Physiologie Nerveuse - Chapitre III - PDF

III-1 CHAPITRE III. PHYSIOLOGIE NERVEUSE. ORGANISATION GENERALE DU SYSTEME NERVEUX ET FONCTIONNEMENT DES NEURONES Le système nerveux est le centre de régulation et de communication de l'organisme; nos pensées, nos actions, nos émotions sont le fruit de son activité. Il partage avec le sys...

III-1 CHAPITRE III. PHYSIOLOGIE NERVEUSE. ORGANISATION GENERALE DU SYSTEME NERVEUX ET FONCTIONNEMENT DES NEURONES Le système nerveux est le centre de régulation et de communication de l'organisme; nos pensées, nos actions, nos émotions sont le fruit de son activité. Il partage avec le système endocrinien la tâche de régler et de maintenir l’homéostasie, mais il est le plus rapide, le plus spécifique et le plus complexe de ces deux systèmes, comme nous l’avons vu au Chapitre I. Ses cellules communiquent en effet au moyen de signaux électriques rapides et spécifiques. Le système nerveux remplit essentiellement trois fonctions (Figure III.1): 1) par l’intermédiaire des récepteurs sensoriels, il reçoit les changements (stimuli) qui se produisent tant à l'extérieur qu’à l’intérieur de l'organisme, c’est-à-dire une information sensorielle ; 2) il traite cette information sensorielle et détermine l'action à entreprendre, c’est le phénomène d’intégration ; 3) il déclenche une réponse (commande) qui active des effecteurs, qui sont des muscles ou des glandes. Dans ce chapitre, nous verrons l’organisation générale du système nerveux et les fonctions de ses cellules essentielles, les neurones. Information sensorielle Figure III.1. Fonctions essentielles du Intégration système nerveux. Réponse motrice III.1. ORGANISATION GENERALE DU SYSTEME NERVEUX A des fins d’étude, on divise le système nerveux en 2 parties principales (Figure III.2). Le système nerveux central (SNC) est composé de l'encéphale et de la moelle épinière, laquelle est située dans la cavité dorsale. Le SNC est le centre de régulation et d'intégration du système nerveux. Le système nerveux périphérique (SNP) est la partie du système nerveux située à l'extérieur du SNC; il est formé principalement des nerfs issus de l'encéphale et de la moelle épinière. Les nerfs spinaux transmettent les influx entre les régions du corps et la moelle épinière et inversement, tandis que les nerfs crâniens acheminent les influx entre les régions du corps et l'encéphale et inversement. Sur le plan fonctionnel, le système nerveux périphérique se compose de deux types de voies. La voie sensitive, ou afférente (afferre = apporter), est formée de fibres nerveuses qui acheminent vers le SNC les influx provenant des récepteurs sensoriels disséminés partout dans l'organisme. Les fibres qui transmettent les influx provenant des viscères sont les fibres afférentes viscérales, toutes les autres constituant les fibres afférentes somatiques (sôma = corps) (peau, muscle, organes des sens, articulations..) La voie sensitive renseigne en permanence le SNC sur les événements qui se déroulent tant à l'intérieur qu'à l'extérieur de l'organisme. La voie motrice, ou efférente (efferre = porter hors) conduit les influx provenant du SNC aux organes effecteurs. Ces influx déclenchent une réponse motrice au sens large du terme. On peut également subdiviser la voie motrice en deux parties.  III-2 Le système nerveux somatique est composé de fibres motrices somatiques qui acheminent les influx nerveux du SNC aux muscles squelettiques. Cette voie est celle du système nerveux volontaire, car le contrôle exercé sur les muscles squelettiques est conscient. Le système nerveux autonome (SNA) est composé de fibres motrices viscérales qui règlent l'activité des muscles lisses (intestinaux, par exemple), du cœur et des glandes. Le terme « autonome » signifie qu’on n’exerce habituellement pas de contrôle conscient sur son activité. Par exemple, nous ne contrôlons pas consciemment les battements de notre cœur ou les mouvements des aliments dans notre tube digestif. Le SNA comprend deux subdivisions fonctionnelles: le système nerveux sympathique et le système nerveux parasympathique, dont les effets sur un viscère donné sont très souvent antagonistes (Chapitre I, contrôle antagoniste de la fréquence cardiaque). En bref, le système sympathique stimule ce que le système parasympathique inhibe et vice-versa. Cerveau Système nerveux central Neurones efférents Moëlle Neurones épinière sensoriels Neurones (afférents) Neurones autonomes moteurs somatiques stimule communication Récepteurs avec Sympathiques Paraympathiques contrôle sensoriels contrôle stimule Muscle Muscle lisse squelettique Muscle cardiaque Neurones Glandes exocrines du système Glandes endocrines nerveux Tissu adipeux digestifs contrôle Figure III.2. Organisation générale du système nerveux. III.2. HISTOLOGIE ET FONCTIONS GENERALES DU TISSU NERVEUX Le tissu nerveux est très riche en cellules, classées en 2 grandes catégories: les neurones, cellules nerveuses excitables qui produisent et transmettent les signaux électriques; les cellules gliales, qui entourent et protègent les neurones.  Il existe plusieurs types de cellules gliales. On trouve dans le SNC, 3 types principaux de cellules gliales, qui forment la névroglie (“colle nerveuse”): les astrocytes, les oligodendrocytes et les microgliocytes (Figure III.3) Les cellules gliales remplissent les interstices entre les neurones et les soutiennent. Elles ont aussi des effets modulateurs sur le fonctionnement des neurones ou des circuits neuronaux. Ainsi, certaines de ces cellules isolent les neurones afin de les soustraire à l'activité électrique de leurs voisins ; d'autres produisent des facteurs neurotropes qui guident les neurones vers les réseaux auxquels ils sont destinés. Outre ces effets, la névroglie exerce également des fonctions particulières, variables selon le type de cellule. Dans le SNC, on rencontre : 1) Les astrocytes (“forme étoilée”) qui sont les plus abondants. Ils se fixent à la fois aux neurones et aux capillaires sanguins. Ils contrôlent les échanges entre les capillaires et les neurones, et régulent notamment la concentration en potassium dans le liquide interstitiel autour des  III-3 neurones. Ils interviennent dans la formation de la barrière hémato-encéphalique, qui empêche certaines substances de pénétrer dans le tissu nerveux et protège ainsi le SNC contre des substances éventuellement toxiques1. 2) Les microglies, de taille nettement plus réduite, exercent un rôle immunitaire anti-infectieux. Elles peuvent en effet phagocyter les microorganismes, ce qui est important car les cellules immunitaires n’ont pas accès au SNC. Les microglies éliminent également les débris de neurones endommagés. 3) Moins ramifiés que les astrocytes, les oligodendrocytes (oligos = peu, dendron = ramification) enroulent des prolongements cytoplasmiques autour des neurones et constituent une enveloppe isolante appelée gaine de myéline (voir infra et Figure III.5). Dans le SNP, on trouve également des cellules gliales : les cellules de Schwann qui constituent les gaines de myéline du SNP ; sur le plan fonctionnel, ces cellules sont donc semblables aux oligodendrocytes2. Enfin, des gliocytes ganglionnaires, de forme aplatie, entourent le corps cellulaire des neurones situés dans les ganglions. Figure III. 3. Types cellulaires du système nerveux central. On distingue des neurones et des cellules gliales  Les neurones sont les unités structurales et fonctionnelles du système nerveux. Ces cellules très spécialisées acheminent les messages sous forme d'influx nerveux entre les différentes parties du corps. Certaines caractéristiques leur sont propres: 1) Leur longévité est importante, et ils peuvent fonctionner de manière optimale pendant toute la vie, dès lors qu’ils reçoivent une bonne nutrition. 2) Ils ne se divisent pas car ceci est incompatible avec leur fonction de liens de communication du système nerveux. Dès lors, ils ne sont pas remplacés s'ils sont détruits (sauf intervention de cellules souches). 3) Leur métabolisme est important, et ils nécessitent un approvisionnement continuel et abondant en oxygène et en glucose. Après une privation en oxygène de quelques minutes, ils sont irrémédiablement détruits. Les neurones sont des cellules complexes et longues, qui peuvent présenter des variations structurelles. Cependant, un schéma structurel général peut être dégagé (Figure III.4), distinguant ainsi 4 régions anatomiques : 1) Le corps cellulaire renferme le noyau cellulaire et la plupart des organites cellulaires. Il contient de très nombreux ribosomes et un réticulum endoplasmique rugueux bien développé (cf. cours 1 Il a été montré que les astrocytes communiquent entre eux (et peut-être avec les neurones); en outre, ils répondent à l'action de certains neurotransmetteurs qu’ils peuvent aussi recycler. 