmentation du volume cellulaire, d une diminution de la concentration intracellulaire en potassium,
1036 - d une diminution des concentrations en atp et adp ainsi que du maintient de la concentration en amp.
1037 il est admis qu une perte en potassium intracellulaire correspond à une fragilisation cellulaire (8). la très faible teneur mesurée chez les cellules vnc semble montrer que des
1038 concentrations minimales en potassium, compatibles avec le maintient de la vie ont été
1039 atteint. il est vraisemblable que la diminution du potentiel de membrane observée
1040 corresponde à la sortie des ions k+. de même, l acidification observée résulte en partie
1041 d échanges k+/h+, les protons entrant dans la cellule pour compenser le déficit en ions k+.
1042 les valeurs de ph interne mesurées chez les cellules vnc âgées de 30 jours, sont bien
1043 inférieures aux ph habituellement mesurés chez les bactéries acidophiles. l absence d atp 1044 disponible dans ces cellules ne permet pas au système h+/k+ atp dépendant, d assurer une
1045 régulation du ph interne (9).
1046 l augmentation considérable de volume cellulaire constatée ici peut être
1047 expliquée par une teneur intracellulaire en protéines plus faible chez les
1048 cellules vnc, le volume étant exprimée en ml par mg de protéines cellulaires.
1049 les valeurs très basses des concentrations en atp et adp constatées
1050 chez les cellules vnc, indiquent des charges adényliques très faibles. il est
1051 intéressant de noter que l amp constitue vraissemblablement la forme
1052 ultime de stockage cellulaire des nucléotides adényliques chez les formes
1053 vnc de campylobacter jejuni.
1054 concentration bactérienne
1055 temps
1056 v.n.c.
1057 conditions hostiles figure 1
1058 schématisation de l entrée à l état vnc d une suspension bactérienne
1059 dénombrement microscopique total
1060 dénombrement microscopique des cellules viables
1061 dénombrement des cellules cultivables
1062 l état viable non cultivable chez les bactéries a été mis en évidence par les
1063 microbiologistes travaillant sur la qualité des eaux côtières. ceux-ci ayant
1064 remarqué des disproportions importantes entre les dénombrements bactériens
1065 réalisés d une part par culture sur milieu solide, et d autre part par observation
1066 microscopique. différentes études ont ensuite démontré que des bactéries soumises
1067 à des conditions environnementales défavorables peuvent perdre leur capacité de se
1068 multiplier et donc de former des colonies sur milieu de culture. cependant, ces
1069 bactéries restent viables, comme l atteste la persistance d une activité métabolique
1070 mise en évidence par différentes techniques. cet état de dormance, schématisé sur
1071 la figure 1 est appelé viable non cultivable (vnc).
1072 l existence de l état vnc a ensuite été démontré chez de nombreux agents
1073 pathogènes, parmi lesquels escherichia coli, vibrio cholerae (1), salmonella
1074 enteritidis (2), campylobacter jejuni (3). pour ce dernier, c est la privation en
1075 nutriments qui semble constituer le facteur essentiel du passage à l état vnc.
1076 l activité des cellules vnc de c. jejuni peut être appréciée par la double coloration
1077 ctc/dapi (4).
1078 l objectif de cette étude est de caractériser l état vnc de c. jejuni par des mesures
1079 du volume cellulaire, du ph interne, du potentiel de membrane, des concentrations intracellulaires en potassium et en atp, adp et amp.
1080 tableau 1
1081 volume cellulaire, ph interne, potentiel de membrane et concentration
1082 intracellulaire en potassium mesurés chez 3 souches de c.jejuni (bf,79 et
1083 85) à l état cultivable (j0) et à deux stades de l état vnc (j15 et j30)
1084 tableau 2
1085 concentrations intracellulaires en atp, adp et amp mesurées chez 3
1086 bibliographie
1087
1088 <langue=fr><sujet=potentiel-de-membrane><num=20><source=http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.102.b3/content/access.htm>
1089
1090 la différence de potentiel transmembranaire
1091
1092 la différence de potentiel transmembranaire, ou potentiel de membrane, d une cellule animale est proche de -70mv, la face cytoplasmique étant chargée négativement par rapport à la face externe. le potentiel de membrane est le résultat de mouvements ioniques transmembranaires. ces mouvements sont la conséquence d une distribution inégale de part et d autre de la membrane des ions et macromolécules chargées (comme les glucides complexes, les nucléotides et les protéines). cette distribution est elle- même la conséquence de transports transmembranaires actifs avec une contribution majeure de l atpase na+/k+.
1093
1094 dans un état repos c est le mouvement de k+ au travers de la membrane qui prédomine, parce qu il y a plus de canaux potassiques que de canaux sodiques ouverts. en conséquence, la valeur du potentiel de repos est essentiellement déterminée par le mouvement de k+. grâce à sa concentration intracellulaire très élevée, le k+ sort de la cellule en polarisant la face cytoplasmique négativement par rapport à la face externe. le potentiel ainsi créé s oppose au mouvement suivant de au travers de la membrane, c est-à-dire que le gradient électrochimique de k+ diminue. sans la présence de na+, le potentiel atteint la valeur de -90mv (potentiel d équilibre du potassium), valeur pour laquelle il y a équilibre entre les deux forces (gradient électrochimique du potassium nul). cependant, le potentiel de membrane créé par le k+, induit une augmentation considérable du gradient électrochimique du na+ ce qui provoque un flux entrant de na+ de plus en plus important. a un moment donné, inférieur à 1ms, il s installe un équilibre dynamique où il y autant de k+ qui sortent que de na+ qui entrent (courant net nul) : c est le potentiel de membrane de repos.
1095
1096 figure 9. différence de potentiel membranaire
1097
1098 voir une version animée de la différence de potentiel membranaire
1099
1100 comme on le verra plus-tard, l ouverture d un plus grand nombre de canaux qui laissent passer le na+ (le récepteur à l acétylcholine et le canal de na+ dépendant du voltage) va faire basculer les événements ; c est la mobilité de na+ qui prédomine et détermine principalement la valeur du potentiel transmembranaire (par exemple lors du potentiel d action).
1101
1102 il est important de savoir que les flux ioniques responsables du potentiel de repos n impliquent que des quantités minimes (de l ordre de la picomole) par rapport aux concentrations ioniques de la cellule et son environnement (de l ordre de la millimole). a court terme, ces mouvements n ont pas d effets importants sur la concentration des ions, intra ou extracellulaire. en revanche, lorsqu on inhibe l atpase na+/k+ par de l ouabaïne, la cellule perd progressivement (plusieurs minutes) son potentiel de membrane et son volume augmente à la suite d un gain net en ions intracellulaires. une part considérable (25 à 50%) de l atp cellulaire disponible sert à maintenir les gradients de concentration d ions à travers la membrane plasmique et les membranes intracellulaires.
1103
1104 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=21><source=http://fr.wikipedia.org/wiki/potentiel_d%27action>
1105
1106 potentiel d action
1107
1108 le potentiel d action, autrefois et encore parfois appelé influx nerveux, correspond à une dépolarisation transitoire, locale, brève et stéréotypée de la membrane plasmique des neurones, selon une loi du tout ou rien.
1109
1110 la membrane plasmique présente une perméabilité sélective, modulable par différents facteurs comme son degré de polarisation ou par des neurotransmetteurs, à l égard de différents ions (en particulier, sodium, potassium, chlore et calcium).
1111
1112 la différence de concentration ionique résultante détermine la valeur locale du potentiel transmembranaire.
1113
1114
1115 au repos, il existe un potentiel transmembranaire d environ -70 mv : c est le potentiel de repos, ce qui pour une membrane de 7 nm d épaisseur donne un champ électrique de :
1116
1117 \| \overrightarrow{e} \| = \frac{7 \cdot 10^{-2}} {7 \cdot 10^{-9}} = 10\, 000\, 000\, \mathrm{v/m}
1118
1119 le potentiel d action est constitué d une succession d événements :
1120
1121 une dépolarisation transitoire et locale de cet état de repos, d une amplitude spécifique de +100 mv, le potentiel de la membrane interne passant de -70 à +30 mv,
1122 une repolarisation de la membrane interne dont le potentiel repasse à -70 mv,
1123 une hyperpolarisation, pour les cellules non myélinisées, où le potentiel diminue plus qu à l état basal (-80 mv), pour ensuite retourner à -70mv. durant ce temps on ne peut plus induire d autre potentiel d action, c est la période réfractaire.
1124
1125 le potentiel d action dure entre 2 et 3 millisecondes.
1126 sommaire
1127 [masquer]
1128
1129 1 création
1130 1.1 différentes étapes d un potentiel d action
1131 2 conduction
1132 3 modulation
1133 4 articles liés
1134 5 voir aussi
1135
1136 création
1137
1138 la genèse du potentiel d action a lieu au niveau du cône d émergence, à la base du corps cellulaire du neurone (ou le péricaryon) qui fait la sommation des potentiels gradués provenant des synapses situées le long des dendrites et sur le corps cellulaire :
1139
1140 si cette somme ne dépasse pas le seuil d excitabilité du neurone (-55 mv en général), le message nerveux n est pas relayé par l axone.
1141 si ce seuil est atteint, un potentiel d action est créé : l ouverture des canaux de la membrane dépend du courant membranaire, ainsi ce seuil correspond à l ouverture des canaux, ces canaux laissent passer des ions qui dépolarisent la membrane et engendrent le potentiel d action ce qui transmet une plus forte dépolarisation sur une portion membranaire voisine induisant l ouverture des canaux de cette portion voisine donc la propagation du potentiel d action.
1142 s ensuit la période réfractaire.
1143
1144 tout d abord la période réfractaire absolue : durant environ 1,5 ms le seuil d excitabilité devient infini, il est donc impossible de créer un autre potentiel d action au même endroit que précédemment.
1145
1146 puis vient la période réfractaire relative, durant laquelle le seuil d excitabilité diminue jusqu à revenir à valeur normale de -55 mv. si pendant cette phase, le potentiel du corps cellulaire est encore supérieur au seuil d excitabilité, ou le redevient par action des dendrites, un nouveau potentiel d action est créé, et ainsi de suite jusqu à ce que le seuil d excitabilité ne soit plus dépassé.
1147
1148 tous les potentiels d action ayant la même amplitude (+100 mv), le codage de l influx nerveux se fait donc en modulation de fréquence.
1149
1150 il faut rappeler que les valeurs ici décrites sont celles du neurone idéal des électrophysiologistes, elles peuvent avoir des valeurs très différentes pour le seuil d excitabilité, le potentiel de repos...
1151
1152 les potentiels d actions se propagent par processus des bases ioniques.
1153
1154 les potentiels d actions, de repos et gradués dépendent :
1155 des gradients de concentration,
1156 de la perméabilité de la membrane aux ions potassium et sodium.
1157
1158 initiation du potentiel d action :
1159 augmentation de la perméabilité de la membrane,
1160 diffusion des ions sodium et potassium le long des gradients de concentration.
1161
1162 différentes étapes d un potentiel d action [modifier]
1163
1164 au repos, les canaux de fuites sont les mêmes que ceux qui sont perméables au potassium :
1165 pas de canaux sodiques ouverts,
1166 potentiel de repos est proche du potentiel d équilibre du potassium (-70 mv).
1167
1168 1) dépolarisation jusqu au potentiel seuil (v inférieur à v0) :
1169 la stimulation entraîne une ouverture d un nombre croissant de canaux sodium voltage-dépendants, qui laissent entrer selon le gradient électrochimique un nombre croissant d ions na+ dans le milieu intracellulaire.
1170
1171 2) potentiel seuil atteint (v = v0) :
1172 la dépolarisation est alors suffisante pour ouvrir tous les canaux sodium.
1173
1174 3) maximum de potentiel (v = v max ~ v d équilibre du na+) :
1175 la totalité des canaux sodium sont ouverts de sorte que la concentration en sodium intracellulaire a atteint son maximum, et que le gradient électrochimique, force motrice du na+, s est annulé.
1176
1177 4) repolarisation vers un niveau de repos :
1178 ouverture différée des canaux de rectification au potassium voltage-dépendant qui laissent sortir selon
1179 le gradient électrochimique le potassium intracellulaire, tandis-que les canaux na+ sont inactifs.
1180 cette perte de charge positive compense l entrée antérieure des charges positives sodiques conduisant à une repolarisation progressive du neurone.
1181
1182 5) mais...
1183 après la fermeture des canaux sodiques dépendants, quelques canaux potassiques restent encore ouverts (fluctuations statistiques) laissant sortir plus de potassium qu il n était entré de sodium,
1184
1185 hyperpolarisation de la membrane.
1186
1187 6) d où l apparition d une hyperpolarisation transitoire (v inférieur à v0).
1188 période réfractaire absolue
1189
1190 un 2e stimulus ne pourrait pas déclencher un 2e potentiel d action. lorsque la membrane s est dépolarisée, il faut attendre un certain temps avant qu elle puisse de nouveau subir une dépolarisation.
1191
1192 période réfractaire relative
1193
1194 c est la période qui se produit juste après la période absolue... c est un intervalle de temps (1 à 15 ms) durant lequel un stimulus ne déclencherait plus un potentiel d action sauf si celui-ci est supérieur à la normale.
1195
1196 période réfractaire fonctionnelle
1197
1198 possible de déclencher un potentiel d action mais ça va être très difficile.
1199
1200 7) restauration des différences de concentrations initiales au potentiel de repos par une pompe ionique sodium-potassium atp dépendante qui fait rentrer activement le potassium et fait sortir l excédent de sodium.
1201
1202 conduction
1203
1204 lorsqu un potentiel d action apparaît à un endroit donné de l axone, la portion voisine qui lui a donné naissance entre en période réfractaire, ce qui l empêche d être excitée à son tour. cette période réfractaire est expliqué par la désensibilisation des canaux sodiques dépendant du voltage.
1205
1206 en revanche la portion voisine qui n a pas encore présenté de potentiel d action commence à être excitée. cette excitation provient de petits courants électriques très locaux qui s établissent entre portion excitée et portion non encore excitée. de proche en proche, se créent donc les conditions de naissance d un potentiel d action à côté de la portion qui est en train de réaliser un potentiel d action (propagation régénérative).
1207
1208 ainsi, la période réfractaire explique l unidirectionalité de l influx nerveux, depuis le cône d émergence jusqu à ses extrémités, les terminaisons synaptiques.
1209
1210 l influx nerveux conserve toutes ses caractéristiques (amplitude, fréquence) durant sa progression : il est conservatif.
1211
1212 la conduction peut se faire soit de proche en proche le long de l axone lorsque ce dernier est nu, soit de manière saltatoire lorsque l axone possède une gaine de myéline. la myéline est maintenue autour de l axone par les cellules de schwann pour les neurones du système nerveux périphérique (ensemble des nerfs) et par les oligodendrocytes pour les neurones du système nerveux central (encéphale + moelle épinière), et chacune de ces cellules est séparée de ses deux voisines par un petit espace appelé nœud de ranvier : l influx nerveux saute alors (origine étymologique de saltatoire) de nœud de ranvier en nœud de ranvier, car la myéline joue le rôle d isolant électrique ce qui permet une conduction beaucoup plus rapide (jusqu à plus de 100 m/s, au lieu d environ 1 m/s).
1213
1214 modulation
1215
1216 les potentiels d action dans le système nerveux sont très souvent couplés de telle façon que ce n est plus leur profil (amplitude, durée, etc.) qui importe mais les rythmes qu ils suivent dans leurs émissions, leur fréquence, et le codage de l information nerveuse se fait par cette fréquence.
1217
1218 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=21><source=http://fr.wikipedia.org/wiki/synapse_et_transmission_synaptique>
1219
1220 synapse et transmission synaptique
1221
1222 l adjectif synaptique redirige ici. pour le logiciel (gestionnaire de paquet), voir synaptic. pour l entreprise (fabriquant de pavé tactile), voir synaptics.
1223
1224 l adjectif synaptique possède également un paronyme : synoptique.
1225
1226 la synapse (du grec. syn = ensemble; haptein = toucher, saisir; c est-à-dire connexion) désigne une zone de contact fonctionnelle qui s établit entre deux neurones, ou entre un neurone et une autre cellule (cellules musculaires, récepteurs sensoriels...). elle assure la conversion d un potentiel d action déclenché dans le neurone présynaptique en un signal dans la cellule postsynaptique. on estime, pour certains types cellulaires (par exemple cellule pyramidale, cellule de purkinje...), qu environ 40 % de la surface membranaire est couverte de synapses.
1227
1228 on distingue habituellement deux types de synapses :
1229
1230 la synapse chimique, très majoritaire, qui utilise des neurotransmetteurs pour transmettre l information ;
1231 la synapse électrique où le signal est transmis électriquement par l intermédiaire d une jonction communicante (en anglais gap-junction).
1232
1233 on les distingue au microscopie électronique par la taille de la fente synaptique ; de l ordre de 2 nanomètres pour les synapses électriques, entre 10 et 40 nm pour les synapses chimiques. on peut également, dans le cas des synapses électriques, observer les jonctions communicantes. au niveau d une synapse, il s agit toujours d un contact entre deux membranes plasmiques, il n y a jamais fusion en un syncitium.
1234 sommaire
1235
1236 1 histoire des sciences : synapses et réfutation de la théorie réticulariste
1237 2 la synapse chimique
1238 2.1 morphologie
1239 2.2 transmission de l influx nerveux
1240 2.2.1 evénements présynaptiques : la libération des neurotransmetteurs
1241 2.2.2 la diffusion des neurotransmetteurs dans la fente synaptique
1242 2.2.3 les événements postsynaptiques : l activation des récepteurs membranaires
1243 2.2.4 l arrêt de la stimulation nerveuse
1244 2.3 influence des substances psychoactives
1245 3 la jonction neuromusculaire
1246 4 la synapse électrique
1247 5 intégration du signal : zoom sur l élément postsynaptique
1248 6 pathologie
1249 7 articles connexes
1250
1251 histoire des sciences : synapses et réfutation de la théorie réticulariste
1252
1253 la découverte du mode de fonctionnement du système nerveux a eu lieu au xixe siècle. camillo golgi inventa un colorant permettant une teinture optimale du neurone et de ses prolongements cellulaires.
1254
1255 par la suite, santiago ramón y cajal reprit les méthodes de coloration de golgi et proposa le concept de neurone. le terme de synapse , quant à lui, fut proposé en 1897 par le physiologiste et prix nobel britannique sir charles scott sherrington pour désigner le point de contact entre deux neurones. toutefois, golgi était lui-même opposé à l hypothèse selon laquelle le système nerveux pouvait être composé d unités discontinues. en 1906 golgi et cajal reçurent conjointement le prix nobel de médecine et physiologie, pour deux théories de l organisation du tissu neuronal (neuronisme et réticularisme). il a été demontré par la suite que les synapses électriques sont très rares et l on admet aujourd hui que le système nerveux est constitué majoritairement d unités contiguës (thèse neuroniste).
