Physique chapitre 17

Chapitre 17 : Influx Nerveux

• Le chapitre 17 porte sur l'influx nerveux, un sujet du module B1.1 du cours de physique générale.
• Le conférencier est le Dr Ruud van Heeswijk.
• Le cours est dispensé à l'Université de Lausanne (UNIL).

TurningPoint QCM

• Une session QCM (Questions à choix multiples) est en cours.
• L'identifiant de la session est physgen2023.
• Le logiciel utilisé est TurningPoint.

Étudiants connectés

• Il y a un sondage pour savoir combien d'étudiants sont connectés.
• Les réponses vont de 0 à 100, 101 à 200, 201 à 300, 301 à 400, 401 à 500 et plus de 500.
• Le nombre exact d'étudiants connectés n'est pas indiqué, uniquement les résultats du sondage.

Temps d'impulsion nerveuse

• La question porte sur le temps nécessaire à une impulsion nerveuse pour traverser le corps de Roger Federer (de la tête à la main).
• On demande le temps en différentes unités de mesure (microsecondes, millisecondes, etc.).
• Le temps exact de l'impulsion n'est pas fourni.

Objectifs du chapitre

• Expliquer le fonctionnement des capacités et des condensateurs.
• Décrire la structure d'un neurone typique.
• Utiliser la loi de Nernst pour calculer le potentiel de repos.
• Esquisser un modèle électrique de l'axone.
• Expliquer pourquoi un stimulus faible ne provoque pas d'influx nerveux.
• Décrire la propagation d'un potentiel d'action.
• Expliquer comment les gaines de myéline accélèrent la transmission.

Introduction à l'influx nerveux

• L'application de la théorie des circuits électriques à la biologie permet une compréhension plus approfondie du comportement et des limites du système nerveux.
• Un câble électrique a une faible résistance et une bonne isolation, sans amplification nécessaire.
• Un nerf a une résistance élevée, une mauvaise isolation et nécessite une amplification biologique.

Capacité (Condensateur)

• La capacité est une propriété des circuits électriques, représentant la quantité de charge qu'un corps peut accumuler au fil du temps.
• La formule de la capacité est C = Q/V, où C est la capacité, Q la charge et V la tension.
• L'unité de la capacité est le farad (F).
• En pratique, on utilise des microfarads (µF) et des picofarads (pF).
• La capacité d'un être humain isolé du sol est d'environ 100 pF.

Condensateur - Composant électronique

• Un condensateur est un composant électronique qui représente la capacité.
• Le symbole d'un condensateur est composé de deux lignes parallèles.
• La forme la plus simple d'un condensateur est constituée de deux plaques parallèles.
• La différence de potentiel entre les plaques est donnée par la formule V = Q/C.

Modèle électrique : Circuit RC

• Un circuit RC est constitué de générateurs, de résistances et de condensateurs.
• Le voltage sur un condensateur dans un circuit RC s'accumule avec un temps caractéristique T = RC.

Structure d'un neurone

• Un axone conduit les impulsions nerveuses vers d'autres cellules et a un diamètre de 1 à 20 µm.
• Les dendrites reçoivent les signaux d'autres cellules.
• Les cellules de Schwann forment des gaines de myéline.
• Les nœuds de Ranvier sont des espacements entre les gaines de myéline.

Les Neurones et Signaux

• Les neurones transmettent les signaux via les synapses.
• Les axones peuvent être entourés de gaines de myéline qui augmentent la résistance et diminuent la capacité de la membrane.
• Les impulsions nerveuses se propagent plus rapidement sans amplification grâce aux gaines de myéline.

Conduction d'un signal dans un axone

• Un axone est un segment avec une longueur et un rayon spécifiques.
• L'axoplasme est le conducteur, tandis que la membrane est l'isolant.
• Le courant rencontre une résistance et une résistivité.
• Une fuite de courant à travers la membrane est également présente.
• La résistance par unité de surface et la capacité par unité de surface influencent la conduction du signal.
• La résistance d'un axone est proportionnelle à la résistivité et à la longueur, et inversement proportionnelle à la section.

Résistance d'un axone

• La résistance d'un axone dépend de sa résistivité et de sa longueur.
• La formule de la résistance d'un fil est R = ρL/A, où ρ est la résistivité, L la longueur et A la section.
• Les valeurs typiques d'un axone présentent une résistance élevée.
• Un axone est un mauvais conducteur électrique.

Constante de longueur

• La constante de longueur indique à quelle distance la résistance de la membrane égalise la résistance de l'axoplasme dans un axone.
• Pour les axones myélinisés, la constante de longueur est plus élevée.
• Les axones myélinisés conduisent les impulsions plus rapidement.

Propagation d'un signal

• Les distances entre les noeuds de Ranvier influencent le temps de propagation d'un potentiel d'action.
• Un signal est quantifiable et diminue avec la distance à partir d'un potentiel de départ.

Ions, canaux et pompes dans l'axone

• Les concentrations d'ions Na+, K+ et Cl- sont différentes à l'intérieur et à l'extérieur de l'axone.
• Les canaux et pompes créent des différences de perméabilité de la membrane.
• Des valeurs de concentration d'ions sont fournies pour l'intérieur et l'extérieur de l'axone.

Equilibre de Nernst

• L'équilibre de Nernst est l'équilibre entre les différences de concentration et les différences de potentiel.
• Les canaux ioniques créent une perméabilité sélective.
• Le potentiel de Nernst est calculé pour chaque ion (K+, Na+, Cl-).