2 Les cellules de Schwann jouent aussi un rôle essentiel dans la régénération des fibres périphériques.  III-4 de biologie) en rapport avec d’importantes synthèses de protéines. Son volume équivaut généralement à 1/10ème de celui de la cellule et sa position varie selon le type de neurone. Dans la plupart des cas, mais pas toujours, le corps cellulaire du neurone est situé à l'intérieur du SNC, où il est protégé par les os du crâne et de la colonne vertébrale. Les regroupements de corps cellulaires situés dans le SNC sont appelés noyaux, tandis que les regroupements de corps cellulaires situés dans le SNP (en nombre beaucoup moins grand) sont appelés ganglions (ganglion = nœud d'une corde, renflement). 2) Les dendrites sont de fins prolongements, parfois ramifiés, qui sont branchés sur le corps cellulaire. Selon les neurones, leur nombre varie : certains neurones ne possèdent qu’une seule dendrite, d’autres en contiennent un nombre énorme, jusqu’à plusieurs centaines (interneurones de l’hippocampe, par exemple). 3) Chaque neurone est muni d’un axone unique (axôn = axe) qui naît d’une région conique du corps cellulaire, appelée cône d’implantation. Il donne parfois naissance à des ramifications latérales. La longueur de l’axone varie de quelques millimètres à un mètre et, dans ce cas, il peut constituer presque toute la longueur de la cellule. Ainsi, les axones qui composent le nerf qui contrôle les muscles du pied (nerf sciatique)3 s’étendent depuis la colonne lombaire jusqu’au pied, soit sur une distance de près d’1 m. Chez l’Homme, le diamètre de l’axone varie de un à plusieurs microns (µm), alors que chez certains Invertébrés comme le Calmar, son diamètre peut atteindre 1 mm (1000 µm). L’axone contient des organites (mitochondries), mais il est dépourvu de ribosomes et de réticulum ; il ne réalise donc pas de synthèse de protéines. 4) Une ramification terminale occupe la fin de l’axone. Elle se termine par des boutons terminaux où se forment les synapses, par lesquelles le neurone entre en contact avec d’autres cellules. L’extrémité terminale est souvent riche en vésicules. Réception influx Dendrites nerveux Transmission influx Corps nerveux cellulaire Site de synthèse Arborisation Cône Gaine terminale d ’implantation de myéline Noyau Axone Conduction influx Organites nerveux Figure III.4. Schéma général d’un neurone myélinisé. Le corps cellulaire contient le noyau, la majeure partie des ribosomes, des lysosomes, un complexe de Golgi et le réticulum endoplasmique; c’est là que s’effectuent les synthèses des protéines. La plupart des neurones portent de multiples dendrites implantées sur le corps cellulaire. Ces dendrites reçoivent les signaux des cellules sensorielles ou sensitives et/ou des terminaisons axonales d’autres neurones: ils convertissent ces signaux en impulsions électriques transmises au corps cellulaire. L’axone, prolongement cytoplasmique spécialisé dans la conduction du potentiel d’action, est dépourvu de ribosomes et n’élabore pas de protéines. L’axone est entouré ici d’une gaine de myéline et se termine par une ramification terminale qui donne naissance aux synapses. A ces différenciations anatomiques correspondent des spécialisations fonctionnelles : 1) Les dendrites augmentent la surface du neurone qui entre ainsi en communication avec de multiples neurones ; par l’intermédiaire de synapses, les dendrites reçoivent les signaux issus d’autres neurones et les transmettent au corps cellulaire sous forme de potentiels gradués (cf. infra). Les dendrites constituent ainsi la structure réceptrice. 3 Chaque nerf périphérique est un faisceau d'axones, appartenant les uns à des neurones moteurs, les autres à des neurones sensoriels ou sensitifs.  III-5 2) le corps cellulaire est le centre de contrôle et le site de la synthèse des protéines ; il propage également les variations de potentiel en provenance des dendrites , 3) l’axone constitue la structure conductrice des neurones. Il produit les influx nerveux, appelés potentiel d’action, qu’il propage jusqu’aux effecteurs moteurs et glandulaires. Dans les neurones moteurs, l’influx nerveux est produit au cône d’implantation - d’où le nom de zone gâchette - et conduit vers la ramification terminale. 4) La ramification terminale est la structure sécrétrice. L’influx entraîne la libération des neurotransmetteurs contenus dans des vésicules présentes dans les corpuscules terminaux. Ces neurotransmetteurs inhibent ou activent la cellule avec laquelle le neurone est en contact étroit par la synapse.  Des transports ont lieu constamment au sein des neurones. L'axone ne synthétisant pas de protéines a donc besoin du corps cellulaire pour renouveler et distribuer ses protéines et ses composants membranaires4. Des organites et des substances diverses circulent sans interruption le long de l'axone, en provenance ou en direction du corps cellulaire (transport axoplasmique). Des mitochondries, des composants membranaires qui serviront au renouvellement de la membrane plasmique de l'axone (appelée axolemme), des enzymes qui catalysent la synthèse de certains neurotransmetteurs, et des neurotransmetteurs sont acheminés depuis le corps cellulaire vers l’extrémité de l’axone (transport antérograde). Inversement, des substances sont transportées dans le sens inverse (rétrograde), vers le corps cellulaire pour y être dégradées ou recyclées. Ces mécanismes de transport sont assurés par des protéines « motrices » (notamment la kinésine). Ces protéines utilisent l’énergie de l’ATP pour se déplacer en même temps que des vésicules qui leur sont fixées le long de « rails » formés par des éléments du cytosquelette, les microtubules.  La gaine de myéline est élaborée par les cellules gliales. Les axones de nombreux neurones, et en particulier ceux qui sont longs ou de diamètre important, sont entourés d'une enveloppe blanchâtre, de nature principalement lipidique, appelée gaine de myéline. La myéline protège les axones et les isole électriquement les uns des autres. Elle accroît la vitesse de transmission des influx nerveux, comme nous le verrons plus loin. Dans le SNP, les gaines de myéline sont constituées d'un très grand nombre de cellules de Schwann qui forment une gouttière pour recevoir l'axone, puis s'enroulent autour de lui (Figure III.5). Le cytoplasme est graduellement expulsé entre les couches de membrane et, finalement, l'axone est entouré d'un grand nombre de couches concentriques formées par les membranes cellulaires des cellules de Schwann. Les membranes plasmiques des cellules de Schwann contiennent moins de 25 % de protéines (contre 50 % dans les membranes plasmiques de la plupart des cellules). Vu cette caractéristique, les gaines de myéline sont des isolants électriques. Comme les cellules de Schwann adjacentes le long de l'axone ne se touchent pas, la gaine est interrompue à des intervalles réguliers appelés nœuds de Ranvier. Nous verrons plus loin que ces nœuds sont à l’origine d’une propriété particulière de la transmission de l’influx, la conduction saltatoire. On trouve également des axones myélinisés dans le SNC, mais, là, la gaine de myéline est formée par les oligodendrocytes. Ceux-ci possèdent de nombreux prolongements plats qui peuvent s'enrouler autour de multiples axones à la fois. Les nœuds de Ranvier dans le SNC sont beaucoup plus espacés que dans le SNP. Notons que les axones du SNC sont amyélinisés à l’endroit où les oligodendrocytes les touchent sans les envelopper. Les régions de l'encéphale et de la moelle épinière qui comportent des groupements denses d'axones myélinisés forment la substance blanche; ces régions sont principalement constituées de faisceaux de fibres. La substance grise contient surtout des corps cellulaires et des axones amyélinisés. 4 C'est ce qui explique que les axones se décomposent rapidement s'ils sont coupés ou gravement endommagés.  