1256
1257 la synapse chimique
1258
1259 la synapse chimique est la plus fréquente des synapses du système nerveux. ce type de synapses transmet le signal nerveux d un neurone à un autre en utilisant un neurotransmetteur qui est émis par le neurone afférent, diffuse dans la fente synaptique et se lie aux récepteurs postsynaptiques.
1260
1261 un dysfonctionnement de certains type de synapses est à l origine de beaucoup de troubles nerveux, tels que l épilepsie ou le trouble déficitaire de l attention traité avec le méthylphénidate mieux connu sous l appellation de ritalin®, inhibiteur de recapture présynaptique de la dopamine.
1262
1263
1264 transmission chimique du neurone a (émetteur) au neurone b (récepteur)
1265
1266 1. mitochondrie
1267 2. vésicule synaptique avec des neurotransmetteurs
1268 3. autorécepteur
1269 4. fente synaptique avec neurotransmetteur libéré (ex : sérotonine ou dopamine)
1270 5. récepteurs postsynaptiques activés par neurotransmetteur (induction d un potentiel postsynaptique)
1271 6. canal calcium
1272 7. exocytose d une vésicule
1273 8. neurotransmetteur recapturé
1274
1275 nombreux contacts synaptiques
1276
1277 dans certaines synapses les cellules gliales jouent un rôle particulièrement actif, notamment en effectuant la recapture du neurotransmetteur ( ex : glutamate). dans les synapses motrices, une enzyme, la cholinestérase, dégrade le neurotransmetteur dans la fente synaptique.
1278
1279 morphologie
1280
1281 il existe deux morphologies de synapses chimiques : la synapse en bouton et la synapse en passant . elles fonctionnent toutes les deux de la même façon et l on y retrouve les mêmes composants. la synapse en bouton se situe à l extrémité de la fibre nerveuse alors que les synapses en passant sont réparties régulièrement le long de l axone.
1282
1283 il existe un grand bestiaire de synapses chimiques selon le type de neurone, la localisation, etc. le calice de held dans le tronc cérébral auditif, par exemple, est un cas de synapse géante qui entoure quasiment complètement la cellule postsynaptique.
1284
1285 la synapse est constituée de trois parties : l élément présynaptique, l élément postsynaptique et entre les deux l espace intersynaptique.
1286
1287 l élément présynaptique se présente sous la forme d un renflement de l axone, rempli de petites vésicules de formes variées (les vésicules synaptiques) contenant le neurotransmetteur. on y trouve aussi un appareil de golgi très développé et de nombreuses mitochondries, signe d une activité de synthèse intense. les neurotransmetteurs sont en effet en partie synthétisés sur le lieu d utilisation.
1288 l élément postsynaptique en revanche est totalement dépourvu de vésicule. mais il contient quelques mitochondries, nécessaires pour assurer le fonctionnement de la synapse. dans certains cas la membrane y est plus épaisse, ce qui permet de caractériser des synapses asymétriques.
1289 l espace intersynaptique (ou fente synaptique) est la zone qui sépare les membranes des deux neurones. elle est de petite dimension (quelques dizaines de nanomètres) et dépourvue de lame basale (contrairement à la plaque motrice).
1290
1291 transmission de l influx nerveux
1292
1293 l influx nerveux est transmis le long d un neurone sous la forme d une séquence de potentiel d action. au niveau d une synapse chimique, l information change de nature : elle est transmise par une libération de neurotransmetteurs dans l espace synaptique. les trains d onde de dépolarisation supportés par des courants électrochimiques (les potentiels d action), sont convertis en codage par concentration de neurotransmetteur dans la fente synaptique.
1294
1295 pendant longtemps, le credo a fait force de loi : un neurone, un neurotransmetteur. aujourd hui, on sait qu un neurone peut libérer plusieurs neurotransmetteurs au niveau de la synapse, en général un transmetteur principal associé à un ou plusieurs neuropeptides. le transmetteur principal peut même évoluer, comme par exemple certains neurones orthosympathiques (noradrénergiques), qui peuvent libérer de la sérotonine suite à une lésion.
1296
1297 evénements présynaptiques : la libération des neurotransmetteurs
1298
1299 il faut d emblée différencier les neurotransmetteurs peptidiques et non peptidiques. les neurotransmetteurs peptidiques sont produits par le neurone à partir d acides aminés précurseurs présents dans le sang. une grande partie de leur synthèse a lieu dans le péricaryon, en suivant le schéma classique de toute production protéique (transcription de l adn en arnm, lecture et traduction de l arnm par un ribosome sur le réticulum endoplasmique) puis transport antérograde rapide le long du cytosquelette de l axone dans des vésicules provenant du bourgeonnement de l appareil de golgi. une étape de maturation a lieu dans les vésicules golgiennes (clivages des extrémités n-ter et c-ter par des exopeptidases, clivage dans le peptide par des endopeptidases, amidation sur des acides aminés glycine, acétylation...). les vésicules sont ensuite accumulées près de l extrémité présynaptique, dans l attente d une dépolarisation.
1300
1301 les neurotransmetteurs non peptidiques sont produits à partir d acides aminés (catécholamines comme l adrénaline ou la noradrénaline à partir de la tyrosine, le gaba (gamma aminobutyric acid),...), de lipides (thc pour tetrahydrocannabinol)... ils sont produits dans le cytoplasme du neurone ou de la cellule excitable et sont activement pompés (par des enzymes utilisant l atp ou atpases) dans des vésicules issues des endosomes ou d une endocytose.
1302
1303 le changement de polarité de membrane provoqué par l arrivée d un potentiel d action (pa) au niveau d une synapse déclenche l ouverture de canaux calcium membranaires dépendants du voltage (voc = voltage operated channels). l augmentation de la concentration en calcium intracellulaire qui en résulte provoque la fusion de la membrane vésiculaire avec la membrane plasmique et la libération des neuromédiateurs. ce phénomène s appelle l exocytose. la biologie cellulaire a montré que cette exocytose était assurée par un complexe appelé snare composé principalement de 3 protéines :
1304
1305 vamp (aussi appelée synaptobrévine), insérée dans la membrane plasmique de la vésicule
1306 la syntaxine arrimée à la membrane plasmique dde la cellule
1307 snap 25 arrimée dans la membrane plasmique
1308
1309 lors d une dépolarisation ouvrant des voc au calcium (voc ca++), une brusque entrée de calcium précipite la fusion de vamp avec snap 25 et la syntaxine, ce qui arrime la vésicule à la membrane plasmique. la modification tridimensionelle de ce complexe ternaire conduit à la fusion de la vésicule avec la membrane et à la libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique.
1310
1311 trois mécanismes peuvent arrêter l exocytose et donc faire cesser la libération de neurotransmetteur dans la fente synaptique :
1312
1313 l ouverture de canaux potassium, qui ramènent le potentiel de membrane à sa valeur d origine et inhibent ainsi les canaux dépendants du voltage;
1314 des pompes calciques, situées sur le réticulum et la mitochondrie, qui captent les ions calcium entrés dans la cellule, ce qui fait cesser le signal calcique ;
1315 disparition des vésicules synaptiques chargées en neurotransmetteur capable de fusionner avec la membrane (épuisement).
1316
1317 ces trois mécanismes expliquent l existence de plasticités synaptiques à plus ou moins long terme.
1318
1319 la diffusion des neurotransmetteurs dans la fente synaptique
1320
1321 les neurotransmetteurs libérés dans la fente synaptique atteignent la membrane postsynaptique par simple diffusion. avec le délai nécessaire pour provoquer l exocytose, c est l étape qui nécessite le plus de temps dans la transmission synaptique. dans le cas de la plaque motrice, la concentration en acétylcholine dans la fente atteint une concentration de 100 mmol/l 10 µs après sa libération. elle mettra environ 100 µs pour revenir à une concentration proche de zéro. cette disparition du neurotransmetteur de la fente synaptique peut impliquer un recaptage ou une hydrolyse par une enzyme spécialisée. le codage de l information étant fréquentiel, il est important de faire cesser l excitation le plus vite possible.
1322
1323 les événements postsynaptiques : l activation des récepteurs membranaires
1324
1325 les neurotransmetteurs se fixent sur des récepteurs de la membrane postsynaptique. il en existe deux sortes :
1326
1327 les récepteurs ionotropes qui sont des protéines-canal s ouvrant pour générer un courant ionique ;
1328 les récepteurs métabotropes qui sont des transducteurs de signal produisant des seconds messagers dans le cytoplasme. les seconds messagers peuvent s associer à une protéine-canal ou bien provoquer une cascade de réactions. parmi les voies métaboliques activées par ces seconds messagers, des facteurs de traduction de l adn sont impliqués, ce qui influence le pool de gènes exprimé par la cellule, et donc pourrait être impliqué dans le phénomène de mémorisation. cette voie est beaucoup plus lente que la première.
1329
1330 on assiste alors à une réponse physiologique locale appelée potentiel générateur, potentiel gradué (pg) ou potentiel postsynaptique. on caractérise deux types de potentiel postsynaptique :
1331
1332 le potentiel postsynaptique excitateur (ou ppse) diminue la différence de potentiel entre les deux côtés de la membrane plasmique. autrement dit le ppse dépolarise localement la membrane ;
1333 le potentiel postsynaptique inhibiteur (ou ppsi) augmente la différence de potentiel. elle hyperpolarise la membrane.
1334
1335 si la membrane dépasse le seuil critique de dépolarisation, un potentiel d action est initié. les ppsi empêchent le déclenchement d un potentiel d action alors que les ppse le favorisent.
1336
1337 en général, un neurone est couvert de synapses excitatrices et de synapses inhibitrices. il se produit alors une sommation à la fois temporelle et spatiale des entrées synaptiques pour décider du déclenchement ou non d un potentiel d action. en fait les dendrites ont peu de canaux sodiques dépendants du voltage, responsables du déclenchement du potentiel d action. il est donc rare qu un potentiel d action y soit déclenché. les potentiels postsynaptiques se propagent le long des dendrites jusqu au péricaryon. à la jonction du péricaryon et de l axone se trouve une région particulièrement riche en canaux sodiques dépendants du voltage, il s agit du cône d initiation. c est au niveau du cône d initiation que sont générés le plus souvent les potentiels d actions qui se propageront ensuite le long de l axone vers d autres synapses...
1338
1339 le potentiel d action, une fois initié, a toujours la même amplitude et le même décourt temporel. sa valeur informative ne dépend pas de l importance de la dépolarisation qui l a initié. c est cela qu on appelle la loi du tout ou rien. si la dépolarisation continue suffisamment longtemps après le déclenchement du potentiel d action, un autre potentiel d action peut être initié. les potentiels d action codent l information en fréquence.
1340
1341 plusieurs molécules étant libérées lors de la transmission synaptique et plusieurs types de récepteurs pour le même neurotransmetteur pouvant être présents sur la même membrane postsynaptique, plusieurs effets peuvent avoir lieu simultanément. c est par exemple le cas de nombreuses synapses gabaergiques qui présentent un ppsi rapide dû aux récepteurs ionotropes gabaa et un ppsi lent dû aux récepteurs métabotropes gabab.
1342
1343 l arrêt de la stimulation nerveuse
1344
1345 pour éviter que la stimulation du neurone postsynaptique ne se prolonge, deux systèmes éliminent la molécule de l espace intersynaptique :
1346
1347 la dégradation, qui met en jeu des enzymes spécifiques qui vont métaboliser le neurotransmetteur, mettant fin à son effet sur le neurone postsynaptique exemple la mao issue des synthèses mitochondriales ;
1348 la recapture, pendant laquelle le neurotransmetteur ou ses précurseurs issus de la dégradation enzymatique est récupéré par le neurone présynaptique, ou par la cellule gliale avoisinante, pour être réutilisé ou détruit.
1349
1350 en général les deux sont associés. dans le cas de l acétylcholine, une dégradation limitée est suivie d une recapture de la choline qui sera utilisée pour resynthétiser l acétylcholine.
1351
1352 influence des substances psychoactives [modifier]
1353
1354 les substances psychoactives sont des drogues, des médicaments,... qui modifient les perceptions sensorielles, les sensations, l humeur ... elles ont comme principal mode d action de modifier le passage des neurotransmetteurs.
1355
1356 comme pour les neurotransmetteurs, il existe plusieurs modes d action possibles à ces drogues, dont :
1357
1358 se lier aux récepteurs sans entrainer d effet (effet antagoniste). les récepteurs ne sont alors plus disponibles pour lier l agoniste (neurotransmetteur) ;
1359 empêcher ou limiter la sortie ou la destruction de neurotransmetteur, qui active davantage et plus longtemps le récepteur (exemple du prozac®).
1360
1361 les conséquences à long terme sont de modifier la réceptivité de la synapse, par exemple en modifiant le nombre de récepteur, en réaction de défense, ce qui entraine l accoutumance et la dépendance.
1362
1363 la jonction neuromusculaire
1364
1365 lors du réflexe myotatique cf réflexe de flexion, l élément présynaptique rencontre la plaque motrice de la fibre musculaire qui est composée d une membrane plasmique appelée sarcolemme faisant office d élément postsynaptique et contenant plusieurs centaines de myofibrilles. la jonction neuromusculaire est historiquement très importante puisque ce sont les observations sur le muscle extenseur du muscle de patte de grenouille qui ont donné naissance à l électrobiologie qui eut un retentissement rapide auprès du grand public, comme en témoigne l engouement de l époque pour les phénomènes électriques. on se rappellera que le monstre du dr frankenstein est animé par l électricité.
1366
1367
1368 1. axone
1369 2. jonction
1370 3. fibre musculaire
1371 4. myofibrille
1372
1373 vue détaillée d une jonction.
1374
1375 1. élément pre-synaptique
1376 2. sarcoplasme
1377 3. vésicules synaptiques
1378 4. récepteur cholinergique nicotinique
1379
1380 l acétylcholine intervient dans la contraction musculaire lors des réflexes de flexion ou d extension au niveau de la jonction neuromusculaire. les neurones la produisant s appellent neurones cholinergiques. ses précurseurs sont la choline d origine alimentaire qui est captée par la terminaison présynaptique dans le sang et l acétylcoenzyme a d origine mitochondriale. ils sont synthétisés par l enzyme choline-acétyltransférase (cat) qui les transforment en acétylcholine. ces neuromédiateurs sont alors enveloppés par des vésicules provenant du bourgeonnement de l appareil de golgi et sont transportés jusqu au renflement (ou bouton) synaptique. au niveau présynaptique il y a non pas un seul renflement mais des centaines afin d assurer une surface de contact plus large, on parle d arborisation terminale.
1381
1382 sous l effet du calcium, les vésicules chargés de neuromédiateurs fusionnent avec la membrane plasmique, déversant leur contenu dans la fente synaptique (exocytose). les neuromédiateurs se fixent alors sur des récepteurs spécifiques de la plaque motrice du muscle strié ce qui a pour conséquence de provoquer sa contraction. l excès de neuromédiateur est ensuite dégradé par une enzyme : acétylcholinestérase (ache) qui libère de l acide acétique et de la choline qui pourra être ensuite recapturée par les récepteurs de l axone présynaptique et recyclé.
1383
1384 la synapse électrique
1385
1386 dans la synapse électrique, les membranes des deux neurones sont reliées par des jonctions communicantes, parfois appelées également nexus (gap junctions). les ions se transmettent donc d une cellule à une autre, ainsi que la dépolarisation membranaire associée. l influx nerveux se transmet sans intervention de neurotransmetteur. ce type de synapse, qui joue un rôle important dans le système nerveux immature, est ensuite relativement rare au stade adulte et est majoritairement retrouvé chez les invertébrés. ce type de communication est très fréquent dans les épithéliums.
1387
1388
1389 transmission électrique du neurone a (émetteur) au neurone b (récepteur)
1390
1391 1. mitochondrie
1392 2. connexine
1393 3. courant ionique
1394
1395 les caractéristiques principales de ce type de synapse sont :
1396
1397 1. un délai de transmission quasi-inexistant (pas de temps de latence dû au franchissement d une synapse)
1398 2. une conduction dans les 3 directions de l espace
1399 3. l absence de période réfractaire (la synapse est restimulable immédiatement après la fin de la transmission)
1400
1401 intégration du signal : zoom sur l élément postsynaptique [modifier]
1402
1403 les synapses sont regroupées selon deux catégories selon les effets qu elles engendrent : excitatrices ou inhibitrices. le principal neuromédiateur inhibiteur du cerveau est le gaba qui se fixe sur les canaux récepteurs gabaa dont l ouverture provoque un influx d ions chlorure et donc une hyperpolarisation de la membrane. il existe une plus grande diversité de récepteurs ionotropes excitateurs, par exemple les récepteurs au glutamate ou à l acétylcholine. l élément postsynaptique possède en général ces deux catégories de récepteurs ainsi que des canaux sodium ou calcium activés par dépolarisation. il réalise une sommation temporelle des signaux excitateurs (ppse, potentiel postsynaptique excitateur) et inhibiteurs (ppsi, potentiel postsynaptique inhibiteur). il propagera le potentiel d action à la condition que la somme des excitations soit supérieure à la somme des inhibitions et si un seuil de dépolarisation est atteint. ce seuil correspond au voltage auquel un nombre suffisant de canaux sodiums sont activés.
1404 enregistrement postsynaptique du potentiel membranaire. les flèches marquent les ppse de trois évènements afférents. une sommation de trois ppse donne naissance dans ce cas au déclenchement du potentiel d action.
1405
1406 la sommation spatiale se réfère aux différentes synapses afférentes à l élément postsynaptique. un neurone peut en effet recevoir plus d un millier d afférences différentes mais il ne peut réagir que d une seule manière : conduction ou absence de conduction. si le résultat de la somme algébrique de tous les éléments afférents est supérieure à une valeur seuil, aux environs de -15 mv dans le schéma ci-contre, le neurone intégrateur sera le siège d un potentiel d action.
1407 dépolarisation subliminale un seul ppse ne dépolarise pas suffisamment la membrane pour générer un potentiel d action.
1408
1409 une sommation dite temporelle a aussi lieu au niveau de l élément postsynaptique. elle est due à la vitesse d entrée des ions à l intérieur de la cellule. si beaucoup de ppse sont rapprochés dans le temps, ils s ajoutent et peuvent également atteindre le seuil de dépolarisation et donner lieu à un potentiel d action.
1410
1411 un dernier élément d intégration est dû à l existence de la période réfractaire du neurone. si deux signaux afférents excitateurs sont espacés de moins d une milliseconde, le second ne donnera naissance à aucun ppse et sera donc silencieux.
1412
1413 pathologie
1414
1415 l anomalie de fonctionnement de la synapse neuro-musculaire est responsable d une maladie neuromusculaire nommée myasthénie.
