Fondements neurophysiologiques et neuropsychologiques (2020-2021) - PDF

VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 Fondements neurophysiologiques et neuropsychologiques du contrôle et de l’apprentissage moteur A. Introduction à la physiologie du neurone 1) Quelques types morpholog...

VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 Fondements neurophysiologiques et neuropsychologiques du contrôle et de l’apprentissage moteur A. Introduction à la physiologie du neurone 1) Quelques types morphologiques de neurones importants  1011 neurones dans le cerveau => 104 synapses par neurone en moyenne. La taille et la forme des cellules font leur spécificité ; ❖ Cellule bipolaire : rétine ❖ Cellule pseudo-unipolaire : moelle épinière ❖ Motoneurone : projettent vers les muscles donc voie finale de la motricité – très grosses cellules ❖ Cellule pyramidale : hippocampe ❖ Cellule Purkinje : cellules inhibitrices et situées à la sortie du cervelet Vitesse de conduction : dépend de la taille de la cellule et de sa myélinisation Hippocampe = souvenir 2) Types de signaux électriques produits par les neurones ❖ Potentiel de récepteur :. Le neurone va transformer un signal d’origine mécanique en signal électrique, provoqué par la compression de la capsule à la terminaison de l’axone (en couleur brunâtre). Le potentiel de membrane est d’environ -60mv au repos. Si on stimule l’extrémité du doigt avec un objet, le potentiel de membrane va vers des valeurs positives (dépolarisation). Il s’agit d’un potentiel gradué engendré au niveau de la réception du stimulus ❖ Potentiel synaptique : il peut être excitateur ou inhibiteur. On enregistre le potentiel de membrane dans le neurone (intra- cellulaire) et une autre électrode est appliquée à un axone afférent. On stimule la terminaison axonale qui va libérer un neurotransmetteur. On voit qu’une dépolarisation est observée sur la cellule qui reçoit l’afférence de cet axone. Cette dépolarisation est relativement faible et diminue rapidement. ❖ Potentiel d’action : la corne ventrale de la moelle contient des motoneurones. On active un motoneurone. La stimulation est assez importante pour passer assez rapidement (de manière explosive) à 30mv. La forme du signal est typique d’un enregistrement intracellulaire 1 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 3) Le potentiel de membrane a. Principes généraux Les ions ne sont pas distribués de façon égale de part et d’autre de la membrane : - Extracellulaire : concentration de charge positive → ions sodiums - Intracellulaire : concentration de charge négative → ions potassium On mesure une différence de -70mv entre l’intérieur et l’extérieur du neurone. b. Cas à 1 seul ion ! Expérience avec une membrane imperméable qui laisse uniquement passer les ions K+ (grâce à la présence de canaux ioniques. A : 2 compartiments dans le bassin avec la même concentration de part et d’autre → rien ne se passe au niveau macroscopique. B : Dans les neurones, on sait que les concentrations ioniques ne sont pas les mêmes de part et d’autre de la membrane. - On augmente la concentration ionique du compartiment 1, ce qui nous donne une différence de concentration ionique entre les deux compartiments. - Il y a un flux net d’ions potassium du compartiment 1 vers le compartiment 2. Ces ions déplacent des charges électriques positives, rendant le compartiment 1 relativement négatif.  A un moment, on va trouver un équilibre entre le gradient de concentration et le gradient électrique (ou potentiel) crée par le mouvement des ions (= situation à l’équilibre). On observe donc une relation linéaire entre le gradient de concentration et le potentiel de membrane qui atteint son équilibre à 58mV ( potentiel d’équilibre)  Le gradient de concentration détermine le potentiel de membrane. Lorsque les espèces ioniques sont équilibrées, le gradient de concentration est égal au gradient électrique. 2 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 c. Le potentiel de membrane influence les flux ioniques ❖ Différence de concentration et perméabilité sélective sont les deux facteurs essentiels permettant d’expliquer les différences de potentiel observées dans les neurones. Les mouvements sont possibles grâce à la présence de canaux ioniques. Il faut donc toujours une certaine perméabilité. A : On a une différence de concentration entre les deux compartiments ; les ions diffusent du 1 vers le 2. B : on impose un potentiel de membrane en branchant une batterie qui force la différence de potentiel. Si on impose une différence de potentiel de -58mv, on n’a plus de flux net de concentration. Les ions ne passent plus entre les deux compartiments. C : Si on augmente la différence de potentiel, on peut inverser le flux ionique. On peut faire repasser les ions potassium du compartiment 2 vers le compartiment 1. d. Potentiel de repos : exemple des cellules gliales (K+ seulement) Les forces électriques et chimiques sont le moteur du mouvement des ions. Chaque ion subit en effet deux forces bien distinctes. - Gradient de concentration chimique : tend à bouger l'ion de la région la plus concentrée vers la moins concentrée. - Gradient électrique : due à la charge de cet ion qui l'éloigne des charges semblables et le rapproche des charges opposées. Pourquoi les ions sodium sont plus concentrés à l’extérieur ? La vie s’est développée dans l’océan, où la concentration en sodium était plus élevée à l’extérieur de la cellule. Il y a donc plus d’ions sodium à l’extérieur et plus d’ions potassium à l’intérieur.  La différence de concentration ([K+i] >[K+o]) et la perméabilité sélective sont les 2 facteurs essentiels permettant d’expliquer les ddp observés dans le neurone. Le gradient de concentration a tendance à pousser les potassium vers l’extérieur, l’intérieur devenant alors négatif, ce qui attire les ions sodium. S’il n’y a qu’une espèce ionique : le potentiel de repos est le potentiel d’équilibre (car pas d’interactions) Potentiel d’équilibre du potassium : -70mv (si la membrane n’était perméable qu’à cet ion) Potentiel d’équilibre ionique : différence de potentiel qui compense exactement un gradient de concentration ionique Equilibre : le flux net est nul donc le potentiel de repos (résultat de l’interaction entre le Na+ et le K+) est égal au potentiel d’équilibre 3 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 e) Potentiel de repos des neurones Les ions diffusent en fonction de leur gradient de concentration, ce qui engendre un gradient électrique. - Potentiel d’équilibre potassium ; -70mv - Potentiel d’équilibre sodium ; 55mv Potentiel de membrane : résulte de l’équilibre entre ces deux variétés Gradient électrochimique : C’est la différence entre le potentiel de membrane Vm et le potentiel à l’équilibre de l’ion en question Eion. Le flux net est proportionnel à ce gradient. → -70mv n’est pas égal à 55mv. Il y a donc une force qui va agir sur tous les ions. Elle est due au fait que leur potentiel d’équilibre n’est pas égal au potentiel d’équilibre de la membrane. Le courant sodium et le courant potassium s’annulent à l’équilibre. Ils se compensent. - Potentiel d’équilibre sodium : positif = 55mV - Potentiel d’équilibre potassium : négatif = -70mV ❖ Courant ionique : deux conditions pour qu’un ion passe la membrane - Conductance membranaire pour cet ion - Force qui agisse sur cet ion A : Les ions potassium ont tendance à sortir ; ils provoquent une sortie de charge positive donc l’intérieur du neurone devient négatif, ce qui a tendance à ramener des ions sodium à l’intérieur. B : La perméabilité membranaire (et donc la conductance) est plus importante pour le potassium que pour le sodium. Les ions sodium vont avoir tendance à entrer (et le gradient électrique va les aider). Le gradient électrochimique est donc très favorable à l’entrée des ions sodium dans la membrane Vm est donc plus proche du potentiel du potassium car il y en a plus. en ms C : A l’équilibre, la driving force exercée sur l’ion sodium est toujours très importante. Il y a une toute petite driving force dans le sens opposé, mais comme la perméabilité membranaire est plus importante pour le potassium, les deux se compensent et le flux net de charge est nul. Cependant ; l’état est stationnaire et les ions ne sont pas en équilibre. 4 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 4) La pompe sodium/potassium La pompe déplace des ions à l’encontre de leur gradient de concentration. Ce mécanisme va donc demander de l’énergie : elle va prendre 3 ions sodium à l’intérieur pour les expulser et importer 2 ions potassium. Pour que le potentiel de membrane soit stable, la séparation de charges de part et d’autre de la membrane doit être maintenue. L’influx de charges positives doit être compensé par un efflux de charges négatives. Les gradients ioniques s’épuisent après un certain temps. Cette dissipation est compensée par une pompe, la pompe Na+/K+ qui déplace les ions contre leur gradient électrochimique. La pompe expulse les ions sodium et prend des ions potassium pour les ramener dans le milieu intracellulaire (ICF). Cela requière de l’énergie, fournie par l’hydrolyse de l’ATP. Le potentiel de repos de la membrane n’est pas en équilibre mais en régime stationnaire. Les mouvements passifs (ions sodiques entrants, ions potassiques sortants) sont compensés par la pompe sodium/potassium. La pompe est électrogénique (3 ions sodiques sortants pour 2 ions potassiques entrants). La membrane est légèrement hyperpolarisée, un peu plus que par les mécanismes passifs 5) Les courants transmembranaires a. Hyperpolarisation et dépolarisation Le neurone ne reste pas sa vie entière au potentiel de repos, il va changer en fonction de la stimulation et des courants transmembranaires - Dépolarisation : le neurone excité va avoir tendance à changer vers des valeurs plus positives. Si des cations rentrent à l’intérieur de la cellule, celle-ci devenant davantage positive => facilitation. - Hyperpolarisation => inhibition : le potentiel de membrane va vers des valeurs plus négatives - Ex : Si on a un flux entrant d’ion sodium ? Dans ce cas, des charges positives entrent, on va donc avoir un phénomène de dépolarisation, on va d’une valeur négative vers des valeurs plus positives. - Ex : Si on a un flux sortant d’ion potassium ? On va avoir l’effet inverse, donnant une hyperpolarisation. L’hyperpolarisation est une forme d’inhibition où le potentiel de membrane devient plus négatif. 5 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 b. Réponses passives et potentiel d’action Si on injecte un courant négatif : hyperpolarisation de la cellule, le potentiel de membrane change vers des valeurs plus négatives. Ces réponses ont lieu localement. Si on injecte un courant positif : dépolarisation de la cellule, le potentiel de membrane change vers des valeurs plus positives. Si on franchit un certain seuil, on déclenche un phénomène explosif, très utile pour véhiculer l’info sur une longue distance. -50mv : lorsqu’on atteint un seuil, les valeurs changent brutalement (= potentiel d’action). Le potentiel d’action reflète donc l’activation du neurone au-delà d’un certain seuil - Réponses passives (potentiel électrotonique) : change de façon lente. La cellule n’est pas assez stimulée. Elles sont obtenues par dépolarisation ou hyperpolarisation. Ce sont les canaux ioniques classiques qui sont activés. - Réponse active : potentiel d’action engendré au-delà d’un certain seuil. C’est un phénomène dit « tout ou rien » c. Enregistrement intracellulaire du PA Un potentiel électrotonique est une petite variation de potentiel sous le seuil pour le potentiel d’action. Un potentiel électrotonique s’atténue avec la distance assez rapidement. Cependant, il participe à la propagation du potentiel d’action (courants locaux, voir-ci-dessous). Lorsque le potentiel de membrane dépasse un certain seuil (~ - 40 mV), un potentiel d’action est déclenché. Le potentiel électrotonique s’atténue rapidement sur la distance. Solution : potentiel d’action. Le potentiel de membrane va alors augmenter très rapidement vers des valeurs très positives et atteindre le potentiel de pointe (« spike »). 6 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 d. Potentiel d’action : modèle simplifié On a un bassin avec 2 compartiments : - Intracellulaire → ions potassium - Extracellulaire → ions sodium La perméabilité membranaires aux ions sodium augmente : le potentiel d’action est activé (dépolarisation). Une fois le potentiel de pointe atteint, la perméabilité membranaire s’inverse (hyperpolarisation) et atteinte une valeur légèrement plus négative que la valeur du potentiel de repos avant de retourner à la valeur de repos (pas représenté sur ce schéma). e. Potentiel d’action : décours temporel ❖ Au repos : la perméabilité membranaire du potassium est supérieure à celle du sodium ❖ Phase ascendante : activation de canaux ioniques contrôlés par la différence de potentiel (par le voltage). Lorsqu’on atteint la valeur seuil, des canaux voltages-dépendants s’ouvrent rapidement, les premiers laissant passer le sodium. ❖ Phase descendante : Les canaux voltages-dépendants sodiques sont inactivés mais les canaux voltages-dépendants potassiques s’ouvrent après le potentiel de pointe. Les canaux sodiums peuvent être ouverts, fermés ou inactivés. Lorsque la membrane est dépolarisée au-delà d’un certain seuil, la balance des ions de part et d’autre de la membrane cellulaire est modifié. Lorsque le potentiel de membrane atteint le seuil, les canaux Na+ voltage dépendant s’ouvrent rapidement. Il en résulte un afflux entrant d’ions Na+ qui dépasse le flux sortant d’ions potassiques. Cet accroissement de la dépolarisation provoque une ouverture d’un plus grand nombre de canaux sodiques voltage dépendant. Et ainsi de suite. Le potentiel de membrane approche la valeur du potentiel de repos des ions sodiques, mais ne l’atteint pas, étant donné l’activation, cependant plus lente, des canaux potassiques voltage dépendant. La repolarisation est due à l’inactivation des canaux sodiques, à l’ouverture des canaux potassiques voltage dépendants. Cette combinaison provoque un efflux de charges positives Comment la dépendance au voltage de la perméabilité membranaire a été mise en évidence? La technique du voltage imposé : Pour modifier le potentiel de membrane d’un point de vue expérimental : - On utilise un axone géant du calmar ; on peut artificiellement changer la différence de potentiel de part et d’autre de la membrane cellulaire et mesurer comment cela va changer les flux ioniques. 