III-6 A Dendrites B Axone Noyau de la cellule Noyau de Schwann Axone Couche de Corps myéline neuronal Noeud de Ranvier Noyau Cellule Segment de Schwann internodal C D Oligodendrocyte Noyau Axone Noeud de Ranvier E Gaine de myéline Figure III.5. Formation de la gaine de Cytoplasme de myéline. A) Dans le système nerveux cellule de Schwann périphérique, la gaine de myéline est élaborée (début de l’enroulement) par les cellules de Schwann (B), alors que, Axone dans le système nerveux central, ce sont des Cellule oligodendrocytes (C). Le tronçon de myéline de Schwann formé par chaque cellule gliale est séparé du tronçon adjacent de myéline par une zone d'axone non myélinisée appelée nœud de Ranvier; c'est la seule zone de la membrane axonale baignée par le fluide extracellulaire. D) Aspect en microscopie électronique d’un nœud de Ranvier. E) Aspect en microscopie III.3. CLASSIFICATION DES NEURONES On peut classer les neurones selon leur structure ou leur fonction.  La classification structurale considère 3 types de neurones principaux. Selon le nombre de prolongements issus du corps cellulaire, on reconnaît (Figure III.6): 1) Les neurones multipolaires qui possèdent 3 prolongements ou plus. Ils sont les plus abondants dans le SNC chez l’Homme. Ils possèdent un axone et des dendrites (certains ne possèdent que des dendrites) et le nombre de dendrites peut être très variable. 2) Les neurones bipolaires possèdent 2 prolongements (un axone et une dendrite) qui naissent du côté opposé du corps cellulaire. Peu abondants chez l’Homme, on les trouve surtout au niveau des organes des sens. 3) Les neurones unipolaires qui comportent un prolongement unique émergeant du corps cellulaire. Ce prolongement très court se divise en forme de T en un prolongement périphérique souvent lié à un récepteur sensoriel et en un prolongement central qui pénètre dans le système nerveux.  III-7 A Corps cellulaire Multipolaires B Multipolaires Bipolaires Unipolaires Axone dendrites Dendrites dendrites dendrites Prolongement Bipolaires Corps central cellulaire Corps Corps cellulaire cellulaire Corps cellulaire Axone Prolongement périphérique Axone Dendrite Axone Cellule Cellule Hippocampe Moteur olfactive Unipolaires (pseudo-unipolaires) rétine Prolongement Corps cellulaire Prolongement périphérique central Dendrites Axone Figure III.6. Types structurels de neurones. A. Types principaux de neurones. B. Variations anatomiques au sein des types structuraux.  La classification fonctionnelle répartit les neurones selon le sens de la propagation de l'influx nerveux par rapport au SNC. On distingue également 3 types fonctionnels (Figure III.7) : 1) Les neurones sensitifs (ou afférents) transmettent les influx des récepteurs sensoriels de la peau ou des organes internes vers le SNC. Sur le plan fonctionnel, seules les parties les plus distales des neurones unipolaires jouent le rôle de récepteurs, et les prolongements périphériques sont souvent très longs. Par exemple, les fibres qui acheminent les influx sensitifs provenant de la peau du gros orteil s'étendent sur plus de 1 m avant d'atteindre leurs corps cellulaires, situés près de la moelle épinière. 2) Les neurones moteurs (ou efférents) transmettent les influx hors du SNC jusqu'aux organes effecteurs (muscles et glandes) situés à la périphérie du corps. Les neurones moteurs sont multipolaires et, sauf certains neurones du système nerveux autonome, leurs corps cellulaires sont logés dans le SNC. 3) Les interneurones, ou neurones d'association, sont situés entre les neurones sensitifs et les neurones moteurs ; ils servent de relais aux influx nerveux qui sont acheminés vers les centres du SNC où s'effectue l'analyse des informations sensorielles. Les interneurones sont le plus souvent multipolaires, et ils représentent plus de 99% des neurones de l'organisme. Leur taille et les ramifications de leurs neurofibres sont très variables. Multipolaires Bipolaires Unipolaires (pseudo-unipolaires) Encéphale Interneurone Neurone Moëlle épinière sensitif Moëlle Neurone moteur épinière Influx Peau nerveux Muscle Influx nerveux Neurone bipolaire Influx de la rétine nerveux Figure III.7. Types fonctionnels de neurones. III.4. POTENTIEL DE MEMBRANE DE REPOS ET CANAUX IONIQUES Précédemment, au Chapitre II, nous avons vu qu’une différence de potentiel électrique, appelée potentiel de repos existe dans toutes les cellules entre la face interne négative de la membrane plasmique et sa face  III-8 externe positive. Rappelons ici quelques caractéristiques déterminantes pour l’établissement de ce potentiel de repos (Chapitre II) : 1) Une asymétrie de concentrations ioniques existe de part et d’autre de la membrane plasmique : la concentration intracellulaire des ions K+ est de 20 à 40 fois plus élevée que celle du liquide extracellulaire. Inversement, les concentrations des ions Na+ et Cl- sont plus élevées à l'extérieur qu'à l'intérieur de la cellule (Figure III.8). 2) Ces gradients de concentrations sont engendrés par la Na+, K+-ATPase aux dépens d'énergie fournie par l’ATP. 3) La membrane plasmique cellulaire contient des canaux ioniques ouverts en permanence, appelés canaux «de repos» ou de « fuite ». Le nombre de canaux à K+ ouverts dépasse celui des canaux à Na+ ou Cl- ouverts : un nombre plus élevé d'ions K+ que d’ions Na+ et Cl- traversent la membrane. Le potentiel de repos négatif du côté interne dépend ainsi essentiellement du gradient de concentrations des ions K+ : le flux d'ions K+ qui sort de la cellule laisse un excès de charges négatives sur la face interne de la membrane et produit un excès de charges positives sur sa face extérieure. Ces charges ioniques restent au voisinage de la membrane. Les ions Cl- se répartissent selon la différence de potentiel. 4) La Na+, K+-ATPase fonctionne de manière permanente, empêchant que la diffusion des ions n’aboutisse à un équilibre des concentrations de part et d’autre de la membrane. 5) La situation est légèrement plus complexe dans les cellules excitables, car des canaux membranaires à Na+ et à Cl- sont également ouverts au repos. Dès lors, le potentiel de repos y est influencé non seulement par les perméabilités aux ions à K+, mais aussi par celles du Na+ et du Cl-. Mais, comme le flux d’ions K+ qui sortent de la cellule n’est pas totalement compensé par la rentrée des ions Na+, on obtient une approximation du potentiel de membrane (E) en recourant à l’équation de Nernst pour le potassium, le potentiel de membrane étant proche du potentiel d’équilibre du potassium (EK). Néanmoins, le potentiel n’est pas strictement identique à EK en raison de cette rentrée de Na+. C’est la raison pour laquelle on recourt souvent à l’équation de Goldman pour calculer le potentiel de repos (Annexe II.A, rappels de physique à titre indicatif). Canal à K+ Canal à Na+ Canal à Cl- Figure III.8. Gradients de concentrations ioniques et canaux 4 mM 150 mM 120 mM 34 mM ioniques de repos. Une asymétrie de K+ K+ K+ K+ Na+ Cl- A- concentrations existe de part et d’autre de la membrane. Au repos, la perméabilité au potassium est plus élevée comparativement à celles des K+ K+ K+ K+ Na+ Cl- A- autres ions. A- = protéines ionisées 140 mM 12 mM 4 mM 148 mM négativement. Les flèches indiquent le sens de déplacement des ions. Dans la plupart des cellules animales, le potentiel de repos ne varie guère au cours du temps ; par contre, les cellules musculaires et les neurones présentent des variations importantes de leur potentiel membranaire. En effet, suite à l’ouverture et à la fermeture alternatives de canaux ioniques particuliers au Na+ et au K+, ces cellules émettent des potentiels d'action qui se propagent le long de leur membrane.  