1416
1417 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=22><source=http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/17459/1/gretsi_2007_129.pdf>
1418
1419 détection de potentiels d action neuronaux par ondelettes
1420
1421 résumé – cet article traite de la mise au point d algorithmes de détection de potentiels d action neuronaux (pas) dans
1422 des enregistrements extracellulaires, obtenus sur des matrices de microélectrodes (meas), en vue de leur implémentation sur
1423 une architecture électronique embarquée. on utilise la théorie des ondelettes, non pas pour le débruitage des signaux bruts
1424 préalables à la détection de potentiels d action, mais plutôt pour la détection proprement dite. différentes approches adaptatives
1425 sont proposées avec plusieurs niveaux de complexité et on montre que la détection de potentiels d action dans le domaine des
1426 ondelettes est supérieure à l approche traditionnelle pour une complexité additionnelle faible et compatible à une implémentation
1427 embarquée. les algorithmes proposés sont comparés sur des données simulées à partir d un modèle simplifié du lobe antennaire
1428 de la blatte américaine.
1429 abstract – we study different wavelet-based algorithms for the detection of neurological action potentials (aps) recorded
1430 using microelectrode arrays (meas). we plan to develop a new family of asic-embedded low power algorithms close to the
1431 recording sites. we use the wavelet theory, not for previous-to-the-detection denoising stage (as it is usually used for) but for
1432 the detection itself. different adaptive methods are presented with varying complexity levels. we demonstrate that wavelet-based detection of extracellular action potentials is superior to the traditional and simpler approaches, at the expense of a slightly
1433 larger computational load. moreover, our methods are shown to be fully compatible with an embedded implementation. proposed
1434 algorithms are compared to simulated datasets using a simplified model of the american cockroach antennal lobe.
1435 1 introduction
1436 le domaine des neurosciences s intéresse à comprendre la façon dont les réseaux neuronaux codent et décodent l information pour
1437 interagir avec le monde extérieur. les potentiels d action neuronaux (ou spikes) ont été largement acceptés comme étant l unité basique d information
1438 neurologique [4]. aujourd hui, il est possible de maintenir en vie une culture de tissu nerveux sur des systèmes
1439 microélectrodes et d enregistrer simultanément l activité électrique d un grand nombre de cellules. la chaîne de
1440 traitement classique pour extraire l information fonctionnelle de l activité neuronale consiste en trois étapes [6] : 1)
1441 pré-filtrage ; 2) détection de potentiels d action (pas) neuronaux ; 3) tri des potentiels d action en identifiant à quel
1442 neurone correspondent les pas détectés. de plus en plus, on veut intégrer cette chaîne de traitement non supervisé
1443 au plus près du système d enregistrement afin de réduire le flux de données avant la transmission et le stockage
1444 des signaux. dans cet article, on s intéresse à la mise en place de méthodes de détection robustes, non supervisées
1445 et immunes au bruit, qui soient compatibles avec une implémentation proche de l électronique d acquisition. pour
1446 cela, nous proposons une approche basée sur la théorie des ondelettes pour la détection des pas. ce type d approche a
1447 déjà été utilisé dans le domaine biomédical, par exemple, pour la détection de complexes qrs en ecg [7]. pour
1448 valider notre choix, on réalise une comparaison de différentes méthodes de détection sur des données simulées en
1449 vue d une mise oeuvre ultérieure sur une électronique embarquée.
1450 2 cadre théorique et problème
1451 chaque électrode mesure simultanément l activité d un nombre q de neurones. on utilise le modèle suivant pour
1452 la mesure du potentiel extracellulaire y(t) à une électrode donnée :
1453
1454 où iq(t) désigne le courant membranaire du neurone q ;
1455 bétaq un coefficient d atténuation lié à la distance du neurone au site de mesure et alpha la résistance électrique moyenne du
1456 tissu. le bruit additif b(t) est dû, en partie, à l activité des neurones lointains et aux bruits électronique et électrochimique.
1457 on fait l hypothèse d un bruit blanc gaussien centré b(t) de déviation standard nominale sigma (i.e. b(t) ~ n(0, sigma)), statistiquement indépendant du signal utile s(t). pour chaque neurone q, le courant membranaire iq(t) est modélisé par :
1458
1459 avec k,q une variable aléatoire uniforme d atténuation,
1460 kq le nombre de pas issus du neurone q aux instants tk,q.
1461 la fonction spkq(t) possède une forme stéreotypique, biphasique, à support compact d environ 2.5 ms (fig. 1(b)).
1462 les difficultés pour la détection sont liées d une part à l amplitude relative des pas par rapport au bruit, et
1463 d autre part à la discrimination effective de pas temporellement très proches. en effet, plus le neurone est éloigné
1464
1465 potentiel d action
1466 (b)
1467 fig. 1 – comparaison entre a) l ondelette mère : spline
1468 quadratique ; et b) un potentiel d action typique de l électrode, plus faible sera l activité électrique mesurée, et plus le réseau neuronal est actif, plus l intervalle temporel entre les pas successifs est faible.
1469 3 algorithmes de détection de pas neuronaux
1470 l approche conventionnelle pour la détection de pas neuronaux sur des systèmes embarqués est basée sur un
1471 seuillage de l amplitude du signal avec un seuil calculé comme un multiple de la déviation standard estimée du
1472 bruit (t) [10]. cette méthode présente l avantage d un faible coût calculatoire, compatible avec un traitement embarqué.
1473 néanmoins sa performance est vite dégradée en environnement bruité.
1474 l utilisation des ondelettes [8] dans ce contexte permet d améliorer les techniques non supervisées de détection,
1475 tout en gardant un faible coût calculatoire [5]. leur avantage principal est de tenir compte à la fois du contenu
1476 fréquentiel et de la forme de pas. on construit ainsi une représentation par ondelettes du signal y(t) sur j niveaux
1477 {d1, ..., dj , aj} avec dj [n] les coefficients d ondelettes à l échelle 2j et aj l approximation du signal à l échelle 2j.
1478 d après notre modèle de mesure, les coefficients d ondelettes s expriment comme :
1479 dj [n] = wy(2j , n) = ws(2j , n) +wb(2j , n) (3)
1480 ils suivent donc une loi gaussienne : n(ws(2j , n), sigma). on est ainsi amené à réaliser un test statistique binaire pour
1481 décider si l échantillon correspond uniquement au bruit, ou bien au signal plus bruit. dans le cas du bruit blanc gaussien, donoho a proposé d utiliser le seuil quasi-optimal
1482
1483 2 ln(n) avec n la longueur du signal [2].
1484 les implémentations non redondantes de la transformée en ondelettes sont pénalisées par l absence d invariance
1485 temporelle : les coefficients des niveaux de détail d un signal retardé ne sont pas identiques à une version décalée
1486 des coefficients obtenus à partir du signal original. l invariance temporelle de ces coefficients est une caractéristique
1487 particulièrement importante quand il s agit de la détection de transitoires à intervalles inconnus, tels que les pas [11].
1488 on a donc choisi d utiliser la transformée en ondelettes stationnaire (swt) [9] [11], qui est une implémentation
1489 redondante, car elle préserve l invariance par translation.
1490 chaque niveau de détail est obtenu par une convolution du signal brut avec un filtre passe-bande (fig. 3).
1491 0 1000 2000 3000 4000
1492 fréquence [hz]
1493 g1 filtre passe-haut
1494 g3 filtre passe-bande
1495 g4 filtre passe-bande
1496 spectrogramme d un pa
1497 fig. 2 – réponse fréquentielle de chaque filtre vs. le spectrogramme d un potentiel d action typique
1498 dj [n] = (y gj)[n] dj(z) = y (z) · gj (z) (4)
1499 gj(z) = g1(z2j-1)
1500 jy-2
1501 k=0
1502 h1(z2k) j supérieur 1
1503 le filtre gj est obtenu de manière recursive à partir du filtre passe-bas h1 et du filtre passe-haut g1 dans la
1504 décomposition de la théorie des ondelettes.
1505 une méthode de détection consiste alors à réaliser un débruitage du signal suivi d une détection conventionnelle
1506 [1]. notre approche vise à simplifier cette méthode en réalisant directement la détection dans l espace d ondelettes.
1507 de manière optimale, on cherche à combiner différents prises de décision à chaque niveau de résolution pour tirer
1508 partie de la corrélation entre les différentes échelles d analyse. dans un premier temps, on étudie la performance
1509 d algorithmes simples avec cette méthodologie pour choisir à terme des techniques plus évolués.
1510 l utilisation d une ondelette mère spline quadratique est proposée par sa similarité à la forme habituelle de pas
1511 neuronaux et sa mise en oeuvre optimale (fig. 1).en effet, on peut prouver que les coefficients des filtres peuvent
1512 toujours être exprimés comme la somme de puissances
1513 de deux
1514
1515 il est alors possible d implémenter le filtre sans multiplications : les produits peuvent être remplacés par une série de sommes
1516 plus un décalage de bits. cette étape additionelle de filtrage n augmente que faiblement le nombre d opérations
1517 en virgule fixe par cycle. si la fréquence d échantillonnage fs est 10 khz, on montre que les sous-bandes d3[n]
1518 et d4[n] contiennent majoritairement les composantes fréquentielles utiles du signal s(t) (fig. 2) et les coefficients
1519 d ondelettes présentent alors des amplitudes maximales en présence de pas neuronaux (fig. 4). ce filtrage adapté
1520 ameliore énormément le rapport signal sur bruit des coefficients par rapport au signal d origine.
1521 seuillage adaptatif conventionel : l algorithme usuel consiste à estimer sur des fenêtres glissantes disjointes de
1522 nwin échantillons la déviation standard du bruit (sigma^). pour chaque fenêtre d observation, on conserve la valeur absolue
1523 du signal y(t) supérieure à un seuil = + . un potentiel d action correspond à un maximum global sur chaque
1524 intervalle ainsi obtenu. les pas séparés d un nombre inférieur à spkt ol échantillons sont fusionnés. spkt ol correspond à
1525 l étendue temporelle moyenne d un pa.
1526 fig. 3 – architecture simplifiée de la transformée en ondelettes stationnaire et la méthode de détection de pas
1527 proposée.
1528
1529 seuillage adaptatif isolé sur les sous-bandes dans l espace des ondelettes : une version légèrement modifiée du schéma précédent
1530 peut être envisagé en faisant un seuillage directement sur les coefficients des ondelettes
1531 et non pas sur le signal brut (fig. 3).
1532 seuillage adaptatif multi-echelle redondant : la sous bande d4 apporte une information complémentaire
1533 pour identifier des pas légèrement plus lents non détectés par la méthode précédente sur la sous bande d3, princi-
1534 palement à cause du rapport signal à bruit trop faible.
1535 dans cette méthode, on ajoute alors aux pas détectés dans la sous-bande d3 ceux détectés dans la sous-bande
1536 d4. cette version du seuillage adaptatif sur les niveaux des ondelettes est appliquée en deux pas consécutifs. premièrement,
1537 l étape de seuillage adaptatif est mise en pratique sur d3 et d4 séparément. ensuite, l ensemble des spikes détectés à partir de d3 est complété par les pas identifiés à partir de d4. on peut espérer une diminution des faux
1538 négatifs au détriment d une augmentation de faux positifs. pour chacune des méthodes précédentes, l estimation de
1539 la déviation standard du bruit b(t) peut être réalisée de manière robuste en calculant la déviation absolue à la médiane
1540 (mad, eq. 5) : 1) directement sur le signal d intérêt (respectivement y, d3 et d4) ; ou bien, 2) indirectement sur
1541 la sous bande d1 [2].
1542
1543 mad (5)
1544 4 méthodes d évaluation des algorithmes
1545 la mise au point d algorithmes de traitement nécessite de modéliser l activité d un petit groupe de neurones. avec
1546 l outil simone développé au cea/leti [3], nous disposons d un modèle réaliste de signaux acquis à partir des
1547 enregistrements extracellulaires du lobe antennaire de la blatte. on peut ainsi accéder à une référence pour la
1548 séquence d activation de chaque neurone {tk,q} et faire varier le niveau de bruit de l enregistrement. on étudie ensuite
1549 l espace des paramètres pour différents algorithmes afin
1550
1551 signal brut y
1552 sub-bande d3
1553 sub-bande d4
1554 0.2 mv
1555 fig. 4 – exemple d un signal d intérêt simulé avec deux niveaux de décomposition (d3 et d4). les pas sont indiqués
1556 par des flèches . le rapport signal sur bruit est amélioré : plusieurs pas qui sont complètement noyés dans le bruit,
1557 sont mis en relief dans les sous-bandes.
1558 de déterminer leur configuration optimale : robustesse, immunité au bruit et performance. on travaille dans un
1559 sous espace réduit de paramètres : nwin, spkt ol, k. ceux-ci sont tabulés pour différentes valeurs d après une
1560 première analyse permettant de mieux cibler les valeurs (quasi-)optimales pour chacun d entre eux. on évalue la
1561 performance p[ i] de chaque algorithme pour chaque jeu de paramètres i, par une formule qui pénalise autant
1562 le nombre de fausses alarmes (fp : faux positif) que le nombre de pas non détectés (fn : faux négatif) :
1563
1564 (6)
1565 ce calcul est possible puisque l on connait parfaitement la séquence temporelle précise de décharge du réseau. la
1566 performance totale d un algorithme pour un jeu de paramètres i donné est obtenue en moyennant p[ i] estimé
1567 pour différents niveaux de bruit : { sigma/2 ; sigma ; 2 sigma ; 3 sigma }.
1568 une fois que la performance moyenne de chaque méthode est évaluée, on extrait la combinaison optimale de paramètres
1569 psyi qui maximisent le score moyen pour chacun des algorithmes. ensuite on compare la performance des
1570 configurations psyi* à chaque niveau de bruit.
1571 5 résultats
1572 en règles générales on constate que les méthodes proposées sont, à la fois, plus robustes et plus performantes que
1573 la méthode de seuillage adaptatif sur y. d après la première analyse où on évalue la performance pour différents
1574 jeux de paramètres (fig. 5(a)), on peut extraire différents conclusions. premièrement, on s aperçoit que le seuillage
1575 sur le niveau d3 présente une performance clairement supérieure au reste. néanmoins, elle est dégradée si on rajoute
1576 la sous bande d4. en effet, cette bande, utilisée de manière indépendante, présente des scores inférieurs à ceux de d3
1577 dans l ensemble des configurations psyi appartient à psy. ce premier jeu des données nous permet de fixer, pour chaque
1578 méthode, les valeurs des paramètres liées aux performances moyennes plus élevées.
1579
1580 fig. 5 – a) performance moyenne pour chaque algorithme, évaluée dans l espace ; b) variation de la performance
1581 de chaque méthode pour différents niveaux de bruit
1582
1583 de cette manière, chaque algorithme est ensuite ajusté. une deuxième analyse (fig. 5(b)) nous permet alors de
1584 valider le degré de robustesse au bruit de chaque méthode. on note que le seuillage sur y est légèrement plus
1585 performante pour des rapports signal sur bruit faibles, mais que cette performance est vite dégradée avec une
1586 augmentation du bruit. d une autre part, les méthodes basées sur d3 et d3+d4 sont très stables, avec des bons scores, sur toute
1587 la plage de tests. en effet, on observe que les coefficients de d3 sont fortement liés à la forme des pas (en plus de
1588 leur amplitude). encore une fois, le seuillage sur d4 présente des performances inférieures aux autres alternatives
1589 proposées.
1590 on constate que l utilisation de la déviation absolue à la médiane sur d1 comme estimateur de la déviation standard
1591 rend les algorithmes basés sur d3 ou d4 plus robustes aux changements de paramètres. ceci n est pas le cas pour les
1592 autres méthodes, pour lequelles l estimation directe sur le signal d intérêt semble plus efficace.
1593 à la vue de ces résultats, on affirme que la méthode de détection basée sur la sous-bande d3 est particulièrement efficace
1594 dans la détection de pas, même dans des environnements défavorables de bruit. l utilisation d une décomposition en ondelettes
1595 stationnaire et le choix d une ondelette spline quadratique permet également d envisager une implémentation numérique à bas coût calculatoire.
1596 6 perspectives
1597 actuellement, on s intéresse à des méthodes plus évoluées avec une prise en compte de la corrélation inter échelles.
1598 en plus, on étudie un modèle sur la forme des coefficients d ondelettes en réponse aux pas pour améliorer la détection. ensuite,
1599 on envisage confronter nos algorithmes aux méthodes plus avancées de détection (non compatibles avec une implantation embarquée) sur des données réelles. à terme on va développer une architecture en vue d une réalisation en électronique numérique.
1600
1601 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=22><source=http://www.biomedicale.univ-paris5.fr/physcerv/c_pouzat/code_folder/pouzat-promo2005-rap.pdf>
1602
1603 rapport d activité
1604 1 recherche scientifique
1605 1.1 travaux des quatre dernières années
1606 j ai consacré la majeure partie de ces quatre dernières années au développement
1607 de méthodes automatiques de tri de potentiels d actions
1608 (pas).
1609 1.1.1 le problème du tri des pas en quelques mots
1610 la pleine exploitation des données enregistrées avec des multiélectrodes
1611 extracellulaires nécessite la résolution d un problème particulier,
1612 le problème du tri des potentiels d action (ou spike-sorting en anglais).
1613 ce problème vient de la situation d enregistrement où chaque
1614 électrode se trouve typiquement au voisinage de plusieurs neurones actifs.
1615 chaque électrode collecte ainsi un signal qui est un mélange des
1616 potentiels d action des différents neurones. cette circonstance particulière
1617 constitue à la fois la force et la faiblesse des enregistrements extracellulaires.
1618 elle est une force car avec relativement peu d électrodes,
1619 donc a priori un dommage faible pour le tissu, on peut suivre l activité
1620 de nombreux neurones. elle est une faiblesse car les données recueillies
1621 par ces enregistrements ne sont pas directement exploitables ; il faut
1622 au préalable reconstituer le discours de chacun des neurones vu par
1623 chaque électrode. on peut en fait voir plus concrètement ce problème
1624 au moyen d une analogie dans laquelle les électrodes extracellulaires
1625 deviennent des microphones et les neurones, des personnes relativement
1626 indisciplinées, puisqu elles ont tendance à parler en même temps.