7 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 f. La perméabilité membranaire dépendante du voltage : expériences de Hodgkin et Huxley Ce système permet d’imposer une différence de potentiel A : on a imposé une hyperpolarisation de 65mv → on remarque qu’il n’y a grand-chose qui se passe lorsqu’on impose un voltage de 65mv. Courant capacitif : dû au fait qu’ils y a une redistribution locale rapide des charges électriques au moment de la stimulation. B : on a imposé une dépolarisation de 65mv. Il se produit deux choses : - Courant entrant de sodium ; très rapide vers l’intérieur du neurone - Courant sortant de potassium : plus lent et retardé g. Blocage sélectif des canaux ❖ Au repos : -75mV ❖ Dépolarisation : - Quand on ajoute une substance (tétraethylammonium) qui bloque les canaux voltages-dépendants potassiques, on remarque que le courant entrant très rapide est bien dû aux ions sodium. - Si maintenant, on ajoute un poison (tétratoxine) qui bloque les canaux voltages-dépendants sodiques : il ne reste que la partie lente de la variation du potentiel de membrane qui est donc liée au flux de potassium. h. Potentiel d’action : un processus explosif - Cycle rapide (sodium) : dépolarisation → influx rapide d’ions sodium car contrôlés par le voltage et s’ouvrent rapidement les premiers → augmentation du flux transmembranaire → la dépolarisation augmente → plus de canaux voltage sodium qui vont s’ouvrir (rétroaction active) = phénomène actif - Pointe de potentiel atteinte - Cycle lent (potassium) : inactivation des canaux voltage-dépendant sodiques + le voltage est favorable à l’ouverture des canaux voltage-dépendants potassiques→ sortie des ions potassiums → hyperpolarisation membrane (cycle négatif) 8 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 i. Potentiel d’action : périodes réfractaires La période réfractaire absolue est due à l’inactivation des canaux sodiques. La probabilité d’ouverture des canaux potassiques est grande. La genèse d’un potentiel d’action est impossible. La fréquence ne peut donc pas dépasser 800 potentiels d’action par seconde car les canaux sodium sont inactivés donc on ne peut pas provoquer un second potentiel d’action pendant cette période (car cela nécessite une ouverture des canaux qui n’est donc pas possible). Durant la période réfractaire relative une fraction des canaux sodiques est encore inactivée. La probabilité d’ouverture des canaux potassiques diminue. La genèse d’un potentiel d’action est possible mais la valeur du potentiel seuil est moins négative. Il va falloir dépolariser beaucoup plus pour provoquer un potentiel d’action j. Potentiel d’action : résumé Propriétés du potentiel d’action (PA): - Loi du tout ou rien. - Propagation sans atténuation le long de l’axone (à l’opposé du potentiel électrotonique, qui s’atténue avec la distance). - Trois phases: ascendante, descendante, hyperpolarisation. - Genèse au niveau du segment initial (densité élevée de canaux sodium) = jonction entre l’axone et le corps cellulaire. C’est là qu’on trouve la concentration la plus élevée de canaux voltage dépendant. Séquence menant au PA: - Dépolarisation du neurone jusqu’au seuil (-40 mV). - La phase ascendante est due à l’ouverture des canaux Na+ « voltage dépendants ». - Les conductances membranaires dépendent du voltage. - La phase descendante est due à l’inactivation des canaux Na+ et à l’ouverture des canaux K+ « voltage dépendants ». - Période réfractaire absolue et relative. - Equation de Hodgkin et Huxley (1952). k. Inactivation des canaux NA+ On peut classer les canaux ioniques en deux grandes catégories : - ceux qui sont toujours ouverts et qui contribuent à établir le potentiel de repos - ceux qui s'ouvrent et se ferment en réponse à certains stimuli spécifiques (neurotransmetteur, second messager, variation du potentiel de membrane, etc.). - ❖ Si différence de potentiel : - Porte d’activation : capable de s’ouvrir très rapidement - Porte d’inactivation : va se fermer suite au potentiel d’action mais de façon plus lente (période réfractaire absolue) 9 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 6) La conduction du courant le long de l’axone a. La conduction passive du courant le long de l’axone On imagine ici une situation où on ne possède pas de potentiel d’action : quand on injecte du courant, on provoque une dépolarisation. Injection → le potentiel atteint une valeur plateau → valeur du potentiel retombe à la valeur de repos On a placé des électrodes d’enregistrement du potentiel de membrane à plusieurs endroits le long de l’axone : on voit que ce potentiel de membrane s’atténue très rapidement avec la distance. C : après l’avoir stimulé au temps 0, la valeur du potentiel décroit très rapidement avec la distance. Après avoir parcouru 2,5mm, le potentiel retrouve sa valeur de repos. L’excitation provoquée ne s’est pratiquement pas propagée. Il est donc impossible, par ce mécanisme, de provoquer des informations depuis la moelle épinière, par exemple. b. La conduction active des signaux le long de l’axone par le PA On refait la même expérience mais dans laquelle les potentiels d’action existent et peuvent se propager. A l’endroit où on injecte un courant au-dessus du seuil, la valeur du potentiel de pointe (« spike ») est positive (20mV). Au niveau des segments plus éloignés : le potentiel d’action se régénère et se redéclenche point par point le long de la membrane axonale et il n’y a pas d’atténuation. c. Propagation du potentiel d’action : conduction active et rôle des courants locaux Les canaux voltages-dépendants sodiques s’ouvrent en premier pendant la phase ascendante lorsque le neurone est stimulé au-delà du seuil (ceci étant déterminé par les propriétés biophysiques des canaux ioniques). On a alors une entrée massive des ions sodiums à l’intérieur de l’axone. 