Les variations de perméabilités ioniques modifient le potentiel de membrane. Le potentiel de repos peut varier : 1) une dépolarisation correspond à une diminution du potentiel membranaire (c’est-à-dire une diminution de la différence de potentiel), 2) une hyperpolarisation à une augmentation de ce potentiel (c’est-à-dire une augmentation de la différence). Ces 2 termes décrivent les modifications du potentiel de membrane par rapport au potentiel de repos, et leur compréhension est essentielle pour la suite (Figure III.9). Une dépolarisation correspond à une réduction du potentiel de membrane: la face interne de la membrane devient moins négative (plus proche  III-9 de zéro). Par exemple, le passage d'un potentiel de repos de -70 mV à une valeur de -50 mV est une dépolarisation. Une hyperpolarisation correspond à une augmentation du potentiel de membrane qui devient plus négatif que le potentiel de repos. Par exemple, une variation de -70 à -90 mV (augmentation de la négativité du cytoplasme) est une hyperpolarisation. +50 Potentiel de membrane (mV) Face externe positive Figure III.9. Variations du potentiel membranaire. Une hyperpolarisation 0 correspond à une augmentation du Face interne négative potentiel et une dépolarisation à une Potentiel diminution du potentiel de repos -50 -100 0 12 3 4 5 6 0 12 3 4 5 6 Temps (ms) Temps (ms) Hyperpolarisation Dépolarisation (ouverture de (ouverture de canaux à K+) canaux à Na+) Ces variations du potentiel de membrane s’observent lors de modifications de perméabilités ioniques, consécutives soit à l’insertion de canaux ioniques supplémentaires dans la membrane soit à l’ouverture de canaux contrôlés par une porte : 1) Si des canaux à K+ s’ouvrent, la perméabilité au potassium augmente et la sortie des ions K+ de la cellule s’accélère. Cette sortie laisse un excédent supplémentaire de charges négatives à l’intérieur et apporte un excès de charges positives à l'extérieur de la membrane : une hyperpolarisation se produit (versant membranaire interne plus négatif et augmentation du potentiel de membrane). Inversement, si la perméabilité au potassium diminue, par fermeture de canaux à K+, on dépolarise la membrane : son potentiel décroît. 2) Si des canaux à Na+ s’ouvrent (augmentation de perméabilité au sodium), la rentrée d'ions Na+ extracellulaires dans la cellule s’accélère. Cette rentrée abandonne un excès de charges négatives à l’extérieur de la membrane et amène un excès d'ions positifs dans le cytosol : une dépolarisation de la membrane se produit. Inversement, une diminution de la perméabilité au sodium consécutive à la fermeture de canaux à Na+ entraîne une hyperpolarisation. 3) Lors d’une ouverture de canaux à Cl- (avec accroissement de la perméabilité au chlore), on obtient le même résultat que lors d’une augmentation de la perméabilité au potassium : l’accroissement de la rentrée d'ions Cl- extracellulaires abandonne un excès de charges positives sur la face externe de la membrane et augmente la densité d'ions négatifs à la face interne ; la membrane subit une hyperpolarisation. Par contre, une baisse de la perméabilité au Cl- par fermeture de canaux à Cl- entraîne une dépolarisation.  La membrane des neurones renferme des canaux dont l’ouverture est contrôlée. Les axones produisent des influx nerveux acheminés sur de longues distances (cf. infra). Ceci requiert (en plus des canaux de repos passifs) l’existence d’autres types de canaux (Figure III.10). Les membranes des neurones contiennent ainsi des canaux voltage-dépendants ou encore canaux voltaïques. Ils sont spécifiques d’un ion déterminé (Na+ ou K+) et sont ouverts ou fermés en fonction du potentiel membranaire : - au potentiel de repos, ils sont fermés et aucun ion ne les traverse ; - quand une zone de membrane plasmique se dépolarise, ils s’ouvrent pendant un laps de temps très court pour laisser passer les ions. Les neurones contiennent aussi d’autres canaux qui sont contrôlés par un ligand (canaux ligand- dépendants): ils ne s’ouvrent que lorsque qu’un signal extracellulaire ou intracellulaire leur parvient sous la forme d’un ligand qui se fixe à leur surface extracellulaire ou intracellulaire.  III-10 Canal Canaux Canaux de repos voltage-dépendants ligands-dépendants Ligand Extracellulaire Membrane Intracellulaire Ligand ouverts en ouverts brièvement ouverts en réponse à ouverts ou fermés permanence par un changement de un signal extracellulaire en réponse à une potentiel de membrane spécifique molécule intracellulaire spécifique Figure III.10. Canaux ioniques à ouverture et fermeture contrôlées. III. 5. LES REPONSES ELECTRIQUES DES NEURONES Dans les cellules excitables, les modifications du potentiel de membrane servent de signaux pour recevoir, intégrer ou transmettre des informations. Les modifications du potentiel de membrane et les réponses électriques des neurones qui en résultent s’identifient à deux types de signaux : 1) les potentiels (ou réponses ) gradués qui interviennent sur de courtes distances et 2) le potentiel d’action qui intervient sur de longues distances III.5.1. LES POTENTIELS GRADUES Les potentiels gradués sont déclenchés par un stimulus, en d’autres termes par une modification dans la composition du milieu extracellulaire du neurone. Ces potentiels gradués sont parfois nommés différemment selon l’endroit où ils sont produits et selon leurs fonctions. Par exemple, on parlera de potentiel de récepteur s’il s’agit du récepteur d’un neurone sensitif stimulé par une forme d'énergie (chaleur, lumière, etc.). Au niveau d’une synapse (cf. infra), on parlera de potentiels post-synaptiques.  Les potentiels gradués sont des modifications locales et de courte durée du potentiel de membrane. Selon le sens électrique de la stimulation, on peut observer deux types de potentiels gradués lorsque l’on stimule électriquement un axone, soit des hyperpolarisations (ouverture de canaux à K+ ou Cl-), soit des dépolarisations (ouverture de canaux à Na+). On observe ainsi l'apparition d'un courant électrique local. Ces potentiels sont dits « gradués » parce que leur voltage (ou amplitude) est proportionnel à l'intensité ou la force du stimulus. En d’autre termes, un stimulus important donnera naissance à un potentiel gradué important, un stimulus faible à un potentiel gradué faible. Comment sont produits ces potentiels gradués? Par ses propriétés électriques, un axone ressemble à un câble sous-marin : une barrière extérieure isolante (la membrane plasmique) est interposée entre deux milieux conducteurs (le cytoplasme et le liquide extracellulaire). Comme le montre la Figure III.11.A, supposons qu'un stimulus dépolarise une région peu étendue de la membrane plasmique d'un neurone. Les ions se déplacent dans les deux milieux conducteurs de part et d’autre de la membrane, et un courant local est créé. En raison du déplacement des ions, ce courant circule des deux côtés de la membrane entre la région dépolarisée (active) et les régions polarisées adjacentes (au repos). Les ions positifs (cations) migrent vers les régions plus négatives5 et les ions négatifs se déplacent simultanément vers les régions plus positives (Figure III.11.B). À l'intérieur de la 5 Le sens du mouvement des cations est désigné comme le sens du flux du courant.  III-11 cellule, les ions positifs (principalement le K+) quittent donc la région active et s'accumulent dans les régions avoisinantes de la membrane, où ils remplacent les ions négatifs. Pendant ce temps, les ions positifs de la face externe de la membrane se déplacent en direction de la région dépolarisée, qui est provisoirement moins positive. À mesure que les ions positifs du liquide interstitiel se déplacent sur la membrane, des ions négatifs (tels Cl- et HCO3-) s'emparent de leurs « places », comme un jeu de chaise musicale et la région avoisinante se dépolarise. La face externe de la membrane devient alors moins positive et la face interne moins négative. Figure III.11. Constitution d’un Région A B potentiel gradué (dépolarisation). dépolarisée Stimulus A) une portion de la membrane s’est dépolarisée, ce qui a provoqué Membrane un changement de polarité à cet plasmique endroit. B) Au fur et à mesure de l’écoulement des ions positifs en direction des régions négatives (et de l’écoulement des ions négatifs vers les régions adjacentes plus positive), des courants locaux se créent, allant dépolariser les Propagation de la dépolarisation régions adjacentes de la membrane. Dépolarisation Une vague de dépolarisation est ainsi produite. En d’autres termes, l’amplitude des potentiels gradués est fonction de la quantité de charges qui entrent ou sortent de la cellule. Ainsi, dans le cas d’une dépolarisation, si davantage de Na+ entre dans la cellule, l’amplitude initiale du potentiel gradué est plus importante. La propagation de ce potentiel gradué de part et d'autre de la membrane plasmique reflète le mouvement des charges ioniques par diffusion passive le long de chacune des faces de la membrane (courant de capacitance 6).  L’amplitude des potentiels gradués diminue rapidement au fur et à mesure de la distance parcourue. Comme nous venons de l'expliquer, le déplacement longitudinal des ions entraîne la modification du potentiel de repos des régions adjacentes. Mais la majeure partie des charges est vite perdue à travers la membrane plasmique, car celle-ci est perméable à la façon d'un boyau qui fuit, et elle se comporte comme une capacité mal isolée. Le déplacement des charges est donc décroissant: il devient nul à quelques millimètres de son origine (Figure III.12). C'est pourquoi les potentiels gradués ne peuvent se déplacer que sur une très courte distance (5 mm tout au plus) de la membrane plasmique du neurone. A partir de leur point d’origine, les potentiels gradués s’atténuent un peu à la manière des ronds dans l’eau que produirait le jet d’une pierre à la surface d’un étang. 