1627 1
1628 le problème auquel l analyste est alors confronté est celui de la reconstruction
1629 du discours de chaque personne. on peut en fait pousser de
1630 façon fructueuse cette analogie et se dire qu il serait peut-être intéressant
1631 d inclure, dans l algorithme de reconstruction automatique du
1632 discours, certaines propriétés du signal généré par chaque personne
1633 (neurone). en particulier, certaines personnes ont une voix grave alors
1634 que d autres ont une voix aigue (pour les neurones cela se traduit par
1635 une différence de forme des potentiels d action). certaines personnes
1636 parlent fort, d autres parlent bas (de même certains neurones génèrent
1637 de grands potentiels d action alors que d autre n en génèrent que des
1638 petits). une personne peut-être proche d un des micros et plus éloignée
1639 d un autre de sorte que son discours est enregistré simultanément
1640 par au moins deux micros mais avec des différences d amplitudes
1641 (de même un neurone peut-être proche d une électrode et plus éloigné
1642 d une autre). certaines personnes parlent pratiquement tout le temps
1643 alors que d autres ne font qu acquiescer ou désapprouver de temps en
1644 temps, c est-à-dire que la statistique du discours change d une personne
1645 à l autre (de même la statistique de décharge des potentiels d action
1646 change d un neurone à l autre), etc. on voit ainsi que de nombreux
1647 paramètres décrivant des propriétés des discours isolés (des trains de
1648 pas provenant de cellule unique) peuvent être inclus dans l algorithme
1649 et améliorer grandement, potentiellement au moins, ses performances.
1650 c est ce type d approche qui m a conduit avec m delescluse (étudiant
1651 en thèse que j encadre depuis 2002), en collaboration avec jean diebolt
1652 du laboratoire d analyse et de mathématique appliquées1 (cnrs
1653 umr 8050, université de marne la vallée) et pascal viot du laboratoire
1654 de physique théorique de la matière condensée2 (cnrs umr
1655 7600 et université pierre et marie curie) à développer une méthode
1656 de tri des potentiels d action, radicalement nouvelle. cette méthode est
1657 fondamentalement basée sur une analogie du type de celle que nous venons
1658 d exposer entre les données enregistrées par les multiélectrodes
1659 extracellulaires et un verre de spin de potts . concrètement cela signifie
1660 qu une fois que l analogie avait été faite, les algorithmes étaient
1661 déjà disponibles chez les physiciens et chez les statisticiens, des adaptations
1662 somme tout mineures de ceux-ci s étant avérées suffisantes. de
1663 plus, tout l appareil mathématique nécessaire pour prouver la convergence
1664 de l algorithme avait aussi déjà été développé par les statisticiens.
1665 on s est retrouvé ainsi avec une méthode puissante, construite
1666 sur des bases solides, qui de surcroît fourni des intervalles de confiance
1667 pertinents sur les estimations qu elle produit.
1668 1.1.2 une version plus détaillée et plus technique des progrès
1669 réalisés ces deux dernières années
1670 la collaboration avec jean diebolt et pascal viot nous a permis de faire
1671 d importants progrès. en effet, la méthode que j avais développée lors
1672 de mon séjour post-doctoral [4] ne permettait de travailler qu avec des
1673 modèles de mélanges gaussiens (gaussian mixture models, gmm ou
1674 apparentés). c est-à-dire avec des modèles dans lesquels la densité de
1675 probabilité d un pa ou spike, s, s écrit :
1676 p(s) =
1677
1678 où k est le nombre de neurones du modèle, j est la fréquence de décharge relative
1679 du je neurone du modèle et p(s | j) est la probabilité de
1680 s étant donné j. typiquement on travaille avec des densités conditionnelles, gaussiennes :
1681
1682 où j est la matrice covariance de la distribution gaussienne multivariée
1683 du neurone j, uj est sa moyenne et ns est le nombre de points
1684 d échantillonnage utilisés pour décrire un spike (pour plus de détails
1685 voir [4]).
1686 estimer les paramètres de ce type de modèle à partir de données réelles
1687 est relativement facile avec, par exemple, l algorithme de maximisation
1688 de l espérance (mathématique) (expectation maximization (em)
1689 algorithm en anglais). nous avons mis en oeuvre cet algorithme qui
1690 constitue toujours la base du logiciel spikeomatic que nous distribuons
1691 gratuitement sur notre site.
1692
1693 si cette approche basée sur des gmms fonctionne bien pour certaines
1694 données, comme celles qu on enregistre dans le premier relais
1695 olfactif du criquet (schistocerca americana), on atteint vite ses limites
1696 quand les neurones enregistrés présentent l une des caractéristiques suivantes (ou, bien sûr, les deux) :
1697 – la forme des pas est non-stationnaire et dépend du temps écoulé
1698 depuis le dernier pa du neurone.
1699 – deux neurones génèrent, du fait du bruit d enregistrement, des pas
1700 de formes très semblables.
1701 la première caractéristique est typique des neurones déchargeant en
1702 bouffées pour lesquels on constate une diminution de l amplitude des
1703 pas pendant la bouffée. la seconde est très courante dans des tissus où
1704 des neurones de même type se trouvent en relativement grande densité.
1705 la prise en compte de ces caratéristiques pose de (très) sérieux
1706 problèmes d inférence statistique. en effet, les modèles type gmm avec
1707 lesquels nous avons commencé entraînent une expression simple pour
1708 la vraisemblance4 des données (i.e., l ensemble des spikes enregistrés)
1709 qui est alors un produit de la (densité de) probabilité de chaque spike :
1710 p(s1, . . . , sn) =
1711
1712 où p(si | j) est donné par l eq. 2. le point crucial est que l évaluation
1713 de l eq. 3 nécessite n · k calculs simples (et rapides). n étant le
1714 nombre de spikes dans l échantillon (typiquement de l ordre de 1000)
1715 et k le nombre de neurones dans le modèle (typiquement de l ordre
1716 de 10). ainsi, un algorithme comme le em, qui évalue constamment
1717 l eq. 3 a un temps de calcul de l ordre de n · k. la prise en compte de
1718 la première caractéristique ci-dessus impose de connaître le temps
1719 du spike précèdent de chacun des neurones lorsqu on veut évaluer une
1720 expression comme p(si | j)5. de même, notre manière de prendre en
1721 compte la seconde caractéristique impose de connaître le temps du
1722 la vraisemblance d un ensemble de données est une quantité proportionnelle à
1723 la probabilité de celui-ci.
1724 en effet, maintenant la forme des spikes est dynamique et dépend du temps
1725 écoulé depuis le dernier spike du neurone.
1726
1727 spike précèdent et du suivant de chacun des neurones. la conséquence
1728 de la dépendance des probabilités conditionnelles, comme p(si | j), visà-
1729 vis des neurones d origine des spikes voisins est que pour calculer
1730 la vraisemblance (eq. 3) on doit développer le produit afin de prendre
1731 en compte explicitement chacune des configurations. on définit ici, une
1732 configuration par la spécification d un neurone d origine pour chaque
1733 spike. on a voit alors que la vraisemblance ne comporte plus n · k
1734 termes, mais kn ! cela signifie en pratique qu on ne peut plus la calculer
1735 explicitement.
1736 c est là que la collaboration avec jean diebolt et pascal viot s est
1737 avérée cruciale. ce problème d explosion combinatoire a, en effet,
1738 déjà été rencontré dans d autres domaines comme :
1739 – en physique statistique avec les modèles d ising et potts (entre autres).
1740 – en informatique avec les problèmes de coloration de graphes.
1741 – en traitement du signal (reconnaissance d images et reconnaissance
1742 vocale).
1743 – en statistique avec des problèmes d inférence sur des modèles à variables
1744 latentes inter-dépendantes.
1745 – en recherche opérationnelle avec des problèmes de conception ou de
1746 gestion de réseaux variés (comme le réseau internet, les réseaux de
1747 distribution d électricité, des réseaux faits d ordinateurs type pc utilisés
1748 comme une seule machine parallèle).
1749 et des méthodes ont été trouvées pour le contourner. plutôt que de le
1750 résoudre directement, ce qui, comme nous venons de le voir, est impossible,
1751 ces méthodes estiment la solution (et fournissent des barres
1752 d erreurs sur les estimations produites). ces estimations sont systématiquement
1753 faites en simulant une chaîne de markov sur l espace des
1754 paramètres du problème. dans le cas qui nous occupe, les paramètres
1755 de notre problèmes sont les paramètres de notre modèle de génération
1756 de données et les configurations. notre chaîne de markov visite
1757 donc, à chaque pas de temps, une nouvelle configuration (c est à dire
1758 une nouvelle labélisation du train de pas) et une nouvelle valeur pour
1759 chacun des paramètres du modèle. cette classe de méthodes est nommée
1760 dynamic monte carlo par les physiciens, markov chain monte
1761 carlo par les statisticiens et random tours par les gens de la recherche
1762 opérationnelle. une de leurs caractéristiques majeures est que
1763 la convergence de la chaîne vers la solution du problème posé peut être
1764 prouvée.
1765 épargne ici au lecteur les détails du modèle plus sophistiqué que le gmm que
1766 nous avons introduit pour prendre en compte les deux caractéristiques. si il a le
1767 temps et la curiosité il pourra lire nos deux dernières publications [5] et [3].
1768
1769 le lecteur trouvera peut-être que le développement qui précède est un
1770 peu abstrait et formel ; il pourra se consoler en se disant que :
1771 1. il a raison, nous sommes ici bien loin de la neurophysiologie classique
1772 2. l auteur ainsi que son étudiant en thèse, matthieu delescluse, se
1773 trouvaient dans la même situation il y a deux ans de cela.
1774 3. cela vaut la peine car on obtient une solution générale et rigoureuse
1775 pour ce problème qui préoccuppe (une partie de) la communauté
1776 des neurophysiologistes depuis 50 ans.
1777 4. il peut utiliser la méthode sans avoir à maîtriser le formalisme
1778 mathématique grâce à notre logiciel spikeomatic8, voir sect. 3.
1779 pour en arriver à notre algorithme, [5] et [3], il nous a fallu d abord
1780 nous comprendre. c est-à-dire, pour moi, apprendre un minimum des
1781 dialectes et des méthodes des statisticiens et des physiciens. ensuite,
1782 spikeomatic comporte 162 fonctions écrites en c (ce qui représente
1783 plus de 12000 lignes de code) ainsi que 30 fonctions r9, pour l interface
1784 utilisateur, ce qui représente 4800 lignes de code. il nous a donc
1785 fallu, à matthieu delescluse et moi-même, apprendre à gérer de relativement
1786 gros projets logiciels. j insiste ici sur le fait que spikeomatic
1787 est un logiciel utilisable car complétement documenté. le lecteur est invité
1788 à le télécharger10 et à l essayer sur son propre ordinateur (linux
1789 ou windows).
1790 le lecteur sous estimera peut-être l importance des théorèmes de convergences,
1791 ils sont pourtant une aide précieuse, pour ne pas dire fondamentale, pour les personnes
1792 qui développent et programment les algorithmes correspondants. ceux-ci deviennent
1793 en effet assez vite compliqués et les théorèmes permettent de définir des
1794 tests forts de leur bon fonctionnement. en d autres termes, le programmeur peut savoir
1795 si sa combinaison, algorithme/implémentation, est viable ou non.
1796 il est néanmoins clair qu une compréhension minimale de l algorithme ne peut
1797 qu améliorer l utilisation qui en est faite.
1798
1799 la présence de relaxations lentes dans la première version de
1800 notre algorithme nous a amenés à pousser plus loin l analogie avec la
1801 physique statistique. nous nous sommes, en effet, apperçus que notre
1802 modèle de génération de données induit un comportement de nos chaînes
1803 de markov analogue à celui observé en physique lors de la simulation
1804 de systèmes vitreux ou désordonnés (comme des verres de spin ).
1805 heureusement, les physiciens ont depuis quelques années (1996 [2])
1806 développé une méthode efficace pour ce type de situations : la méthode
1807 de l échange de répliques (replica exchange method (rem) ou parallel
1808 tempering en anglais). nous l avons mis en oeuvre avec succès.
1809 c est en fait elle qui a rendu notre algorithme utilisable en pratique.
1810 cette méthode, comme sa seconde dénomination anglaise l indique indirectement,
1811 se prête à une parallélisation de l algorithme. c est-à-dire
1812 que l algorithme peut-être écrit de façon à pouvoir utiliser efficacement
1813 plusieurs cpus (central processing unit , ou unité arithmétique et logique
1814 en français ou peut-être plus clairement, processeur). pour vous
1815 donner une idée, il faut actuellement de 10 à 20 minutes de calcul pour
1816 traiter de l ordre de 1000 pas (avec un pentium iv à 3 ghz) en utilisant
1817 9 répliques (e.g., voir le second tutoriel de spikeomatic11).
1818 la parallélisation devrait nous permettre de diviser ce temps par pratiquement
1819 9. afin d explorer cette possibilité nous avons récemment
1820 fait l acquisition d un cluster beowulf avec 8 noeuds de calcul possédant
1821 chacun 2 cpus (en clair ce sont des pc avec linux et un réseau
1822 ethernet privé ). cet achat a été financé par un appel d offres en bio-
1823 informatique (période 2003-2005) attribué à christophe pouzat, jean
1824 diebolt et frédéric marion-poll12, professeur à l inapg. enfin, le rem
1825 fournit (presque) automatiquement une estimation de l énergie libre
1826 du système simulé ce qui est très interessant pour la raison suivante.
1827 la comparaison de modèles, c est-à-dire, dans le contexte qui nous occupe,
1828 le choix du nombre de neurones dans le modèle, implique l évaluation
1829 d une quantité (la probabilité des données étant donné le modèle)
1830 dont le logarithme n est autre, à une constante près, que l énergie libre
1831 des physiciens. on peut ainsi en quelque sorte faire d une pierre deux
1832 coups : résoudre le problème de relaxation lente et comparer automatiquement
1833 (et rigoureusement) des modèles avec différents nombres de
1834 neurones. si nous sommes vraiment chanceux, nous pourrons même
1835 faire une petite contribution à la solution d un problème important en
1836 statistiques (la comparaison de modèles dans un contexte bayesien).
1837 nous venons, par ailleurs, de démontrer directement l efficacité de
1838 spikeomatic en combinant des enregistrements extracellulaires multiples
1839 avec l enregistrement direct13 d une des cellules présente sur
1840 l enregistrement extracellulaire. nous avons ainsi une référence indépendante
1841 à laquelle comparer la classification produite par notre algorithme.
1842 les résultats sont intéressants puisque nous atteignons 98%
1843 de bonne classification [1].
1844 1.2 collaboration avec le laboratoire du professeur
1845 kloppenburg de l université de cologne
1846 j ai commencé il y a maintenant deux ans une collaboration avec le laboratoire
1847 du professeur peter kloppenburg14 de l université de cologne
1848 en allemagne. cette collaboration porte sur l étude du codage de l information
1849 olfactive chez la blatte (periplaneta americana). le laboratoire
1850 de peter kloppenburg étudie cette question au moyen de plusieurs
1851 techniques expérimentales : des enregistrements extracellulaires multiples
1852 (dans lesquels je suis directement impliqué) et des enregistrements
1853 en patch (in vivo et sur des cellules en culture), combinés avec
1854 de l imagerie calcique. je me rends dans ce laboratoire une semaine
1855 tous les un ou deux mois. nous avons à présent un poste d enregistrements
1856 extracellulaires multiples qui fonctionne parfaitement. cela
1857 nous a pris du temps, car j ai fait l erreur, croyant gagner du temps,
1858 d acheter un amplificateur extracellulaire clés en main avec logiciel
1859 d acquisition intégré . le résultat est que si le hardware s est avéré
1860 tout à fait satisfaisant, le software ne l était pas du tout. il a fallut se
1861 battre (pratiquement au sens propre) pour que le constructeur accepte
1862 de prendre en compte nos remarques et commence à modifier son
1863 logiciel. bref, après quelques péripéties, nous devenons enfin productifs.
1864 avec une pipette de patch en configuration cellule attachée.
1865
1866 1.3 perspectives
1867 dans les années qui viennent nous allons bien sûr poursuivre le développement
1868 de spikeomatic. tout d abord, comme évoqué plus haut,
1869 en le parallélisant. cela devrait nous fournir une solution au problème
1870 de la sélection du nombre de neurones dans le modèle. ensuite nous
1871 allons l étendre pour lui permettre de prendre en compte explicitement
1872 des interactions entre neurones. la motivation derrière cette extension
1873 est d obtenir une description des interactions vues au niveau des trains
1874 de pas qui soit plus facilement interpretable, en terme d interactions
1875 synaptiques, que les classiques cross-correlograms . nous pourrons
1876 ainsi établir un lien entre les expériences extracellulaires que nous effectuons
1877 sur les tranches de cervelet et sur l insecte, d une part, et les
1878 enregistrements de cellules uniques ou de paires de cellules avec la méthode
1879 du patch-clamp, d autre part. ces derniers enregistrements étant
1880 effectués par nos collègues du laboratoire de physiologie cérébrale
1881 pour le cervelet et par le groupe de peter kloppenburg de l université
1882 de cologne, avec qui je collabore depuis deux ans, pour la blatte (periplaneta
1883 americana).
1884 nous allons également commencer à developper des algorithmes de
1885 type mcmc pour analyser les données d imagerie calcique produites par
1886 isabel llano au laboratoire (essentiellement de l imagerie de l axone des interneurones de la couche moléculaire du cervelet de rats et souris)
1887 ainsi que par le laboratoire de serge charpak, u603 inserm (imagerie
1888 des cellules mitrales du bulb olfactif du rat in vivo). l idée est
1889 de développer un modèle réaliste de la génération de données17 et
1890 d estimer directement les paramètres de ce modèle à partir des données
1891 de fluorescence. ce modèle étant complexe il nous faudra avoir
1892 recours, comme pour les trains de spikes, à des algorithmes stochastiques
1893 type mcmc. nous pourrons à cette fin utiliser la bibliothèque c
1894 que nous avons déjà développée.
1895 un modèle qui inclura la liaison du calcium à la sonde, la diffusion, la formation
1896 de l image par le microscope, la statistique poissoniènne de détection des photons, etc.
1897 2 enseignement, formation et diffusion de
1898 la culture scientifique
1899 – j encadre depuis septembre 2002 la thèse de matthieu delescluse
1900 sur le développement et l application des techniques d enregistrement extracellulaires multiples aux tranches de cervelet (en ce qui
1901 concerne la portée de ces travaux, voir la sec. 1).
1902 – depuis avril 2004, je co-encadre la thèse d antoine chaffiol sur la
1903 détection d odeurs à faibles concentrations par l abeille domestique
1904 (apis mellifera) et la blatte (periplaneta americana). le travaille
1905 d antoine est essentiellement expérimental et porte dans un premier
1906 temps sur la comparaison des réponses (à basse concentration de molécules odorantes) des récepteurs olfactifs et de leurs neurones
1907 post-synaptiques (neurones de projection et neurones locaux) dans
1908 le premier relais olfactif (le lobe antennaire). nous étudierons ensuite
1909 le rôle de l apprentissage dans les réponses olfactives ainsi que
1910 la représentation des mélanges de molécules simples (e.g., citral et
1911 octanol), appris ou non par l animal.