10 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 Le courant qui s’écoule passivement va permettre la dépolarisation locale de régions adjacentes. Les canaux classiques vont permettre au courant de diffuser et d’ouvrir les canaux voltages-dépendants sodiques. On peut donc redéclencher un potentiel d’action grâce à des courants locaux, qui eux-mêmes, vont rediffuser et provoquer l’ouverture des canaux voltages-dépendants sodiques. Si les canaux voltages-dépendants sodiques sont inactivés, le potentiel d’action ne peut pas remonter le long de l’axone. Ceci donne une direction de propagation à l’information. d. Propagation saltatoire (axones myélinisés) Dans les axone, il existe des endroits où l’isolant va s’amenuiser très fort et disparaître. On a donc des nœuds ou l’isolation est inexistante. La concentration de canaux sodium voltages-dépendants y est la plus importante. Potentiel d’action → propagation dans l’axone de manière passive (courant locaux qui se reproduisent dans la partie isolée) → régénération du potentiel d’action dans les nœuds de Ranvier car présence de nombreux canaux voltages-dépendants sodiques. Ce mécanisme permet de diminuer la taille des axones. Une fibre non myélinisée va conduire les potentiels d’action a une vitesse beaucoup plus faible. On devrait avoir une moelle épinière qui ferait plusieurs mètres de diamètre car la vitesse dépend du diamètre de l’axone. Les nœuds de Ranvier situés entre les régions myélinisées constituent une zone de faible résistance électrique au niveau de laquelle à peu près tous les canaux Na+ de l'axone sont concentrés. C'est donc à cet endroit que les potentiels d'action vont pouvoir se régénérer, après que les courants ioniques qui leur sont associés se soient propagés passivement le long de la gaine isolante entre deux nœuds. Cette propagation saltatoire permet au neurone de préserver son énergie puisque l'excitation active nécessaire à la propagation de l'influx est restreinte aux petites régions nodales. La propagation saltatoire permet aussi une grande économie d'espace. En effet, la vitesse de conduction est proportionnelle au diamètre de la fibre pour une fibre myélinisée et à la racine carrée du diamètre pour une fibre non myélinisée. Cela veut dire qu'une fibre non myélinisée devrait avoir un calibre de plusieurs centimètres pour conduire l'influx à la même vitesse (100 m/s) qu'une fibre myélinisée de 20 micromètres de diamètre. Sans myéline, la moelle épinière devrait posséder un diamètre de plusieurs mètres pour que les vitesses de conduction y soient conservées (relation diamètre, vitesse de conduction de l’axone). - Altérations pathologiques de la gaine de myéline; l’axone géant du calmar 11 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 7) La transmission synaptique a. Aperçu de la synapse Dans la majorité des cas, il existe une synapse à la fin des neurones. Le potentiel d’action arrive à l’extrémité du neurone → la dépolarisation provoque l’ouverture des canaux voltages-dépendants calciques → entrée massive d’ions calcium → fusion de vésicules avec la membrane → libération d’un neurotransmetteur dans la fente → fixation aux canaux ioniques de la membrane post-synaptique → hyperpolarisation ou dépolarisation Le cellule va recycler les vésicules pour être rechargées en neurotransmetteur. Le neurotransmetteur peut être récupéré également. b. Principes généraux Synapse: espace (10-100 nm) entre les membranes plasmiques de neurones qui permet la connexion entre eux ou avec un effecteur. La transmission de l’information est assurée par une molécule chimique, le neurotransmetteur inhibiteur ou excitateur (e.g.:glutamate, GABA). Glutamate = excitateur du système (+) - Glutamate : provoque la dépolarisation de l’élément synaptique - GABA : neurotransmetteur inhibiteur qui va hyperpolariser l’élément pré-synpatique (-) = hyperpolarisation 3 parties: l’élément présynaptique, la fente synaptique et l’élément postsynaptique. Fonctionnement du complexe synaptique: 1. Arrivée du potentiel d’action. 2. Dépolarisation de la terminaison présynaptique. 3. Ouverture des canaux calciques activés par le voltage. 4. Entrée des ions Ca++ et fusion des vésicules avec la membrane plasmique. 5. Exocytose d’un neurotransmetteur (définition 3 critères). 6. Liaison du neurotransmetteur sur les récepteurs post-synaptiques. 7. Passage des ions à travers la membrane post-synaptique. 8. Endocytose du neurotransmetteur ou hydrolyse. 9. Récupération des membranes vésiculaires. 10. Courant postsynaptique. à Potentiels postsynaptiques excitateurs ou inhibiteurs 12 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 c. Synapse chimique Quel est l’intérêt de la synapse chimique ? La synapse chimique fonctionne par l’activation de l’élément présynaptique par le potentiel d’action. Les ions calcium entrent dans la cellule, provoquant la libération de neurotransmetteur avec activation éventuellement de l’élément post-synaptique. Dans ce cas-ci, on voit que le potentiel de membrane de l’élément post-synaptique change mais n’atteint pas le seuil car il n’y a pas assez de neurotransmetteurs libérés. Cela s’explique peut-être pas le fait que l’élément pré-synaptique n’a pas été assez activé lui-même. d. Synapse électrique et jonction communicante La synapse chimique permet en fait beaucoup de modulation et d’interactions avec d’autres molécules importantes. Elle permet une neuro- stimulation importante. Il y a donc une flexibilité de la synapse chimique qui est importante car beaucoup de molécules peuvent interagir et l’action post-synaptique sera la résultant de ces interactions, permettant de faire varier les effets de cette synapse. Il faut que l’efficacité de la transmission synaptique soit modulée, ce qui peut se faire grâce à la synapse chimique. Avantage : extrême flexibilité et l’efficacité peut être modifiée Dans le SNC : il existe 5% de synapse qui sont des synapses constituées d’une jonction communication. Elles permettent le passage des ions parce que les canaux ioniques sont juxtaposées les uns en face des autres. Les flux ioniques vont donc directement continuer dans l’élément post-synaptique sans modulation. On retrouve ce type de synapse dans l’appareil auditif par exemple. - Avantage : la transmission de l’influx nerveux est beaucoup plus rapide car pas d’interactions qui doivent se produire avant l’activation post-synaptique. - Désavantage : pas de possibilité de moduler la synapse avec l’apprentissage. 13 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 e. Critères qui définissent un neurotransmetteur Il existe beaucoup de neurotransmetteurs hypothétiques. Il est très difficile de mettre en évidence un neurotransmetteur. Il faut au moins 3 critères : - Il se retrouve dans l’élément pré-synaptique ; il faut des moyens technologiques pour extraire ces molécules et analyser pour montrer qu’ils sont libérés lorsque survient un potentiel d’action. Il faudra ensuite montrer que l’élément libéré dans la synapse se fixe bien sur l’élément post-synaptique (récepteurs). - Application d’agonistes et d’antagonistes qui vont venir moduler la neurotransmission au niveau de la synapse. f. Expérience de Loewi Le cœur de grenouille continue à battre pendant un certain temps lorsqu’il est extrait. La FC est modulée par le nerf vague, qui provoque une diminution de la FC lorsqu’il est activé. Il a mis dans un premier conteneur un cœur de grenouille avec le nerf vague attaché. Il l’a mis en contact avec un deuxième conteneur avec un cœur sans nerf vague. Il se dit que ce qui est libéré par le nerf vague va se diffuser vers le deuxième conteneur. - Résultats : lorsque le nerf vague du cœur n°1 est stimulé, la force et la fréquence des FC diminue. Le nerf vague joue donc bien son rôle. Cependant, on voit que la FC du cœur n°2 va commencer à diminuer progressivement aussi, ce qui met en évidence qu’il y a bien eu une libération de molécules qui ont diffusé d’un conteneur à l’autre. g. PPSE et PPSI Le potentiel post-synaptique excitateur (PPSE) : est causé par l’ouverture de canaux sodiques et potassiques du côté post-synaptique sous l’action du neurotransmetteur (e.g. glutamate). Le potentiel post-synaptique inhibiteur (PPSI) : est