6 Ce courant de capacitance est attribuable au fait que la membrane elle-même est lipidique et conduit mal le courant. En d'autres termes, l'épaisseur de la membrane constitue un condensateur (ou une capacité) qui emmagasine temporairement la charge et qui force les ions de charge opposée à s'accumuler face à face de part et d'autre de la membrane.  III-12 A A B mp Na+ litu de du pot 1 1 ent 2 + 2 iel 3 3 4 4 5 5 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 Point de départ Distance Distance Fuite de K+ le long Stimulation Figure III.12. Variations d’amplitude des de l ’axone et efflux Excès de charges potentiels gradués. A et B: La propagation C de l ’excès d ’ions K+ se fait dans les deux sens à partir du point de stimulation. En fonction de la distance parcourue depuis son point de départ, --------------+++++------------- l’amplitude d’un potentiel gradué diminue (ici une dépolarisation par entrée de Na+). --------------+++++-------------- C: Illustration de la fuite d’ions lors de la propagation de la dépolarisation. La dépolarisation du corps cellulaire et des dendrites se propage selon ce mode. Dans les neurones dont l'axone est très court, les dépolarisations axonales se propagent aussi de manière passive, mais ce mode de conduction est incapable de transmettre des signaux sur de longues distances. C’est le potentiel d’action expliqué dans la section suivante qui remplit ce rôle. Ces potentiels gradués sont cependant essentiels à la production des potentiels d'action, c'est-à-dire des dépolarisations qui se propagent le long des axones sur de très longues distances, et que nous allons maintenant étudier. III.5.2. LE POTENTIEL D’ACTION Les neurones communiquent entre eux et avec les cellules des effecteurs musculaires et glandulaires en produisant et en propageant des potentiels d'action le long de l’axone. Le potentiel d’action n'est pas une simple dépolarisation de la membrane, mais une réponse explosive caractérisée par un renversement de la polarité. En effet, au sommet du potentiel d'action, le potentiel intracellulaire de l’axone est de +30 mV (positif par rapport au milieu extracellulaire).  Au cours du potentiel d’action le potentiel de membrane s’inverse. Le potentiel d'action est un phénomène cyclique qui dure 1 à 2 ms et peut se reproduire plusieurs centaines de fois par seconde. Il se décompose en plusieurs phases (Figure III.13.A) : a) une phase de dépolarisation (1) qui atteint une certaine valeur de potentiel de membrane (seuil) (2), b) une accentuation explosive de la dépolarisation (3) avec inversion du potentiel de membrane (4), c) une phase de repolarisation (5), d) une hyperpolarisation tardive et transitoire (6) puis un retour au potentiel de repos (7). Ainsi, pour une valeur particulière du potentiel de repos, appelée seuil, un état d'instabilité de la membrane provoque une réponse électrique explosive, le potentiel d'action.  III-13 B A Inversion mmoh / Potentiel 4 cm2 d’action mV + 30 membran Potentiel (mV) + 10 Co 30 Conductanc 80 0 nd au Na+ 60 - 10 3 Réponse 5 Repolarisation uct 20 - 30 explosive Potentiel an Conductanc 40 - 50 2 Seuil Hyperpolarisation de repos ce 10 au K+ 20 1 - 70 - 90 Dépolarisation 3 6 7 0 1 2 3 4 Temps (ms) 0 1 2 3 4 ms Figure III. 13. Phases du potentiel d’action (PA) et variations des perméabilités (ou des conductances) ioniques. A : phases du potentiel d’action. B: variations de perméabilités ioniques en rapport avec le potentiel d’action. Ces variations expliquent les différentes phases du potentiel d’action. Explications dans le texte.  Des variations successives de perméabilité ionique expliquent les différentes phases du potentiel d’action. Le potentiel d’action et ses différentes phases résultent de modifications, successives et liées entre-elles, de la perméabilité ionique membranaire (Figure III.13.B). On observe ainsi, dans l’ordre : 1) un accroissement transitoire et brutal de la perméabilité aux ions Na+, 2) une diminution de la perméabilité au Na+ et un rétablissement de l’imperméabilité aux ions Na+. 3) un accroissement bref de la perméabilité aux ions K+. Par rapport aux étapes du potentiel d’action représentées à la Figure III.13.A, la première phase a lieu pendant la phase de dépolarisation (partie ascendante du tracé du potentiel d'action). La deuxième débute au sommet du tracé du potentiel d’action, lorsque le potentiel de membrane est inversé. La troisième phase correspond à la phase de repolarisation (la partie descendante du tracé) et à la phase d'hyperpolarisation tardive.  Les phases du potentiel d'action résultent de l'ouverture de canaux à Na+ et de canaux à K+ voltage-dépendants. Comme nous l’avons signalé précédemment, le neurone est pourvu de canaux voltage-dépendants à Na+ et de canaux voltage-dépendants à K+. Ces canaux sont localisés essentiellement au niveau de l’axone. Les dendrites et le corps cellulaire n’en contiennent que très peu. Ce sont les propriétés particulières des canaux voltage-dépendants qui expliquent les caractéristiques du potentiel d’action et les modifications de perméabilité ionique qui les accompagnent. Les canaux à Na+ voltage-dépendants offrent en effet la particularité d’être pourvus de deux portes d’activation et d’inactivation qui réagissent à la dépolarisation de la membrane (Figure III.14). Lors de la dépolarisation, la porte d'activation s’ouvre très rapidement, et la porte d'inactivation se ferme très lentement. Ces canaux passent donc par 3 états : un état où ils sont fermés et actifs, un état où ils sont ouverts et actif, et un état où ils sont fermés et inactivés (inactifs). On peut dire que la dépolarisation provoque l'ouverture puis la fermeture des canaux à Na+. Les ions sodium traversent le canal et rentrent dans l’axone uniquement si les deux vannes sont ouvertes (canal ouvert et actif) : la fermeture de l'une des deux vannes ferme le canal.  III-14 Canal à Na+ Canal à Na+ Canal à Na+ fermé et actif ouvert et actif afflux inactivé d ’ions Na+ Na+ extérieur < 0,1 ms 0,5 -1 ms + - cytoplasme Segment Segment activateur inactivateur 0 0 0 0 mV mV mV mV -70 -70 -70 -70 Potentiel Dépolarisation Phase Repolarisation de repos initiale ascendante et période réfractaire Figure III.14. Cycle d’ouverture et de fermeture d’un canal à Na+. Au potentiel de repos, la plupart des canaux à Na+ sont fermés et prêts à s'ouvrir si la membrane se dépolarise. Plus la dépolarisation est grande, plus grande est la probabilité d'ouverture de chacun des canaux. Leur ouverture est déclenchée par un mouvement de la porte d’activation. Ces canaux restent ouverts pendant 1 ms environ. Suffisamment d’ions pénètrent dans la cellule pour provoquer la phase ascendante du PA. Puis tout mouvement d 'ions s'arrête parce que la porte d’inactivation vient fermer l'orifice du canal. Ces canaux sont alors réfractaires à toute activation, ils ne s'ouvrent plus (c'est la période réfractaire). Quelques ms après le rétablissement du potentiel de repos, négatif à l'intérieur, les canaux restent fermés, mais retrouvent leur état actif, car la porte d’activation est de nouveau fermée et la porte d’inactivation a repris sa position initiale; ils sont prêts à se rouvrir lors d'une nouvelle dépolarisation.  