1912 – marie-gabrielle lucas a rejoint mon groupe en fin 2004. elle termine
1913 sa thèse que je coencadre avec la dr isabel llano (qui est aussi
1914 au laboratoire de physiologie cérébrale). marie-gabrielle développe
1915 des algorithmes et de logiciels permettant de travailler avec des modèles
1916 réalistes de la génération des signaux de fluorescence dans les
1917 expériences d imagerie calcique. la particularité de ces modèles et
1918 leur prise en compte des interactions entre calcium et sonde ou tampon
1919 endogène, ainsi que du bruit poissonien lors de la détection des photons par la caméra.
1920 – hang ung a effectué son stage de deuxième année de master de neurosciences
1921 (université paris vi) sous ma direction. son titre de mémoire
1922 est : enregistrements multi-unitaires de réponses aux odeurs
1923 chez la blatte
1924 entre 2002 et 2003 j ai effectué 30 heures de tutorat à l espci (ecole
1925 de physique et de chimie industrielles). ces tutorats correspondaient
1926 au cours de neurophysiologie du professeur serge charpak.
1927 pendant l année universitaire 2004-2005 j ai donné 4 heures de cours
1928 sur l olfaction des insectes en master 2 neurosciences (paris vi) ainsi
1929 que 4 heures sur l ofaction en master 1 de biologie, option neurosciences
1930 (paris vi). j ai aussi donné 4 heures de cours sur les enregistrements
1931 par matrices d électrodes extracellulaires et leur analyse a l ina
1932 (institut national d agronomie).
1933 j ai enseigné (4 heures) à l ecole d été des houches : methods and models
1934 in neurophysics au mois d août 2003.
1935 3 transfert technologique, relations industrielles
1936 et valorisation
1937 nous distribuons, gratuitement, sous licence gpl18 le logiciel
1938 spikeomatic. les codes sources avec leur documentation sont disponibles,
1939 ainsi que des exécutables pour linux et windows. l interface
1940 utilisateur de spikeomatic est construite à partir du logiciel
1941 libre r19. une aide en ligne et des tutoriels sont également disponibles.
1942 ce logiciel est donc vraiment utilisable par des personnes qui
1943 n ont pas contribué à le développer. il est d ailleurs utilisé par plusieurs
1944 autres laboratoires et j ai récement eu a évaluer, en tant que referee,
1945 un manuscrit utilisant spikeomatic.
1946
1947 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=23><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/potact.html>
1948
1949 la cellule nerveuse en activité : le potentiel d action
1950 définition et propriétés
1951 la stimulation en un point de la membrane d un élément excitable, entraînant une dépolarisation membranaire suffisante (valeur seuil), provoque l apparition d un potentiel d action (pa). ce pa est une inversion brutale et transitoire du potentiel de membrane, qui obéit à la loi du tout ou rien et se propage sans atténuation, de manière autonome, tout au long de la membrane de l élément excité.
1952
1953 1. lorsqu un axone se dépolarise, il apparaît, pour une certaine valeur du potentiel de membrane appelée valeur seuil , une brusque (environ 1 msec) et ample inversion de la polarisation membranaire puisque l électrode intracellulaire passe d une valeur négative de - 50 mv à une valeur positive de + 40 mv, soit une variation de 90 mv (pic).
1954 2. la phase de descente du potentiel d action (pa) est également très rapide (1 à 2 msec), le potentiel de membrane revenant alors vers son niveau initial.
1955 3. puis, à la fin de la phase de descente, le potentiel de membrane atteint une valeur plus négative que le niveau de son potentiel de repos (l axone s hyperpolarise).
1956 4. le retour à la valeur de potentiel initial se fait relativement plus lentement (quelques msec).
1957
1958 ce potentiel d action est un phénomène électrique qui présente deux caractéristiques fondamentales :
1959
1960 a partir de la valeur seuil de dépolarisation, toute augmentation ultérieure de l amplitude de la stimulation n apporte aucun changement dans la réponse observée : le pa obéit à la loi du tout ou rien. si le seuil de dépolarisation n est pas atteint, il n apparaît pas. si le seuil est atteint, la réponse est maximale d emblée.
1961 emis en un point de l axone, il se propage sans atténuation tout au long de la fibre.
1962
1963 la valeur du potentiel de membrane atteinte lors du pic du pa tend vers celle du potentiel d équilibre du na+ (ena = + 60 mv). de plus, les premières expériences ont pu montrer que, si l on place un axone dans un milieu où la concentration en na+ est faible, on observe une nette diminution de l amplitude maximale du pa. on pouvait donc penser que le rapport des concentrations intra et extracellulaire de na+ joue un rôle important dans la genèse du pa. on connaît maintenant les mécanismes membranaires à l origine du pa.
1964 les mécanismes membranaires à l origine du potentiel d action
1965
1966 neurobiologie cellulaire : le potentiel d action - chapitre 10 - figure 10.7
1967
1968 dans : neurobiologie cellulaire. c. hammond, d. tritsch.editions doin - 1990.
1969
1970 1. la phase ascendante du potentiel d action est due à l ouverture de canaux na+ sensibles au voltage (cf. la membrane). au repos, la probabilité (p0) pour que ces canaux soient ouverts est très faible et la plupart sont fermés. pour une certaine valeur du potentiel de membrane (vm = - 40 mv - valeur seuil), la dépolarisation membranaire provoque une ouverture rapide des canaux na+- vm dépendants, ce qui entraîne une entrée brutale de na+ dans la cellule. ce courant sodique entrant augmente la dépolarisation membranaire, qui elle-même provoque une nouvelle entrée d ions na+ etc ... ce processus régénératif induit la phase ascendante du pa. mais, le pic du pa n atteint pas exactement le potentiel d équilibre des ions na+ (ena = + 60 mv) car, très vite, les processus mis en jeu lors de la phase descendante du pa entrent en jeu.
1971 2. deux facteurs limitent la durée du pa : (a) la dépolarisation finit par inactiver graduellement les canaux na+ (les canaux se referment bien que la membrane reste dépolarisée : ils s inactivent) ce qui induit, avec un certain délai, (b) l ouverture de canaux k+ vm dépendants (supérieur à + 20 mv : p0 d ouverture maximale). ce délai d ouverture leur vaut le nom de canaux k+ de la rectification retardée .
1972 3. dans la plupart des cellules nerveuses, le pa est suivi d une phase d hyperpolarisation transitoire ou post-hyperpolarisation. cette hyperpolarisation apparaît car, contrairement aux canaux na+, les canaux k+ ne s inactivent pas (du moins dans cette échelle de temps) et ce courant sortant potassique hyperpolarise légèrement la membrane.
1973 4. le nombre de canaux k+ ouverts diminue progressivement et le potentiel de membrane revient à son niveau initial.
1974
1975 in vivo, la valeur seuil de la dépolarisation initiale qui déclenche la survenue d un pa peut être atteinte de deux façons :
1976
1977 au niveau des synapses excitatrices, les neuromédiateurs libérés par les terminaisons présynaptiques, qui se lient sur des récepteurs spécifiques postsynaptiques (les récepteurs-canaux) induisent des dépolarisations locales (ppse) dans les éléments postsynaptiques. au niveau des neurones, les ppse se propagent jusqu au segment initial (cf. la membrane), zone particulière où naissent les pa.
1978 au niveau des récepteurs sensoriels, un stimulus extérieur provoque une variation de potentiel local appelée potentiel de récepteur , qui, s il est une dépolarisation d amplitude suffisante, déclenche la survenue de pa.
1979
1980 cette dépolarisation initiale est nécessaire à l ouverture des canaux na+ vm dépendants, ouverture qui induit un processus régénératif (phase ascendante du pa). ces mécanismes expliquent que la survenue d un pa réponde à la loi du tout ou rien.
1981
1982 les ions na+ entrant dans le cytoplasme vont chasser les cations intracytoplasmiques les plus abondants (en l occurrence les ions k+ : 2 charges de même signe se repoussent), qui vont conduire le courant à l intérieur de l axone, entraînant, à distance du point où est né le pa, une dépolarisation membranaire locale. si, à ce niveau, les canaux na+ vm dépendants sont en concentration suffisante et que la dépolarisation locale est assez forte, il y aura émission d un autre pa ( conduction régénérative ). remarquons, que lorsque l influx nerveux se propage, il ne peut revenir en arrière du fait de l inactivation des canaux na+. tout ceci explique que le pa se propage sans atténuation tout au long de la fibre. rappelons que plus la fibre nerveuse aura un diamètre important, moins la dépolarisation locale sera atténuée (constante d espace - cf. pot. de repos). la propagation de la dépolarisation locale dépend donc du diamètre de l axone.
1983
1984 à ce propos, la gaine de myéline (isolante) des axones et ses noeuds de ranvier (canaux na+ vm dépendants : plusieurs milliers par µm2 - cf. la membrane) permet une conduction saltatoire de l influx, soit une conduction rapide et énergétiquement économique (excitation confinée à de petites régions).
1985
1986 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=23><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/lasynapse.html>
1987
1988 la synapse - unité morphologique et fonctionnelle de la transmission de l information
1989 les divers types de synapse
1990
1991 le terme de synapse, proposé par sherrington (1897), désignait au départ les zones de contact entre neurones, zones de contact spécialisées dans la transmission de l information. mais les synapses ne sont pas uniquement interneuronales; elles lient également les cellules réceptrices aux neurones et les neurones aux cellules effectrices (jonction neuromusculaire). c est au niveau de ces synapses que s effectue la transmission de l information d une cellule à une autre : la transmission synaptique.
1992
1993 selon des critères morphologiques et fonctionnels, on distingue plusieurs types de synapses :
1994
1995 les synapses chimiques, caractérisées par la présence d un espace entre la membrane présynaptique et la membrane post-synaptique : la fente synaptique. une molécule chimique transmet les informations de la cellule présynaptique à la cellule post-synaptique.
1996 les synapses électriques ou jonctions communicantes ( gap junctions ), caractérisées par l accolement des deux membranes plasmiques (canaux jonctionnels - connexons). les signaux électriques sont directement transmis d une cellule à l autre sans intermédiaire chimique. ce couplage électrique permet une propagation rapide des potentiels d action entre neurones mais aussi la synchronisation de la contraction de certaines cellules musculaires (coeur, fibre musculaire lisse).
1997 les synapses mixtes, formées par la juxtaposition d une synapse chimique et d une jonction communicante.
1998
1999 la synapse chimique
2000
2001 la synapse chimique comprend 3 parties :
2002
2003 1. l élément présynaptique
2004 2. la fente synaptique
2005 3. l élément post-synaptique.
2006
2007 les éléments pré- et post-synaptiques présentent une spécialisation morphologique et fonctionnelle.
2008 asymétrie de structure
2009
2010 l élément présynaptique se caractérise par la présence de vésicules synaptiques, organites de stockage du neurotransmetteur, et de nombreuses mitochondries. parfois, on distingue sous la membrane présynaptique une zone dense aux électrons plus ou moins géométrique : la grille synaptique. cette grille synaptique correspond à une organisation particulière du cytosquelette liée à l exocytose des vésicules synaptiques.
2011
2012 l élément post-synaptique se caractérise, dans le cas d une synapse interneuronale, par la présence d une région sous-membranaire, dense aux électrons, qui reflète une organisation particulière du cytosquelette liée à l ancrage des récepteurs post-synaptiques dans cette région.
2013
2014 le complexe synaptique présente donc une asymétrie de structure caractéristique, les vésicules synaptiques n étant présentes que dans l élément présynaptique.
2015 asymétrie fonctionnelle : schéma général du fonctionnement d une synapse
2016
2017 le neurotransmetteur est stocké dans les vésicules synaptiques de l élément présynaptique. l arrivée des potentiels d action [1] dans l élément présynaptique entraîne une entrée de calcium [ca2+i] [2], et la fusion d une vésicule avec la membrane plasmique. la durée du potentiel d action détermine l ouverture des canaux calciques et donc, la quantité de neurotransmetteur libéré. la vésicule libère par exocytose [3] le neurotransmetteur dans la fente synaptique. on appelle zone active l ensemble formé par les vésicules présynaptiques et la membrane axonale présynaptique où s effectue l exocytose.
2018
2019 les molécules de neurotransmetteur ainsi libérées peuvent aller se fixer sur la membrane post-synaptique au niveau de récepteurs qui lui sont spécifiques [4]. cette fixation entraîne un passage d ions à travers la membrane post-synaptique [5]. c est la transmission synaptique.
2020
2021 dans le même temps, les molécules de neurotransmetteur présentes dans la fente synaptique sont recaptées par la membrane présynaptique [6] et la membrane elle-même est recyclée.
2022
2023 iconographie personnelle - dr. d. rose
2024
2025 l élément présynaptique renferme la machinerie nécessaire à la synthèse, au stockage, à la libération et à l inactivation du neurotransmetteur. l élément post-synaptique, spécialisé dans la réception des messages, renferme dans sa membrane plasmique les protéines réceptrices du neurotransmetteur : récepteurs-canaux et/ou récepteurs liés aux protéines g.
2026
2027 la transmission synaptique est unidirectionnelle, polarisée ; elle n a lieu que de l élément présynaptique, qui contient le neurotransmetteur, vers l élément post-synaptique à la surface duquel se trouvent les récepteurs du neurotransmetteur.
2028
2029 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=23><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/lasynapse2.html>
2030
2031 l intégration synaptique
2032
2033 les neurones reçoivent simultanément des milliers d informations activant des récepteurs-canaux et/ou des récepteurs liés aux protéines g. ils doivent intégrer tous ces messages et générer, en réponse, un signal simple : le potentiel d action.
2034 les potentiels post-synaptiques excitateurs
2035 la réponse synaptique élémentaire correspond à l activation d un seul récepteur-canal.
2036
2037 le canal ouvert par la fixation du neurotransmetteur génère un courant entrant.
2038
2039 iconographie personnelle - dr. d. rose
2040 la fixation d une molécules d acétylcholine sur chacune des 2 sous-unités alpha du récepteur-canal nicotinique permet, grâce au changement de configuration de la protéine transmembranaire, l ouverture du canal ionique ou pore aqueux. ce canal ionique est perméable aux cations na+, k+, ca2+ et mg2+. mais, les ions ca2+ et mg2+ ne participent que très faiblement au courant nicotinique, principalement du aux flux d ions na+ et k+ à travers le canal ouvert.
2041
2042 pour un potentiel de membrane de - 80 mv, le gradient électrochimique (vm - ena) des ions na+ est entrant et égal à - 180 mv alors que le gradient électrochimique (vm - ek) des ions k est sortant et égal à + 20 mv. il entre donc beaucoup plus d ions na qu il ne sort d ions k.
2043
2044 on enregistre donc un courant entrant, qui dépolarise la cellule - la rendant plus positive à l intérieur.
2045 dans de nombreuses synapses, l exocytose des vésicules se réalise spontanément à un niveau très faible. l amplitude de la réponse synaptique à la libération spontanée du neurotransmetteur est appelé potentiel postsynaptique miniature. l unité élémentaire de libération du neurotransmetteur correspond au contenu d une vésicule synaptique. chaque vésicule contient environ le même nombre de molécules de transmetteur (3200 molécules dans le cas de l acétylcholine - activation de 1600 récepteurs-canaux). l activation de 1600 récepteurs-canaux - soit la libération d une seule vésicule synaptique - provoque l apparition d un courant entrant de 4 na. au niveau de la jonction neuro-musculaire (synapse nicotinique cholinergique), l arrivée d un seul potentiel d action entraîne la libération de 100 vésicules synaptiques - soit un courant de plaque motrice de 400 na (+ 38 mv), du à l activation de 160 000 récepteurs-canaux. ainsi, l amplitude du potentiel postsynaptique excitateur (ppse) est un multiple de la réponse au contenu d une seule vésicule : le quantum.
2046
2047 dans de nombreuses synapses du système nerveux central, l arrivée d un potentiel d action entraîne la libération d une seule vésicule de neurotransmetteur - générant un ppse de seulement quelques dixièmes de millivolts. les neurones effectuent donc des opérations complexes nécessitant la sommation de tous les ppse pour produire une dépolarisation postsynaptique significative : c est l intégration synaptique.
2048
2049 la sommation spatiale correspond à l addition de tous les ppse générés simultanément au niveau des différentes synapses d un même dendrite.
2050 la sommation temporelle correspond à l addition des ppse générés au niveau d une même synapse lorsque les ppse se succèdent très rapidement.
2051
2052 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=23><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/lasynapse3.html>
2053
2054 l intégration synaptique
2055 rôle des dendrites
2056 il reste que le courant entrant au niveau des contacts synaptiques doit se propager le long du dendrite jusqu au soma et provoquer une dépolarisation au seuil de la membrane au niveau de la zone d initiation des potentiels d action : le segment initial. l efficacité d une synapse au niveau d un dendrite dans le déclenchement du potentiel d action dépend donc (1) de la distance entre la synapse dendritique et le segment initial du neurone postsynaptique et (2) des propriétés de la membrane dendritique.
2057
2058 elle dépend donc de la constante d espace du dendrite (l) soit la distance où le taux de dépolarisation représente 37% de la dépolarisation initiale. plus la constante d espace est élevée, plus il est probable que les ppse générés dans les synapses éloignées du dendrite dépolariseront la membrance du segment initial. cette constance d espace dépend à la fois de la résistance longitudinale (rl) et de la résistance membranaire (résistance transversale, rm) du dendrite. le courant se propage plus loin (constante d espace plus élevée) dans un dendrite de gros diamètre (rl basse) - contenant peu de canaux ouverts (rm élevée). si la résistance longitudinale est relativement constante dans un neurone arrivé à maturité, la résistance membranaire dépend du nombre de canaux ioniques ouverts, ce qui varie d un moment à l autre en fonction de l activité des autres synapses. la constante d espace d un dendrite n est donc jamais constante et représente un facteur important de l intégration synaptique. les dendrites de certains neurones contiennent un nombre important de canaux sodiques et/ou calciques sensibles au potentiel. ces canaux dépendants du potentiel situés dans les dendrites jouent un rôle d amplificateurs des petits potentiels postsynaptiques excitateurs générés plus loin sur les dendrites.
2059 les potentiels post-synaptiques inhibiteurs
2060 les récepteurs postsynaptiques des synapses inhibitrices sont très semblables à ceux des synapses excitatrices. ce sont aussi des récepteurs-canaux, dont le neurotransmetteur est essentiellement le gaba - et qui sont perméables aux ions chlore (cl -).
2061
2062 iconographie personnelle - dr. d. rose
2063 1. cellule au repos
2064
2065 vm = - 60 mv
2066 ecl- = - 60 mv
2067 vm - ecl- = - 60 mv + 60 mv = + 0 mv
2068 flux net d ions cl- nul.
2069
2070 mais, même au repos, tout ppse intervenant lors de l effet du gaba est fortement inhibé = effet shunt.