causé par l’ouverture de canaux chlorure sous l’action du neurotransmetteur (e.g. GABA ou glycine). Lorsqu’on stimule les afférences excitatrices : dans un premier temps, la variation du potentiel reste sous le seuil. Si on augmente le nombre de fibres qu’on stimule, on dépasse le seuil et on atteint une valeur de pointe important. Inhibition : les ions passent du côté post- synaptique, ils hyperpolarisent la cellule et les canaux ioniques vont donc plutôt laisser passer des ions chargés négativement 14 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 Afférence et Efférence h. Intégration synaptique des signaux Un même neurone peut recevoir des connexions excitatrices et inhibitrices. Un neurone est soit excitateur, soit inhibiteur mais il peut recevoir des afférences excitatrices ou inhibitrices. - Une seule synapse excitatrice stimulée : ne provoque pas de potentiel d’action. - 2 synapses excitatrices stimulées : sommation qui déclenche un potentiel d’action - Synapses inhibitrices stimulée : hyperpolarisation - 1 synapse excitatrice + 1 synapse inhibitrice : signal moyen, mais l’amplitude de la synapse excitatrice est plus efficace - Somme des 3 : ne suffit pas à déclencher un potentiel d’action. Ces interactions ont un rôle capital dans la régulation des comportements. i. Différents types de contacts synaptiques - Synapses excitatrices : ont plutôt tendance à se concentrer sur le corps cellulaire - Synapses inhibitrices : se concentrent plus sur les dendrites, donc en périphérie du corps cellulaire La distribution spatiale va jouer un rôle sur la façon dont on va traiter l’information. j. Potentiel d’action : enregistrement intracellulaire ou extracellulaire ❖ Enregistrements intracellulaires : ce type d’enregistrement n’est pas facile à effectuer. On voit que les valeurs font une courbe monophasique. Le neurone va être dépolarisé donc des charges positives entrent à la place du neurone. L’électrode devient positive. Ensuite les choses s’inversent avec la dépolarisation et l’hyperpolarisation. ❖ Enregistrements extracellulaires : ce type d’enregistrement est plus facile à effectuer. On constate que le même potentiel d’action à une allure différente sur le graphe, il est biphasique. Si le neurone est dépolarisé, l’électrode voit les charges positives s’éloigner d’elle (et devient donc relativement négative) et puis inversion du phénomène. Le signal électrique sera beaucoup plus faible. 15 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 8) Différents types de récepteurs - Récepteurs associés à des canaux ioniques : fixe le neurotransmetteur au récepteur, ce qui provoque l’ouverture du canal laissant passer les ions. L’action est immédiate - Récepteurs associés à la protéine G : classe de protéines impliquées dans la transduction de signaux de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule. Le neurotransmetteur active l’activation d’un complexe transmembranaire couplé à la protéine G en intra-cellulaire, qui lui-même provoque l’ouverture des canaux ioniques. - Cela va être important dans l’apprentissage et la mémoire ; - A : Récepteurs associés à des canaux ioniques : les canaux ioniques s’ouvrent et se ferment très rapidement (micro-secondes). On ne peut pas retenir une information avec ce type de mécanisme. - B : Récepteurs associés à la protéine G : l’activation d’un canal ionique peut durer plusieurs secondes pendant lesquelles le neurone est activé, ce qui permet de retenir l’information plus longtemps. Etapes entre l’activation de la protéine G et le canal ionique : - L’AMP cyclique (adénosine monophosphate) va jouer un rôle très important dans les phénomènes d’apprentissage. Activation de la protéine G → activation de l’adenylyl cyclase AMP cyclique → l’AMP cyclique est le substrat de l’enzyme AMP cyclique kinase qui va venir phosphoriser le canal ionique. Cette phosphorylation change la confirmation du canal ionique et donc sa perméabilité. GABA = inotropique Sérotonine = régule l'humeur Dépression est un ensemble de trucs 16 VANCOLEN Elisa Coupure ici Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 B. Introduction aux méthodes neuroscientifiques 1. Qu’est-ce qu’un système ? - Système : ensemble cohérent constitué d’éléments en interaction dynamique entre eux et dont le comportement global est nouveau par rapport au comportement des parties qui le constituent. Il est plus que la somme de ses parties. - Notion d’émergence : très difficile à définir. Quand on met un grand nombre de neurones ensemble, des propriétés apparaissent qu’on ne peut pas comprendre en regardant l’activité d’un seul neurone. - Le système nerveux est constitué d’éléments (neurones) en interaction dynamique (dans des réseaux) et dont le comportement global ne peut s’expliquer par l’analyse des neurones de manière isolée. - Système simple : constitué d’éléments simples → problème de la limite d’un système (e.g. beaucoup de grains de sables forment une dune de sable, à parti de quel moment parle-t-on d’une dune de sable ?) - Système complexe : constitué d’éléments eux-mêmes complexes 2. Une structure hiérarchique organisée en différents niveaux Entrée → système → sortie Un système reçoit des afférences et produit une sortie. La sortie peut elle-même influencer l’entrée par rétroaction dans le système complexes adaptatifs (qui peuvent apprendre) Le problème : le cerveau contient 100 milliards de neurones avec jusqu’à 10000 de synapses par neurone Comment étudier un système aussi complexe et établir des relations causales ? 3. L’observation de cas historiques Les blessures de guerre sont souvent à l’origine de lésions cérébrales. Ces lésions provoquent une perte de fonctions spécifiques → établissement d’un lien causal structure-fonction. Ex : Pendant la première guerre mondiale, il y a eu de nombreux progrès technologiques dans l’armement et notamment dans la balistique. La cartouche a un pouvoir de pénétration importante et peut faire des lésions cérébrales très localisées. Les blessures de guerres étaient malheureusement très fréquentes. On a étudié l’étendue des lésions chez ces patients. La lésion a eu lieu dans la région postérieure du crâne, autour de la scissure calcarine. C’est là que se fait le premier traitement visuel. Gordon Holmes était médecin et a mesuré l’étendue du champ visuel de l’œil gauche et de l’œil droit de ce blessé de guerre. Il a remarqué qu’on pouvait constater une cécité d’origine corticale totalement localisée. La tache noire est la partie du champ visuel qui n’est plus perçue par le patient. Il a mis en évidence le fait que la représentation du champ visuel est constituée d’hémichamps et que dans la partie gauche du cerveau, c’est la partie droite du champ visuel qui est représentée et inversement et que le siège de ce champ visuel est dans la partie occipitale du cerveau. 