On peut mettre en relation l’état des canaux et les phases du potentiel d’action. Dans un neurone au repos, de petites quantités d'ions potassium s'échappent de la cellule par les canaux de fuite, tandis que des quantités infimes d'ions sodium diffusent vers l'intérieur. Cependant, au repos, les canaux à sodium et à potassium voltage-dépendants sont fermés (Figure III.15.A). Lors de la dépolarisation, les canaux à Na+ s’ouvrent (Figure VIII.15.B). Les ions Na+ rentrent alors dans la cellule entraînés par deux forces (le gradient électrochimique, Chapitre II): 1) le gradient de concentration de Na+ (concentration plus élevée à l'extérieur qu'à l’intérieur), et 2) le potentiel membranaire de reposI, négatif à l'intérieur de la cellule (qui attire le Na+ vers l'intérieur). Au fur et à mesure que le Na+ rentre à l’intérieur de la cellule, celui-ci devient moins négatif et la dépolarisation membranaire s’accentue. Ceci entraîne l’ouverture d'un plus grand nombre de canaux à Na+ : un entrée explosive de Na+ se produit pendant une fraction de milliseconde, avec une dépolarisation brutale (Figure VIII.15.C). La perméabilité au Na+ est à ce moment très élevée (environ 1000 fois plus grande qu’au repos) et le potentiel de membrane se rapproche du potentiel d’équilibre du Na+. Le potentiel d'action atteint alors son maximum, soit environ + 30 mV (intérieur positif)7. A ce moment, l’entrée d'ions Na+ diminue puis cesse, car le gradient de concentration d'ions Na+ (externe > interne) est contrebalancé par le potentiel de membrane devenu positif à l'intérieur. Les canaux à Na+ s’inactivent (Figure III.15.D) et ne laissent plus passer les ions Na+. Ensuite, les canaux voltage-dépendants à K+ s'ouvrent. On les appelle canaux à K+ retardés car ils s’ouvrent une fraction de milliseconde après le début de la repolarisation (Figure III.15.D). Les ions K+ sortent alors de la cellule et la membrane se repolarise. Pendant un court instant, le potentiel membranaire devient plus négatif que le potentiel de repos et s'approche du potentiel d'équilibre de K+ (EK, plus négatif 7 La relation directe entre l’amplitude d'un potentiel d'action et le gradient d'ions Na+ entre chaque face de la membrane est démontrée par le fait que, lorsqu’on place un axone géant de calmar dans une concentration trois fois moindre d'ions Na+, par exemple, l'amplitude de la dépolarisation est réduite de 40 mV, comme permet de le prévoir l'équation de Nernst.  III-15 que le potentiel de repos). C’est la phase de post-hyperpolarisation transitoire (Figure III.15.E). Par la suite, les canaux à K+ se ferment les uns après les autres; le potentiel de membrane revient alors à sa valeur de repos (Figure III.15.F). Extracellulaire Extracellulaire Canal Na+ Canal K+ inactivé ouvert Canal Na+ Canal K+ ouvert repos Intracellulaire Intracellulaire C Repolarisation Dépolarisation D Extracellulaire B Canal Na+ Canal K+ A repos repos E F Extracellulaire Canal Na+ Canal K+ Canal K+ repos ouvert fermé Intracellulaire Potentiel de repos Intracellulaire Hyperpolarisation Figure III.15. Ouverture et fermeture des canaux à Na+ et K+ en fonction des phases du potentiel d’action. Explications dans le texte. Nous observons ici un phénomène d’auto-amplification (boucle de rétrocontrôle positif) (Figure III.16). En effet, les canaux à Na+ ne s’ouvrent pas tous en même temps, mais ont une probabilité d’ouverture ou de fermeture selon le potentiel de membrane. L’augmentation de la perméabilité aux ions sodium produite par l'ouverture d'un nombre croissant de canaux intensifie la dépolarisation. A son tour, la dépolarisation provoque l’ouverture de canaux voltage-dépendants supplémentaires, et ainsi de suite… jusqu’à ce que tous les canaux soient ouverts. Cette rétroaction explique la phase ascendante explosive (de dépolarisation) et c'est de cette rétroaction que vient l'« action » à l’œuvre dans le potentiel d'action.  Le potentiel d’action ne se déclenche qu’une fois le seuil atteint et obéit à la loi du tout ou rien Lorsqu’un niveau critique de potentiel de membrane est atteint, le processus de dépolarisation se poursuit de lui-même, alimenté par la rétroactivation. La dépolarisation initiale doit ainsi atteindre une valeur déterminée du potentiel de repos pour que la « mèche s’allume ». Le seuil d'excitabilité est généralement atteint lorsque la membrane est dépolarisée de 15 à 20 mV par rapport à sa valeur de repos (donc quand le potentiel de membrane passe de -70mV à une valeur située entre -55 et -50 mV). Le seuil représente un état d'équilibre qui peut évoluer dans deux directions. Si un ion sodium supplémentaire entre, la dépolarisation se poursuit, et le phénomène de rétroaction positive est déclenché. À l'inverse, si un ion potassium sort, le potentiel de membrane s'éloigne du seuil d'excitation, les canaux à sodium voltage- dépendants se ferment et les ions potassium continuent de diffuser vers le liquide interstitiel jusqu'à ce que le potentiel de membrane revienne à sa valeur de repos8. 8 Une explication considère que le seuil correspond au potentiel de membrane lorsque le voltage attribuable au mouvement des ions potassium vers l'extérieur du neurone est exactement égal au voltage attribuable au mouvement des ions sodium vers l'intérieur.  III-16 Vu ce seuil d'excitabilité , le potentiel d'action obéit au principe du tout ou rien. Toute dépolarisation qui dépasse ce seuil enclenche toujours un potentiel d'action ; toute dépolarisation qui reste en deçà, jamais. Le potentiel d’action produit est maximal et il a toujours la même valeur pour un neurone donné. On peut comparer cette situation à l'allumage d'une allumette sous une brindille sèche. Le chauffage d'une partie de la brindille correspond à la modification de la perméabilité de la membrane qui, dans un premier temps, permet à un plus grand nombre d'ions sodium d'entrer dans la cellule. Quand cette partie de la brindille devient suffisamment chaude (quand un nombre suffisant d'ions sodium sont entrés dans la cellule), le point d'ignition (le seuil d'excitation) est atteint, et la flamme consumera la brindille entière, même si on éteint l'allumette (le potentiel d'action sera produit et propagé, que le stimulus persiste ou non). Mais si l'on éteint l'allumette juste avant que la brindille atteigne la température critique, l'ignition ne se produira pas. De même, si les ions sodium qui entrent dans la cellule sont trop peu nombreux pour que le seuil d'excitation soit atteint, aucun potentiel d'action ne sera produit. Phases du Dépolarisation potentiel d ’action Phase ascendante Pic Phase décroissante Ouverture rapide de Figure III.16. Boucle de la porte d ’activation rétrocontrôle positif du potentiel des canaux Na+ voltage-dépendants d’action. L’ouverture des canaux à Na+ est un phénomène auto-amplifié. Ouverture La fermeture de la porte Rétrocontrôle Dépolarisation positif des canaux K+ d’inactivation des canaux à Na+ met lents fin à cette amplification. Entrée de Na+ Sortie de K+ STOP Repolarisation Fermeture lente de la porte d ’inactivation des canaux Na+  Le potentiel d’action se propage avec une amplitude et une vitesse constantes. Lorsque le potentiel d'action est produit, il ne dépend plus de l'intensité de la stimulation du courant appliqué et il se propage sur toute la longueur de la fibre, à une vitesse et une amplitude constantes sans atténuation de l'intensité du signal. Ceci différencie un potentiel d’action et un potentiel gradué. Comme l’amplitude du potentiel d’action est caractéristique pour un neurone donné, la seule façon pour un neurone de moduler l’information transmise sous forme d’un potentiel d’action est de faire varier la fréquence des potentiels d’action émis. Ainsi dans un intervalle donné, des stimuli intenses produisent des influx nerveux plus fréquemment que ne le font des stimuli faibles. Par conséquent, l'intensité du stimulus est codée par le nombre d'influx produits par seconde, c'est-à-dire la fréquence des influx, et non par des augmentations de la force (de l'amplitude) du potentiel d'action.  Le potentiel d’action est produit au niveau d’une zone « gâchette » (zone trigger). Les potentiels gradués sont produits principalement au niveau des dendrites, du corps cellulaire et des récepteurs périphériques. Cette différence de comportement des dendrites et du corps cellulaire, par rapport à l’axone, est due à la rareté ou à l’absence de canaux voltage-dépendants au niveau des dendrites et du corps cellulaire. Ces potentiels voyagent dans le neurone en direction d’une région qui constitue une zone gâchette (trigger). La localisation de cette zone trigger est variable selon le type de neurone. Par exemple, dans les neurones sensoriels, la zone trigger est localisée immédiatement au contact du  III-17 récepteur, là où les dendrites rejoignent l’axone. Dans les neurones efférents moteurs, elle est localisée au cône d’implantation de l’axone. Lorsqu'un potentiel gradué atteint la zone gâchette de l'axone, il provoque l'ouverture des canaux à sodium voltage-dépendants de cette région et un potentiel d’action sera produit si l’amplitude de la dépolarisation atteint le seuil (Figure III.17). A B mV mV mV mV -40 -40 -40 -40 mV mV -70 -70 -70 -70 Temps -40 Temps -40 Temps Temps -70 -70 Temps Temps Zone Zone trigger trigger Figure III.17. Effets de la propagation passive d’une dépolarisation. A: une dépolarisation des dendrites qui atteint le seuil à ce niveau ne déclenche pas de potentiel d’action car son amplitude s’est atténuée lors de sa progression. Elle n’atteint pas le seuil au niveau de la zone trigger (cône d’implantation) et disparaît progressivement. B: une dépolarisation des dendrites qui atteint le seuil à ce niveau déclenche un potentiel d’action car même si son amplitude s’est atténuée lors de sa progression, elle permet d’atteindre le seuil au niveau de la zone trigger.  