2071
2072 il est du à l augmentation de la conductance membranaire (ouverture des canaux gaba-a) - et donc, à la diminution de la résistance membranaire. tout courant synaptique évoqué à cet instant n entraîne qu un faible changement de potentiel membranaire (loi d ohm : v = ri).
2073
2074 l inhibition silencieuse gaba-a réduit l amplitude des dépolarisations postsynaptiques et s oppose ainsi à la genèse des potentiels d action postsynaptiques.
2075 2. cellule dépolarisée
2076
2077 vm = + 30 mv
2078 vm - ecl- = 30 mv - (-60 mv) = + 90 mv
2079 flux net d ions négatifs entrant = courant sortant
2080
2081 l entrée des ions cl - entraîne une hyperpolarisation de la cellule et une inhibition de l activité postsynaptique.
2082 3. géométrie des synapses inhibitrices
2083
2084 les synapses inhibitrices sont regroupées sur le soma et près du cone axonique, occupant une position stratégique pour contrôler l activité du neurone postsynaptique.
2085
2086 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=23><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/neurophy/lasynapse4.html>
2087
2088 l intégration synaptique
2089 la neuromodulation
2090 il existe de nombreuses synapses liées à des récepteurs couplés aux protéines g, récepteurs qui ne sont pas directement associés à un canal ionique. l activation de ces récepteurs ne produit pas directement des ppse ou des ppsi mais module l efficacité des ppse générés par d autres synapses liées à des récepteurs-canaux. cette modulation se fait par le biais de seconds messagers comme l ampc, qui diffuse librement dans le cytosol. ce second messager agit à son tour sur des protéines kinases (pk) - enzymes de phosphorylation - qui modifient la forme des phosphoprotéines cellulaires et donc, leurs fonctions.
2091
2092 iconographie personnelle - dr. d. rose
2093 une des protéines phosphorylées par l élévation des taux d ampc est ici un type particulier de canal potassique (k) de la membrane dendritique. la phosphorylation entraîne la fermeture du canal et donc, diminue la conductance potassique - augmentant d autant la résistance de la membrane dendritique. cette augmentation de la résistance membranaire conduit à une augmentation de la constance d espace du dendrite - favorisant ainsi l action des synapses excitatrices distales et augmentant d autant la probabilité de voir survenir un potentiel d action au niveau du segment initial. le neurone postsynaptique devient ainsi plus excitable.
2094
2095 la fixation de nor-adrénaline sur son récepteur modifie peu, en elle-même, le potentiel membranaire mais augmente nettement la réponse induite par un autre neurotransmetteur au niveau d une synapse excitatrice - et ce, via un récepteur-canal.
2096 dans d autres cellules, l ampc avec d autres enzymes peut entraîner des changements fonctionnels inverses sur l excitabilité cellulaire. l important est de bien comprendre que les diverses formes de modulation de la transmission synaptique offrent un nombre presque illimité de possibilités de traitement de l information par le neurone postsynaptique. ainsi, si la transmission synaptique au travers des récepteurs-canaux est simple et rapide, la transmission de l information liée aux récepteurs couplés aux protéines g est beaucoup plus complexe et lente. l avantage majeur de ces chaînes de réaction est sans nul doute la possibilité d une amplification du signal : l activation d un récepteur lié à une protéine g peut entraîner l activation, non pas d un seul, mais de très nombreux canaux ioniques. ces cascades de signaux permettent aussi l existence de nombreux sites de régulation et peuvent générer des modifications durables du métabolisme cellulaire.
2097
2098 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=23><source=http://neurobranches.chez-alice.fr/systnerv/systsens/physiogene2.html>
2099
2100 l information sensorielle est codée par le récepteur
2101
2102 c est dans les récepteurs sensoriels qu a lieu la première étape du codage de l information. il s agit, dans un premier temps, de comprendre par quels mécanismes un stimulus - par définition adéquat - peut exciter un récepteur. nous verrons ensuite comment le récepteur peut coder, en réponse à la stimulation, l intensité, la localisation et la durée du stimulus.
2103 les mécanismes de la réception et de la transduction
2104
2105 tous les récepteurs sont des dispositifs capables de convertir un signal, représentant une certaine énergie (physique ou chimique), qualitativement et quantitativement, en un message nerveux. on peut donc parler de transduction : le stimulus signal (physique ou chimique) déclenche et contrôle un mécanisme générateur d influx nerveux (dépolarisation ou hyperpolarisation / potentiel d action - cf. le potentiel d action), lequel relève d une chaîne énergétique intrinsèque à la membrane nerveuse (potentiel de repos & pompe na+/k+/atpase - cf. le potentiel de repos).
2106 le stimulus (st) agit sur une structure spécialisée, le site transducteur (t). il s y crée une variation de potentiel membranaire (dépolarisation ou hyperpolarisation) dont le décours et l amplitude sont fonctions des variables du stimulus.
2107
2108 ce potentiel de récepteur (pr) au niveau du site transducteur produit une dépolarisation secondaire en un site membranaire plus ou moins éloigné du site transducteur: le site générateur (g).
2109
2110 cette dépolarisation secondaire ou potentiel générateur (pg) peut cette fois générer des potentiels d action (canaux na+-vm-dépendants) dès lors qu elle atteint un seuil critique. les potentiels de récepteur (pr) et générateur (pg) sont des variations lentes du potentiel de membrane (vm), locales, graduables (en fonction de l intensité du stimulus) et sommables (en réponse à deux stimulus successifs). ils présentent en général une décroissance à partir d une amplitude maximale de départ : ce décours rend compte de l adaptation du récepteur.
2111
2112 d après : figure 1.21 - psychophysiologie sensorielle. neurophysiologie fonctionnelle ii. p. buser et m. imbert. hermann paris - collection méthodes
2113 il existe une relation simple, le plus souvent linéaire, entre l amplitude du potentiel générateur (pg) et la fréquence des potentiels d action (ms : message nerveux sensoriel). le potentiel de récepteur (pr) correspond à une modification de la conductance membranaire, avec transit ionique (na+, k+, cl- ou ca2+), dont le mécanisme (comment le stimulus adéquat déclenche un changement de la conductance membranaire ?) reste le plus souvent très mal connu.
2114
2115 dans un certain nombre de sites récepteurs, le site transducteur et le site générateur sont situés dans la même cellule. dans un tel système transducteur-générateur à une seule cellule, les cellules non nerveuses de l entourage peuvent jouer sur les propriétés de transduction du système (corpuscules de pacini dont les enveloppes jouent le rôle de filtre passe haut - fibres du fuseau neuromusculaire dont la contraction règle la sensibilité du système ).
2116
2117 dans un certain nombre d autres récepteurs, le site transducteur et le site générateur sont situés sur des cellules différentes. le site transducteur se trouve alors sur une cellule spécialisée (c) (cellules épithéliales ciliées des récepteurs vestibulaires ), qui s articule avec une terminaison du neurone sensoriel primaire de la voie afférente, où s effectuera la genèse des potentiels d action. dans le cas de la rétine, le site générateur est même à deux synapses du site transducteur.
2118 le codage de l intensité du stimulus
2119
2120 au niveau d un récepteur isolé, la fréquence de décharge des potentiels d action (pa) est fonction croissante de l intensité du stimulus, à partir d une certaine intensité liminaire correspondant au seuil absolu. la fréquence des potentiels d action est en général une fonction de puissance de l intensité de stimulation :
2121
2122 f (fréquence des pa) = k (s - s0) n
2123 s = intensité de la stimulation
2124 s0 = intensité seuil
2125
2126 on retrouve ici la loi de stevens. de même, on peut mesurer le seuil différentiel correspondant à la variation minimale d intensité du stimulus supraliminaire qui provoque une variation détectable de la fréquence des potentiels d action émis par la cellule. ce seuil différentiel est ici aussi une fonction linéaire de l intensité appliquée (loi de weber).
2127
2128 il y a transfert d un système de codage en amplitude (pr - pg) en un système de codage en fréquence (fréquence des potentiels d action). les potentiels d action ainsi formés sont conduits de façon régénérative tout le long de la fibre sensorielle.
2129
2130 le codage d intensité repose également sur le nombre de canaux (de récepteurs) parallèlement stimulés.
2131 le codage de la localisation du stimulus
2132
2133 la discrimination spatiale du stimulus est indispensable dans la somesthésie et la vision. on peut définir pour chaque récepteur un champ récepteur, contour de la surface cutanée ou de la surface rétinienne à l intérieur duquel le stimulus doit se situer pour exciter le récepteur. il peut également exister un gradient d excitation tel que la réponse du récepteur soit plus importante (et/ou le seuil absolu plus bas) au centre du champ récepteur qu à la périphérie. la discrimination entre deux stimulus ponctuels suppose que les champs récepteurs ne présentent qu un degré limité de chevauchement. parallèlement, le pouvoir séparateur sera d autant plus élevé que le nombre de récepteurs par unité de surface (densité en récepteurs) sera plus grand.
2134 le codage de la durée du stimulus
2135
2136 pour un stimulus maintenu constant pendant un certain temps, la fréquence des potentiels d action décroît en fonction du temps d application. la vitesse de cette adaptation dépend du type de récepteur. on distingue ainsi :
2137
2138 1. les récepteurs à adaptation nulle ou lente : nocicepteurs, otolithes vestibulaires. ils renseignent sur la valeur absolue de l intensité du stimulus et sur sa durée. ce sont des récepteurs toniques ou statiques.
2139 2. les récepteurs à adaptation rapide : corpuscule tactile, récepteur de follicule pileux. ils traduisent les variations du stimulus en fonction du temps. ce sont des récepteurs phasiques ou dynamiques.
2140 3. certains récepteurs sont tout d abord phasiques puis toniques : fibres ia du fuseau neuromusculaire.
2141
2142 la rapidité d installation d un stimulus (vitesse) peut conditionner l importance de la réponse d un récepteur phasique ou de la phase dynamique de la réponse d un récepteur phasico-tonique.
2143 les récepteurs peuvent également coder (f) le début ou la fin du stimulus (barre noire):
2144
2145 a. soit le récepteur répond à l interruption du stimulus par une bouffée de potentiels d action (réponse off ) - la réponse correspondante à l installation du même stimulus étant qualifiée de réponse on
2146
2147 b. soit, lorsque le récepteur présente une réponse de type tonique lors de l application du stimulus, l arrêt du stimulus peut être marqué par une inhibition temporaire des potentiels d action.
2148
2149
2150 figure 1.13 - psychophysiologie sensorielle. neurophysiologie fonctionnelle ii. p. buser et m. imbert. hermann paris - collection méthodes.
2151
2152 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=24><source=http://www.vulgaris-medical.com/encyclopedie/potentiel-d-action-8331.html>
2153
2154 potentiel d action
2155
2156 définition
2157 le potentiel d action s explique la manière suivante. le neurone possède un potentiel membranaire de repos. pour comprendre cette notion il est nécessaire de savoir que dans l organisme et il existe des particules qui sont chargées électriquement. ces particules sont appelées ions. il s agit en particulier des ions sodium (na+), des ions (k+) et des ions chlore (cl-). bien entendu il existe d autres régions que nous ne citerons pas ici pour ne pas alourdir l explication.
2158
2159 nous allons étudier le mouvement des trois ions suivants :
2160
2161 l ions na+ , chargée positivement.
2162 l ion k + chargé positivement.
2163 l ion cl- chargé négativement.
2164
2165
2166 tour mieux comprendre ceci ajoutons que la positivité et la négativité sont également appelées polarités. ce terme risque d être rencontré par la suite.
2167
2168 d autre part selon les lois d électricité qui régissent le mouvement des ions, les charges de mêmes polarités se repoussent alors que les charges de polarité opposée s attirent.
2169
2170 le milieu intracellulaire c est-à-dire l intérieur de la cellule, à l instar du milieu extracellulaire, contient un grand nombre de particules qui sont chargées électriquement. il s agit de deux secteurs qui sont séparés l un de l autre par la membrane plasmique.
2171
2172 la répartition des charges entre le milieu de l intérieur de la cellule et le milieu de l extérieur de la cellule est différent et joue le rôle fondamental en termes de fonctions de la cellule.
2173
2174 si l on résume il existe décharge à l intérieur de la cellule (milieu intracellulaire) et à l extérieur de la cellule (milieu extracellulaire). il s agit de deux secteurs séparés par la membrane plasmique.
2175
2176 nous pouvons aborder maintenant le phénomène du potentiel membranaire de repos. toutes les cellules d un organisme possèdent, sans exception, une différence de potentiel électrique c est-à-dire une différence de charge électrique. ces charges sont séparées par la membrane plasmique. cette différence de potentiel explique s il existe de part et d autre de la membrane cellulaire de polarités qui sont opposées : la polarité moins et la polarité plus.
2177
2178 il est donc nécessaire de retenir que l intérieur de la membrane cellulaire c est-à-dire l intérieur de la cellule est de charge négative alors que l extérieur de la cellule est de charge positive.
2179
2180 ceci s explique par le fait suivant qui est très important : l intérieur de la cellule est riche en ions potassium, 35 fois plus qu à l extérieur, alors que la concentration en ions sodium est 20 fois plus faible qu à l extérieur de la cellule.
2181
2182 pour mieux comprendre le mécanisme à l origine de la différence de polarité de part et d autre de la membrane de la cellule, retenons ce qui suit. les charges négatives qui sont en excès à l intérieur de la cellule sont attirées vers l extérieur de la cellule qui elle est chargée positivement. les charges se rassemblent donc en une couche mince qu il vient se placer sur la surface interne et externe de la cellule.
2183
2184 retenons également qu il existe du liquide à l intérieur de la cellule et du liquide à l extérieur de la cellule qui eux sont neutre sur le plan électrique.
2185
2186 nous avons cité les ions sodium, potassium et chlore mais il est nécessaire de savoir qu il existe d autres particules qui sont chargées mais c est essentiellement le sodium le potassium et le chlore qui se retrouvent à des concentrations élevées et qui jouent donc un rôle particulièrement important dans la production du potentiel de membrane de repos.
2187
2188 c est la différence de potentiel de membrane qui contribue à assurer le potentiel de repos. dans la membrane il existe un système de transport que l on appelle actif et qui repousse en permanence les ions sodium qui sont positifs vers l extérieur de la membrane.
2189 dans des conditions de repos la membrane est très peu perméable aux ions sodium positifs de telle sorte que les ions sodium positifs ne peuvent pas pénétrer à l intérieur de la cellule.
2190
2191 la membrane plasmique est en revanche perméable aux ions potassium mais de façon insuffisante. ce qui fait que les charges positives des ions potassium ne parviennent pas à compenser le rejet massif des lésions sodium. au final on constate un déficit d ions positifs à l intérieur de la cellule.
2192
2193 le potentiel d action s explique donc de la manière suivante. ce sont les changements transitoires du potentiel membranaire à partir de son niveau de repos qui constituent les signaux électriques donnant naissance à l influx nerveux. autrement dit le potentiel d action s explique précisément par des variations rapides du potentiel membranaire de repos. le stimulus a pour effet de créer le potentiel d action.
2194
2195 voyons maintenant comment le potentiel d action agit.
2196
2197 au cours d un potentiel d action les ions positif sodium vont faire irruption à l intérieur de la cellule en quantité importante. durant cet instant les charges positives qui vont pénétrer dans la cellule sous la forme d ions sodium sont en nombre plus important que le nombre d ions potassium chargés positivement qui eux veulent sortir de la cellule pour compenser c est-à-dire équilibrer l entrée d ions sodium. on assiste donc à une modification qui va aboutir à une inversion de la polarité des membranes. autrement dit la membrane de la cellule concernée devient positive à l intérieur et négative à l extérieur. il s agit d un phénomène que l on appelle la phase de dépolarisation. il s agit d une phase qui ne peut se faire que si les stimuli sont assez forts pour déclencher l inversion de la polarité de la membrane. on appelle cela des stimuli seuil.
2198
2199 les stimuli d intensité supérieure aux stimuli seuil vont déclencher un potentiel d action de même amplitude. lorsque le stimuli seuil est atteint les phénomènes membranaires ne dépendons alors plus de la force du stimulus, c est la loi du tout ou rien.
2200
2201 on assiste ensuite à l arrivée de la période réfractaire c est-à-dire qu après la décharge d un potentiel d action la membrane devient incapable de répondre durant un court délai à un deuxième stimulus. on peut dire également qu un deuxième potentiel d action, durant la période réfractaire, n arrivent pas à provoquer une dépolarisation membranaire.
2202
2203 comment la membrane cellulaire parvient-elle à revenir à son potentiel de repos ?
2204
2205 pour cela il faut comprendre que d une part les canaux des ions sodium qui étaient ouverts au cours de la phase dépolarisation se referment et d autre part qu un ensemble de canaux d ion potassium commence à s ouvrir, on parle de périodes de repolarisation.
2206 la membrane retrouve alors sa polarité de repos c est-à-dire négative à l intérieur et positive à l extérieur.
2207
2208 comment le potentiel d action arrive-t-il à se propager ?
2209
2210 le potentiel d action avance en provoquant ce que l on appelle une dépolarisation des régions voisines. il se produit alors un nouveau potentiel d action et ainsi de suite tout le long de la membrane du neurone. il s agit d une onde de dépolarisation qui accompagne la propagation de l influx nerveux.
2211
2212 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=25><source=http://georges.dolisi.free.fr/la%20douleur/pa_in.htm>
2213
2214 potentiel d action et influx nerveux
2215
2216
2217 a) potentiel de repos ou potentiel de membrane
2218
2219 1) une expérience historique
2220
2221 on peut utiliser un neurone géant de calmar que l on place dans de l eau de mer ou un liquide physiologique. 2 électrodes e0 et e1 sont reliées à un oscilloscope : e0 est l électrode de référence, e1 est une microélectrode.
2222
2223
2224
2225 au départ, les 2 électrodes sont dans le même milieu (l eau de mer ou le liquide physiologique) : l oscilloscope montre le zéro électrique (c est la portion avant t1).
2226
2227
2228 a l instant t1, l électrode e1 est enfoncée dans le cytoplasme de la cellule nerveuse (le neurone). le signal dévie brutalement jusqu à environ - 70 mv (millivolts) et reste constant.
2229
2230
2231 a l instant t2, on retire l électrode e1 du neurone, en la laissant dans le même milieu que t0. le signal revient au zéro électrique.
2232
2233 un neurone présente un potentiel de repos (appelé aussi potentiel de membrane)
2234 de polarité négative et de valeur constante et égale à - 70 mv.
2235
2236 2) interprétation : le rôle de la membrane plasmique
2237
2238 dans son environnement naturel, la cellule nerveuse (comme les autres cellules) baigne dans un milieu qui contient un nombre très important d ions na+ (sodium), alors que dans son cytoplasme, ce sont les ions k+ (potassium) et des protéinates (grosses molécules chargées négativement) qui dominent.