17 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 Le cas Phineas Gage : rôle du cortex préfrontal dans le jugement, la planification à long terme, les actions prospectives, la personnalité. Phineas Gage était un ouvrier modèle qui a subi une explosion, une barre à mine traversant son cortex préfrontal du côté droit. La barre à mine a été retirée et Phineas a survécu. Cependant, son comportement a complètement changé. Il est devenu très impulsif et ne contrôlait plus son comportement en fonction du contexte. Il est devenu complètement désinhibé. Lésions expérimentales et thérapeutiques On tente de détruire une région particulière du cerveau pour observer les conséquences de ces lésions. En recherche: les lésions peuvent être provoquées en passant un courant électrique à travers une électrode ou à l’aide d’agents chimiques neurotoxiques (e.g. acide kainic). Une lésion réversible peut être causée par refroidissement (et ensuite réchauffement) ou par des agents chimiques (e.g. lidocaïne; muscimol). On utilise alors des anesthésistes locaux. En clinique neurologique : la lésion peut être réalisée de manière chirurgicale (e.g. interruption d’une voie ou aspiration du tissu nerveux anormal). Exemple du patient HM (voir cours sur la mémoire) ; patient épileptique à qui on a retiré le tissu (foyer épileptogène) qui fonctionnait anormalement. 4. Les méthodes neuroanatomiques a. La stéréotaxie Stéréotaxie : localisation tridimensionnelle des structures nerveuses dans les trois plans de l’espace par rapport à un cadre de référence externe. Le but est de pouvoir s’orienter à l’intérieur du cerveau à partir de la boîte crânienne. - Indispensable pour placer des électrodes de stimulation électrique ou d’enregistrement ou encore pour faire des lésions. - Essentiel lors des interventions neurochirurgicales. Les structures nerveuses sont dans une relation spatiale relativement constante par rapport à certains ‘marqueurs’ externe sur la boîte crânienne. Par exemple, le méat auditif, le bord inférieur de l’orbite, la position des incisives… Grâce à ces 3 points de référence, on peut facilement repérer la majorité des structures nerveuses car on peut positionner le bistouri dans les 3 plans de l’espace. Des atlas sont réalisés chez l’homme ainsi que les modèles animaux. Ces méthodes sont maintenant informatisées et couplées à l’imagerie cérébrale. ❖ La méthode Brown-Robets-Wells Ceci est un cadre stéréotaxique utilisé chez l’homme. 18 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 b. La résonance magnétique nucléaire (RMN, MRI) Elle permet de visualiser l’intérieur du cerveau au millimètre près sans avoir à ouvrir la boîte crânienne mais ne permet pas d’avoir d’information fonctionnelle. Le scanner contient des récepteurs et une antenne, nécessaire pour le signal de radiofréquence. On peut aller superposer cette image au cadre stéréotaxique. - Résolution spatiale < 1 mm : excellent pour visualiser la position des structures chez un individu particulier. ❖ Le temps de relaxation de l’hydrogène des molécules d’eau L’hydrogène des molécules d’eau possède un moment magnétique (il possède un dipôle et donc un axe de rotation). Les moments magnétiques de spin s’alignent dans un champ magnétique puissant. Le signal radio-fréquence introduit une précession de l’axe de rotation. La magnétisation verticale est perturbée par un signal horizontal. Lors du retrait du signal horizontal (RF) : le temps de relaxation mesure le temps pris pour perdre la magnétisation horizontale (T2) et retrouver la magnétisation verticale (T1). - T1 : sur l’image, on aperçoit la substance blanche qui est claire et le LCR en noir. En utilisant T1, on peut facilement faire la différence entre le contenu des ventricules et la substance blanche et grise. Cependant, cette méthode ne permet pas de distinguer la différence entre une substance blanche normale et une substance blanche lésée. - T2 : la substance blanche et la substance grise sont séparées. On peut plus facilement faire une distinction entre une substance blanche normale et une substance blanche lésée. 19 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 5. Les méthodes histologiques a. Quelques méthodes histologiques utilisées en neurosciences - Deux éléments essentiels dans les méthodes histologiques : on peut colorer artificiellement les corps cellulaires et les fibres nerveuses. b. La méthode de Golgi La méthode de Golgi, basée sur une imprégnation aux sels d’argent des corps cellulaires, ne colore pas tous les neurones (elle ne colore que 25% des corps cellulaires). Si tous les corps étaient marqués, le cliché serait uniformément noir car il y a partout une grande densité des corps cellulaires. Méthode assez ancienne. Peu utilisée en recherche mais historiquement importante. c. La reconstruction des voies nerveuses Les fibres nerveuses peuvent être très longues. Pour comprendre comment elles fonctionnent, il faut donc connaître leur trajectoire. Pour cela, on peut utiliser des marqueurs qui vont se déplacer le long des axones grâce aux microtubules. - Transport antérograde : corps cellulaire → terminaison synaptique - Transport rétrograde : terminaison synaptique → corps cellulaire La reconstruction des voies nerveuses par la peroxydase du raifort (HRP, Horse Radish Peroxidase) : l’enzyme est injectée dans la zone d’intérêt à l’aide d’une micro-seringue. Les neurones qui projettent vers cette zone vont absorber l’enzyme qui sera ensuite transportée vers le soma. Ceci est donc un exemple de transport rétrograde (vers le corps cellulaire). 20 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 La reconstruction des voies nerveuses par le virus de l’herpès : Il est utile car il possède plusieurs souches dont certaines vont être transportées de façon antérograde et d’autres de façon rétrograde. On va rendre ce virus inoffensif et l’utiliser pour marquer la voie nerveuse qui nous intéresse. Le cortex moteur projette vers la moelle épinière mais également vers le cervelet. S’il y a une lésion cérébelleuse, les mouvements seront saccadés et imprécis (ataxie). Vraisemblablement le cortex moteur est donc en connexion avec le cervelet. On peut donc injecter le virus à l’intérieur d’un neurone, il va diffuser et aller marquer le point A et le point B. 6. Le méthodes anatomo-fonctionnelles a. Déoxyglucose radioactif - Méthode invasive utilisée chez les animaux L’activité neuronale nécessite du glucose. Le déoxyglucose est un glucose modifié et marqué radioactivement mais qui n’est pas dégradé comme le glucose. En injectant du déoxyglucose dans la circulation générale, les neurones importent cette molécule en même temps que le glucose ‘normal’. Le déoxyglucose s’accumule dans les neurones actifs. Il est dès lors possible de visualiser les régions cérébrales impliquées dans une tâche particulière en mesurant la radioactivité accumulée. Si une région est hypofonctionnelle : elle va consommer moins de glucose et donc accumuler moins de radioactivité. 