Potentiel de Nernst pour chaque ion

• Le potentiel de Nernst pour chaque ion a une valeur spécifique (K+, Na+, Cl-).
• Les perméabilités différentes de la membrane influencent la valeur proche de l'équilibre.

L'équilibre n'est pas parfait

• Le potentiel de repos n'est pas exactement égal au potentiel de Na+ ou K+.
• Une petite fuite continue d'ions existe.
• La pompe Na-K est nécessaire pour maintenir l'équilibre ionique.

Perméabilité de la membrane pour K+

• La perméabilité de la membrane pour K+ est beaucoup plus élevée que pour les autres ions.
• L'échange de 3 Na+ par 2 K+ par la pompe Na-K est suffisant.
• La différence entre les potentiels de nernst et le potentiel de repos est grande.
• Le flux de Cl- compense le flux de K+.

Perturber l'équilibre des stimuli faibles

• Un circuit RC peut modéliser un petit segment d'axone.
• Le stimulus avec courant iaxone augmente le potentiel sur le condensateur.
• Le temps caractéristique de réponse est T = RC.

Modèle électrique de l'axone

• Une section d'axone peut être modélisée par plusieurs circuits RC connectés en série.
• Fermer l'interrupteur simule l'envoi de signaux (courant).
• Le potentiel augmente sur les condensateurs, en tenant compte de la résistance et de la capacité.
• Les résistances internes de l'axone et les fuites diminuent le potentiel final.

Propagation du potentiel dans l'axone

• Le courant et le potentiel diminuent avec la distance le long de l'axone.
• Les potentiels sont quantifiables à différentes distances.
• Dans un axone myélinisé, le potentiel perd une faible portion de son amplitude en parcourant une certaine distance.

Après quelle distance dans l'axone?

• La distance à partir de laquelle le potentiel d'un éclair devient plus petit que le potentiel de repos est la question principale.

Comment transmettre des signaux

• Le potentiel d'action (PDA) est un mécanisme pour contourner les problèmes de transmission.
• Une dépolarisation se produit lorsque le stimulus atteint un seuil (-50 mV).
• Le PDA est une réponse "tout ou rien" et se propage jusqu'à la fin de l'axone.

Initiation du potentiel d'action

• Le potentiel d'action est initié par un changement soudain de perméabilité de la membrane pour Na+.
• Cela se produit grâce à l'ouverture de canaux Na+.
• Le flux d'ions Na+ est causé par la différence entre le potentiel de Nernst du Na+ et le potentiel de repos.

Rétablir le potentiel de repos

• Après la dépolarisation provoquée par le PDA, les canaux K+ s'ouvrent.
• Le potentiel de départ est rétabli à travers une repolarisation.
• Les ions sont retournés à leurs concentrations initiales par la pompe Na-K pendant une période réfractaire.

La courbe d'un potentiel d'action

• Graphique qui illustre les étapes de dépolarisation et de repolarisation.
• Le seuil de déclenchement du PDA est indiqué.
• Les différentes phases (I, II, III, IV) sont décrites avec leurs caractéristiques.

Propagation du potentiel d'action

• La propagation se réalise par le déplacement d'ions le long de la membrane.
• Une dépolarisation commence dans une région de la membrane.
• La dépolarisation provoque la dépolarisation des régions voisines.
• Le processus se répète le long de l'axone.

Gaines de myéline et potentiels d'action

• L'utilisation de la pompe Na-K demande de l'énergie.
• La propagation des potentiels d'action dépend des ions.
• Les gaines de myéline diminuent C et augmentent R de la membrane.
• Les potentiels d'action sont générés aux nœuds de Ranvier.

Propagation des potentiels d'action

• Les potentiels d'action dépassent un seuil aux nœuds.
• La transmission est plus rapide et nécessite moins d'énergie.
• Les gaines de myéline permettent la propagation rapide entre les nœuds.

Comparaison de la propagation des stimuli

• La propagation des stimuli diffère selon qu'ils sont myélinisés ou non.
• Les axones non-myélinisés ont une propagation lente en raison des flux d'ions.
• Les axones myélinisés ont une propagation rapide grâce aux gaines de myéline.
• Les potentiels d'action sont générés aux nœuds de Ranvier.

Vitesse du signal dans les axones myélinisés

• La vitesse d'un PDA dépend de la distance entre les noeuds de Ranvier et du temps caractéristique du circuit RC.
• L'utilisation de modèles avec résistance et capacité est pertinente dans le calcul de la vitesse.
• La vitesse est calculée en fonction de la distance et du temps pour différents rayons estimés des axones.

Vitesse des potentiels d'action

• La vitesse de conduction dépend du rayon de l'axone.
• Les axones plus larges conduisent les potentiels d'action plus rapidement.
• Des valeurs numériques de vitesses sont fournies selon les valeurs de rayon des axones.

Combien de temps pour une impulsion

• Question sur le temps d'une impulsion nerveuse entre la tête et la main de Roger Federer.
• Réponses en différentes unités de temps proposées (µs, ms).

Résumé du chapitre

• La capacité décrit l'accumulation de charge.
• L'axone transmet les signaux le long d'une longue portion.
• La constante de longueur est atteinte lorsque Rmembr = Raxopl.
• L'équation de Nernst détermine les concentrations ioniques et les potentiels de repos.
• La myélinisation accélère la propagation des potentiels d'action.
• Le potentiel d'action (PDA) est un processus tout ou rien.

Testez vos connaissances sur le fonctionnement des neurones et la transmission des influx nerveux. Découvrez le rôle des gaines de myéline, la loi de Nernst, ainsi que d'autres concepts clés en neurosciences. Ce quiz aborde également des éléments de circuits électriques relatifs aux condensateurs.