Des phénomènes de sommation déterminent les effets des potentiels gradués. Un neurone est soumis à des influences par l’intermédiaire de synapses (voir plus loin). Certaines sont excitatrices : elles dépolarisent localement la membrane de la cellule postsynaptique et produisent un potentiel post-synaptique excitateur (PPSE) ; d’autres sont inhibitrices: elles hyperpolarisent localement la membrane et produisent un potentiel post-synaptique inhibiteur (PPSI) (voir plus loin). Prenons l’exemple d’un interneurone du système nerveux central. Les diverses dépolarisations et hyperpolarisations se propagent passivement depuis les synapses réceptrices sur la membrane plasmique des dendrites, en direction du corps cellulaire et du cône d'émergence de l’axone. La production d'un potentiel d'action ou non par l’axone dépend de la propagation des réponses locales et de la résultante chronologique, quantitative et topographique des divers influx qu'il reçoit. Un PPSE unique, dû à une seule synapse, même proche du cône d’implantation de l’axone, ne suffit généralement pas à déclencher un potentiel d’action. Cependant, au niveau des dendrites, plusieurs synapses peuvent avoir un effet cumulatif sur le potentiel de membrane, si elles transmettent simultanément ou par vagues successives. En effet, les différents potentiels gradués dépolarisants ou hyperpolarisants s’ajoutent les uns aux autres pour déterminer deux types de sommation : 1) dans la sommation temporelle, les messages transmis au niveau de 2 synapses sont suffisamment rapprochés dans le temps pour que les potentiels gradués s’additionnent les uns aux autres ; 2) dans la sommation spatiale, plusieurs synapses, issues de neurones différents, transmettent leur message en même temps, de sorte que leurs effets sur le potentiel de membrane s’additionnent. Lorsque les potentiels gradués traversent le corps cellulaire et arrivent au niveau du cône d’implantation de l’axone, ce sont ces phénomènes de sommation temporelle et spatiale qui détermineront l’amplitude de la variation de potentiel, son sens (dépolarisation ou hyperpolarisation), et finalement l’émission ou non d’un potentiel d’action (Figure III.18).  III-18 - + + + + + + E1 E1 E1 E2 E1 E2 I1 C C 2 3 C 4 C 1 mV mV mV mV -55 -55 -55 -55 -70 -70 -70 -70 E1 E’1 Temps Temps Temps I1+E1+E2 Temps E1 E’1 E1+E2 Sommation Sommation Sommation temporelle spatiale spatiale Figure III.18. Sommation temporelle (au niveau d’une même synapse) ou spatiale (au niveau de 2 synapses différentes). Un PPSE unique infraliminaire au niveau du cône d’implantation n’atteint pas le seuil (1). En se renforçant mutuellement par sommation temporelle (2) ou spatiale (3), les courants ioniques associés à plusieurs PPSE (E dans la figure) peuvent dépolariser le cône d’implantation jusqu’au seuil et déclencher un potentiel d’action. Les PPSI (I dans la figure) s’additionnent également pour hyperpolariser la membrane à un niveau plus bas que ne le ferait une seule synapse inhibitrice. Enfin, les PPSE et les PPSI se somment également, chacun contrecarrant les effets de l’autre (4).  Le potentiel d'action est suivi d'une période réfractaire. Au cours de la période réfractaire, la fibre est incapable de produire un deuxième potentiel d'action. On distingue deux périodes réfractaires successives, la première absolue et la seconde relative. La période réfractaire absolue est due à l’inactivation des canaux à Na+. Cet état des canaux à Na+ empêche le potentiel d'action de revenir en arrière. En effet, comme les canaux inactivés à Na+ ne peuvent se rouvrir immédiatement (état réfractaire), les canaux situés «en arrière» du potentiel d'action sont incapables de s'ouvrir une nouvelle fois même si la membrane qui les porte est toujours dépolarisée. Cette inertie des canaux à Na+ pendant plusieurs millisecondes détermine donc le sens de propagation des PA, du corps cellulaire vers les terminaisons axonales ou des terminaisons axonales vers le corps cellulaire. Dans l'organisme, les potentiels d'action sont toujours engendrés à l'une des deux extrémités de l'axone et, de là, envoyés vers l’extrémité opposée à son point de départ (soit le corpuscule nerveux terminal, soit le corps cellulaire). La période absolue est suivie d’une période réfractaire relative où les canaux à Na+ sont prêts à s’ouvrir de nouveau. Cependant à ce moment, la cellule est en phase d’hyperpolarisation : un stimulus plus important que celui habituellement requis est nécessaire pour atteindre le seuil et vaincre cette hyperpolarisation. Après la période relative, le neurone est de nouveau prêt à être excité normalement et à produire un nouveau potentiel d'action qui sera propagé.  III-19 A + + + + ++ +++++++++++++++ - - - - - - --------------------- Potentiel 1 Figure III. 19. Propagation du potentiel gradué Na+ > seuil d’action (PA) dans un neurone moteur. - - --------------------- - - - + + +++++++++++++++ + + + A) La dépolarisation supraliminaire arrive au cône d’implantation. Malgré une Na+ Na+ diffusion d’ions Na+ vers le corps cellulaire, 0 0 celui-ci ne produit pas de PA car il ne possède pas de canaux à Na+ voltage- mV mV dépendants. La zone 1 se dépolarise alors -70 -70 que le reste de l’axone est toujours au Temps Temps potentiel de repos. B) la dépolarisation est B explosive dans la zone 1 (par ouverture de Na+ Na+ Na+ Na+ - - - - + + + + ++ ++++++ canaux voltage-dépendants). La zone 2 + + + + - - - - - - -------- commence à se dépolariser. C) La zone 1 a 1 + 2 3 atteint le pic du PA et commence à se Na+ Na+ Na+ + Na+ Na+ repolariser par ouverture des canaux à K+ + + + + - - - - -- - - - - - - - lents. A ce moment la zone 2 se trouve en - - - - + + + + ++ + + + + + phase de dépolarisation explosive et la zone 3 commence à se dépolariser. D) la zone 1 0 0 0 est en phase d’hyperpolarisation alors que la m m m V V V zone 2 se repolarise et que la zone 3 est en -70 -70 -70 phase de dépolarisation explosive. Temps Temps Temps Au moment où le potentiel d'action est C à son maximum, une zone «aval» adjacente - - Na+ - Na+ - Na+ - Na+ de la membrane se dépolarise provoquant + + + + + + - - - + + + + + - - - l’ouverture des conducteurs à Na+ et la propagation du potentiel d'action. On K+ 1 Na+ K+ 2 3 Na+ Na+ Na+ observe ainsi une propagation de proche en - - - + + + + + - - - proche du PA par des courants locaux + + + + + + - - - - - ioniques sans que le PA ne revienne jamais K+ Na+ Na+ Na+ en arrière K+ 0 0 0 mV mV mV -70 -70 -70 D Temps Temps Temps - - Na+ - + + + + + + + + + + - - - - - - - K+ 1 K+ K+ K+ 2 Na+ K+ 3 - - - - - - - + + + + + + + + + + + - - - - K+ K+ K+ K+ Na+ Na+ Na+ K+ 0 0 0 mV mV mV -70 -70 -70 Temps Temps Temps  Le potentiel d’action se propage de proche en proche. Pour jouer le rôle de signal, le potentiel d'action doit être propagé (envoyé ou transmis) tout le long de l'axone. Pendant la propagation du potentiel d'action, la dépolarisation d'une région de la membrane s'étend passivement aux zones voisines qui se dépolarisent légèrement : quelques canaux voltage- dépendants à Na+ s’ouvrent, et l’entrée de Na+ s’accélère. Le potentiel d’action se propage alors de proche  III-20 en proche et compte tenu de la période réfractaire, il s’éloigne de son point de départ. La Figure III.19 montre ce processus. Une fois engendré, un potentiel d'action se propage de lui-même le long de l'axone à vitesse constante, à la manière de dominos qui basculent les uns après les autres9. Le processus de propagation qui est décrit dans la Figure III.19 se produit sur les axones dépourvus de myéline (amyélinisés). Nous parlerons plus loin de la propagation particulière qui se produit dans les axones myélinisés, et que l'on appelle conduction saltatoire. Tableau III.1 Comparaison potentiel gradué et potentiel d’action Potentiel gradué Potentiel d’action Localisation Dendrites et corps