21 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 ❖ Positron emmision tomography (PET scan) - Nécessité d’un marqueur radioactif (e.g. 18F deoxyglucose). - Méthode semi-invasive. Chez l’homme, on va devoir trouver une méthode moins invasive ; le glucose radioactif. Celui-ci est instable (il se dégrade très rapidement) et son temps de demi-vie est donc très court. Pendant sa dégradation, il va émettre un positron qui va voyager (jusqu’à 9mm) dans le tissu nerveux et rencontrer un électron. Cette rencontre va provoquer une annihilation avec émission de deux rayons gamma opposés. On repère facilement cette annihilation et on peut donc marquer l’endroit où il y a eu une annihilation, tout en sachant que ce lieu peut être à une distance de 9mm par rapport à l’endroit exact de la haute concentration en glucose radioactif. - Désavantage : incertitude spatiale relativement importante et pas d’information temporelle (il faut du temps avant que la radioactivité s’accumule). La mesure est donc assez indirecte. ❖ Méthode de soustraction On compare une situation où l’action est stimulée (ex : yeux ouverts) avec une situation où l’action n’est pas stimulée (ex : yeux fermés) et on établit la différence entre les deux. On va répéter l’expérience un bon nombre de fois sur un bon nombre de sujets pour avoir une activation moyenne. En faisant ce moyennage, on arrive à améliorer la résolution spatiale. - Résolution spatiale : environ 4mm – (ex : si mes doigts sont séparés par une distance inférieure à 4mm, le PET scan ne pourra pas faire la distinction entre les deux) - Résolution temporelle : de l’ordre de la minute C’est beaucoup mieux que les autres méthodes mais ce n’est pas encore le plus idéal pour cibler l’activité de chaque neurone. 22 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 b. Résonance magnétique fonctionnelle - Méthode non-invasive : mais confinement, champ magnétique puissant et bruit - Même principe que pour la résonance magnétique nucléaire - Intérêt : on peut étudier des fonctions cognitives - BOLD signal : mesure (très) indirecte d’un point de vue physique de l’activité neuronale - On applique des statistiques sur cette activité physique. Il y a donc beaucoup de limites pratiques et théoriques à cette méthode. Le métabolisme neuronal nécessite de l’oxygène. Il va donc il y avoir un rapport modifié entre l’hémoglobine oxygénée et l’hémoglobine réduite lorsqu’une région cérébrale est activée. Activation d’une région cérébrale → augmentation du volume sanguin → diminution des globules réduits car augmentation de l’oxygène sanguin → augmentation du signal en résonnance magnétique fonctionnelle. La désoxyhémoglobine (Hbr) est paramagnétique (aimantation acquise dans un champ magnétique ; l’hémoglobine placée dans un champ magnétique possède un champ magnétique). Dans les régions cérébrales activées, l’augmentation de l’activité neuronale nécessite de l’oxygène. Cette augmentation de la demande en oxygène provoque une large augmentation du débit sanguin et une diminution de l’Hbr qui est détectée par le scanner. Le temps de relaxation T2 (protons des molécules d’eau) en est augmenté pendant l’activation (1%). Le scanner va mesurer ce temps de relaxation. Une valeur du signal BOLD est obtenue pour chaque voxel (pixel qui a un certain volume) formant des cartes paramétriques. Ces cartes sont comparées statistiquement entre différentes conditions donnant des cartes d’activation. On peut donc voir les zones d’activation de l’individu, superposées sur l’image du cerveau inactif du même sujet. Généralement, ces cartes sont en plus moyennées sur de nombreux sujets. - Résolution spatiale : environ 2-3mm - Résolution temporelle : quelques secondes 23 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 ❖ Réponse hémodynamique - Réponse hémodynamique : mécanisme physiologique qui consiste en une augmentation locale du débit sanguin afin de subvenir au besoin énergétiques des cellules en activité. Le signal enregistré va dépendre du signal hémodynamique qui est lent. On ne peut donc pas avoir une idée directe de l’activité neuronale avec la méthode de résonance magnétique fonctionnelle. ❖ Superposition anatomo-fonctionnelle On associe l’image obtenue en résonance magnétique fonctionnelle (couleurs) sur l’image obtenue en résonance magnétique anatomique (gris). Utilité clinique : Avant une intervention chirurgicale sur le cerveau, on peut repérer les zones qui doivent être enlevées et surtout les zones périphériques de la future ablation de manière à limiter les dégâts (perte de la motricité de la main, aphasie, etc…). On peut également facilement repérer les tumeurs. 24 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 7. Méthodes électrophysiologiques en neurosciences systémiques a. Enregistrement intracellulaire ou extracellulaire Toutes les méthodes décrites auparavant ne permettent pas d’avoir une représentation temporelle précise. Afin de combler cette lacune, on va utiliser, en plus des méthodes décrites, les enregistrements intracellulaires ou extracellulaires. ❖ Enregistrement extracellulaire - Exemple du foyer épileptogène : le médecin descend pour aspirer le tissu mais sur sa trajectoire, il peut enregistrer de façon extracellulaire, l’activité des neurones à des fins de recherche. Cela peut être intéressant car dans les foyers épileptogènes, ces signaux sont anormaux. Expérience sur un cerveau de rat : cellule de Purkinje enregistrée dans le cervelet de la souris. Plusieurs PA différents sont présents sur cette figure. On marque le moment de survenue des PA par un trait vertical sur la figure et une valeur temporelle dans un fichier d’ordinateur. Ex : mouvement de bras → population de neurones qui se déchargent – potentiels d’action qui se succèdent. On indique par un trait vertical le moment de survenue du potentiel d’action ( ! pollution par des potentiels d’actions de cellules voisines). La forme importe peu, c’est le moment qui nous intéresse. C’est basé sur l’hypothèse solide que l’information dans le système nerveux central est encodée par la fréquence des potentiels d’action. Donc l’encodage de l’information dans le système nerveux se fait par la fréquence des potentiels d’action donc on a besoin d’une chose, c’est le moment de survenue de ces potentiels d’action. Dans la partie supérieure de la figure, on observe des trains de potentiels d’action dans la même cellule. On a répété expérience plusieurs fois. Après avoir répété cette expérience, on a fait un histogramme montrant la fréquence de décharge d’un neurone en fonction du temps. C’est comme cela qu’on étudie en général le fonctionnement des neurones chez l’homme et chez l’animal. 