2239
2240 en règle générale, la membrane s oppose au transfert d ions d un milieu à l autre, du fait de sa nature lipidique. au travers de cette membrane plasmique, des canaux ioniques spécifiques (ce sont des protéines intrinsèques) restent ouverts et permettent le passage d ions en fonction des gradients de concentration de part et d autre de la membrane. le schéma ci-dessous montre, pour une cellule quelconque, les concentrations des principaux ions en mmol/l (millimoles par litre).
2241
2242 comme il y a beaucoup plus de k+ dans la cellule que dans le milieu extracellulaire, le potassium sort par simple diffusion (c est un transport passif, c est-à-dire qui ne consomme pas d énergie). a l inverse, le na+ (sodium) rentre dans la cellule car il y en a beaucoup plus dans le milieu extracellulaire. pour rétablir le déséquilibre ionique nécessaire au bon fonctionnement de la cellule, des pompes appelées na+- k+- atpase assurent le transport actif inverse de ces ions. ce transport se faisant dans le sens inverse des gradients de concentration, il nécessite de l énergie. de l atp (adénosine triphosphate) est transformé en adp (adénosine diphosphate) avec libération d un pi (phosphate inorganique) et de 30,5 kj (kilojoules). cette dégradation nécessite la présence d une enzyme atpase, ce qui explique le nom donné à ces pompes.
2243 grâce aux mouvements ioniques dus à la diffusion et à ceux résultant des pompes na+- k+- atpase, le potentiel de repos de la cellule est constant et égal à - 70 mv.
2244
2245 b) le potentiel d action
2246
2247 1) observation sur l oscilloscope
2248
2249 quand un récepteur est excité au-delà de sa valeur seuil, il créé un potentiel d action (pa) qui correspond à une inversion brutale et transitoire du potentiel de membrane (ou de repos). ce pa se propage ensuite de façon constante et sans perte tout au long de l axone. les différentes phases du pa :
2250
2251 ab = temps de latence. c est la durée qui s écoule entre la stimulation (représentée au point a par un petit trait vertical - c est un artéfact) et le début de la déviation du signal. a noter que la connaissance du temps de latence et de la distance entre l électrode de stimulation et l électrode réceptrice (voir ci-dessous), permet de calculer la vitesse de propagation d un pa dans le neurone.
2252
2253 bc = phase de dépolarisation. il y a une brusque inversion du potentiel qui passe de sa valeur négative de repos de - 70 mv à une valeur positive d environ + 40 mv.
2254
2255 cd = phase de repolarisation. la valeur du pa redevient très rapidement négative, jusqu à sa valeur antérieure de repos : - 70 mv.
2256
2257 de = phase d hyperpolarisation : pendant un court instant, le potentiel d action devient plus négatif que le potentiel de repos, puis retrouve sa valeur initiale.
2258
2259 ef = potentiel de repos (ou de membrane).
2260
2261
2262 2) interprétation électrique
2263
2264 1.
2265
2266 deux électrodes de stimulation (s) sont placées sur une extrémité du neurone. la première électrode réceptrice r1 est légèrement enfoncée dans le neurone, la deuxième est dans le milieu. il en résulte, sur l oscilloscope, un potentiel constant et négatif de - 70 mv (potentiel de repos).
2267
2268 2.
2269
2270 une stimulation supérieure au seuil provoque, sur le neurone, l apparition d une onde de dépolarisation. les polarités de la membrane et du cytoplasme qui étaient respectivement positive et négative s inversent. sur l oscilloscope, un artéfact apparaît qui permet de déterminer avec précision l instant de la stimulation.
2271 3.
2272
2273 le potentiel enregistré est toujours de - 70 mv tant que l onde de dépolarisation n atteint pas l électrode réceptrice. c est ce qui explique le temps de latence. le schéma permet de suivre la progression de l onde.
2274
2275 4.
2276
2277 l onde de dépolarisation arrive sous l électrode réceptrice r1. la différence de potentiel provoquée par l onde se traduit sur l oscilloscope par une déviation du signal de - 70 mv à + 40 mv.
2278 5.
2279
2280 très rapidement, l onde dépasse l électrode e1 : le pa redescend à sa valeur initiale de - 70 mv, la dépasse un bref instant, puis se stabilise à sa valeur de repos.
2281
2282 3) interprétation ionique : rôle de la membrane plasmique
2283
2284 dans le a) 2) ci-dessus, il était question de canaux ioniques spécifiques à na+ et k+ (il y en a d autres) qui restent toujours ouverts et permettent le passage des ions par diffusion, l équilibre étant maintenu par des pompes na+- k+ - atpase.
2285
2286 pour ce qui suit, ce sont toujours des canaux ioniques de la membrane plasmique qui interviennent, mais seulement au départ ou à l arrivée d une dépolarisation.
2287
2288 c est la raison pour laquelle on les appelle des canaux voltage dépendants (vd) : na+vd et k+vd. sur les schémas ci-dessous, les canaux vd sont représentés avec une porte qui s ouvre pour laisser passer les ions, ou se referme pour arrêter le flux ionique. en réalité ces canaux sont des protéines intrinsèques (incluses dans la membrane et qui la traversent) qui se déforment pour laisser passer les ions et reprennent leur forme initiale pour les empêcher de passer.
2289
2290
2291
2292 phase de dépolarisation : les canaux na+vd s ouvrent les premiers, puis se referment aussitôt. un nombre important d ions na+ sont ainsi entrés dans la cellule dont l intérieur devient plus positif que l extérieur. l électrode enregistre une variation d environ + 110 mv : le pa est à + 40 mv.
2293
2294
2295 phase de repolarisation : 1 à 2 ms (milliseconde) après, ce sont les canaux k+vd qui s ouvrent, permettant une sortie brutale d ions k+. l intérieur de la cellule redevient négatif, jusqu à sa valeur initiale de - 70 mv.
2296
2297
2298 phase d hyperpolarisation : les canaux k+vd ne se ferment pas aussi rapidement que les canaux na+vd. d autres ions k+ peuvent encore sortir de la cellule et le potentiel devient plus négatif qu au repos. c est la pompe na+- k+ - atpase qui rétablit l équilibre.
2299
2300 c) potentiel d action ou influx nerveux ?
2301
2302 1) définition du potentiel d action
2303
2304 un potentiel d action est une séquence stéréotypée, observable sur un oscilloscope, constituée d une dépolarisation suivie d une repolarisation et d une hyperpolarisation passagère d une membrane plasmique de cellule excitable (neurone ou cellule musculaire). le potentiel d action apparaît chaque fois qu une dépolarisation préalable (provoquée ou due à l excitation d un récepteur sensoriel) a fait atteindre au potentiel une valeur seuil. au cours d un potentiel d action, le potentiel de membrane passe de - 70 mv à + 30 à 40 mv, puis revient à sa valeur initiale après une brève hyperpolarisation. a noter que tous les neurones ne présentent pas des potentiels d action ayant cette amplitude.
2305
2306 2) définition de l influx nerveux
2307
2308 l influx nerveux est un message qui circule le long de la fibre nerveuse (axone) et qui se caractérise par une succession de potentiels d action. c est donc un train d ondes de dépolarisation qui a la particularité d être codé en fréquence.
2309
2310
2311 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=26><source=http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/physiogerland/physiologie_nerveuse/pot_action.htm>
2312
2313 le potentiel d action
2314
2315
2316 par convention, si le potentiel de membrane se déplace vers des valeurs plus négatives que le potentiel de repos, on parle d hyperpolarisation et dans le cas contraire, de dépolarisation. sous l effet d actions extérieures, le potentiel de repos du neurone peut varier entre deux extrêmes correspondant aux potentiels d équilibre ek, en hyperpolarisation et ena en dépolarisation.
2317
2318 cette variation surviendra si la conductance de la membrane s éloigne de sa conductance de repos, déterminée rappelons le, par les conductances de fuite potassique et sodique. la membrane du neurone porte au niveau du soma et de l axone d autres canaux, différents des canaux de fuite .
2319
2320
2321 les canaux du potentiel d action:
2322
2323 l un est un canal spécifique des ions sodium.
2324
2325 l autre est un canal spécifique des ions potassium.
2326
2327 ces deux canaux sont fermés au repos. donc ils n agissent pas sur le potentiel de la cellule.leur ouverture dépend du potentiel intracellulaire : ils s ouvrent si la membrane est dépolarisée : on dit qu ils sont voltage-dépendants.on les trouve dans le soma pour la genèse du pa et sur l axone pour la propagation du pa
2328
2329 la membrane des dendrites en est généralement dépourvue. elle possède d autres types de canaux notamment dans les régions où le neurone reçoit des entrées synaptiques de la part d autres neurones. ces canaux chimiodépendants ont une ouverture déterminée par la présence de ligands spécifiques, libérés au niveau des synapses : les neurotransmetteurs. globalement, si les entrées synaptiques entraînent une hyperpolarisation, le neurone s éloigne des conditions nécessaires à l apparition d un potentiel d action. au contraire si les entrées synaptiques entraînent une dépolarisation, le potentiel va passer de la valeur de repos à une valeur dépolarisée qui va entraîner le processus d ouverture des canaux na+ voltage dépendants. cette valeur particulière du potentiel à partir de laquelle les canaux na+ s ouvrent s appelle le seuil d excitabilité.
2330
2331
2332 genèse du potentiel d action.
2333
2334 par les canaux na+ qui s ouvrent au seuil, des ions na+, abondants à l extérieur de la cellule, entrent par diffusion dans le soma. cet apport de charges positives intracellulaires dépolarise davantage le neurone et ouvre de nouveaux canaux de même type. le processus s emballe et le potentiel, maintenant entièrement déterminé par cette brusque augmentation de la perméabilité ou conductance sodique, tend vers e na en moins d une milliseconde.
2335
2336 l ouverture des canaux na+ est transitoire. expérimentalement, on peut montrer qu ils se referment même si la dépolarisation qui les a initialement ouverts est maintenue. dans ces conditions, la fin de la brève augmentation de perméabilité sodique signe l impossibilité de rester de façon stable à une valeur de potentiel dépolarisée positive, proche de e na (pointe du pa). l examen attentif du potentiel d action montre que le potentiel s hyperpolarise rapidement après la dépolarisation initiale. ce retour vers le potentiel de repos ne peut pas s expliquer par la seule fermeture des canaux sodiques. la membrane contient des canaux k+ voltage dépendants qui s ouvrent moins vite et plus durablement que les canaux na+. par ces canaux k+ le potassium va sortir de la cellule par diffusion et cette perte de charges positives intracellulaires conduit le potentiel de la membrane vers ek (repolarisation). la forte sortie des ions k+ conduit temporairement le potentiel à des valeurs plus polarisées que le potentiel de repos. ce n est qu après la fermeture des canaux k+ à ces valeurs de potentiel plus basses que leur seuil d ouverture que la membrane peut retrouver plus lentement son potentiel de repos grâce aux canaux de fuite. ces canaux de fuite n ont jamais cessé de fonctionner pendant le potentiel d action mais leur fonctionnement a été supplanté par les courants importants de na+ entrant et de k+ sortant qui se sont établis dans la membrane pendant l activité, pendant le potentiel d action. récapitulons ces étapes avec une animation montrant la genèse du pa.
2337
2338 devenir du pa
2339
2340 le pa apparaît dans une partie du soma appelée zone gachette, au point de départ de l axone. il va circuler le long de l axone par un processus de propagation qui diffère sensiblement selon que l axone est pourvu ou non d une gaine de myéline. a l extrémité de l axone, il déclenche le fonctionnement synaptique par lequel ce neurone communique son information aux neurones suivants dans le réseau auquel il appartient.
2341
2342 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=26><source=http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/physiogerland/physiologie_nerveuse/propagation_pa.htm>
2343
2344 propagation du potentiel d action
2345
2346
2347 le potentiel d action se propage du soma vers l extrémité de l axone. la vitesse de propagation dépend principalement de deux facteurs : le diamètre de l axone d une part, la présence ou l absence de myéline d autre part.
2348
2349 le diamètre de l axone : l axone peut être assimilé à un fin tube creux. son contenu, l axoplasme contient des ions en particulier des ions k+. au sein des structures biologiques, les ions sont les porteurs de courants susceptibles de s établir entre des régions qui ne sont pas au même potentiel électrique. en tant que milieu conducteur, comme un fil de cuivre, l axoplasme possède une résistance par unité de longueur qui est proportionnelle à sa résistivité, r et au rapport de la longueur de l axone l sur sa section s
2350
2351 r = r l/s
2352
2353 plus s est faible (diamètre faible) plus la résistance de l axoplasme est grande, et plus l écoulement d un courant dans le milieu axonal est difficile. or l ensemble du mécanisme de propagation repose sur la circulation de courants locaux.
2354
2355 nous envisagerons successivement la circulation dans un axone non myélinisé puis dans un axone pourvu d une gaine de myéline.
2356
2357
2358 axone non myélinisé
2359
2360 c est le cas des axones d invertébrés, chez lesquels il n y a pas de synthèse pas de myéline. la membrane de l axone est donc en contact sur toute sa surface avec le milieu extracellulaire. prenons pour exemple un axone à l entrée duquel apparaît un potentiel d action. a cet endroit, l intérieur de la cellule est positif, tandis que tout le reste de l axone est au repos, c est à dire négatif. entre les zones intracellulaires positive et négative, un courant électrique local va circuler. extérieurement, la charge de la membrane est inverse de celle que nous venons de décrire : négative au point ou se trouve le potentiel d action et positive où l axone est au repos. le courant circule du + vers le - dans l axone il va en direction de l extrémité et à l extérieur, il revient vers le potentiel d action. ce courant local a un effet sur la partie de membrane située en avant du potentiel d action : on l appelle encore courant de déplacement car il déplace les charges de part et d autre de la membrane : sous son effet, le potentiel de la cellule est dépolarisé jusqu à la valeur seuil à partir de laquelle des canaux na+ voltage-dépendant s ouvrent. le na+ entre dans l axone par les canaux qui viennent de s ouvrir, la dépolarisation s accentue et signe en ce point l apparition du potentiel d action. localement, la membrane va devenir positive à l intérieur et provoquer plus loin en avant le même processus : dépolarisation jusqu au seuil, naissance du potentiel d action. voyons le mécanisme de la propagation par circuits locaux. bien évidemment, au fur et à mesure que le potentiel d action avance vers l extrémité de l axone, la membrane revient au repos dans la portion de membrane qu il vient de franchir. cela tient au fait que l ouverture des canaux sodiques qui permet l inversion de polarité, est brève et suivie par l ouverture retardée des canaux potassiques qui en laissant sortir des ions k+ repolarisent la membrane. la propagation est lente car le potentiel d action doit occuper successivement tous les points de la membrane. amorcé au niveau du corps cellulaire, ce processus de courants locaux s achève lorsque le potentiel d action atteint l extrémité de l axone.
2361
2362
2363 axone myélinisé
2364
2365 la myéline entoure l axone sur des portions de longueur de l ordre du millimètre. régulièrement, la myéline s interrompt, laissant localement la membrane au contact du milieu extérieur, au niveau des noeuds de ranvier. les canaux sodium et potassium voltage-dépendant sont confinés aux seuls noeuds de ranvier et la portion de membrane située entre deux noeuds peut être considérée comme isolée par rapport au milieu extérieur. le mécanisme de propagation est le même que dans le cas de la fibre non myélinisée. toutefois, le courant interne partant du potentiel d action ne peut pas agir sur la membrane dans toute la zone myélinisée. le courant de déplacement va donc s établir au noeud de ranvier le plus proche, dépolariser la membrane jusqu au seuil d ouverture des canaux sodiques. brusquement, le pa va apparaître à ce noeud de ranvier et disparaître du point précédent. le potentiel d action semble sauter d un noeud de ranvier au noeud suivant, donnant à cette conduction beaucoup plus rapide que la précédente le nom de conduction saltatoire (par sauts). voyons l animation de la conduction saltatoire.
2366
2367 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=26><source=http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/physiogerland/physiologie_nerveuse/trans_synaptique.htm>
2368
2369 la transmission synaptique
2370
2371 les neurones communiquent entre eux grâce aux synapses. nous avons vu que le neurone comporte une zone d entrée d information, l arbre dendritique, une zone qui collecte ces entrées et qui les convertit au niveau du soma en potentiels d action, et une zone de sortie par laquelle les potentiels d action élaborés dans le soma sont conduits à l extrémité de l axone vers les synapses que ce neurone entretient avec les neurones suivants dans le réseau. les synapses désignent dans leur appellation l élément émetteur présynaptique puis l élément receveur, postsynaptique . ainsi la synapse que nous évoquons ci dessus est une synapse axo-dendritique. c est le type le plus couramment rencontré dans le système nerveux. cependant il existe des synapses axo-somatiques, axo-axoniques et dendro-dendritiques, ce dernier type étant toutefois plus rare.
2372
2373 fonctionnement de la synapse
2374
2375 il peut se résumer aux grandes étapes suivantes :
2376
2377 1. le potentiel d action arrive à l extrémité de l axone qui est renflée en une formation que l on appelle bouton synaptique et qui contient des vésicules en grand nombre contenant un produit chimique, le neuromédiateur.
2378 2. la variation de potentiel (pa) ouvre des canaux ca++ voltage dépendants situés dans la membrane de l élément présynaptique, laissant entrer par diffusion des ions ca++.
2379 3. le ca++ crée des réactions biochimiques au terme desquelles les vésicules synaptiques, qui étaient immobilisées au repos par un réseau de filaments protéiques, se libèrent et viennent fusionner avec la membrane présynaptique, libérant ainsi dans la fente synaptique le neuromédiateur qu elles contiennent.
2380 4. le neuromédiateur diffuse dans la fente synaptique et atteint ses récepteurs spécifiques situés dans la membrane du neurone postsynaptique.
2381 5. le neuromédiateur modifie la perméabilité de la membrane postsynaptique à certains ions et créé localement de petites variations de potentiel appelées potentiels postsynaptiques.
2382 6. les pps se somment à condition que l élément présynaptique continue à alimenter la synapse en pa suffisamment nombreux, ce qui entretient le processus en libérant davantage de neuromédiateur. cette sommation temporelle des effets de plusieurs pa arrivant successivement par une même synapse peut être complémentée par une sommation spatiale due à plusieurs entrées simultanées sur l arbre dendritique.
2383 7. le neuromédiateur excédentaire dans la fente synaptique peut être dégradé par une enzyme : les produits de dégradation seront métabolisés, éliminés par voie urinaire. ces produits du métabolisme ou le médiateur lui-même, non dégradé peuvent être recapturés par la fibre présynaptique et recyclé pour une utilisation ultérieure .