cellulaire axone Canaux ligands et mécaniquement Canaux impliqués Canaux voltage-dépendants dépendants Ions impliqués Na+ et Cl- Na+ et K+ Potentiel Dépolarisation ou Dépolarisation membranaire hyperpolarisation inversion Amplitude Proportionnelle au stimulus Tout ou rien ; pas d’atténuation Déclenchement Entrée d’ions Dépolarisation de la zone trigger Caractéristiques Pas de seuil ;sommation spatiale Seuil ; période réfractaire ; propres ou temporelle ; codage du codage du stimulus par la stimulus par l’amplitude fréquence Tableau III. 2 Caractéristiques comparatives des phases du potentiel d’action Neurone Phase Phase Post- au repos ascendante descendante hyperpolarisation Potentiel de -70 mV -70 à + 30mV + 30 à – 80 mV -80 à –70 mV membrane Perméabilité Na+ faible élevée faible faible Entrée très faible Entrée massive Entrée très faible Mouvement Na+ Entrée très faible compensée de Na+ compensée Perméabilité K+ modérée modérée élevée modérée Sortie Sortie Réentrée nette Mouvement K+ Sortie massive compensée compensée En résumé, la variation de la perméabilité au Na+ est transitoire (durée de 1 à 2 millisecondes). Elle induit une modification de la perméabilité de la membrane cellulaire au K+. En conséquence, le flux sortant de K+ est augmenté, ce qui aboutit à un retour du potentiel de l'axoplasme à son niveau initial : les niveaux de perméabilité rencontrés à l'état de repos sont ainsi restaurés. L'existence d'une période réfractaire est la conséquence d'une situation transitoire durant laquelle la perméabilité au Na+ est basse alors que celle au K+ est élevée. A ce moment, les canaux à Na+ sont inactivés et ne sont plus en état de s’ouvrir (période réfractaire absolue). A ce stade, le potentiel de membrane est transitoirement amené vers la valeur du potentiel d'équilibre pour les ions K+ , EK, c’est à dire à un niveau plus négatif que le 9 Bien que courante, l'expression “conduction de l'influx nerveux” n'est pas exacte, dans la mesure où les influx nerveux ne sont pas vraiment conduits comme l'est le courant dans un fil isolé. En réalité, les neurones sont d'assez piètres conducteurs: si les flux de courant locaux décroissent rapidement avec la distance, c'est parce que les charges fuient à travers la membrane. L'expression propagation de l'influx nerveux est plus juste, car un potentiel d'action est généré en chaque point de la membrane, et tout potentiel d'action subséquent est identique à celui qui avait été engendré initialement.  III-21 potentiel de repos (hyperpolarisation). Les canaux à Na+ reviennent à leur état de repos et sont prêts à s’ouvrir de nouveau. Cependant comme on est dans une phase d’hyperpolarisation, il faudra un stimulus plus important à ce moment pour atteindre le seuil et produire un nouveau potentiel d’action (période réfractaire relative). Les tableaux III.1 et III.2 résument les caractéristiques comparatives des potentiels gradués et des potentiels d’action, ainsi que les différentes phases du potentiel d’action.  La Na+, K+ - ATPase ne joue pas de rôle direct dans le potentiel d’action. Les variations de potentiel membranaire qui caractérisent le potentiel d'action sont dues à une redistribution de la répartition des ions sur chaque face de la membrane et non à une modification de concentration ionique des solutions qui baignent cette membrane. Le nombre absolu d'ions qui se déplacent est en effet très faible en regard du nombre total d'ions du cytosol neuronal. En mesurant à l’aide d’isotopes radioactifs, les quantités d’ions déplacées, on a montré que lors d’un potentiel d’action, et selon la taille du neurone, seulement environ 1 ion K+ parmi les 3.000 à 300.000 ions K+ du cytosol (soit 0,0003 à 0,03 %) s'échange contre un ion Na+ extracellulaire pour inverser la polarité membranaire. Ainsi, si le potentiel de repos dépend surtout des gradients d'ions Na+ et K+ formés et entretenus par la Na+, K+-ATPase, celle-ci ne joue pas de rôle direct dans l’influx nerveux. Cependant, si la repolarisation rétablit les conditions électriques du potentiel de repos, elle ne rétablit pas les distributions ioniques initiales. Cela s'accomplit après la repolarisation, par l'activation de la pompe à sodium et à potassium (Na+,K+-ATPase). Comme de petites quantités seulement de sodium et de potassium sont échangées, et comme une membrane axonale comprend des milliers de pompes à sodium et à potassium, ces petits changements ioniques sont vite corrigés. Si on bloque la Na+, K+-ATPase , un neurone continuera à produire des potentiels d’action en grande quantité, jusqu’à ce que les concentrations des ions soient égales de part et d'autre de la membrane. III. 5. 3. VITESSE DE PROPAGATION La vitesse de propagation des influx dans les axones varie considérablement. Les fibres qui transmettent les influx le plus rapidement se trouvent dans les voies nerveuses où la vitesse est un facteur essentiel, comme celles qui permettent certains réflexes de posture. Les axones dans lesquels la transmission se fait plus lentement desservent le plus souvent des organes internes (intestins, glandes et vaisseaux sanguins), où la lenteur des réponses n'est pas gênante. La vitesse de la propagation de l'influx dépend principalement de deux facteurs: le diamètre de l'axone et de la myélinisation ou non.  Le diamètre de l’axone influence la vitesse de conduction. En règle générale, plus son diamètre est grand, plus l'axone propage les influx rapidement. En effet, la surface de section transversale est plus importante dans les axones de grand diamètre, et une plus grande surface signifie qu'une plus grande quantité d'ions peut contribuer aux modifications de potentiel. Selon une loi fondamentale de la physique, la résistance au passage d'un courant électrique est inversement proportionnelle au diamètre du « câble » dans lequel il se transmet10.  La myélinisation et la conduction saltatoire accélèrent la vitesse de conduction. La quantité d'informations à transmettre par unité de temps est parfois très importante. C'est le cas notamment des récepteurs auditifs, visuels, olfactifs, mais aussi des nerfs qui innervent les muscles. Comme l'information transmise par les potentiels d’action est de type tout ou rien, le nombre d’axones doit augmenter si la quantité d'information à transmettre est grande. Conjugué à une augmentation du 10 Cette adaptation est observée chez de nombreuses espèces animales. Dans le cas du Calmar, la musculature du manteau qui est responsable des déplacements rapides de l'animal est contrôlée par des axones géants.  III-22 diamètre des axones (pour accélérer la transmission), cela aboutirait à la formation de nerfs extrêmement volumineux. En conséquence, cela entraînerait, par exemple, une augmentation importante du volume des membres, ce qui serait incompatible avec des déplacements normaux. C’est là que la gaine de myéline prend toute son importance. En effet, dans les axones amyélinisés, les potentiels d'action sont produits dans des sites adjacents, et la transmission est relativement lente. La présence d'une gaine de myéline accroît fortement la vitesse de propagation de l'influx, car la myéline joue le rôle d'un isolant et empêche presque toutes les fuites de charges11. Dans l'espace situé entre deux nœuds de Ranvier, la propagation du potentiel d'action se fait avec une certaine atténuation par conduction passive. C'est uniquement au niveau du nœud de Ranvier que la dépolarisation induit la production d’un potentiel d'action. C’est en effet à cet endroit que les canaux à Na+ sont exclusivement localisés. Nœud de Ranvier Nœud de Ranvier Gaine de myéline Na+ Na+ Na+ Na+ - - - - + + + + + + Dépolarisation Na+ Na+ Na+ Na+ + + + + + + + - - - - Figure III.20. Conduction saltatoire. Le potentiel d’action « saute » de nœud en nœud car c’est à cet endroit que se localisent les canaux à Na+ voltage-dépendants et qu’existe un contact entre l’axone et le liquide extracellulaire. Entre les nœuds, la dépolarisation se propage rapidement via les sections myélinisées car la myéline empêche les fuites de courant. Par conséquent, lorsqu'un potentiel d'action est produit dans un axone myélinisé, la dépolarisation locale ne se dissipe pas à travers les régions adjacentes (non excitables) de la membrane: elle est obligée de se déplacer vers le nœud suivant, 1 mm plus loin environ, où elle déclenche un autre potentiel d'action. Ce type de propagation est appelé conduction saltatoire (saltare = sauter),