25 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 ❖ Enregistrement intracellulaire On utilise généralement une pipette en verre dont l’extrémité est inférieure à 1micron. Elle contient un liquide et un fil en argent qui permet d’enregistrer le potentiel de membrane. On peut entrer dans la cellule et injecter un traceur pour posséder la meilleure information possible et on est certain de n’enregistrer qu’un seul neurone. Cela est complètement irréalisable chez l’homme. b. Potentiel d’action : enregistrement intracellulaire ou extracellulaire ? Le même potentiel d’action peut être vu de 2 manières : - Intracellulaire : potentiel de repos – dépolarisation – potentiel de pointe – repolarisation – hyperpolarisation  100 mV de différence (de -60mV à +40mV) - Extracellulaire : activation du neurone – charges positives entrent dans la cellule – électrode devient négative – repolarisation – ions positif ressortent de la cellule – l’électrode devient positive  Signal plus faible (de l’ordre de microV) c. Stimulation électrique Stimulation électrique: stimulation d’une région du cerveau en injectant un faible courant électrique (maximum 100mA) à proximité des corps cellulaires. - But: provoquer une sensation ou un mouvement pour étudier le rôle d’une structure ou localiser une région spécifique dans le cerveau. On peut utiliser cette méthode à des fins thérapeutiques voire à des fins psychiatriques. Ex : stimuler une région et provoquer un mouvement du bras → bon élément pour dire que la région du cerveau étudiée est responsable du mouvement. - Homme et animal - Utilisation courante en neurologie. La stimulation électrique joue un rôle de plus en plus important chez l’homme pour réduire les symptômes de la maladie de Parkinson, les TOC, et maintenant également la dépression. Dans le cas de la maladie de Parkinson, les électrodes sont placées généralement dans le STN ou le Gpi (voir cours). La stimulation électrique peut réduire les symptômes de la maladie de Parkinson pendant une durée de plusieurs années. 26 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 d. Electroencéphalographie (EEG) EEG : activité électrique du cerveau enregistrée à l’aide d’électrodes placées sur le scalp, et donc à distance des neurones. Elle enregistre essentiellement l’activité des neurones pyramidaux et au niveau des dendrites apicaux, ce qui est assez limité. Le courant est atténué par les enveloppes méningées et l’os. Les signaux sont donc assez faibles. Si on a une forte activation occipitale, les électrodes occipitales vont être activées mais le courant va être diffusé donc on va avoir une « contamination » des autres électrodes. - Méthode non-invasive. - Résolution temporelle : bonne (de l’ordre de la milliseconde). - Résolution spatiale : mauvaise Elle mesure une différence de potentiel entre l’électrode mesurée et une référence qui est souvent le lobe de l’oreille. Il y a des électrodes disposées de manière régulière sur le scalp. Les signaux EEG varient en fonction de l’état de veille, de l’attention, de stimulations sensorielles éventuelles. Ex : on demande d’ouvrir et fermer les yeux → les signaux varient de manière très importante. - Lorsque les yeux sont ouverts : l’activité électroencéphalographique est très faible. On enregistre juste les mouvements des yeux, ce qui est un artefact car le patient devrait normalement rester immobile. - Lorsque les yeux sont fermés : des activités synchrones apparaissent (ondes alpha). Cette synchronisation joue un rôle fonctionnel, l’activité alpha est très importante. On peut voir si celle-ci est normale. En neurologie, il permet de faire des inférences concernant le fonctionnement normal ou pathologique du cerveau. L’épilepsie se manifeste par des signaux EEG caractéristiques. FAIRE UN TABLEAU SYNTHESE AVEC LES ANIMAL/HOMME, INVASIF/NON-INVASIF, RESOLUTION SPATIALE/TEMPORELLE - Relaxé : ondes alpha avec synchronisation autour de 10 Hz. - Endormi : signal irrégulier - Sommeil profond : bande delta de grande amplitude Très important ?? 27 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 Ceci sont d’autres représentations d’analyses des signaux en fonction de l’état d’éveil du patient. ❖ Potentiels évoqués : Activité électrique synchronisée à un événement. Applications cliniques importantes. On utilise le même système mais on va synchroniser l’enregistrement de l’activité électrique avec la présentation d’un stimulus sensoriel. Ex : potentiel évoque visuel. Le sujet est face à un écran où on lui présente des stimuli et on analyse l’activité électrique liée à cette stimulation. On va essentiellement faire une analyse temporelle (fréquentielle dans le cas de l’EEG simple). L’amplitude du potentiel va varier en fonction du temps. Cette variation se caractérise par une période de latence (pour que l’activité transit jusqu’au cortex occipital). Cette période est importante car elle explique les temps de conduction qui sont très standards chez l’homme. S’il est anormal, c’est que les fibres sont probablement endommagées car la latence du signal va être modifiée (ex : gaine de myéline abîmée dans la sclérose en plaques, la latence va varier de manière importante). L’amplitude su signal peut varier beaucoup d’un individu à l’autre mais également chez un même sujet lorsque les conditions expérimentales changent. Elle va être corrélée avec le nombre de neurones actifs à proximité de l’électrode. Les signaux EEG sont très « bruités », ils peuvent contenir de nombreux signaux parasites (ex : micromouvements de l’œil, contraction de muscles de la face…). Avec un seul enregistrement de potentiel évoqué, on ne peut pas faire grand-chose. On va souvent répéter plusieurs fois la stimulation. - 1 trace : fournit très peu d’informations - 64 traces : le signal est progressivement beaucoup moins bruité et on obtient un signal qui est assez caractéristique. L’amplitude des signaux est de l’ordre de quelques microvolts, ce qui est extrêmement faible, d’où la nécessité d’amplification de ce signal. ON constate que le signal est caractérisée par un premier pic qui correspond à une activité à 79ms. Il est indiqué comme étant négatif (vers le haut). Un deuxième pic positif apparait à 104ms. Si la latence du premier pic est plus longue, c’est que des fibres sont peut-être endommagées. 28 VANCOLEN Elisa Neuropschyo & neurophysio Année 2020-2021 e. Stimulation magnétique transcrânienne Stimulation magnétique transcrânienne : induction d’un courant électrique dans le cerveau à l’aide d’un champ magnétique appliqué sur le scalp. La TMS peut dépolariser les neurones sous-jacents et provoquer un mouvement ou une sensation (single pulse or paired pulse). On peut provoquer l’activation ou l’inhibition d’une population de neurones et on est donc capables de provoquer un mouvement ou une sensation à l’aide d’une impulsion unique. Elle peut aussi provoquer une lésion réversible ou virtuelle (rTMS, repetitive transcranial magnetic stimulation). - Non-invasive - Résolution spatiale : de l’ordre du centimètre carré Un champ magnétique est généré au moyen d’une bobine de stimulation. Le courant génère un champ magnétique qui lui-même génère des influx nerveux dans le champ cortical. Ce champ magnétique traverse l’os sans que ce soit douloureux. 8. Résumé 2 grandes catégories : - Liées à la réponse hémodynamique : IRMf et PET (mesures indirectes des conséquences de l’activité neuronale) - Mesure de l’activité électrique : EEG et MEG (technique qui enregistre directement le champ électrique induite par l’activité électrique des neurones) On voit ici toutes les méthodes utilisées. On regarde la taille des structures dont on peut enregistrer l’activité et la résolution temporelle de la méthode utilisée. - Single unit : neurone unique pendant des durées très prolongées donc bonne résolution spatiale et bonne résolution temporelle. - ERP (potentiels évoqués) : mauvaise résolution spatiale mais bonne résolution temporelle (millisecondes) - MRI : résolution temporelle moyenne (quelques secondes) et mauvaise résolution spatiale (2-3mm) - PET : mauvaise résolution spatiale (9mm) et mauvaise