2384
2385 les synapses excitatrices
2386
2387 dans les synapses excitatrices, le neuromédiateur autorise l entrée d ions qui dépolarisent la membrane postsynaptique. par sommation spatiale et/ou temporelle des potentiels postsynaptiques excitateurs ainsi crées dans l arbre dendritique, le potentiel de repos du neurone atteint le seuil d ouverture des canaux na+ et un potentiel d action est généré dans le soma.
2388
2389 dans certains cas, comme dans la transmission synaptique excitatrice entre nerf et muscle, le récepteur du neurotransmetteur, l acétylcholine, est couplé au canal ionique. il s agit d un récepteur-canal. ce dernier est fermé au repos et en présence d acétylcholine, le canal s ouvre et laisse entrer des ions na+ et sortir des ions k+.
2390 dans de nombreux autres cas, le récepteur du neurotransmetteur n est pas directement couplé à un canal ionique. le neurotransmetteur en se liant à son récepteur déclenche une cascade de réactions biochimiques dans l élément postsynaptique conduisant à la synthèse d un second messager qui active des enzymes ouvrant ou fermant des canaux de la membrane postsynaptique. l avantage de ce mode de fonctionnement par rapport aux récepteurs canaux réside dans la possibilité de synthétiser un grand nonbre de molécules de second messagers. celles ci peuvent diffuser dans la cellule et ouvrir des canaux hors de la zone synaptique.
2391
2392 les synapses inhibitrices
2393
2394 les étapes initiales sont les mêmes que dans le cas d une synapse excitatrice mais le canal ouvert dans la membrane postsynaptique diffère par le type d ion qu il laisse transiter. schématiquement, il peut s agir d un canal laissant entrer du chlore cl- ou bien d un canal laissant sortir du potassium k+. la sommation des potentiels post-synaptiques inhibiteurs (ppsi) conduit la membrane à s hyperpolariser à des valeurs plus négatives que le potentiel de repos. on s éloigne des conditions d apparition d un potentiel d action dans l élément postsynaptique. voyons le fonctionnement d une synapse inhibitrice mettant en jeu un récepteur canal au chlore ouvert par un neuromédiateur appelé gaba.
2395
2396 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=27><source=http://fr.brainexplorer.org/neurological_control/neurological_action_potential.shtml>
2397
2398 contrôle neurologique
2399 potentiel d action
2400
2401 les neurones neurones se servent d un mécanisme de signalisation complexe reposant sur leur perméabilité sélective à certains ions et à la circulation de ceux-ci par les canaux et les pompes de la membrane cellulaire. les neurones au repos ont un potentiel de membrane négatif, causé par l évacuation constante d ions potassium et l imperméabilité aux ions sodium, et le potentiel d action potentiel d action représente les changements transitoires du potentiel de repos de la membrane.
2402
2403 dans la plupart des types d axones, la dépolarisation active le potentiel d action et cause un changement transitoire dans la membrane qui bascule brièvement la perméabilité pour permettre le passage des ions sodium au lieu des ions potassium. l ouverture de canaux sensibles aux variations de tension dans la membrane, permet aux ions sodium de baisser le gradient de concentration pour pénetrer dans la cellule. ceci produit une phase d augmentation du potentiel d action, et signifie que le potentiel de la membrane devient positif pendant un court moment. la phase de baisse du potentiel d action est causée par la fermeture consécutive des canaux du sodium, ce qui réduit l afflux de sodium, et par l ouverture des canaux de potassium contrôlés par la tension qui permet la sortie accrue d ions potassium de la cellule, restaurant le potentiel de repos négatif de la membrane. dans la plupart des cellules nerveuses, le potentiel d action est suivi d une hyperpolarisation transitoire. pendant ce temps, l évacuation d ions potassium de la cellule est plus importante qu au repos et, en conséquence, la membrane est hyperpolarisée par rapport à sa valeur de repos normale.
2404
2405 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=28><source=http://www.musclepedia.org/articles/view.php?id=32>
2406
2407 genèse du potentiel d action de fibre musculaire
2408
2409 la genèse du potentiel d action de fibre musculaire qui est à l origine de la contraction s effectue au niveau de la plaque motrice via une stimulation nerveuse.
2410 du côté de la ramification axonique
2411 lorsque l influx nerveux (le potentiel d action du nerf) arrive au niveau de la terminaison axonale, la membrane nerveuse se dépolarise. cette dépolarisation induit l ouverture de canaux calciques voltages-dépendants -c est à dire sensible à la différence de potentiel entre la membrane plasmique du motoneurone et l espace synaptique.
2412
2413 le flux de calcium à l intérieur de la terminaison axonale déclenche une fusion des vésicules d acétylcholine avec la membrane ce qui induit une libération de ce médiateur dans l espace synaptique.
2414
2415 dans l espace synaptique
2416 l acétylcholine diffuse alors dans cet espace et va se lier à des récepteurs spécifiques situés au niveau de la membrane post-synaptique . ces récepteurs sont des récepteurs-canaux. ainsi la liaison des molécules d acétylcholine avec les récepteur induit le changement de la conformation des récepteurs qui conduit à l ouverture des canaux.
2417
2418 du côté de la fibre musculaire
2419 un flux d ions sodium dans la fibre musculaire produit une dépolarisation de la membrane, on parle de potentiel de plaque motrice.
2420
2421 lorsque ce potentiel atteint une valeur seuil, ce potentiel induit l ouverture de canaux sodium voltage-dépendants au niveau du sarcoplasme générant ainsi un potentiel d action musculaire qui se propage de proche en proche le long du sarcolemme à une vitesse généralement comprise entre 3 et 6 m.s-1. le potentiel d action dépolarise alors les tubules transverses en regard des jonctions a-i des sarcomères. ce phénomène de dépolarisation déclenche les phénomènes chimiques et mécaniques de la contraction de la fibre musculaire.
2422
2423 le potentiel d action engendré se propage à la surface de la fibre musculaire dans les deux directions vers les extrémités de la fibre musculaire, la jonction neuromusculaire étant située au centre de la fibre musculaire.
2424
2425 la fin de l action de l ach
2426 la présence dans l espace synaptique d un enzyme, la cholinestérase, rend fugace (moins de 5 ms) l action de l acétylcholine en l hydrolysant et neutralisant son action. la membrane redevient sélective aux différents éléments, la pompe à sodium-potassium entre en jeu pour répartir de part et d autre de la membrane les ions na+ et k+ déplacés et rétablir ainsi l équilibre antérieur à l excitation. la fibre musculaire, après avoir retrouvé la différence de potentiel qui la caractérise au repos, est alors susceptible de répondre à une nouvelle émission de transmetteur.
2427
2428 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=29><source=http://www.didier-pol.net/3syn&nt.html>
2429
2430 quelques donnees tirees de la litterature scientifique sur le muscle dorsal du ver de terre
2431
2432
2433 1) le potentiel de membrane (ref. 1)
2434
2435 le potentiel de repos est d environ -35 mv. il y a une activité spontanée dont la dépolarisation atteint +18 mv suivie d une hyperpolarisation de -60 mv.
2436
2437 la tétrodotoxine bloque l activité nerveuse à une concentration de 0.1 µg/ml mais n empêche pas les décharges spontanées ou les potentiels déclenchés par stimulation intracellulaire de la fibre musculaire.
2438
2439 le potentiel seuil est variable.
2440
2441 la repolarisation dépend du niveau du potentiel de membrane.
2442
2443 quand l activité nerveuse est exclue, la propagation de l excitation est décrémentielle.
2444
2445
2446
2447 2) effets des ions sur la membrane (ref. 2 et 3)
2448
2449 le potentiel de repos est dû principalement aux gradients de concentration en sodium et potassium de part et d autre de la membrane et à sa perméabilité pour ces ions.
2450
2451 le flux des ions chlorure pourrait être couplé avec d autres ions comme les anions bivalents ou être assuré par un transport actif.
2452
2453 les changements de la concentration en calcium modifient la perméabilité au sodium et changent le niveau du potentiel de repos.
2454
2455 au cours du potentiel d action, la membrane devient sélectivement perméable aux ions calcium qui constituent les porteurs de charge responsables du courant entrant positif. la tétrodotoxine, en présence ou en absence de sodium, n influence pas la production des potentiels d action.
2456
2457 l amplitude des potentiels d action est grossièrement proportionnelle au logarithme de la concentration en calcium.
2458
2459 le baryum et le strontium peuvent remplacer le calcium dans la génération des potentiels d action.
2460
2461 les ions manganèse bloquent la production des potentiels d action par compétition avec le calcium qu il y ait ou non du sodium dans le milieu.
2462
2463
2464 3) propriétés mécaniques (ref. 4)
2465
2466 la contraction du muscle dorsal présente deux composantes : une composante phasique et une composante tonique.
2467
2468 l amplitude de la tension phasique est augmentée par une diminution de la concentration en sodium mais l amplitude des potentiels d action n est pas modifiée.
2469
2470 l excès de potassium dépolarise la membrane et diminue l amplitude des potentiels d action mais il augmente l amplitude de la tension phasique jusqu à 20 mm.
2471
2472 l excès de calcium augmente l amplitude de la tension phasique et son déficit la réduit.
2473
2474 l amplitude de la tension phasique est légèrement augmentée lorsque le chlorure est remplacé par du nitrate.
2475
2476 l excès de calcium est sans effet sur la tension tonique, l excès de potassium fait disparaître la tension tonique et la diminution du sodium augmente l amplitude et prolonge la durée de la contraction tonique.
2477
2478 cette contraction ne suit pas une décharge de potentiels d action et dure environ une minute dans les conditions normales.
2479
2480 la caféine et l acétylcholine prolongent la durée de relaxation de plusieurs minutes.
2481
2482 au contraire, la sérotonine bloque complètement la composante tonique sans avoir d effet sur la composante phasique.
2483
2484 la caféine (12 mm) induit la contraction sans déclencher de potentiel d action, peut être en libérant le calcium sarcoplasmique de ses sites de liaison.
2485
2486
2487 4) nerfs excitateurs et inhibiteurs. effets des catécholamines sur la jonction neuromusculaire (ref. 5)
2488
2489 la membrane musculaire est innervée par des nerfs excitateurs et inhibiteurs.
2490
2491 les nerfs excitateurs sont cholinergiques, les nerfs inhibiteurs sont gabaergiques.
2492
2493 l acétylcholine augmente principalement la perméabilité au calcium, mais elle augmente aussi la perméabilité au potassium et au sodium.
2494
2495 le gaba augmente sélectivement la perméabilité au chlorure.
2496
2497 les récepteurs de l acétylcholine sont bloqués par la d-tubocurarine et ceux au gaba par la picrotoxine.
2498
2499 les catécholamines agissent sur la membrane post-synaptique par l intermédiaire de récepteurs b à des concentrations de 10 ng à 10 µg.ml-1.
2500
2501 les catécholamines agissent sur la membrane pré-synaptique par l intermédiaire de récepteurs a .
2502
2503 la réponse des récepteurs a aux catécholamines augmente la libération des neurotransmetteurs des terminaisons présynaptiques alors que la réponse des b récepteurs augmente le potentiel de membrane et la résistance d entrée de la membrane postsynaptique. les deux types de récepteurs facilitent les mécanismes de transmission de la jonction.
2504
2505 5) effets de diverses substances (ref. 6)
2506
2507 substance effet concentration (par ml)
2508 acétylcholine contraction 1 ng à 10 µg
2509 esérine potentialise ach 100 µg
2510 atropine inhibe ach 100 µg
2511 nicotinamide contraction et inh ach 10 µg
2512 tétraéthylammonium contraction 10 µg
2513 succinylcholine contraction et inh ach 1 µg
2514 adrénaline (a ) contraction 1 µg
2515 phentolamine (a ) contr. inh adrénaline 10 µg
2516 isoprénaline (b ) relaxation 10 µg
2517 dopamine (b ) relaxation 10 µg
2518 sérotonine contraction 10 µg
2519 histamine contraction 10 µg
2520 xylocaïne contraction 100 µg
2521
2522
2523 <langue=fr><sujet=potentiel-d-action><num=30><source=http://www.edk.fr/reserve/print/e-docs/00/00/0b/a4/document_article.md>
2524
2525 conduction nerveuse d excitation sans potentiel d action
2526 nervous conduction of excitation independent of action potentials
2527
2528 le fonctionnement des réseaux de neurones repose sur la succession de deux étapes bien différentes de nature respectivement électrique et chimique. un potentiel d action parcourt d abord toute la longueur de l axone d un neurone et provoque à son extrémité la libération de neuromédiateurs. ceux-ci vont ensuite activer des récepteurs situés sur un autre neurone et modifier son excitabilité, ce qui peut conduire à la genèse d un autre potentiel d action. la conduction de l excitation nerveuse a, jusqu à présent, été exclusivement attribuée à des déplacements, de part et d autre de la membrane, d ions, c est-à-dire de molécules chargées électriquement. cette notion constitue un dogme fondamental des neurosciences qui n a encore jamais été remis en cause.
2529 un modèle de conduction nerveuse d excitation sans potentiel d action
2530
2531 en utilisant un modèle de physiologie intégrée, nous avons d abord démontré chez le mammifère qu un réseau de neurones peut parfaitement fonctionner en l absence de potentiel d action [1] et organiser un réflexe régulateur de la motricité digestive : le réflexe gastro-duodénal inhibiteur (gdi). celui-ci se présente sous la forme d une inhibition de la motricité duodénale en réponse à une activation des mécanorécepteurs gastriques. notre étude a été effectuée sur une préparation in vitro composée d un centre nerveux périphérique, le plexus cœliaque [2], connecté à l estomac et au duodénum (figure 1). nous avons ensuite établi que le neuromédiateur libéré dans le plexus cœliaque lors de ce fonctionnement neuronal non conventionnel est un gaz, le monoxyde d azote (no) [3]. à ce stade de nos recherches le mécanisme de cette conduction nerveuse d excitation sans potentiel d action demeurait encore inconnu. le seul indice que nous avions était la vitesse de propagation de cette conduction nerveuse qui est d environ 1 cm/min. cette valeur est très inférieure à celle des potentiels d action les plus lents (0,1 m/s), mais bien supérieure aux flux moléculaires axonaux les plus rapides (40 cm/jour). nous avons alors envisagé le rôle de structures membranaires et de seconds messagers dans ce mécanisme atypique. cette étude a nécessité des approches neuropharmacologiques et biochimiques et a pu être réalisée grâce à une collaboration entre 3 équipes de recherche et un plateau technique (université paul cézanne, université paul sabatier, cnrs, inserm et inra).
2532
2533
2534 figure 1. préparation in vitro utilisée pour l étude du mécanisme de conduction nerveuse d excitation sans potentiel d action. le bac à organe comporte 3 compartiments adjacents recevant le plexus cœliaque, les rameaux nerveux et les viscères (estomac et duodénum). chaque compartiment est perfusé indépendamment avec une solution physiologique ou des agents pharmacologiques. la conduction nerveuse de l excitation est induite par l activation de mécanorécepteurs gastriques.
2535
2536
2537 le rôle du céramide
2538
2539 dans un premier temps, nous avons analysé la composition lipidique des fibres nerveuses connectant le plexus cœliaque aux viscères. pendant le réflexe gdi, seule se produit une augmentation significative d un sphingolipide, le céramide. la perfusion des rameaux nerveux par un analogue perméant du céramide produit, en l absence de distension gastrique, une inhibition de la motricité duodénale qui mime celle obtenue durant le réflexe, et une augmentation du taux de céramide endogène. ce résultat a également été obtenu en présence d une molécule bloquant les potentiels d action, la tétrodotoxine. le réflexe gdi et l augmentation du taux de céramide endogène sont bloqués lorsque les rameaux nerveux sont perfusés par des inhibiteurs non spécifiques (chlorpromazine, gentamicine) ou spécifiques (gw 4869) de la sphingomyélinase neutre, l enzyme qui hydrolyse la sphingomyéline pour produire du céramide. en revanche, la perfusion des rameaux nerveux par une sphingomyélinase bactérienne provoque une inhibition de la motricité duodénale et une augmentation du taux de céramide endogène. l ensemble de ces résultats nous a permis de conclure que la conduction de l excitation sans potentiel d action nécessite une production récurrente de céramide le long des fibres nerveuses. les sphingolipides sont connus pour être préférentiellement localisés au niveau de régions spécialisées de la membrane, les microdomaines lipidiques ou radeaux.
2540 radeaux lipidiques et conduction nerveuse
2541
2542 nous avons donc émis l hypothèse selon laquelle ces radeaux pourraient intervenir dans ce mécanisme de conduction. cependant ces radeaux n avaient encore jamais été mis en évidence dans les éléments périphériques du système nerveux végétatif. nous avons montré l existence d une fraction à faible densité et riche en cholestérol obtenue à partir d extraits membranaires de rameaux nerveux. dans cette fraction nous avons détecté par immunohistochimie et analyse protéomique la présence de molécules reconnues comme marqueurs des radeaux : l annexine ii, le ganglioside gm1 et la tubuline. toutes ces données nous ont permis d établir l existence de radeaux dans les fibres nerveuses étudiées. nous avons alors montré que le réflexe gdi et l augmentation du taux de céramide endogène sont abolis lorsque la structures des radeaux dans les fibres est désorganisée par l extraction du cholestérol membranaire avec la méthyl-b-cyclodextrine. cela permet de conclure que l intégrité des radeaux lipidiques est nécessaire au mécanisme de conduction nerveuse sans potentiel d action. le céramide est une molécule hydrophobe qui reste localisée au niveau de la membrane plasmique. il est connu pour jouer, entre autres, un rôle de second messager [4-7]. nous avons alors recherché certaines des cibles cytoplasmiques qu il pouvait activer. nous avons en particulier identifié le calcium libéré à partir de stocks intracellulaires, le no et la guanosine monophosphate cyclique (gmpc). cette séquence de seconds messagers est activée en cascade le long des fibres nerveuses et provoque une production récurrente de céramide de radeau en radeau (figure 2). ce mécanisme permet la propagation le long des fibres nerveuses de cette excitation indépendante de potentiel d action.
2543
2544 figure 2. mécanisme de conduction nerveuse de l excitation sans potentiel d action. l excitation propagée le long des fibres nerveuses fait intervenir les radeaux lipidiques et l activation en cascade de la séquence de seconds messagers suivante : l-arg : l-arginine, no : monoxyde d azote, nos : no synthase, gc : guanylyl cyclase, gtp : guanosine triphosphate, gmpc : guanosine monophosphate cyclique.
2545
2546 cette étude récemment publiée dans la revue plos one [8] a permis de montrer qu en plus du fonctionnement classique faisant intervenir des potentiels d action, les neurones peuvent conduire une excitation produite par une cascade de seconds messagers. le premier type de mécanisme est adapté à un fonctionnement rapide du neurone alors que le second doit être mis en jeu dans des phénomènes plus lents. l existence de ce nouveau mécanisme ouvre des perspectives de recherche dans le fonctionnement neuronal d un point de vue fondamental et clinique.